MESURES OPTIQUES, ETC

Dans beaucoup de cas, on apprécie la température des corps incandescents d'après leur éclat ou leur coloration ; ce procédé peut donner, avec un œil exercé, et à partir de 500 à 600 degrés, des résultats presque suffisants dans la pratique (t).

On a cherché k rendre ces mesures plus précises, et surtout plus sûres, au moyen d'appareils pouvant être facilement employés dans les usines ; nous allons donner la description des dispositifs utilisés dans ce but.

7. lionctte Mesuré et IVoiiel (fig. 2). — La lunette de Mesuré et Nouel est fondée sur un principe ingénieux, qui utilise les propriétés de la lumière polarisée. Quand les vibrations lumineuses traversent certains corps cristallisés, comme par exemple le spath d'Islande, elles y subissent une modification remarquable ; par suite de la résistance variable que le cristal olTre dans

(1) Voir en appendice, aux données numériques, l'échelle approximative des températures correspondantes.

MESIIRKS OPTIQUES

les diverses directions, les vibrations s'orientent dans des plai déterminés : on dit alors que le rayon est polarisé.

Pig. !. — Lunelle Mesuré ot Noue!.

ce, disque mobile diviî^é en degrés. — 1, index. ~ 0. oculaire. — L, tciitille. — A, analy^ur Nicol. — Q, lame de quarU.— P, polariseur Nicot.^M, monliire. — G, ouverlure munie d'un verre dépoli.

Un Nicol est un prisme de spath qui polarise les rayons lumineux dans un plan parallèle h son plan diagonal. Il ne laisse passer que les vibrations polarisées dans ce plan ; si le rayon qui a traversé un premier nicol tombe sur un second, et que l'on tourne ce dernier à 90° du premier, aucune vibration no pourra plus passer. Le second nicol prend alors le nom d'analyseur, parce qu'il permet de constater si la lumière qu'il reçoit était ou non polarisée. Deux niçois croisés, c'est-à-dire à 90" l'un de l'autre, ne laissent donc passer aucune lumitVre, toutes les vibrations qui ont traversé le premier étant arrêtées par le second.

Si, maintenant, on intercale entre ces deux niçois certains corps, comme par exemple une lame épaisse de quartz, on voit la lumière reparaître, et, pour l'éteindre, il faut tourner l'analyseur d'un ccttain angle a. On doit donc admettre qu'en traversant . le quartz, le plan de polarisation du' rayon avait lui-même tourne de cet angle a. On reconnaît que cet angle augmente proportionnellement à l'épaisseur du quartz travereé.

Tels sont les phénomènes que l'on observerait avec de la lumière raonocbromatique ; avec de la lumière blanche, il n'en est pas de même. L'énergie rotatoire du quartz varie suivant la couleur de la lumière employée : l'angle a ne sera pas te môme pour les différents rayons du spectre.

Les rayons violets, par exemple, auront leur plan de polarisation plus dévié que les rayons rouges II en résulte qu'en tournant l'analyseur on ne pourra pas ('teindre toutes les cou-

leurs h la fois, et, au lien d'obtenir l'obscurité par un angle convenable, on verra apparaître des couleurs changeantes, à mesure que l'on éteindra à son tour chaque rayon du spectre. On voit le champ de la lunette passer du rouge au vert ; entre ces deux couleurs, on obtient pour un certain angle une teinte jaune citron qui est assez sensible, c'est-à-dire que par une très légère rotation elle vire, suivant le sens, au jaune verdàtre ou au jaune orange. C'est à ce moment qu'on s'arrête ; cela veut dire que l'analyseur a tourné de niauière à se trouver entre les positions qu'il lui faudrait prendre pour éteindre d'un côté les rayons- rouges, de l'autre les rayons bleus, et il affaiblit à peu près également ces rayons dans des proportions convenables pour que leur effet se neutralise.

A mesure que la température d'un corps s'élève, la lumière qu'il émet passe progressivement du rouge au blanc, c'est-à-dire qu'il va s'enrichissant en rayons bleus. Par suite, il faudra tourner l'analyseur d'un plus grand angle pour se rapprocher de l'orientation où il éteindrait ces rayons bleus, de plus en plus prédominants. L'angle de rotation qui donne la teinte jaune sensible est donc une mesure empirique de la constitution de la lumière, de la proportion dans laquelle y figurent les différentes couleurs.

Pour faire une détermination, on vise le corps incandescent, puis on tourne l'analyseur jusqu'à la teinte sensible et on lit sur un limbe gradué l'angle qu'il a décrit. Une table empirique donnera la température en fonction de cet angle.

Cet appareil ne fait que traduire par un chiffre l'analyse de la lumière que l'œil fait spontanément quand on évalue la température d'un corps chaud d'après sa couleur. Il n'est pas beaucoup fc plusscnsible qu'un œil exercé, mais il est peut-être plus sûr quand on a pris l'habitude de le manier. L'appréciation sera moins sujette à varier suivant le degré d'éclairage ou d'obscurité de l'atelier, ou suivant toutes les circonstances physiques qui peuvent modifier l'impression de l'œil. Un bon observateur devra toujours retrouver à peu près le même angle pour une température donnée, mais deux observateurs ne liront pas toujours de la même manière, chacun s'arrêtant à une teinte à laquelle son œfl se trouve plus sensible.

Cette lunette a été employée avec un certain succès pour déterminer les températures de trempe.

MKStIRES OPTIQUIiS H

S. Pyrwmëtre optique Le Chateller . — Le pyromèlre optique Le Chatelierest plus précis, mais moins facile i manief; i! mesure directement l'intensité de la lumière reçue: c'est un photomètre du système Cornu (fig. 3).

D, Diaphragme extensible. - — M, miroir. — P, contt

Py ro m élrc; optique Le Clialclier.

- E, olijeclif. — G, oculaire. — L, lampe à e; -poids.

On vise l'objet avec une lunette dont le champ est divisé en deux parties par un prisme h, réflexion totale. Sur la moitié du champ, ce prisme fait voir par réflexion la flamme d'une petite lampe à essence de pétrole, placée dans un tube latéral ; l'autre moitié est éclairée par l'objet que l'on vise. On égalise l'éclairement des deux parties en manœuvrant tm diaphragrhe mobile qui obture l'orifice du tube principal et modifie à volonté la quantité de lumière reçue. Ce diaphragme a la forme d'un rectangle constitué par deux obturateurs rectangulaires, qu'on peut faire coulisser l'un sur l'autre ; on le^ manœuvre avec une vis, et une échelle graduée donne les dimensions du diaphragme. Il permet de calculer le degré d'intensité des deux lumières, qui est en raison inverse de la surface laissée libre.

11 faudrait tenir compte de la distance, et la lunette est munie de lentilles avec lesquelles on met l'Objet au point ; îi partir d'une distance de quelques mèircs, ou est au point h l'intiai : la variation de distance n'a plus qu'un effet insensible.

Les deux lumières doivent traverser les verres rouges de manière à identifier leurs couleurs ; quand on vise des objets très éclatants, il faut employer plusieurs verres et tenir compte empiriquement de leur absorption.

42 ÉTUDK TEGHNIQUK DE LA CHALEUR

Le pouvoir rayonnant des différents corps varie avec la température^et pour traduire rigoureusement les indications du pyromètre, il faudrait avoir étudié la loi du rayonnement pour chacun des corps que l'on vise. En pratique, dans les forges, lorsque Ton vise des groupes de fer, ils sont toujours recouverts d'une mince pellicule oxydée, et Ton peut appliquer les formules de rayonnement établies pour Toxyde de fer magnétique. D'ailleurs, comme pour tous les pyromètres optiques, l'appareil ne sera réellement utile que pour retrouver avec précision des températures déterminées ; on ne lui demandera pas des indications absolues, mais des mesures qui seront comparables si Ton opère toujours dans les mêmes conditions.

On a imaginé encore beaucoup d'autres espèces de pyromèkres ; ceux dont nous avons parlé paraissent être les seuls qui puissent présenter un intérêt industriel.

En raison de la variation extrêmement rapide des radiations rouges émises par les corps incandescents (entre 600 et 1800®, températures extrêmes que Ton a d'ordinaire à apprécier dans la pratique, cette intensité varie dans le rapport de 1 à 1.000.000), cet appareil permet d'obtenir des déterminations très exactes avec des mesures photométriques d'une précision moyenne effectuées rapidement. Quelques précautions sont seulement à prendre pour que la lampe donne une lumière bien constante dès le début de l'opération ; le coefficient d'absorption des" verres absorbants doit être aussi exactement déterminé à l'avance, ainsi que Touverture du diaphragme, qui doit être telle qu'il y ait égalité complète entre la flamme de la bougie étalon et celle de la lampe.

Les températures suivantes ont été déterminées au moyen de cet appareil (1).

Haut fourneau en fonte Bessemer, devant les tuvères 1930° C

Coulée de la fonte du haut fourneau ci dessus, de 1400 à 1570 —

Coulée d'acier Bessemer ou Siemens-Martin, de 1550 à 1650 —

Fusion et affinage du verre 1350 —

Cuisson de la porcelaine dure 1370 —

Cuisson des briques rouges • 1100 —

tt. Méthoile calorimétrique. — On peut encore évaluer la température, d'une manière détournée, parla méthode calori-

(1) Lindiulrie électrique, 10 avril 1892.

MESURKS OPTIQUES

njétrique dont nous parlerons tout à l'heure. Ce procédé^ bien appliqué, peut rendre certains services dans les u'sines.

lO. Pjrroseopes. — Aucun des procédés que nous venons de signaler n'est tout à fait satisfaisant, et Ton peut dire qu'au-delà de 600 degrés environ les températures ne sont plus rigoureusement définies. Il n'y a donc pas grand intérêt à les mesurer, et dans la pratique, on se contente presque toujours de les appréciera l'aide de certains caractères extérieurs. Les appareils employés à cet efiFet se nomment pyroscopes.

Le procédé pyroscopique le plus employé en métallurgie est celui des alliages fusibles. On cherche si la température à évaluer est inférieure ou supérieure à celle d'un métal ou d'un alliage connu. A cet effet, on emploie une série de fragments de métaux ou d'alliages rangés dans Tordre de fusibilité. Si l'un de ces fragments, placé dans l'enceinte en question, résiste et que celui qui vient après lui dans la série fonde, on sait que la température est comprise entre les températures de fusion de ces deux corps. On peut faire l'expérience rapidement en donnant aux alliages la forme de rondelles enfilées dans un ordre convenable sur une barre de fer.

Jusqu^à 1000^ environ, les métaux simples (étain, plomb, zinc, argent, cuivre) fournissent des points de repère fixes. On peut combler les lacunes en intercalant des alliages d'étain et de cuivre, de plomb et d'argent, etc. Au-delà de 1000^ il faut recourir aux alliages de l'argent ou de Tor avec le platine (1).

Fig. 4. — Montres fusibles Seger.

Ce procédé ne peut pas être rendu très sensible h cause de la facilité avec laquelle certains alliages se liquatent.

(4) On trouvera aux données numériques un tableau des points de fusion de divers alliages.

Pour les températures de 600 à 1800^, M. Seger a constitué une série de montres fusibles qui se composent de kaolin et d'un mélange en proportions variables de feldspath, de carbonate et de quartz. On peut obtenir ainsi des pâtes à points de fusion sensiblement fixes et espacés par exemple de 20 en 20 degrés.

Ces pâtes sont très employées en céramique ; oïl leur donne la forme de pyramides triangulaires (fig. 4) qu'on range par ordre ^de fusibilité dans le four en observation : on les voit alors s'affaisser successivement à mesure que la température du four atteint le degré qui correspond à la fusibilité de chacune d'elles.

CALORIMETRIE

1 1 . Chaleur spécifique. — La notion de température ne suffit pas pour étudier complètement les phénomènes calorifiques : il faut encore y joindre celle des quantités de chaleur. On appelle unité de chaleur, ou calorie, la chaleur absorbée par un kilogramme d'eau quand sa température s'élève de à 1°

Soit Q le nombre de calories absorbé par un kilogramme d*un corps quelconque, lorsque sa température s'élève de ^ à/'; on peut toujours poser :

Pour un grand nombre de corps, notamment pour l'eau, le coefficient c, ainsi défini, est seiîsiblement constant, quelles que soient les températures initiales et finales : on l'appelle alors chaleur spécifique du corps considéré ; et si Ton prend un poids P de ce corps (exprimé en kilogrammes), la chaleur nécessaire pour le porter de t à i' pourra se calculer à priori, c étant connu, et sera représentée par le produit :

Pc(^'— /)

En d'autres termes, la chaleur spécifique d'un corps est la chaleur nécessaire pour élever d'un degré la température d'un kilogramme de ce corps.

Si on rapproche cette définition de celle de* la calorie, on verra que la chaleur spécifique de l'eau, supposée constante, est exprimée par le nombre 1 ; la calorie peut dès lors se définir plus

CALORIMKTRIE 4Ô

simplement : c'est la chaleur nécessaire pour élever de un degré la température d'un kilogramme d'eau.

Dans les recherches précises, on ne peut plus considérer la chaleur spécifique comme constante, et par suite la définition que nous en avons donnée n'a plus de sens. Si on appelle Q la chaleur d'échauffemeat, c'est-à-dire la quantité de chaleur nécessaire pour élever up kilogramme de la température / à la température /', on peut toujours poser :

Mais le coefficient c est alors variable avec t' ei t \ il représente ce qu'on appelle la chaleur spécifique moyenne entre les températures t et t\ Si on suppose que la température finale /' reçoive des valeurs décroissantes et se rapproche indéfiniment de la température initiales, avariera et tendra vers une limite qui sera fonction de t seulement : cette limite est ce qu'on appelle la chaleur spécifique à la température /. C'est le rapport entre la quantité de chaleur absorbée et l'accroissement de température qui en résulte^ lorsque ce dernier est infiniment petit.

Considérons la quantité de chaleur Q nécessaire pour porter un kilogramme d'un corps de 0*^ à ^ Q est fonction de t. L'expérience permet de mesurer plusieurs valeurs particulières de Q, et on représente la fonction inconnue par une formule parabolique :

Si les coefficients p et y sont négligeables, on se trouve dans le premier cas examiné ci-dessus :1a chaleur spécifique est constante et égale à a. Dans le cas contraire, elle est variable et ex-

primée par la dérivée --,.

On a donc !

En général, le coefficient p est petit et positif, de sorte que la chaleur spécifique croit avec la température. Il y a du reste peu de corps sur lesquels on ait fait des expériences complètes.

19. Chaleurs latentes. — La chaleur provoque dans la j>lupart des corps des changements d'état qui sont la fusion, puis la vaporisation. Chacun de ces phénomènes se produit en général à une température fixe et absorbe une certaine quantité de

chaleur qu'on désigne sous le nom de chaleur latente. Soit la température de fusion d'un corps, X sa chaleui* latente de fusion, c sa chaleur spécifique à Fétat solide, c' sa chaleur spécifique à l'état liquide. Si un kilogramme de ce corps est fondu et porté à la température /, la chaleur qui! a a-bsorbée peut s'exprimer par la formule :

ô étant fixe, la somme c6 -4-X peut être représentée par une seule constante indiquant la chaleur nécessaire pour fondre le corps pris à partir de zéro degré. — Pour une vapeur^ la formule serait absolument analogue, mais dans ce cas les chaleurs spécifiques varient avec les volumes et les pressions. Nous ne pouvons entrer ici dans létude de ces lois complexes. Dans les opérations métallurgiques, les vapeurs et les gaz se dilatent à peu près librement, et par suite les coefficients à appliquer sont ceux qu'on appelle les chaleurs spécifiques sous pression constante.

Les coefficients entrant dans les formules précédentes sont bien connus pour Teau et ponr un certain nombre de gaz Ils le sont au contraire assez mal pour la plupart des produits métallurgiques. Aussi, lorsqu'on veut connaître exactement la chaleur absorbée par un métal ou par une scorie fondue, ce qu'il y a de mieux à faire est de la mesurer directement : la mesure de la chaleur totale est du reste plus facile que celle de chaque coefficient (1).

18. Combinaisons. — Les j^hénomènes chimiques sont toujours accompagnés de dégagement ou d'absorption de chaleur. Lorsque deux corps se combinent, il se produit en général une certaine quantité de chaleur bien déterminée, mais dont une partie seulement devient sensible tandis que Taivtre est transformée en travail : auçsi la chaleur observée peut-elle varier avec les circonstances. Inversement, pour décomposer un corps il faut lui fournir une quantité de chaleur égale à celle que produirait la combinaison de ses éléments. Ainsi, un lulogramme d'hydrogène en se combinant à huit kilogrammes d'oxygène dégage 36.000 calories : les neuf kilogrammes d'eau formés en absorberont le même nombre pour se décomposer.

(1) Plusieurs déterminations (Je ce genre ont été faites récemment par M. Grùner. On en trouvera les résultats aux données numériques.

CALORIMÉTRIE i7

Il y a certains corps, au contraire, dont la décomposition se fait avec dégagement de chaleur : ce sont, en général, des corps instables, souvent même détonnants : leurs éléments ont peu d'affinité entre eux et ne se combinent pas sans absorber de la chaleur. Ce cas se rencontre rarement dans les substances employées en industrie.

14. Calorimètres. — Nous avons dit que pour connaître la chaleur totale absorbée par un corps fondu, ou simplement échauffé, il fallait souvent la mesurer par suite de Tignorance où l'on est des données qui permettraient de la calculer. Ces mesures s^effectuent au moyen du calorimètre à eau.

C'est un vase plein d'eau, à parois peu conductrices, où Ton projette un poids connu du corps à étudier. Si ce dernier ne doit pas être mis en contact avec Teau, on le place dans un récipient spécial. On agite Teau jusqu'à ce que sa température soit devenue stationnaire. Soit P le poids de Teau, / et/' ses températures initiale et finale : la chaleur abandonnée par le poids du corps sur lequel on a opéré, en se refroidissant de sa température primitive jusqu'à /', sera exprimée par la formule :

si on suppose que l'eau seule s'est échauffée. Il n'en est pas ainsi car les parois, l'agitateur, etc., se sont échauffés aussi. Pour en tenir compte, il suffit de remplacer P par la somme des poids de l'eau et du calorimètre avec ses accessoires évalués en eau ; c'est-à-dire de poser :

P=jo+;>VH-jy"c''+etc.,

p étant le poids de l'eau, />', c\ /?', c'' les poids de chaque partie de l'appareil et les chaleurs spécifiques respectives des substances dont elles sont formées. On reconnaîtra facilement que cette somme représente un poids d'eau équivalent, au point de vue de l'absorption de la chaleur, à l'ensemble de l'appareil.

Au lieu de calculer le poids P, on peut le mesurer directe-^ ment en versant dans le calorimètre un poids connu d^eau, t:, chauffée préalablement à la température 9. Dans cette expérience, X est connu et égal à ir (8 — t).

La formule précédente devient alors :

it(9 — /) = P (/'—/), où p seul est inconnu.

i8 ÉTUDE TECHNIQUE DE LA CHALEUR

Pour oljtenip des mesures exactes, il faut opérer sur des poids assez faibles^ de manière que i soit peu différent de la température ambiante. Si en outre Texpérience dure peu; on pourra négliger les erreurs dues au rayonnement. Dans le cas où Ton opérerait près' d'un four, on protégerait le calorimètre par des écrans.

Veut-on tenir compte des diverses causes d'erreur ? On fera d'abord une expérience qui donnera, en négligeant toutes ces causes, une valeur approchée de ^ :

On prendra ensuite un poids it d'eau chaude à une température quelconque 0, et capable d'abandonner à peu près une quantité de chaleur égale à x. On fera une nouvelle expérience en projetant cette eau dans le calorimètre : soient t et -z les températures initiale et finale observées. Les causes d'erreurs sont les mêmes dans les deux opérations, pourvu que les durées aient été à peu près les mêmes et que t et -z soient peu différents de / et t' . Dès lors on peut admettre que les chaleurs absorbées chaque fois par le calorimètre ont été proportionnelles aux échauffements produits. Mais, dans le second cas, la chaleur absorbée est connue, c'est u (ô — i'\ puisque le poids d'eau tî est passé de la température ô à la température t'. La vraie valeur de x sera donc donnée par la proportion :

Si on veut mesurer la chaleur produite par une combinaison chimique, on effectue cette combinaison dans le vase intérieur du calorimètre. Lorsque le phénomène est accompagné d'un dégagement de gaz, le vase doit être muni d'un serpentin où les gaz se refroidissent avant de s'échapper.

15. Mesure des chaleurs spécifiques. — Des expériences analogues permettront de déterminer les chaleurs d'échauffement. En chauffant à une température connue /' un poids P du corps, à une température t, que Ton veut étudier, et le plongeant dans le calorimètre, on déterminera la quantité Q de chaleur

qu'il a absorbée, et le quotient -— représentera la chaleur spécifique du corps de l' à t. En répétant la même expérience à des

CALORLMÉtlUe 19

températures différentes, on pourra trouver la loi qui lie la chaleur d*échauffementà la température.

Pour mesurer la chaleur latente de fusion, il faudra plonger dans le calorimètre un fragment du corps fondu. Si / représente la température du corps, /'la température finale du calorimètre, 6 la température de fusion, Xla chaleur latente, e et c' les chaleurs spécifiques du corps à Tétat solide et à Tétat liquide, on aura :

Toutes ces mesures sont rendues incertaines par la difficulté de bien connaître les températures.

te. Mesure des teinpératare«. — Le calorimètre peut servir encore à la mesure des températures élevées. Si on veut connaître la température t d'un four, on y place un petit cylindre creux, en platine ou en fer, dont (e poids P a été déterminé très exactement. Lorsque ce cylindre a pris la température du four, on le place dans le calorimètre et on mesure la quantité de chaleur Q qu'il abandonne pour se refroidir jusqu'à la température finale de l'expérience /'. Si c est la chaleur spécifique du métal entre t' et /, on a évidemment :

Pc (^0 = Q

Cette équation permet de calculer t. Il est vrai que le coefficient c dépend lui-même de /, mais ses variations sont faibles, et / est connu d'avance, à 100® près, par Taspect du four; on peut donc assigner à c une valeur très approchée de sa valeur réelle, et qui permettra de calculer assez exactement t. Si on veut plus de rigueur, on considérera la valeur de /, ainsi calculée, comme une première approximation; on s'en servira pour rectifier la valeur de c, puis, en introduisant ce nouveau coefficient dans la formule, on calculera une seconde valeur de t qui sera plus approchée, et ainsi de suite.

On emploiera de préférence pour cette opération le platine, qui est inoxydable, et dont la chaleur spécifique a été très bien étudiée. On peut aussi sans inconvénient employer le nickel pour les températures qui ne dépassent pas sensiblement 1000^

On peut encore, par un artifice spécial, se dispenser d'introduire dans les calculs la chaleur spécifique. Pour cela, on fera une seconde expérience analogue à la première avec un autre

cylindre du même métal, ayant un poids égal à P'. Soit Q' la quantité de chaleur absorbée par le calorimètre dans cette nouvelle opération, et f sa température finale. On aura encore :

ou en divisant membre à membre les deux équations Tune par

Tautre :

Q P (MO Q' F (^t")

Cette dernière formule permettra de calculer / en fonction seulement des données de l'expérience. Il faut remarquer toutefois que t* et t" sont nécessairement très

Q p faibles tous les deux relativement à / : les rapports 77" ^^ -pT sont

donc presque égaux^ et si on résout par rapport à t, cette inconnue se présentera sous la forme d'une fraction — dont les deux

termes sont très petits. Par suite elle sera très mal déterminée si tous les membres entrant dans la formule ne sont pas très exacts. Ainsi cette manière de procéder nous parait plus ingénieuse que sûre : en tous cas elle ne sera préférable à la première que si les mesures calorimétriques sont effectuées avec des soins minutieux.

Nous avons dit que l'emploi du calorimètre était peut-être le meilleur moyen de mesurer les températures élevées. Il faut remarquer que si ce moyeu est précis, il n'est pas sensible, car les chaleurs spécifiques sont généralement peu considérables, et les différences de température se traduisent par des variations relativement faibles dans les quantités de chaleur absorbées. On n'obtiendra des mesures satisfaisantes qu'à condition d'opérer avec grand soin.

17. Mesare des eltaleurs de eombinalAoo. — Pour mesurer la chaleur d'une combinaison, il faut produire une réaction chimique dans le calorimètre lui-même. Ce procédé est facilement applicable dans toutes les réactions effectuées par voie humide, mais il devient inapplicable dans les réactions par voie sèche, qui sont celles qui intéressent le plus les métallurgistes. Pour ce dernier cas, on peut employer les calorimètres à bombe, dont nous parleroqs à propos dé Tctude des combustibles*