DENSITÉ DES GAZ LIQUÉFIÉS

Premières expériences. — Depuis que l’on est parvenu à liquéfier les gaz, un grand nombre d’expérimentateurs ont mesuré la densité des liquides ainsi obtenus. Faraday, Thilorier, Bussy, Andréef, peuvent être cités parmi les premiers qui s’occupèrent de cette question ; mais la ditficulté qu’on éprouve à manier ces liquides sous de fortes pressions empêcha ces expérimentateurs d'obtenir des résultats un peu précis. ;

Deux méthodes ont été utilisées tout d’abord. La première, qui parait due à Davis Guilbert, a été surtout employée par Faraday en 1823 : on introduit d'avance dans le récipient une série de boules de verre lestées respectivement de manière à pouvoir flotter sur des liquides de plus en plus denses : on a ainsi deux limites entre lesquelles est contenue la densité. L'influence de la pression sur les boules rend évidemment les résultats trop faibles. L'autre méthode consiste à comparer le volume du gaz et celui du liquide qui lui a donné naissance : elle a été reprise plus récemment et appliquée à l'oxygène et à l’azote liquides, en 1886, par Wroblewski.

M. Ansdell a employé au contraire un procédé différent et mesuré le volume occupé, à l’état liquide, par un poids connu de gaz: il a opéré sur l’acide chlohydrique et l’acétylène et trouvé pour le premier 0,854 à 10°,5 et pour le second 0,450 à 0°. M. Bleekrode a repris ce procédé pour quelques gaz, dans une étude sur la réfraction des gaz liquéfiés, et a trouvé notamment pour l’éthylène 0,361 à 6°.

En 1859, Andréef avail adopté une méthode susceptible de précision, et qui consiste à observer la dilatation du gaz liquéfié dans un tube thermométrique ; mais il calculait la densité de la vapeur saturée au moyen des lois de Mariotte et de Gay-Lussac, ce qui donne des résultats trop grands, absolument inacceptables pour les gaz ayant une tension de vapeur considérable. Il étudia ainsi quatre gaz, l’anhydride sulfureux, l'ammoniaque, l'acide carbonique et le protoxyde d’azote.

Densité des gaz permanents à l’état liquide. — Dès qu'on eut liquéfié les gaz permanents, on chercha aussi à déterminer leur densité sous l’état liquide. De considérations théoriques relatives à ce qu’il appelait le volume atomique (quotient du poids atomique par la densité), Dumas avait conclu que la densité de l’oxygène liquide doit être voisine de 1.

Pour vérifier cette prévision, M. Pictet mesurait approximativement le poids d'oxygène liquéfie dans son appareil et le volume occupé par ce liquide : il trouvait 44,502 g pour le premier nombre et 45,407 pour le second, ce qui donnait pour la densité

Une autre méthode de calcul, dont le principe est quelque peu différent, a donné 0,9883.

Ces nombres confirmeraient d’une façon remarquable les prévisions de Dumas ; malheureusement, M. Offret a relevé dans les calculs un certain nombre de fautes et montré que la première méthode, qui s'appuie sur les lois de Mariotte et de Gay-Lussac, est inacceptable ; la seconde, en simplifiant et rectifiant les calculs, donne 0,840.

D'un autre côté, MM. Cailletet et Hautefeuille ont mesuré la densité de liquides mixtes contenant de l’oxygène. Ainsi, avec un mélange de 1 partie en poids d'oxygène pour 10 d’acide carbonique (1 vol. d'oxygène gazeux pour 7 d’acide carbonique environ), ils ont trouvé:

Température Pression Densité o° 200 atm. 0,58

En opérant sur un mélange de protoxyde d’azote et d'oxygène, on à obtenu 0,65 à o° et 0,94 à — 23°.

La même méthode à été appliquée à l’azote et à l’hydrogène ; elle a donné, à o°, suivant la pression, 0,37 à 0,41 pour l'azote et 0,025 à 0,026 pour l'hydrogène.

Expériences de Wroblewski. — Ce physicien s’est occupé à son tour de la même question: pour cela, il avait gradué et calibré le tube capillaire de son appareil et mesuré le volume total du réservoir, qui était primitivement rempli de gaz à une température déterminée et sous la pression atmosphérique : il connaissait donc le poids de l’oxygèné contenu dans l’appareil. Après la compression, l'oxygène liquide remplissait la partie du tube capillaire recourbée verticalement jusqu’à 2 cm du hatt, etle mercure arrivait à la courbure. L’oxygène n’était donc pas complétement liquéfié et le quotient de son poids total par le volume du liquide, soit 0,94, ne donne qu’une limite supérieure de la densité.

Pour avoir une valeur plus approchée, Wroblewski remarque que la tension maxima de l'oxygène à — 130°est voisine de celle de l’anhydride carbonique ou du proxyde d'azote à o°. Donc, si l’on fait une autre opération semblable avec le gaz carbonique à o°, en faisant avancer Je mercure jusqu’au même point, on peut admettre que le rapport du poids liquéfié au poids total estle même que dans le premier cas, et l’on a, en appelant 1 et poles poids introduits, 2 et vs les volumes des deux liquides, di et d leurs densités:

V1 d1 DC do

Di De

Or d2 = 0,9471, d’après Andréef. Les mesures faites avec

deux tubes, d’ailleurs peu différents l’un et l’autre, ont donné pour la densité de l'oxygène 0,89. Du reste, l’auteur n'indique pas le rapport des volumes de l'oxygène gazeux et del’oxygèneliquéfié. Iimontre d’ailleurs que, en partant de 0,84, on peut refaire en sens inverse le calcul de M. Pictet ettrouver des résultats concordants; maïs cette vérification est plus apparente que réelle et les erreurs relevées par M. Offret lui enlèvent tout intérêt.

Wroblewskiaenfin mesuré la densité de l’oxygène, de l’azote et de l'air liquides par un procédé analogue à celui du flacon, c’est-à-dire en mesurant le gaz qui, après avoir été liquéfié, remplissait un réservoir d’un volume connu. Au moyen d'appareils construits dans ce but, il a pu opérer aussi bien sous de hautes pressions, à des températures voisines du pointcritique,que dans le vide, aux températures les plus basses que puisse fournir l’évaporation de l'oxygène et de l’azote liquides. Il a représenté l’ensemble de ses recherches sur l’oxygène par la formule

T étant la température absolue. Cette formule peut être appliquée depuis la température critique, — 118, où la densité est 0,6, jusqu’à — 200°, où elle atteint 1,24 sous la pression de 0,02 m.

Pour l'azote, la densité varie de 0,44, dans le voisinage du point critique, à 0,9 pour le voisinage du point de solidification —— 203°.

Quant à l’air atmosphérique, sa composition changeant à chaque instant, on n’a pu déterminer sa densité que dans des conditions ne s’éloignant pas trop de l'état critique. Elle ne diffère pas de celle qu’on peut calculer par la règle des mélanges : ainsi, cette règle indique 0,6 à — 146°,6 et sous la pression de 45 atmosphères, et l'expérience donne 0,59.

Expériences de M. Olszewski., — M. Olszewski a déterminé aussi la densité de l'oxygène liquéfié par une méthode semblable à la précédente. Un petit réservoir de

ER

verre,de 1,4cm*,étaitremplide celiquide, refroidi à— 139 par la vaporisation de l’éthylène liquéfié et maintenu à la pression de 40 atmosphères. On laissait ensuite l'oxygène reprendre la forme gazeuze et l’on mesurait son volume dans une cloche graduée, d’où son poids. On a trouvé 0,8787 à — 139°,13. Le coëfficient de dilatation, mesuré en même temps, est de 0,01706.

Enfin, toutdernièrement (1897), les densités de l’oxygène et de l’air liquides ont été de nouveau étudiées par M. Dewar, qui faisait, avec une vingtaine de substances différentes, des pesées hydrostatiques au sein du gaz liquéfié contenu dans un vase argenté et à double paroivide.Pourl’oxygèneliquide,entenant compte de la variation de volume du solide pesé, il a obtenu en moyenre 1,1378, à la température de — 183°. Pour l'air liquide, on a trouvé 9,910, tandis que la densité de l’azote à son point d’ébullition est 0.850; mais on ne peut attacher une grande importance au nombre trouvé pour l'air, car la composition du liquide varie sans cesse par suite de l’évaporation de l’azote.

Recherches de MM. Cailletet et Mathias.

— D'un autre côté, M. Cailleteta repris, en 1886, en collaboration avec M. Mathias, l'é- Fig. 13. — ne tude des gaz non permanents à l’état liqui- UE de ; ces savants ont choisi la méthode des thias. vases communiquants, qui a été employée souvent, et en particulier par M. Amat, pour la mesure rapide de la densité des liquides ordinaires. Un bloc d’acier, plus grand que celui de l’appareil ordinaire de M. Cailletet, renferme un réservoir en verre, d'environ 600 cm o relié avec un tube de même substance, en forme d’O, de 50 cm de hauteur (fig. 13) : les deux branches verticales du tube sont divisées en millimètres et la courbure inférieure contient un peu de mercure. L’une des branches étant refroidie, le gaz qui remplit l’appareil s’y liquéfie

lorsqu’on le comprime ; on a soin de condenser aussi un peu de liquide dans la seconde branche, pour n’avoir pas à s'occuper de la capillarité.

Si l’on appelle À la diflérence des hauteurs du liquide condensé dans les deux branches et x la densité de ce liquide, ’ et d’ la dénivellation du mercure et sa densité, et d la densité de la vapeur saturante à la température de l’expérience,ona

()hax=hd'+(h—k)d

D'où x. *

Cette méthode permet de faire un noimbre quelconque d'expériences avec la même masse de gaz ; mais elle exige la connaissance de la densite d de la vapeur saturée. Pour mesurer cette densité,ou adaptait à l'appareil de M. Cailletet un réservoir en verre de 60 cm? , ouvert à la partie inférieure et muni à l’autre extrémité d’un tube épais exactement jaugé. Ce tube étant maintenu à une température constante, on liquéfie par pression une partie du gaz contenu dans le réservoir : on diminue ensuite la pression avec une grande lenteur jusqu’à ce que la dernière goutte du liquide disparaisse et l’on mesure, avec une lunette, le volume occupé par la vapeur; on a mesuré en outre le volume du gaz sous la pression atmosphérique, ce qui permet de calculer son poids.

La densité de la vapeur saturante de protoxyde d’azote.

entre — 28° et — 34°, peut être représentée par la formule

Des formules analogues ont été trouvées pour l’éthylène et pour l’anhydride carbonique,

A l'aide de ces résultats, on calcule ensuite, avec la formule (1), la densité du gaz liquéfié. Ainsi, la densité du protoxyde d’azote liquide, entre — 20°,06 et + 34°, est donnée par

nr 0

On a de même, pour l’anhydride carbonique liquide, entre — 34° et + 22°,

Pour l’éthylène, on n’a pu faire qu’un petit nombre de mesures, à cause de son extrême mobilité.

Avec le même appareil, ces expérimentateurs ont étudié ensuite le gaz sulfureux, dont le point critique est très élevé, 156° environ. Ils ont employé en outre, dans ce cas, laméthodethermométrique,déjàutilisée parIs.Pierre, par Andréef et par Drion pour l’étude de la dilatation de ce corps. Les nombres obtenus sont compris entre ceux d’'Andréef et ceux de Drion. A l’aide des densités, on a calculé la dilatation.

Expériences de M. Amagat. — La méthode employée par MM. Cailletet et Mathias, dansle travail que nous venons d'analyser, pour obtenir la densité de la vapeur saturante, a été examinée, en 1892, par M. Amagat. Ce physicien a reconnu qu'il est extrêmement difficile de saisir avec certitude le moment exact de l'apparition ou dela disparition du liquide; en outre, il suffit d’une trace d'air absolument insignifiante pour retarder beaucoup le point de liquéfaction totale, qui correspond toujours à une pression notablement supérieure à la tension maxima. Pour se mettre complétement à l'abri des retards relatifs aux changements d'état, il importe de n’opérer que sur des corps en équilibre normal. Pour cela, M. Amagat liquéfie d’abord une partie du gaz, de sorte que le volume du liquide soit par exemple le dixième de celui de la vapeur, et lit ces deux volumes lorsque l’équilibre est parfaitement établi. On liquéfie alors une nouvelle quantité de gaz, de manière à tripler ou quadrupler le volume du liquide, et l’on mesure de même les nouveaux volumes.

Soient vet v’ l'augmentation du volume de liquide et la diminution du volume de vapeur quand on passe du premier équilibre au second, D et D’les densités absolues du corps sous les deux états.

Si V et V' sont les volumes du liquide et de la vapeur pendant l’un des deux équilibres et P la masse du gaz sur lequel on opère,