Effets mécaniques produits par la chaleur

— Si les actions mécaniques produisent de la chaleur, celle-ci à son tour produit des effets mécaniques.

La chaleur appliquée aux corps les dilate, et peut par là surmonter des résistances et donner naissance a du travail mécanique.

La plus importante des machines industrielles, la machine à vapeur, n'agit que par l'expansion de la vaiDcm-, qui est produite par la chaleur.

Non-seulement on obtient du travail au moyen de la chaleur appliquée à un corps du dehors, mais on en peut produire par de la chaleur soustraite du corps même qui agit. En effet, si l'on diminue la pression que supporte un corps, celui-ci se dilate et effectue un travail, tandis que sa température baisse.

On peut citer une foule d'exemples de ce phénomène.

Quand on raréfie l'air dans un récipient, l'air intérieur chasse par son élasticité celui qui est au voisinage du conduit d'évacuation, il produit mi travail, et un thermomètre Breguet placé dans le récipient accuse une perte de chaleur.

Si 011 laisse échapper, par un petit orifice, de l'air humide comprimé à 2 ou 3 atmosphères, le refroidissement du jet d'air est tel que, si on le

reçoit sur une boule de verre, celle-ci ne tarde i3as à se recouvrir d'une couche de glace provenant de la vapeur d'eau congelée. Ici il y a production en même temps de travail et de force vive d'une part, et perte de chaleur de l'autre.

C'est par le froid produit par son expansion que l'acide carbonique se solidifie en sortant d'un réservoir où il est comprimé h 40 ou 50 atmosphères.

Autrefois tous ces phénomènes étaient attribués au passage à l'état latent d'une partie de la chaleur sensible. C'était se payer de mots qu'accepter une telle explication. En efi'et, si la chaleur devient latente, se cache par la simple raréfaction d'un corps, il doit toujours s'en cacher la même quantité, dans le passage d'un état initial donné à un état final pareillement donné, quelle que soit la manière dont le corps passe de l'un a l'autre.

Or, l'expérience prouve tout le contraire. Pomle faire voir, concevons un cylindre d'un mètre carré de section, contenant un mètre cube d'air, sous un piston d'un poids égal à 10333*, c'est-à-dire sous la pression d'une atmosphère. Diminuons graduellement (gramme par gramme, si l'on veut) le poids du piston. Puisque c'est l'air qui soutient le piston, il est clair qu'à chaque diminution de la charge répondra une augmentation du volume de l'air; de sorte qu'à chaque soustraction de poids, le piston s'élèvera jusqu'à ce que la pression réponde h la nouvelle charge. En môme temps la température de l'air diminuera d'une petite fraction de degré.

Mais si la dilatation se fait très-lentement, comme nous le supposons, l'air reprendra bientôt sa température en enlevant de la chaleur aux corps environnants.

Supposons que nous ayons ainsi graduellement diminué le poids du piston jusqu'à le réduire à la moitié, soit à 5166*,5. La température demeurant constante, le volume de l'air doublera et le piston montera de 1™. L'air développera un travail qu'il est facile de calculer, et en même temps il absorbera des corps ambiants une quantité de chaleur égale à 17 calories en nombres ronds.

Maintenant, au lieu d'opérer l'expansion de l'air en produisant du travail, laissons l'air se dilater sans produire du travail. A cet effet prenons un réservoir d'un volume intérieur de 1 mètre cube, et après y avoir fait le vide, mettons-le en communication avec un réservoir contenant 1 mètre cube d'air sous la pression de 1 atmosphère. L'air se précipitera d'mi vase dans l'autre et quand tout mouvement aura cessé dans les deux vases, la pression tombera a V2 atmosphère, comme dans l'expérience précédente, mais la température ne changera pas sensiblement.

Dans les deux expériences l'état initial et l'état final sont les mêmes; cependant dans la première il y a disparition de presque 17 calories, et dans la seconde aucune chaleur ne disparaît.

Quelle est la cause d'une telle différence? Evidemment on ne peut l'attribuer qu'au travail qui

est produit dans un cas et à l'absence de ce travail dans l'autre.

Poui- faire voir combien est absurde cette conception du calorique latent, supposons qu'on comprime lentement les 2 mètres cubes d'aii-, obtenus ci-dessus par la dilatation libre, sans production de travail, pendant qu'on entretient constante la temj)éràture en soustrayant la cbaleui- à mesure qu'elle est produite. On ramènera ainsi l'air à occuper 1 m, c, sous la pression de 1 atmosphère, en dépensant im travail égal à celui que fournit 1 m. c. d'air à 1 atm. de pression pendant qu'il se détend jusqu'à occuper 2 m. c. En même temps on recueillera une quantité de chaleur d'envii'on 17 calories , • égale à celle qu'il a fallu dépenser pour opérer la dilatation accompagnée de travail.

Qu'on laisse ensuite se détendre librement sans production de travail le même mètre cube d'air jusqu'à occuper 2 m. c. La pression tombera h V2 atmosphère, et la températm-e se conservera constante sans qu'on ait besoin de communiquer de la chaleur du dehors.

Qu'on comprime de nouveau les 2 m. c. en maintenant la température constante au moyen de la soustraction de la chaleur à mesure qu'elle se j^roduit. On recueillera ainsi une nouvelle quantité de chaleur égale a 17 calories.

En alternant de la sorte, autant de fois qu'on voudra, une dilatation libre, sans production de travail, avec une compression accompagnée de la

dépense d'un travail, on pourra recueillir une quantité de chaleur aussi gxande qu'on voudra.

D'où vient toute cette chaleur? Le mètre cube d'air revient, après chaque détente et compression, au même état; cependant il peut fournir ainsi une quantité indéfinie de chaleui'.

La seule explication qu'on puisse en donner, c'est que la chaleur produite est due au travail dépensé.

Par tout ce qui précède nous sommes conduit à admettre que le travail mécanique et la chaleur peuvent se transformer l'un dans l'autre. Il est donc naturel de supposer une équivalence entre ce travail et cette chaleur.

Cependant cette idée, qui nous paraît maintetenant si natm-elle, a été méconnue jusqu'à ces derniers temps, et n'a été formulée nettement qu'en 1842 par Mr. le Dr. Jules Robert Mayer, de Heilbronn^), et mise à l'abri de toute objection par les expériences de M. James Prescott Joule, de Manchester.