CALORIMÉTRIE

S I. rHALF.LRS <PLCIF10UE< I»E< CORPS.

Quand un corps s'échauife ou se refroidit d'un certain nombre de degrés, nous disons qu'il gagne on qu'il perd une certaine quantité de chaleur; mais le thermomètre, qui nous renseigne sur ces variations, ne nous indique rien sur la valeur de cette quantité : il ne faut donc pas prendre à la lettre le sens que Ton pourrait tirer de Tétymologie. Le thermomètre mesure les températures, il ne mesure pas les quantités de chaleur. Nous allons voir, en effet, que la chaleur nécessaire pour élever un poids donné d'un corps d'un certain nombre de degrés varie avec la nature et l'état physique du corps; au delà de certaines limites de tem[)érature, elle varie même pour une même substance.

Mais avant d'aller plus loin, il faut préciser ce qu'on peut entendre par quantité de chaleur. Nous ne savons rien sur la nature intime de la chaleur; les analogies que nous avons essayé de faire ressortir entre la chaleur rayonnante et la lumière ont bien conduit les physiciens à admettre que les phénomènes calorifiques sont, comme les phénomènes lumineux, déterminés par des vibrations de Téther ; mais comment ces vibrations, en pénétrant à l'intérieur des corps, produisentelles des changements de volume et des changements d'état, c'est là une question (jur la science ne peut résoudre encore, et à laquelle on n'a répondu que par des conjectures. Toute-

fois, des recherches d'une haute importance ont mis hors de doute ce fait capital, que la chaleur peut être engendrée par des procédés mécaniques, et réciproquement se transformer en mouvements visibles susceptibles d'une évaluation précise : en un mot, la chaleur peut être assimilée à une force, et mesurée comme les autres forces physiques. Nous essayerons plus loin de donner une idée de ce qu'on entend par V équivalent mécanique de la chaleur.

Mais sans sortir du domaine de la chaleur elle-même , nous allons dire comment on a pu comparer entre elles les quantités de chaleur qui sont absorbées ou dégagées dans les variations de la température , ainsi que dans les changements d'état des corps solides, liquides et gazeux. On donne le nom de calorimétrie à cette partie de la science de la chaleur.

L'unité de chaleur ou calorie est la quantité de chaleur nécessaire, pour élever de 0° à 1® centigrade un poids d'eau de 1 kilogramme. On regarde comme évident que, s'il faut un nombre déterminé de calories pour élever la température de l'unité de poids d'un corps d'un certain nombre de degrés, il en faudrait 2, 3, 4... . fois plus, pour élever du même nombre de degrés la température d'un poids 2, 3, 4 fois plus grand. En un mot, les quantités de chaleur sont proportionnelles aux poids. Ou regarde aussi comme évident, que la chaleur absorbée par un poids donné d'un corps pour élever sa température d'un certain nombre de degrés , est égale à celle qu'il dégage en revenant à sa température primitive. Une expérience très-simple va nous prouver en outre que la quantité de chaleur absorbée par une certaine élévation de température est sensiblement constante, quelle que soit la température initiale. Dans un vase qu'on a chauffé à la température de 25^^, on verse 1 kilogramme d'eau à (>, et 1 kilogramme d'eau à 5(y : puis, après avoir remué rapidement le mélange , on y plonge un thermomètre. On trouve que la température du mélange est de 25^ Ainsi la chaleur, cédée par le kilo-

GALORIMÉTRIE. 533

gramme d'eau à 50* au kilogramme à 0^, a suflB pour élever de 25' la température du second; en même temps cette perte de chaleur subie par le premier a abaissé de 50* à 25* sa température. En définitive, cette expérience prouve que la chaleur nécessaire pour élever de 0* à 25* un poids d'eau déterminé élèverait de 25" à 50' le même poids d'eau. La température initiale n'a donc pas d'influence sur la quantité de chaleur absorbée.

Mais cela n'est vrai que dans certaines limites, qui varient avec les différents corps. Ainsi deux kilogrammes de mercure , l'un à 200*, l'autre à 0* , mélangés ensemble , donnent deux kilogrammes de mercure, non plus à 100 température moyenne entre les deux extrêmes, mais bien à 102*,85 température supérieure à cette moyenne. Au delà de 100*, le mercure absorbe ou dégage plus de chaleur, pour une même variation de température, qu'au-dessous de 100".

Enfin, une troisième expérience montre que les quantités de chaleur que nous venons de comparer varient avec la nature des substances. Mélangeons séparément 1 kil. d'eau à 0* avec un même poids de mercure ou d'essence de térébenthine, à iOO', ou encore plongeons-y un kilogramme de cuivre à 100*. Il y aura, comme précédemment, gain de chaleur pour l'eau, perte pour les autres substances, et dans chaque expérience il est bien évident que le gain sera égal à la peile. Mais dans le premier cas, la température du mélange sera 3',2; dans le second, 30*; dans le troisié*rne cas enfin j 8*,0. On voit donc de combien il s'en faut que des quantités de chaleur égales produisent la même variation de temf»ératurr , sur des [KÛds égaux de substances différentes. C'est ce qu'on exprime, en disant que chaque substance a une rapacité ralorifujuc , ou une chaleur s/jérijifjuc^ qui lui est propn*: et Ion définit la chaleur spécifique la quantité de chaleur nécessaire pour élever de 0" à 1", la température d'un kilogramme du corps. Cette quantité de chaleur s exprime' en calories, ce

qui revient évidemment à prendre pour unité la chaleur spécifique de Teau.

Diverses méthodes ont été employées par les physiciens pour mesurer les chaleurs spécifiques des corps solides. L'une, la méthode des mélanges, consiste à plonger le corps, dont la température est connue, dans un bain d'eau ou d'un autre liquide à une température également déterminée : quand la température du mélange est devenue stationnaire, on la mesure, et par un calcul très-simple*, on obtient le rapport des chaleurs spécifiques du solide et du liquide. Cette méthode s'applique également aux liquides. On prend des précautions particulières , quand les corps mis en contact exercent l'un sur l'autre une action chimique. En outre, on tient compte de la chaleur absorbée par le vase, par le thermomètre lui-même, et enfin des pertes causées par le rayonnement.

Voici un tableau donnant les chaleurs spécifiques de diffé rents corps solides, liquides et gazeux. Il montre que l'eau est, de toutes les substances (l'hydrogène excepté, dont la chaleur spécifique est plus de trois fois celle de l'eau), celle qui absorbe ou qui dégage la plus grande quantité de chaleur pour des variations égales de température :

Substances. Chaleurs spécifiques.

Eau : 1,000

Hydrogène 3,294

Essence de térébenthine 0,426

Air 0,207

Soufre 0,203

Verre 0,198

Fer 0,114

1 . Ce calcul consiste à résoudre une équation, dont le premier membre exprime la quantité de chaleur perdue par le corps , et par conséquent cédée au bain et au vase; le second membre de l'équation comprend deux termes exprimant, l'un, la chaleur gagnée par le liquide, lautre, la chaleur gagnée par le vase qui le renferme. Il est évident, qu'en négligeant le rayonnement extérieur du liquide et du vase, la perte et les gains dont nous parlons se compensent: d'où Téquation et la solution du problème.

CALORIMETRIE.

Cuivre . . 0,095

Argent» , . . . 0,057

Êtain. ,,... 0,056

Mercure. . . 0,033

Or 0,032

Pkluie 0,032

Plomb 0,031

Bismuth 0,031

Mais il ne faut pas oublier que ces nombres représentent les quantités de chaleur nécessaires pour élever des poids égaux de ces corps de 0' a l\ et qu'ils ne restent constanls qu'entre certaines limites de température. Ils varient peu de 0'* à I0(f ; il n'en est plus de même au-dessus de cette dernière température. La chideur spécifique du mercure, par exemple, qui est 0,033 entre ces limites, s'accroît au delà de 100* et devient 0,035* L état physique fait aussi varier la chaleur, spécifique d'un même corps : à Tétat solide, elle est moindre qu^à Fétat liquide, et à l'état gazeux, elle reprend sensiblement la valeur qu'elle avait à Tétat solide; la capacité de la glace, à peu prés égale à celle de la vapeur d'eau, n'est guère que moitié de celle de l'eau. Quand on augmente la densité d'un métal, par exemple en récrouissaut, sa chaleur spécifique diminue. Cela cxprujuc dans une certaine mesure le fait qui ressort du tableau précédent, à savoir que les corps les plus denses ont, en général, la capacité calorifique la plus faible. Duloug et Petit ont découvert une loi remarquable, qui a été vérifiée par M. Regnaulty dans ses belles expériences sur les chaleurs spécifiques des corps. Voici en quoi consiste cette loi. On sait que les chimistes ont été amenés à considérer les corps sim|des comme formés de parties irréductibles ou d'atomes, dont le j*oids est ce quils nomment Téquivalenl chimique du corps. Le poids de Tatome d'hydrogène étant pris pour uiiilé, celui d'un atome de mercure est 100, celui d'un atome de soufre est 16, etc, Celaposé^ demandons-nous quelle quantité de chaleur sera nécessaire à un atome de soufre pour élever sa température d'un degré, quelle quantité de chaleur

sera pareillement absorbée par un atome de mercure pour élever sa température aussi d'un degré. Évidemment, d'après ce qui précède, il faudra multiplier les poids i 00 et 16 de chaque atome par la chaleur spécifique du corps simple auquel il appartient, c'est-à-dire par 0,033 et 0,203 : les produits seront proportionnels aux quantités de chaleur cherchées. Or, 100 X 0,033 donne 3,3 et 16 X 0,203 donne 3,248. Les produits sont sensiblement égaux, et il en serait de même, si nous avions pris deux autres corps simples quelconques. On peut donc énoncer, de la façon suivante^ la loi dont il s'agit :

Il faut la même quantité de chaleur pour élever d'un même nombre de degrés la température de l'atome d'un corps simple quelconque ; ou encore, la chaleur spécifique atomique est la même pour toutes les substances.

Nous avons vu que la chaleur spécifique de l'eau est à peu près quatre fois plus grande que celle de l'air. Il suit de là qu'un poids d'eau de mille kilogrammes, en se refroidissant de 1 degré, dégage une quantité de chaleur suffisante pour élever aussi de 1 degré un poids de 4000 kilogrammes d'air. Mais 4000 kilogranunes d'air occupent, sous la pression barométrique normale et à 0% un volume qui est 770 fois celui d'un même poids d'eau, c'est-à-dire égal à 3080 mètres cubes. Les conséquences de ce fait sont exprimées de la façon suivante par Tyndall, dans son ouvrage sur la Chaleur : « La grande influence que rOcéandoit exercer comme modérateur du climat se présente ici d'elle-même. La chaleur de l'été est emmagasinée dans l'océan, et lentement abandonnée pendant l'hiver. C'est là un obstacle aux températures extrêmes pour le climat des îles. Les étés des îles ne peuvent jamais atteindre la chaleur brûlemte de l'été des continents, et l'hiver des îles ne peut jamais être aussi rigoureux que Thivcr des continents. Sur divers points du continent d'Europe, ou cueille des fruits que nos étés (ceux d'Angleterre) ne peuvent pas mûrir; mais

CHALEIR LATKNTE.

ansBiy lios «Tlifes toujours verts y sont inronnus: ils ue peuvent pas y vivre pendant les hivers* L'hiver de F Irlande est, en règh* {iÇéuérale, pins doux que Thiver de la Lomhardie* >» Toutefois, êû citant ees remarques, qui nous paraissent justes, u'ouhlions pas que les faits particuliers, cités par Tyndall, ne dépendent pas seulement du voisinage de TOcéan et de la haute chaleur spéciGque de l'eau, mais aussi de Félévation de la température dans ces régions, par le grand courant d eau tiède, connu sous le nom de Gnlf-Stream.

Quand nous avons décrit les phénomènes de fusion des solides, de vaporisation des liquides, nous avons insisté sur ce fait général, que la température du point de fusion et celle du point d'éhuUition sont des températures fixes pour chaque corps, ne déperulont pas de rintensité du foyer de chaleur qui les détermine, ou de la rapidité avec laquelle ces changements d^état s'effectuent. Ces températures sont les mêmes d'ailleurs que celles des phénomènes inverses de solidification des liquides et de liquéfaction des vapeurs.

Ainsi, quand un morceau de glace fond, sa température reste constamment égale à 0*\ et toute la chaleur fournie par le foyer, quelle qu*eii soit rintensité^ est employée à réduire k glace à l'état liquide et à maintenir cet état. Voilà donc une quantité de chaleur absorbée par un corps, sans élever sa température, sans, par conséquent, devenir sensible au thermomètre. C'est pour celte raison qu'on la nomme chaleur latente. C'est la chaleur latente de fusion ou de liquidité, ou bien la chaleur latente iVclasticitéy selon qull s'agit du passage de Kétat solide à l'état liquide ou bien du passage de Tétat li([uide ^l'état gazeux. H est bien ehur que cette chaleur, qui est absorbée dans ces deux cas, est au contraire dégagée, c[nand a lieu le retour du corps à son étal primilif. On a mesurè la chaleur latente des diversi»s substances par des méthodes analogues à celles qui ont servi à détermiuer leurs chaleurs spécifiques. Nous nous bornerons ici à donner le résultat obtenu

pour la fusion de la glace, parce qu'il nous permettra de décrire un autre procédé de détermination de la chaleur spécifique des corps.

On a trouvé que la chaleur latente de fusion de la glace est de 79,25 calories, c'est-à-dire que la quantité de chaleur, absorbée par un kilogramme de glace pour se fondre, suffirait à élever à la température de 1*, 79 k. 25 d'eau à 0\ ou bien, ce qui revient au[même, à élever de 0* à 79** 25 un kilogramme d'eau. En un mot, quand on fait fondre un kilogramme de glace à 0* dans un kilogramme d'eau à 79^25, les deux kilogrammes d'eau qui résultent de la fusion sont tous deux à la température de 0\ La connaissance de ce résultat permettra donc de mesurer la chaleur spécifique d'un corps, en cherchant par l'expérience le poids de glace qu'il est susceptible de fondre en abaissant sa propre température à 0\ Voici comment on procède :

Dans un bloc de glace bien compacte et bien homogène, on creuse une cavité, dont on essuie avec soin les parois. On y introduit alors le morceau de la substance dont il s'agit de trouver la chaleur spécifique, et dont la température, supérieure à (f, est connue ; puis, on pojse sur la face bien plane du bloc, une plaque épaisse de glace qui sert de couvercle (fig. 324). En se re-

Fig. 3^4.- Mesure de la cba- f^oidissant, Ic corps foud uuc portion de leur spécifique des corps, j^ ^^^^^ ^y^^ laquelle il sc trouvc en

Méthode du puits de glace. ^ ^

contact; on recueille l'eau de fusion, et on la pèse. Supposons qu'on trouve pour résultat 100 grammes : il est clair que la chaleur dégagée par le corps, pour s'abaisser à 0^ a été la dixième partie de 79,25 calories, ou 7,923 calories. Par hypothèse, le corps pesait 2 kilogrammes, et était d'abord à la température de 35®. En divisant 7,925 par 35, puis par 2, on trouvera la quantité de chaleur dégagée par 1 kilogramme pour une variation de 1", c'est-à-dire la chaleur spécifique du corps. Dans le cas par-