LIVRE IV

LA CHALEUR

n'est qu'on arrivant au sommet de la flamme, que ces matières fariileiit à leur tour; quand cette combustion est incomplète, elles s'élèvent en fumée.

Si Ton souffle avec vivacité sur la flamme d'une bougie, tout le mande sait ce qui arrive ; la bougie s'éteint. La raison du fait est très-simple; par Finsnlllationj on introduit de Tair froid dans le gax inflammable qui^ en outre, se refroidit en se répandant dans une plus grande masse d'air, La température s'abaisse assez pour que la combustion cesse. Si, après avoir souillé la flamme, la mèche est restée incandescente, en soulUtint légèrement on la rallume, et cela se comprend encore. On renouvelle ainsi Toxygène nécessaire à la combustion; le gaz se dégage de nouveau^ et s'enflamme au contact des parties solides incandescentes.

Divers physiciens, depuis Lnplace, Lavoisier et Rumford, jusqu'à Despretz, Dnlong, Fabre et Silbermann, ont cherché à évaluer les quantités de chaleur qui se dégagent dans les combinaisons chimiipies et notamment dans la combustion. Le nombre des cah»nes qui se dégagent, quand on brûle Tunité de poids d'un corps combustible, est ce qu'on nomme alors la chaleur de combustitni de ce corps. Nous ne pouvons décrire les méthodes qui ont servi dans ces recherches importantes; nous donnerons seulement quelques résultats, qui montrent combien les corps simples difl'èrcnt sous ce rapport. Tandis que la chaleur de combustion du soufre natif est de 22Q0 calories (la calorie est ici la quantité de chaleur élevant de 1'* le poids de I gramme d'eau), celle du carbone à l'élut de diamant est 7770 calories, du même corps à l'état de

Fi g. 329. — Cbalumeau à gaz

rJllAI.KCH DUR Ai: FROTTEMENT. 5%9

graphite naturel, de 7791), et enfin à Tetat de ebnrboa de bois, de 80H0 calories. L'hydrogène, brulaut dans le chlore, dégage 23783 calories, et le même gaz brnlant dans Toxygene, 31 102.

C*est la chaleur de conibustioti de l'hydrogène qui est de toutes la plus intense; on a calcuUM|u*eIle correspondu nue élévation de tenijiérature de 6800 degrés ; aussi s'est-on servi de ce dégagement de chaleur énormej pour produire des températures exli^émemeut élevées. MM. il. Sainte-Clairt^ Ueville et Debray ont obtenu^ par Temploi du chalumeau ùgaz oxy-hydrogèue, la fusion de masses considérabU's de platine; 1 kilogramme de ce métal ne demande pour èlre fondu, vi maintenu à l'étal de fusion pendant toute la durée de l'allinage, qu'une combustion de 70 litres d'oxygène et de 120 litres d* hydrogène.

S IV. CHALELH L^LVELUÎTLE TAU LLS A*:TIONS MtlLAM^tES.

îs actions mécaniques, le frottement, la percussion, la compression dévebqipent de la chaleur, tout comme les mouvements plus intimes qui constituent les phénomènes de combinaisons cbimi«pies. Les exemples abondent de cette transFortnation du mouvement en chaleur^ et chacun de nous peut les observer aisément. Citons-en quelques-uns.

Un bouton de métal <ju'on frotte vivement contre une étoffe ou tout autre corps solide, s^échauffe et devient bri\lant : les écoliers connaissent à merveille ce moyen d'amusement ou de distraction. Le frottement d'une scie contre le morceau de bois qu'elle sert à diviser, celui d'un rasoir ou d'un couteau qu'on repasse sur une pierre, de la lime contre le métal «[u'elle mord^ élèvent la température des objets soumis à ce mouvement violent, et dont les molécules se trouvent ainsi ébranlées. Les étincelles que les fers des chevaux fout jaillir sur le I*avé, celles que produit le frottement de Tacier sur la roue du

rémouleur, ou encore celles qui enflammeut Tamadou dans le maniement du briquet à silex , proviennent les unes et les autres de la haute température dégagée par le frottement : des parcelles métalliques très-fines se détachent, et la chaleur développée est suffisante pour porter d'aussi petites masses à l'incandescence*.

Des morceaux de bois bien secs, frottés l'un contre l'autre, s'échauffent; de la fumée se dégage; et, si Ton en croit les récits des voyageurs, les sauvages arrivent même par ce moyen à se procurer du feu. Les tourneurs produisent les filets noirs^ qu'on voit quelquefois sur les objets qu'ils travaillent, en pressant fortement une pièce de bois tranchante sur le point qu'ils veulent brunir. L'échauffement qui résulte de cette pression, jointe au mouvement rapide de rotation du tour, est assez fort pour carboniser le bois sur le pourtour de l'objet. Les tourillons des machines, les essieux des voitures, des wagons de chemins de fer, s'échauffent fortement par le frottement résultant d'une rotation rapide et prolongée. Ils prendraient feu, si l'on n'avait soin de les lubréfier en les graissant.

Il faut citer ici, comme exemple de l'énorme quantité de chaleur que peut dégager le frottement de deux corps solides l'un contre l'autre, l'expérience célèbre faite par Rumford en 1798; cette expérience avait été suggérée à ce célèbre physicien, pendant qu'il surveillait, à Munich, le forage des pièces de canon. Vivement frappé de la grande quantité de chaleur que dégageait cette opération, il voulut la mesurer d'une façon plus précise. Il fit donc disposer un cylindre métallique, destiné à l'opération du forage, dans une caisse en bois remplie d'eau, dont la température était donnée par un thermomètre plongé dans le liquide. Une heure après que le

1. « Avant l'invention des lampes de sûreté de Davy, le grisou était la grande plaie des houillères, et bien des raines restaient inexploitées, inabordables, à cause de la présence de cet invincible ennemi. Gomme on ne pouvait se servir de lampes ordinaires, on avait imaginé d'éclairer les chantiers au moyen d*une roue d acier tournant contre une pierre à fusil, »

(Simorin, la Vie souterraine.)

GllALEUIl DUE AU FliUTÏEMENT.

frottement du foret contre le cylindre eut commence, la température de Teau, de H)* au début, s'élevait à W. Au bout de deux heures, elle était de HV^ et eufin une deuii-heure [dus tard,reau entrait en complète ébullition. (^ 11 serait difCcile^dit Jiumford, de décrire la surprise et rétonuement exprimés par î visage des assistants à la vue d'une si grande quantité d'ean (environ dix litres) chauITée et rendue bouillante sans le moindre feu. »

Le frottement des solides contre les liquides et contre les gax développe aussi de la chaleur : une expérience de Joule, sur laquelle nous reviendrons, a mis en évidence réchauffement Tune masse liquide^ agitée par des palettes métalliques tourliant autour d'un axe. trest au frottement contre les couches de Tatmosphère qu'on attribue rincandesceuce des aéruhlhes qui traversent, avec une vitesse considérable, Tenveloppc aérienne de notre globe. L'élévation de température causée par le frottement d'une masse gazeuse contre un corps solide est du resle mise hors de doute par une expérience très-simple, queTj ndall a faite dans ses conférences sur la chaleur : avec un soufflet, il lançait un courant tl'air sur Tune des faces de la pile Ihermo^éleetrique; l'aiguille du galvanomètre était aussitôt déviée, et le sens de sa déviation indiquait que la face de la pile avait été chaufrée par Taîr vn mouvement.

Terminons celte énujuération de phénomènes, qui tous prouvent la génération de la chaleur par une force mécanique, eu citant une expérience importante de Davy : cet illustre physicien parvint, en frottant l'un contre lautre deux mui*ceaux de glace bien essuyés, à fondre une cei'taine quantité d'eau solide. Voici ce qui donne un grand intérêt à celte expérience : pour expliquer le dégagement de chaleur que donne le Irottement, les partisans de la matérialité de la chaleur, ceux qui consiiléraient comme uu fluide contenu dans les interstices 5S molécules des corps ^ raisonnaient ainsi • a Le frottement change la capacité calorilique des différents corps; il dimintie celte capacité, de sorte que la chaleur enuMagasiuée avant

Taction mécanique ne peut plus séjourner tout entière dans le corps, après le changement moléculaire dont il s'agit : c'est cette chaleur qui se dégage par le frottement, et, de latente qu'elle était, devient sensible. » Or, l'expérience de Davy rend cette explication impossible. Rappelons-nous, en effet, que Teau a une capacité calorifique double de celle de la glace : après la fusion d'une certaine quantité de glace, l'eau résultante contient plus de chaleur latente qu'auparavant; on ne pourrait donc comprendre d'où provient la chaleur qui a servi à produire le passage de la glace à l'état liquide. Et enfin, on conclut de là que c'est la force mécanique mise en jeu dans le frottement qui se transforme en chaleur, c'est-à-dire en une force d'un autre genre : il y a transformation d'un mouvement visible en un mouvement moléculaire ou atomique.

La percussion et la compression développent la chaleur comme le frottement. Ainsi, quand on enfonce un clou dans une pièce de bois à coups de marteau, non-seulement le clou s'échauffe, effet qui peut résulter en partie du frottement contre le bois, mais le marteau lui-même accuse une élévation de température. Une barre de ferre, battue à coups redoublés, peut s'échauffer assez pour rougir. Des flans d'or, d'argent, de cuivre, comprimés sous le balancier qui sert à frapper les monnaies, s'échauffent, mais l'élévation de température n'est pas la même pour les différents métaux. En général, la quantité de chaleur développée par les actions mécaniques dépend de la nature des substances soumises à ces actions, de l'état de leur surface, de la pression exercée.

La compressibilité des liquides est très-faible : néanmoins, en exerçant sur des masses liquides des pressions considérables, de 30 à 40 atmosphères par exemple, on a pu constater un dégagement de chaleur. La compression des gaz peut s'exercer dans des limites extrêmement étendues : aussi obtient-on une élévation de température assez considérable, quand on comprime brusquement une masse gazeuse dans un espace limité. C'est ce fait qui sert de principe au briquet à air, que nous

L\ CUALKLU EST UN MODK DE MOUVEMENT, 553

avons décrit dans le premier Livre de cet ouvrage ( Voy. page 95, fig. 50). L'expansion d'un gaz produit l'elFet inverse de lo compressiou, c'est-à-dire un abaisseoieat de température : du ^az acide carbonique, d^abord comprimé à 40 ou ;i() atmo- Sphères dans uu récipient, se refroidit tellement par la dilatation que produit son passage à l'air libre, qu'il passe à Tétat liquide et même à Tétat solide; et Ton voit des flocons, blancs comme la neige, d*acide carbonique solidiDé. Leur température est alors de 93 degrés au-dessous de zéro.

Le même phénomène de refroidissement a lieu, quand la vapeur d'eau sort en jet par la soupape de la marmite de Papiu. Sa dilatation subite est accompagnée d^iu refroidissèment qui la condense sous la forme de brouillard : en plongeant la main dans le jet de vapeur, on éprouve nue sensation de fraîcheur qui étonne au premier aljord. Il faut bien se gar- Jer de faire celte expérience, quand la vapeur contenue dans la chaudière n'est qu'à la piTssion atmosphérii[ue ordinaire. Eu sV'chappant dans Tatmosphère, à cette pression, elle conserverait la température de 10(/; on serait cruellement brûlé en y plongeant la main.

Pour terminer ce (jue nous avions à dire des sources de chaleur, nous mentionnerons encore celles que hi vie entretient dans les êtres orgaïusés, végétaux et animaux. Du reste, il parait prouvé que la chaleur animale ou végétale a pour origine une série d'actions chimiques plus ou moins complexes, qui constituent k^s pliénomènes de la nutiition, de la respiration et de Tassimilation des aliments.

5 V. U\ LIlALLtH ES\ IN MODE DE MOtVEMENT, — ÉQUIVALENT MÉCANIQUe

DE L.V ClLVLEUh.

Dans cette étude de la chaleur, nous avons eu à considérer deux ordres de phénomènes, inverses les uns des autres. D'une part^ nous avons décrit les divei^ effets que produisent les va-

rialions de la chaleur dans les corps ; d'autre part, nous avons passé en revue les diflFérents procédés à l'aide desquels on peut engendrer de la chaleur. Il nous reste à montrer quelles relations existent entre ces deux ordres de phénomènes, dont la dépendance réciproque, aujourd'hui démontrée, constitue la théorie mécanique de la chaleur.

Nous avons vu qu'un des effets de la chaleur est de dilater les corps, c'est-à-dire de produire des mouvements moléculaires qui augmentent les distances où les molécules se trouvent les unes des autres : considérée à ce point de vue, la dilatation n'est donc autre chose qu'un effet mécanique. Quand l'accroissement de chaleur atteint une certaine limite, il y a changement d'état, passage de l'état solide à l'état liquide, et de l'état liquide à l'état gazeux : c'est encore là un effet mécanique, car il ne paraît pas douteux que ces modifications dans l'aspect que peut nous présenter une même substance, sont dues à des variations dans les distances respectives des molécules et, par suite, dans les actions qu'elles exercent les unes sur les autres. Nous avons vu aussi l'augmentation de la chaleur donner aux vapeurs et aux gaz la force élastique qui, dans les machines modernes, remplace si avan tageusement les anciens moteurs. Dans tous ces cas, la chaleur se transforme en force mécanique ; ou, si l'on préfère , une certaine quantité de chaleur sert à produire un travail dy^ namiqiœj bien qu'en plusieurs cas ce travail ne soit pas susceptible d'évaluation dans l'état actuel de la science*

11 n'est pas moins évident que toutes les fois qu'on produit de la chaleur, il y a dépense d'une certaine quantité de travail dynamique. Cela est certain pour la chaleur qu'engendrent le frottement, la percussion et la compression. Quant à celle qui se dégage dans les actions chimiques, on la regarde comme produite par les mouvements moléculaires qui constituent les combinaisons.

Cette corrélation entre la force qui donne naissance aux phénomènes de la chaleur, et les autres forces mécaniques, avait