MESURE DES TEMPÉRATURES ÉLEVÉES

L’absence de procédés pratiques et rigoureux pour la mesure des températures élevées a, pendant longtemps, rendu impossibles les recherches aux températures supérieures 11400°. L’importance capitale que présentent de semblables recherches avait cependant conduit de nombreux savants à chercher des méthodes pyrométriques se prêtant à la fois à des mesures exactes et précises; il suffit de mentionner les travaux bien connus de Wedgwood, Becquerel, Pouillet, Sainte-Claire Deville, Siemens; mais on n’était arrivé à aucun résultat satisfaisant; la plupart des méthodes proposées ne comportaient aucune précision; deux seulement pouvaient se recommander à ce point de vue : le thermomètre à air à réservoir de porcelaine de H. Sainte-Claire Deville et la méthode calorimétrique de Pouillet avec emploi d’une masse de platine. Mais les pyromètres en porcelaine sont si difficiles à obtenir avec une glaçure imperméable et si fragiles que l’on ne peut songer à les employer pour les recherches courantes du laboratoire et a fortiori de l’industrie. La méthode calorimétrique, certainement plus pratique, a l’inconvénient de ne pas donner d'indications continues qui, dans bien des cas, sont indispensables. Enfin, le prix élevé du platine l’avait fait remplacer, pour le travail des usines, par du fer, ce qui enlève toute valeur à la méthode.

Reprenant un à un l’étude des procédés pyrométriques proposés antérieurement, j’ai cherché à me rendre compte des défauts qui en avaient empêché l’emploi, de façon à les faire disparaître. J’y suis arrivé pour trois d’entre eux :

Le procédé thermo-électrique de Becquerel et Pouillet;

Le procédé optique d’Edmond Becquerel;

Le procédé calorimétrique de Pouillet et Régnault.

Pour les deux premiers, je n’ai fait que conserver le principe de la méthode et j’ai dû recourir à des dispositifs expérimentaux complètement nouveaux. Pour le dernier, je n’ai eu à modifier que la masse métallique, ce qui a suffi pour rendre à cette méthode toute la précision qu’elle comporte.

Aujourd’hui, mes procédés de mesure des températures élevées ont été sanctionnés par une pratique de plusieurs années. Je crois être au-dessous de la vérité en disant que les neuf dixièmes au moins des mesures semblables se font par leur emploi, aussi bien dans les laboratoires scientifiques que dans les usines. La publication de mes recherches sur ce sujet a été le point de départ des travaux si nombreux qui se font actuellement sur les différentes propriétés de la matière aux températures elevées : fusibilité, dilatation, double réfraction, etc.

Procédé thermo-électrique. — Becquerel, en i834, eut le premier l’idée d’utiliser les phénomènes thermo-électriques pour la mesure des températures élevées et proposa l’emploi du couple platine-palladium. Pouillet mit le premier en œuvre cette méthode en se servant d’un couple platine-fer. Edmond Becquerel employa le couple proposé par son père, non pas précisément pour la mesure directe des températures, mais comme intermédiaire de comparaison dans les mesures faites avec le thermomètre à air. Enfin, vers la même époque, Régnault fit une étude complète sur ce sujet, qui l’amena à condamner formellement cette méthode; depuis, les couples thermo-électriques ne furent plus employés à la mesure des températures élevées.

Malgré leurs inconvénients graves, les couples thermo-électriques présentent des avantages tellement précieux : petit volume du corps thermométrique, de la soudure, qui lui permet de se mettre à peu près instantanément en équilibre de température avec le corps étudié; possibilité de mettre le galvanomètre, l’appareil de mesure, à une distance quelconque du foyer où l’on expérimente, qu’il m’a paru intéressant de reprendre l'étude de ce procédé pour la mesure des températures élevées et de chercher à remédier à ses défauts réels..

J’y suis i arrive en étudiant successivement les trois côtés suivants de la question :

Couple; galvanomètre; graduation.

Couple. — Les savants qui avaient proposé l’emploi des couples thermo-électriques étaient partis de l’idée préconçue que la force électromotrice développée dépend uniquement de la température des soudures et est indépendante de la loi de répartition de la température le long des fils du couple. Cela avait été établi seulement pour certains métaux et pour les températures inférieures à ioo». En reprenant l’étude de ce point de départ fondamental, j’ai reconnu que la loi en question était incorrecte pour le palladium et le fer qui entrent dans la composition de tous les couples proposés jusqu’ici pour la mesure des températures. Il suffit de chauffer au rouge un fil de l’un de ces deux métaux pour développer des forces électromotrices variant irrégulièrement d’un point à l’autre. Ces forces électromotrices anormales sont assez grandes pour entraîner des erreurs de plus d’une centaine de degrés dans la mesure des températures élevées. J’ai reconnu par contre que le platine pur et quelques-uns de ses alliages, dont le platine iridié et surtout le platine rhodié, ne présentent pas ce défaut. Il existe une relation déterminée entre la température et la force électromotrice d’un couple platine et platine iridié ou rhodié; on peut donc employer ces couples à la mesure des températures. Le platine rhodié doit être préféré au platine iridié, parce que l’écrouissage modifie beaucoup moins ses propriétés thermo-électriques et qu’il devient bien moins rapidement cassant sous l’action prolongée de la chaleur. Ces conclusions ont été absolument confirmées par une étude très soignée due à MM. Holborn et Wien, qui a été faite récemment à l’Institut technique de Charlottenburg.

Galvanomètre. — L’intensité du courant produit par le couple, qui peut seule être mesurée, n’est proportionnelle à la force électromotrice qu’autant que la résistance du circuit reste constante. Cette constance absolue est impossible parce que les fils du couple, en s’échauffant, augmentent de résistance, mais on peut rendre cette variation négligeable en employant un galvanomètre de grande résistance. Le couple que j’ai adopté, Pt-Pt+^Rh, fait avec des fils de o m “,5, présente une résistance de 2 ohms par mètre courant de couple. Il faut employer un galvanomètre d’au moins 200 ohms pour pouvoir négliger la variation de résistance du couple.

Cette condition remplie, le choix du système de galvanomètre, qui théoriquement semble indifférent, présente au contraire, dans la pratique, une très grande importance. Les galvanomètres à aiguille mobile sont d’un réglage si délicat, sont si sensibles aux trépidations du sol et si lents dans leurs indications qu’il est impossible de songer à les sortir du laboratoire.

L’emploi des couples pour la mesure des températures n’a pu devenir réellement pratique que grâce au galvanomètre à cadre mobile de MM. Deprez et d’Arsonval, appareil très robuste qui possède en même temps une grande sensibilité. Mais, pour l’adapter au but que je poursuivais, j’ai dû faire modifier quelques détails dans sa construction usuelle. Il a fallu remplacer les fils de suspension en argent recuit par des fils de maillechort fortement écrouis, de façon à assurer l’invariabilité du zéro de la graduation; remplacer le fil en cuivre du cadre par du fil de maillechort, pour se débarrasser de l’influence de la température ambiante sur la résistance du cadre; enfin, augmenter l’espace libre existant entre le cadre et les pièces fixes aimantées, de façon à empêcher les influences perturbatrices dues au frottement des poussières ou filaments de soie qui existent toujours dans cet intervalle. Sa largeur ne doit jamais descendre au-dessous de i" ,m et rester autant que possible au voisinage de 2 mm . Ce sont les difficultés provenant de ces frottements qui m’ont arrêté le plus longtemps.

Graduation. — Les soudures thermo-électriques, comme du reste tout autre corps chauffé à une température élevée, se détruisent plus ou moins rapidement à l’usage. D’autre part, le pouvoir thermo-électrique des métaux est considérablement modifié par les plus faibles changements de composition chimique. Il en résulte que la graduation d’un couple doit être répétée non seulement quand on en change les fils, mais même quand on les raccourcit seulementde quelques centimètres. Si la graduation devait chaque fois être faite au moyen du thermomètre à air, les avantages de la méthode thermo-électrique deviendraient complètement illusoires. J’ai recommandé un mode de graduation empirique comportant l’emploi d’un certain nombre de points fixes d’ébullition (eau et soufre) et de fusion (or et platine).

L’exactitude des mesures des températures ainsi faites est subordonnée à la précision avec laquelle les points fixes employés sont connus, mais on a l’avantage d’avoir partout des déterminations comparables et concordantes à quelques degrés près. Si les températures données dans les travaux publiés en Allemagne sont généralement plus élevées qu’en France et en Angleterre, cela tient à ce qu’en Allemagne on prend pour le point de fusion del’or 1070° résultant des déterminations de Holborn et Wien ; tandis qu’en France et en Angleterre on a conservé, comme je l’avais recommandé, la température de io 45 °, résultant des premières déterminations de M. Violle.

Pyromètre optique. — Ed. Becquerel avait proposé, en 1864, de ramener la mesure des températures élevées à la mesure de l’intensité des radiations rouges émises par les corps incandescents. Mais cette méthode n’avait jamais été réalisée d’une façon complète et encore moins employée. J’ai eu à me préoccuper d’établir un type Ae photomètre convenable pour ces mesures et de déterminer la loi du pouvoir émissif des corps en fonction de la température.

Photomètre. — J’ai pris comme point de départ de mes recherches un photomètre étudié par M. Cornu en vue des mesures spectroscopiques, dans lequel on ramène à égalité d’intensité les images juxtaposées d’une tlamme étalon et de la source lumineuse étudiée au moyen d’un œil-de-chat et de verres absorbants. Dans le cas de la mesure des températures, il se présentait une difficulté spéciale résultant des variations extrêmes d’intensité qui peuvent se rencontrer et du changement de nuance des corps incandescents. Les verres rouges ne sont pas rigoureusement monochromatiques et le pouvoir absorbant des verres fumés qui sont aujourd’hui fabriqués avec du cobalt est très irrégulier. Je suis arrivé à maintenir invariable la nuance de la radiation rouge utilisée, ce qui est indispensable pour la précision des mesures, au moyen de verres absorbants d’une composition spéciale, renfermant du cuivre au lieu de cobalt.

Loi du rayonnement. — J’ai dû entreprendre sur ce sujet de nouvelles recherches, parce que celles qui avaient été faites auparavant n’embrassaient pas un intervalle suffisant de l’échelle des tempéra-

J’ai trouvé ainsi, pour la loi de variation, en fonction de la température, de l’intensité des radiations rouges traversant un verre rouge foncé (X = 65 o)

dans laquelle l’unité d’intensité correspond à la partie la plus brillante de la flamme d’une bougie.

Au cours de ces recherches, j’ai fait, à diverses températures, des déterminations du pouvoir émissif de différents corps; voici, entre autres, une série à i 3 oo° rapportée au pouvoir émissif de l’oxyde magnétique de fer pris comme unité :

Enfin, j’ai incidemment vérifié le fait annoncé par Kirchhoff que, dans une enceinte fermée à. température uniforme, l’éclat ne dépend que de cette température et est indépendant du pouvoir émissif.

Méthode calorimétrique. — La méthode calorimétrique avec emploi d’une masse de platine, qui avait été recommandée parPouillet, était, avant mes recherches, le seul procédé exact qui pût être employé pour la mesure des températures élevées, surtout depuis les travaux de M. Violle, qui ont définitivement fixé la loi de variation de la chaleur spécifique du platine. Mais le prix élevé de ce métal avait empêché de l’employer dans les usines, où on le remplaçait par du fer, ce qui enlevait toute valeur à la méthode. J’ai indiqué l’emploi du nickel, parce que ce métal est moins oxydable et surtout ne présente pas de changements d’états allotropiques aux températures élevées. J’ai dirigé les expériences faites par les ingénieurs de la Compagnie parisienne du gaz pour déterminer la chaleur spécifique de ce métal. Aujourd’hui, le calorimètre à nickel est exclusivement employé par la Compagnie parisienne du gaz et quelques autres industries.

Mesures de températures élevées.

En dehors des mesures de températures élevées, faites au cours de mes recherches d’ordre purement scientifique, j’ai appliqué ces procédés de mesure à la détermination des températures les plus élevées réalisées dans quelques-uns des phénomènes les plus importants de la nature ou de l’industrie. En publiant pour la première fois ces résultats en 1892, je disais : « Ces résultats sont en contradiction absolue avec les estimations faites antérieurement et ne seront sans doute pas acceptés sans contestation. Je serais heureux si leur publication pouvait provoquer des expériences contradictoires sur le même sujet. » Mes chiffres, accueillis d’abord avec un certain scepticisme, sont aujourd’hui admis par tout le monde. J'ai ainsi baissé de 5oo° la température du four à acier, que l’on estimait à 2000°; de 4oo° celle des fours à porcelaine, que l’on estimait à 1800°, et de 200“ celle des fours à fabriquer le gaz d’éclairage, que l’on estimait à 1200°.

Voici quelques-uns de ces chiffres :

Cette détermination de la température du Soleil a été la première présentant un degré quelconque de vraisemblance. Elle a été confirmée par les expériences plus récentes de MM. Wilson et Gray, qui ont été faites par une méthode toute différente.