III. — PHYSIQUE

Je laisserai de côté les travaux de Physique qui se rattachent à la Cristallographie et que j'ai relatés plus haut.

VITESSE DE PROPAGATION DE L’iNFLAMMATION DANS UN MÉLANGE GAZEUX DÉTONANT (').

A la suite d’expériences poursuivies à Saint-Étienne sur les diverses lampes de sûreté, et dont je parlerai plus tard, je fus amené à penser que la théorie de ces appareils dépend d’un élément physique dont on s’était peu occupé, à savoir la vitesse avec laquelle se propage l’inflammation dans un mélange gazeux détonant: Il n’existait sur ce sujet que quelques indications dues à Bunsen. J’entrepris la détermination de cette vitesse pour des mélangés, en proportion variable, d’air et de formène (grisou) d’une part, d’air et de gaz d’éclairage de l’autre.

Pour y arriver, je faisais circuler dans un tube et écouler par un orifice terminal en mince paroi un courant du mélange gazeux à expérimenter, avec une vitesse connue, et je faisais varier la vitesse à travers l’orifice jusqu’à ce qu’elle fût capable d’empêcher l’inflammation, provoquée à l’extrémité, de pénétrer dans le tube en remontant le courant.

Je trouvai ainsi que, pour le grisou et l’air, les limites d’inflammabilité qui correspondent à des vitesses nulles de propagation de l’inflammation sont comprises entre o\o77 et ° v > 1 45 de grisou, le maximum de la vitesse de propagation étant de o™,56 par seconde et correspondant à o\io8 de grisou.

Pour les mélanges d’air et de gaz d’éclairage, les limites d’inflammabilité sont plus écartées et le maximum de la vitesse de propagation s’élève à i m ,02 par seconde et correspond à 0V67 de gaz.

(■) De la vitesse avec laquelle se propage l'inflammation dans un mélange d’air et de grisou et de la théorie dos lampes de sûreté ( Annales des Mines, 7" série, t. VII, p. 355-38i; 1875).

i £Hh

Jo me suis servi de cos données expérimentales pour donner une explication rationnelle des principaux phénomènes que présentent les lampes de sûreté usitées dans les mines, telles que les lampes Davy et Mueseler.

Travail en commun avec U. H. Le Chalelier. — Ayant eu plus tard l’honneur, en collaboration avec M. H. Le Chatelier, de faire, sous le patronage de la Commission du grisou, dont nous étions membres, des expériences propres à éclairer les exploitants sur la meilleure manière de conjurer les redoutables explosions de ce gaz, nous avons repris mes premières recherches de Saint-Étienne ('), en variant les procédés d’expérimentation. Nous nous sommes d’abord servis du procédé de l’orifice en mince paroi que j’avais employé, et nous avons trouvé pour le grisou et le gaz d’éclairage mêlés à l’air des résultats peu différents de ceux que j’avais obtenus. Nous avons ensuite rempli des tubes assez larges avec des mélanges gazeux explosifs, et nous avons observé, par des moyens divers, la propagation de la flamme dans le tube. Nous avons constaté que la vitesse de propagation, d’abord uniforme, ne tarde pas à s’accélérer d’une façon très irrégulière, en même temps qu’il se produit dans le tube des vibrations énergiques. L’accélération et les vibrations sont d’autant plus grandes que la vitesse régulière du début est plus considérable. Les expériences ont été faites sur des mélanges gazeux d’hydrogène, de formène (grisou), de gaz d’éclairage, de sulfure de carbone avec l’air ou l’oxygène, de sulfure de carbone avec le bioxyde d’azote, d’hydrogène avec le chlore.

MM. Berthelot et Vieille ayant, au cours de ces recherches, montré (1882) que les mélanges détonants sont susceptibles, dans certaines circonstances, de transmettre, avec une vitesse énorme, ce qu’ils ont appelé V oncle explosive, nous avons cherché à connaître quelles sont les conditions de formation de cette onde. A cet effet, nous avons photographié sur un cylindre tournant la propagation de l’inflammation dans un tube horizontal

( 1 ) Er. Mallard ot H. Le Chatelier, Sur la vitesse de propagation de l’inflammation dans les mélanges gazeux explosifs ( Comptes rendus , t. XCIII, p. 145 ; 1881 ).

contenant un mélange très détonant et très lumineux, celui que forment les vapeurs de sulfure de carbone avec le bioxyde d’azote. Ces photographies nous ont permis d’assister en quelque sorte à la propagation de l’inflammation. Nous avons vu que l’inflammation, excitée en un point, se propage d’abord avec une vitesse uniforme de i “,25 par seconde. Au bout d’un temps plus ou moins long, des vibrations se produisent dans le gaz par suite de la résistance opposée par le tube à l’écoulement des produits gazeux de la combustion. Ces vibrations, qui affectent la flamme, se montrent de plus en plus intenses, puis, à un moment donné, l’onde explosive se produit et le tube vole en éclats.

Nous en avons conclu que l’onde explosive prend naissance au moment précis où la pression que la tranche enflammée exerce sur sa voisine, augmentée par la résistance à l’écoulement et par le phénomène vibratoire, devient assez intense pour être égale à celle qui détermine, à elle seule, l’inflammation du mélange. A partir de ce moment, l’inflammation se propage avec la vitesse de l’onde sonore, considérablement accrue par la température du gaz dans lequel se fait cette propagation. Cette théorie nous parait expliquer d’une manière satisfaisante les phénomènes qui se produisent dans la propagation de l’onde explosive à travers une substance explosive, liquide ou solide (nitroglycérine, coton-poudre, etc.). Elle rend compte de ce fait que cette onde ne se produit, en général, que sous le choc énergique d’une substance qui détone, c’est-à-dire qui propage l’onde explosive, sous une pression relativement faible, telle que le fulminate de mercure; elle explique comment la propagation de l’inflammation peut sè transformer, dans ces substances, en onde explosive si, comme dans nos tubes, le développement des gaz est suffisamment gêné.

TEMPÉRATURES D’iNFLAMMATION DES MÉLANGES GAZEUX.

Les données précises sur la température à laquelle doivent être portés les divers mélanges gazeux pour s’enflammer faisaient presque entièrement défaut. M. H. Le Chatelier et moi, nous avons déterminé ( 1 ) cette importante donnée physique pour un certain nombre de mélanges gazeux.

( 56 ) rt

Le procédé d'expérimentation consistait à porter dans un four Perrot un thermomètre à air en porcelaine à une température constante; on y faisait le vide et l’on mesurait la température par le volume d’air qui le remplissait; on faisait le vide de nouveau et l’on remplissait l’appareil avec le mélange gazeux ; il y avait ou non inflammation, suivant que le volume de gaz introduit était égal ou inférieur au volume de l’air précédemment mesuré, au moins dans le cas où l’inflammation donnait lieu à une augmentation de volume. Après quelques essais, on arrivait rapidement à comprendre la température d’inflammation entre deux nombres très voisins.

Nous avons ainsi constaté que la température d’inflammation varie peu avec la proportion des gaz mélangés, et même avec la nature des gaz inertes ajoutés. La température d’inflammation des mélanges d’hydrogène et d’oxygène ne varie, dans les diverses circonstances, que de 555 ° à 58 o°; celle des mélanges d’oxyde de carbone et d’oxygène, de 655 ° à 700°.

La température d’inflammation des mélanges de formène (grisou) et d’oxygène est de 65 o°; mais nous avons observé, pour ce mélange, un phénomène qui a une grande importance dans l’art des mines, celui que nous avons appelé le retard à l’inflammation du grisou. Des mélanges de grisou et d’oxygène ne s’enflamment que lorsqu’ils sont portés pendant un certain temps à la température d’inflammation ou à une température supérieure. Le retard à l’inflammation décroît à mesure que la température s’élève; il n’ést pas moindre d’une dizaine de secondes à 65 o°.

De là résulte l’impossibilité de provoquer des explosions de grisou avec des treillis métalliques portés au rouge, du charbon de bois ou des cigares en ignition, des étincelles produites par le pic, etc. Le mélange qui circule librement autour de ces objets n’a pas le temps de s’enflammer. Mais si l’on force le mélange à rester en contact avec le corps en ignition, l’inflammation aura lieu au bout d’un certain temps. C’est ainsi qu’un jet de mélange grisouteux inflammable ne s’enflamme pas quand on le dirige sur la convexité inférieure d’un creuset de fer porté au rouge, et qu’il s’enflamme au bout de quelques secondes quand, le creuset étant renversé, on dirige le jet dans l’intérieur, de manière à forcer le gaz à y séjourner.

pas seulement indispensable pour l’étude des innoi industrielles dans lesquelles on se propose l’utilisai ombustibles, elle est encore jusqu’ici la seule voii 3 aborder l’étude des chaleurs spécifiques gazeuses à

ant le travail (') que j’ai poursuivi en collaboratic lier, on ne possédait sur ce sujet aucune indicatioi [ues nombres donnés par Bunsen étaient évidemment tre travail, et incidemment, nous avons obtenu des concernant la vitesse de refroidissement des uaz au:

( itlp

ceinte à la température o°; ur 0 étant, comme précédemment, la pression qu’exercerait la vapeur d’eau si, sans la condenser, on la ramenait dans le même volume, à o°.

Lorsque le gaz est de l’acide chlorhydrique, condensable dans l’eau de l’appareil, la vitesse de la chute de pression est représentée par l’expression

Lorsque le mélange gazeux contient à la fois des gaz condensables et non condensables, la vitesse de la chute dépréssion est représentée correctement par une expression de la forme

Dissociation. — L’étude de la loi que suit la vitesse de refroidissement de la masse gazeuse emprisonnée dans le cylindre nous a permis de constater le moment où cette vitesse de refroidissement commence à être régulière. La période qui précède est celle dans laquelle la dissociation se produit.

Nous n’avons pu constater, par ce procédé, de dissociation appréciable ni pour l’oxyde de carbone ni pour la vapeur d’eau, même aux températures de 3 ooo° et plus. Pour la vapeur d’eau, cette dissociation est certainement faible vers 3 ooo°, mais elle a pu nous être dissimulée en partie par l’extrême rapidité avec laquelle se produit la chute de pression.

Pour l’acide carbonique, nous avons pu, au contraire, constater nettement la dissociation et même la mesurer.

La température à laquelle la dissociation commence varie avec la densité du gaz. Elle est de i8oo° environ lorsque la densité du gaz est telle qu’il exerce, dans l’enceinte qui le contient, une pression de o m , 5 o de mercure à i 5 °. Elle n’est plus que de i6oo° lorsque celte pression s’abaisse à o m , 28 ; de 1160Î enfin lorsque cette pression descend à o”, i 3 .

Lorsqu’on mélangé des gaz inertes, tels que CO, O, Az avec CO a , ils agissent comme si l’on diminuait la densité de l’acide carbonique.

Marche de la propagation de l'inflammation. — Nos diagrammes nous ont permis aussi d’étudier la période, quelque courte qu’elle soit, pendant laquelle l’inflammation se propage dans le cylindre; nous en avons mesuré la durée; nous avons mesuré la durée comparative de la période de la propagation pendant laquelle, la flamme ne touchant pas les parois du cylindre.

il n’y a pas de refroidissement et celle de la période pendant laquelle la propagation s’accompagne d’un refroidissement.

Pressions développées par la combustion. Températures de combustion. — De cette longue discussion préliminaire, d’ailleurs intéressante en ellemême, nous avons pu enfin déduire, pour chacune de nos nombreuses observations (plus d’une centaine), la pression maximaqui aurait été développée dans l’appareil si l’on avait pu soustraire la masse gazeuse à toute cause de refroidissement. Dans les cas où il n’y avait pas de dissociation, cette pression permettait de calculer la température de combustion du mélange brûlant à volume constant. Nous citerons seulement les quelques résultats suivants :

Chaleurs spécifiques gazeuses à haute température. — Lorsqu’on a la température de combustion à volume constant d’un mélange gazeux qui brûle sans dissociation, il est aisé d’en obtenir la chaleur spécifique gazeuse à volume constant pour la températurede combustion, au moyen de la relation