CHAPITRE XVII

I)& la Chaleur en général, de sa force de dilatation , du Thermomètre et du Pyromètre.

§ i. La chaleur que nous connaissons d’abord par une sensation particulière, et dont nous nommons les graduations principales, feu, chaleur et froid, a une grande influence dans la nature. Par sa diminution, presque tous les corps liquides, et même beaucoup de substances aêriformes, se solidifient ; par son augmentation , presque tous les liquides, et même beaucoup de solides, deviennent aêriformes. Sans la chaleur, il n’y aurait aucune vie, aucune organisation ; enfin, Remploi quenous en faisons pour nos besoins naturels ou artificiels, est si varié et d’une telle importance que, si Tusage du feu était retiré à l’homme, il serait rabaissé à l’état d’imperfection des animaux. Ceci doit suffire pour engager à étudier avec soin cette force importante de la nature.

§ 2. La cause de la chaleur échappe à nos sens. Les physiciens mécanistes penchent à Eattribuer à un mouvement intérieur des plus petites particules des corps. Les physiciens chimistes admettent unanimement pour principes de ces phénomènes, une matière propre, qu’ils nomment calorique . Nous trouverons dans la suite, sinon des preuves décisives, du moins des raisons très-fortes à l’appui de cette dernière opinion. Jusques-là nous allons employer le mot calorique, seulement comme une manière commode de s’exprimer.

$ 3. Le premier effet de la chaleur que nous devons observer , c’est qu’elle dilate tous les corps; les solides assez peu (i), les liquides

(i) On prouve la dilatabilité des corps solides , par une expérience très-simple. On a une barre métallique AB, [fig. a3) , qui, étant froide, passe exactement

DE LA CHAI, EUR

davantage (i), et les substances aériformes dans un degré phis élevé (2).

^ 4. Ce phénoinème a offert un moyen naturel et simple pour mesurer avec la plus gronde exactitude , les accroisscmens et les diminutions de la chaleur. Les instrumens qui servent à cet usage , se nomment thermomètres. Ce fut un hollandais, nommé Drehhel , qui imagina le premier instrument de cette espèce , à la fin du i6.me siècle ; mais il était encore très imparfait. Dans le 1 rj,m0 siècle, les académiciens de Florence en perfectionnèrent la construction; enfin-, au i8.me, Farenheit , à Dantzick (*), et Réaumur , en France, découvrirent en même temps les principes exacts de la fabrication de ces instrumens. (Pour L'histoire de cette découverte, voyez Gehler et Fischer, art. thermomèter. On la trouve encore plus détaillée dans la Pyrométrie de Lambert , Berlin, 1779*)

§ 5. L’appareil le plus en usage maintenant, est celui qu’on nomme, avec raison, thermomètre de Deine, parce que cet estimable savant s’en est sur-tout occupé dans ses recherches , quoiqu’il fut déjà en usage auparavant. Voici la description de ses parties essentielles : une petit boule de verre B, est soufflée au bout inférieur d’un tube de ver calibré AB, {fig. 25); ensuite on chauffe cette boule, le tube étant ouvert, afin de dilater l’air qu’il renferme, puis on le renverse et 011 le plonge par l’autre bout dans du mercure. Peu à peu l’air intérieur, en

entre les deux colonnes verticales CD et EF : on échauffe cette barre sans chauffer Lappareil CDFE , alors elle ne peut plus passer entre les colonnes CD et EF , et elle est retenue dans une situation oblique entre elles.

(t) Quand on remplit un façon AB, {fig. 24), avec un liquide , et qu7on y plonge un tube CD , ouvert par les deux bouts, en prenant soin de luter exactement l’orifice F, l’eau s’élève dans le tube lorsque le llacon est échauffé, et finit bientôt par le remplir entièrement.

(2) Si l’on met seulement dans le flacon , assez d’eau pour que l’ouverture inférieure du tube y plonge , et qu’on échauffe l’air intérieur, l’eau montera trèssensiblement dans le tube. Ou mieux encore , ne laissez que de l’air dans le flacon, et après avoir luté très-exactement l’orifice F avec le tube , faites entrer dans celuici une goutte de liqueur colorée; le moindre refroidissement de l’air intérieur fera descendre la goutte et la précipitera dans le flacon ; au contraire , le moindre échauffement la fera monter et la chassera hors du tube.

(*) Farenheit était établi en Hollande , lorsqu’il donna le thermomètre à

mercure.

se refroidissant , se condense , et le mercure monte dans le tube par la pression hydrostatique de Pair extérieur , ainsi que nous le démontrerons plus tard : mais nous donnons ici cette ascension comme un fait que l’on peut aisément vérifier. Quand le tube et une partie de la boule sont remplis de mercure , on retourne l’instrument , on le ferme à la lampe , et l’on plonge la boule dans l’eau bouillante ; le mercure remonte jusqu’à un certain point constant E qu’on appelle point dh ébullition , et il demeure invariablement à ce point , tant que la boule de verre reste dans l’eau bouillante ; ensuite on plonge la boule dans la glace fondante ; le mercure baisse, mais seulement jusqu’à un certain point G , ou il demeure invariablement fixé , tant que la glace n’est pas entièrement fondue : ce point se nomme point de congélation naturelle . La distance GE entre les deux points ainsi déterminés , se nomme la distance fondamentale. On attache le lube à une petite planche, sur laquelle on divise cette distance fondamentale en 80 parties, et l’on continue de marquer des divisions égales au-dessous de G et au-dessus de E , aussi loin que le tube du thermomètre peut s’étendre. En G, on marque zéro, et l’on commence à compter de ce point , soit en allant vers le haut ou vers le bas.

§ 6. Qu’on divise GE en 180 parties, qu’on écrive zéro en E qui est un point placé à la 32. e des ces parties au-dessous de G, et qu’on commence à compter de là , en allant vers lehaut et vers le bas, de sorte que le point G soit marqué 32, et que le pointEporte 212 ; on aura un thermomètre de Farenheit , dans lequel R se nomme point de congélation artificielle. Si l’instrument 11’cst pas rempli avec du mercure, mais avec de l’alcool, et qu’il soit gradué comme il est dit § 5, on a le véritable thermomètre de TLéaumur. La nouvelle échelle française du thermomètre à mercure, est la même que l’échelle suédoise de Celsius. La distance fondamentale est divisée en 100 parties, qu’on commence à compter du point de congélation (1).

(1) Cette méthode suppose que le tube est bien cylindrique dans son intérieur, on sorte que des quantités égales de mercure répondent à des divisions égales en longueur. Or , c’est ce qui ne se rencontre jamais , quelque soin qu’on prenne à choisir les tubes ; et voilà pourquoi il n’y a presque pas de bons thermomètres; peut-être même pourrait-on dire qu’il n’y en a point du tout. Gay-Lussac qui a fait des expériences trcs-exactes sur la dilatation des gaz, a eu besoin cl’exé-

DE LA CHALEUR

§ y. Le thermomètre à air consiste en un tube ABC, (fig. 2G ), recourbé en B, et terminé par une boule C. La boule est remplie en

cuter des thermomètres parfaits ; et voici le moyen qu’il a imaginé pour se les procurer, en divisant ses tubes exactement.

Prenez un tube de verre ouvert par les deux bouts, introduisez-y une certaine quantité de mercure , il en résultera une petite colonne intérieure au tube. Marquez sur le verre meme , les points extrêmes où aboutit cette colonne, et promenezla ainsi successivement sur toute la longueur du tube, à partir d’une de ses extrémités 5 vous aurez ainsi une première échelle de parties égales , dont je nommerai la longueur Z. ( On fera bien de s’aider d’une figure facile à imaginer. )

Faites ensuite sortir une portion du mercure que vous avez introduit; par exemple , un peu moins de la moitié. Si vous amenez la colonne restante à uno des extrémités du tube, elle n’atteindra plus la première division, mais elle dépassera la moitié de l’intervalle Z; marquez le point où elle se termine. Amenez maintenant son autre extrémité à la première division ; elle n’atteindra plus l’orifice du tube , mais elle occupera plus de la moitié de l’intervalle Z. Marquez encore le point où elle s’arrête. Ce point et le précédent sont également éloignés du milieu de l’intervalle Z. Ainsi vous aurez le milieu, en prenant la moitié de l’intervalle qui les sépare; car si vous avez fait sortir , à-peu-près, la moitié du mercure introduit d’abord, et que le tube ne soit pas très-inégal, la distance des deux points doit être peu considérable , et le tube peut bien être regardé comme cylindrique dans une si petite étendue. En répétant la même expérience sur toutes les grandes divisions successivement, vous marquerez le milieu de chacune d’elles , ce qui vous donnera une nouvelle échelle de parties égales qui se~ ront deux fois plus nombreuses. Divisezencore ces dernières par la même méthode, et ainsi de suite; vous parviendrez ainsi à avoir sur votre tube, tel nombre do divisions égales que vous voudrez.

Alors faites souffler une boule à l’une des extrémités du tube, întroduîsez-y du mercure bien pur et bien sec , que vous ferez bouillir dans le tube même ; puis achevez votre thermomètre comme à l’ordinaire , en marquant le point do la glace fondante , et celui de l’ébullition de l’eau : comptez combien il se trouve, entre ces points, de divisions égales, et ce nombre vous donnera l’échelle de votre thermomètre qui , construit sur ces principes , sera parfaitement exact.

Il sera facile de réduire ces degrés en degrés de Réaumur ou de Farenheit , oit en telle autre échelle que l’on voudra ; car , soit n le nombre des divisions comprises entre la glace et l’eau bouillante ; il est facile de voir que chaque degré de ce thermomètre , en vaudra — de Réaumur , — - de Farenheit et — — ° de l’ échelle

centigrade.

partie avec de l'air; k reste de l’espace contient du mercure qui s’élève à-peu-près jusqu’à la moitié de la partie la plus allongée du tube. Lorsque l’air est chauffé en C, ilsc dilate , et le mercure s’élève; lorsque l’air est refroidi, il redescend. Si les points de congélation et d’ébullition sont déterminés, comme il est dit ci-dessus (pag. 71,$ 5), et si la distance fondamentale est divisée en 370 parties, on a le thermomètre à air de Lambert (1).

§ 8. Le mercure a, pour les usages thermométriques, les avantages

Lorsque l’on marque le degré de l’ébullition de l’eau, il faut noter en même temps la hauteur du baromètre qui indique le poids de l’atmosphère; car l’eau bout à une moindre chaleur, quand le baromètre est plus bas, et elle en exige une plus grande , quand le baromètre est haut. C’est ce que l’on verra quand il sera question du poids de l’atmosphère , dans le chapitre suivant.

Le thermomètre est un instrument si généralement utile , et d’un usage si fréquent, que j’ai cru que les physiciens qui aiment l’exactitude, ne me sauront pas mauvais gré d’être entré dans ces détails.

(1) Lorsqu’on veut mesurer très-exactement de petits changemens de température, on emploie une autre sorte de thermomètre à air. On prend, comme pour le thermomètre ordinaire, un tube de verre terminé par une boule creuse; mais au lieu d’y introduire du mercure, on se sert de l’air même qu’il contient, pour mesurer les variations de température par les changemens de son volume. A cet eilet, il faut séparer cet air intérieur d’avec l’air extérieur. Pour y par-' venir , on prend la boule dans la main , afin d echauffer un peu l’air qui s’y trouve renfermé; cet échauffement le dilate et en chasse une partie; alors on met à l’orifice du tube un petite goutte d’esprit de vin coloré , on retire la main , Pair intérieur se refroidit , se contracte, la petite goutte entre dans le tube, et ensuite elle descend ou elle monte, suivant que la masse d’air intérieur se resserre ou se dilate ; ce qui a lieu selon que la chaleur diminue ou augmente. La sensibilité de cet appareil dépend du rapport des volumes du tube et de la boule, et l’on peut la calculer d’après les lois connues de leurs dilatations. Mais on sent qu’à cause de cette sensibilité même , il ne peut être employé qu’enti'e des limites très-peu étendues ; car, si le refroidissement est trop grand , la goutte liquide se précipite dans la boule ; et si au contraire , il survient une trop grande augmentation de chaleur , la bulle est chassée hors du tube.

Si l’on souffle ainsi deux boules aux deux extrémités d’un même tube , et qu’on y introduise par un très-petit trou que l’on ferme ensuite , une goutte d’esprit de vin coloré, cette bulle ne sera iulluencée que par la différence de température tics deux masses d’air qu’elle sépare. Cet instrument qui peut servir dans une infinité d’expériences délicates, se nomme un Thermoscope .

DE LA CI1ALEUE

suivans : ï.# il supporte, avant de bouillir ou de devenir aériforme, plus de chaleur que tous les autres fluides; et l’on peut; en l’employant, prolonger l’e'chelle au-dessus du point d’ébullition de l’eau, jusqu’à a5a de Velue , et 600 de Farenheit. Au-dessous du point de congélation, elle peut être prolongée jusqu’à 32 de Velue , et — 4° de ^a~ renheùt, A ce degré, le mercure devient solide. 1.0 On peut avoir le mercure parfaitement pur , et jouissant de propriétés toujours semblables, plus facilement qu’aucun autre fluide; par conséquent, les thermomètres à mercure peuvent plus aisément être rendus comparables les uns aux autres, 3.° Le mercure est plus sensible à l’action de la température que tout autre fluide, c’est-à-dire, qu’il marque plus promptemen t les effets de la chaleur et du froid. 4*° Son avantage essentiel consiste en ce que sa dilatation est presque proportionnelle à la marche effective de la chaleur , du moins entre les points d’ébullition et de congélation. C’est ce que Velue a démontre' par une série d’expériences très-exactes (i)„

(1) Quand on mêle deux parties d’eau d’un poids égal, mais de températures différentes, un thermomètre plongé dans le mélange , doit indiquer le degré justement intermédiaire entre leurs deux degrés de chaleur , pourvu que sa marche soit proportionnelle à celle de la chaleur. C’est sur cela que se foude la méthode de Deluc , pour éprouver la marche du thermomètre à mercure , comparativement avec celle de la chaleur. ( Voyez les Recherches de Deluo sur le modifications de l’atmosphère.)

L’expérience précédente est extrêmement difficile à faire avec exactitude ; car , pour y parvenir , il faudrait soustraire totalement les corps sur lesquels on opère , à l’influence des corps étrangers. Cependant la vérité qu’elle tend à établir, étant extrêmement importante , on a cherché à le faire d’une autre manière qui fut plus sûre et plus exacte. C’est à quoi Gay-Lussac est heureusement parvenu , comme on va le voir.

Ce qui fait que la dilatation d’un corps, peut n’étre pas proportionnelle à la chaleur, c’est que, si ce corps change d’état ,sa capacité pour la chaleur change aussi, en sorte qu’il en faut plus ou moins qu’ auparavant pour faire changer sa température d’un même nombre de degrés; et, quoique l’on puisse se tenir entre ces extrêmes, et ne pas aller, par exemple , jusqu’à l’ébullition qui fait passer le corps de l’état, liquide à l’état aérifonne, cependant on peut ne pas éviter tout-à-fait ces inconvéniens; car il est de fait que les corps participent long-temps d’avance à ces modifications , et leurs propriétés se préparent } en quelque sorte , peu des nuances

ADDITION

<( On a découvert une nouvelle source d’erreurs auxquelles on est exposé, en employant long-temps le meme thermomètre, et k laquelle il est impossible de remédier, si ce n’est en faisant une nouvelle graduation : elle tient à ce qu’on a fait le vide dans le tube, et que la pression de l’atmosphère en diminue l’espace intérieur , ensorte que le thermomètre marque alors une température trop élevée. M. Gay-Lussac en comparant un thermomètre de deux ans avec un autre qu’il venait de construire , a trouvé jusqu’à un degré et demi de différence entre les deux indications. Il est possible encore que d’autres causes qu’on peut soupçonner, influent à la longue sur le calibre du tube.

insensibles, à ces changemens qu’elles doivent subir. On pourrait donc, par cette raison , douter si les dilatations du mercure de o à 8o° conservent une marche égalent proportionnelle aux accroissemens delà chaleur , quoique ce dernier terme lui-même soit encore très-éloigné du point où le mercure commence à bouillir. Mais on peut, sans aucun doute, admettre cette proportionnalité relativement à l’air et aux autres substances aériformes que nous ne pouvons jamais faire changer d’état par aucun moyen physique quelconque. Or , en observant comparativement, par un grand nombre d’expériences , la marche du thermomètre à mercure et celle du thermomètre à air, Gay-Lussac a trouvé qu’elle est exactement la même, de sorte qu’entre ces limites, les degrés du thermomètre à mercure peuvent être considérés comme indiquant, avec une extrême vraisemblance , des accroissemens égaux de chaleur. Depuis, MM. Dulong et Petit ont fait voir que cette propriété est reffet d’une compensation qui s’établit entre les inégalités de dilatation du mercure et du verre qui le renferme ; ils ont trouvé que chacune de ces dilatations, mesurée à part, et d’une manière absolue, est croissante à mesure que la température s’élève, quand on la compare à celle de l’air sec. Mais le thermomètre à mercure ne montre que la différence de ces accroissemens, différence qui devient insensible entre o et 80 • c’est pourquoi ses indications semblent parfaitement exactes dans ses limites. Elles ne le sont pourtant pas tout-à-fait, et l’erreur augmente avec la température , mais toujours par le seul effet des différences de dilatations du mercure et du verre; de sorte , par exemple, que lorsque le thermomètre à mercure marque 3oo° au-dessus de la température de la glace fondante, le thermomètre à air marque déjà 2q3, ce qui donne seulement une erreur de r °.

DE LA CHALEUR

Du Pyromètre.

§ g. On a imagine divers instrumens pour mesurer les degrés de chaleur très-élevés; on les nomme pyromètres. La plupart sont fondés sur la dilatation des corps solides , et principalement sur celle des métaux. ( Voyez Gehler et Fischer, art. thermoineter etpyrometer). Tous ces instrumens sont encore très-imparfaits. Le meilleur est celui que Wedgewo od a inventé (*). ( Gehler, IV, pag. 368; Fischer, V pag. i 07). L’idée d’après laquelle il est composé , est la suivante. L’argile pure, et toutes les poteries d’argile , font une exception apparente à la loi de la dilatation des corps par la chaleur (pag. 70, § 3 ). Les morceaux d’argile , qui n’ont pas été cuits , mais seulement séchés à l’air, se contractent par la chaleur , d’autant plus qu’elle est plus intense; et lorsqu’ils sont refroidis, ils ne reprennent pas leurs dimensions précédentes. Cela vient de ce que l’argile séchée contient encore une certaine quantité d’eau, qui lui est enlevée peu à peu par la chaleur. D’après cette observation, TVedgewood fît préparer des tubes d’argile de dimensions exactement déterminées; puis il les exposa à l’action de la chaleur qu’il voulait mesurer. Ainsi, il les plaça, par exemple, dans un creuset avec de l’argent en fusion , et après les avoir laissés quelque temps, il les retira; et en mesurant, au moyen d’un appareil fort simple, la diminution de leur diamètre, il en conclut le degré de la chaleur : il se servit, pour déterminer ce degré, d’une échelle particulière , mais qui est comparable à celle de Deluc et à celle de Farenheit. De nouvelles expériences ont cependant appris que les données fournies par cet instrument , sont encore un peu incertaines (1).

(+) Guyton de Morceau tira parti de la grande difficulté de faire fondre le platine, pour construire un pyromëtre qui indique les hautes températures par les dilatations d’une barre de ce métal; mais celui qu’on doit à M FBrogniardy directeur de la manufacture de porcelaine de Sèvres , près Paris , commence à être préféré aux deux autres.

(1) J’ai moi-méme donné un moyen que je crois très-exact pour mesurer les plus hautes températures. Il est fondé sur cette propriété que j’ai démontrée par expérience, c’est que , lorsqu’une barre métallique exposée dans un air tranquille , est plongée par une de ses extrémités dans une source de température constante ,

De quelques points remarquables des Échelles thermométriques et

pyro métriq ues.

$ io. Outre les points de congélation et d’ébullition, on a encore observé, au moyen des inslrurnens que nous venons de décrire, plusieurs degrés remarquables de chaleur, parmi lesquels nous indiquerons les suivans :

DEGRES DU THERMOMETRE.