COLOMB

de la vapeur, calculé par

les formules ordinaires.

VOLUME

calcalé par la

formule propo-

sée pour les

machines à

condensation

4i3 3iï

VOLUME

calculé par la formule proposée po^ir les machin, à haute pression sans condensation.

DE l'action Mécanique de la vapedr. ioi

Volume relatif de la vapeur, formée sous différentes preS" sions, calculé par les formules proposées (mesures anglaises, )

▼OLUIIK

PRESSION TOT ALB

de la Yapour, en livres par pouce

voLvin de la vapeur calculé par les formules

VOLOIM

calculé par k formule proposée pour les

miii*hinnfi

calculé par la

sée pour les machin, à haute

carré.

ordinaires.

à condensation.

pression sans condensation.

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I02 CflAPITilE f^EOmiMX.

$ 5. De la chaleur constitutwe de la vapeur en contact avec le liquide.

Il est encore , relativement aux propriétés de la vapeur, une recherche qui a fixé depaia longtemps Tattention des physiciens : c^eàt celle de la quantité de chaleur nécessaire pour constituer la vapeur à Tétat de fluide élastique sous divers degrés de tension.

On sait que lorsque fait vaporiser de l'eau sous la pression atmosphérique , en vain lui ajoute-t-on continuellement de nouvelles quantités de chaleur au moyen du foyer, jamais la température de Teau, non plus que celle de la vapeur, ne s'élèvent au*delà de loo^ du thermomètre centigrade, ou 2iao du thermomètre de Fahrenheit. Il faut donc que toute la chaleur, qu'on ajoute sans, cesse au liquide^ passe dans la vapeur^ mais s'y maintienne dans un état particulier, qu'o& appelle latent j parce que cette chaleur, quoique matériellement transmise par le foyer, reste néanmoins insensible au thermomètre , et qu'eUe ne s^ mani-^ feste ensuite quVn se dégageant mi moment où Ton condense la vapeur^

Cette chaleur latente est évidemment employée à maiûtenir les molécules d'eau dans l'écartement convenable à leur nouvel état de fluide élastique ,^ et elle est alors absorbée par la vapeur d'une ma^ nière semblable à celle qui a été absorbée par l'eau en passant de l'état solide, c'est-à-dire de l'état de^

DE l'action MÉC/iNIQUE DE LA VAPEUR. I o3

glace à l'état liqi|idej mais il ^$t iipportant d^en çonuHi^rç 1^ quantité, pour apprécier avec exactitude Ip5 fpQdîfiçatipn^ que peut subir la vapeur*

Quelques essais entrepris par Watt, avaient déj^ fait ^p^çevoir qu? 1^ vap^ijir , au moment de $a formation, ou en contact avec le liquide, coo* tiei^t Ifi ipéme quantité de chaleur totale, à quelque degrjâ de tension, ou si Ton veut, à quelque d^ré 4^ 4cwMté qu'elle $oît formée. Mais les expérienpea de MM* Sharpe et Clament sont venues,, depuis I cq^ùrmer ce r^uUat, 0<i en dédmt que \s^ qu^ntiléde çtialeur contenue à Tétat latent^ dans la v^jipf ur en contact ave^ le liquide, est de moins en i?qpins grande, à na.esur^ que la température de cett^ v^pçMr est plus élevée ; de sorte que la chaleur totale o^ la «qmmp de la ph^eur latente, plus la chaleur indiquée pap le thermomètre , formant dans t^us les cas une quantité con^^t^nte , Représentée par ^5q di^gi^ du thermomètre centigrade ou 1 1 7a degrés de celui de Fahrenheit.

^«(Hithern, aM contraire, a conclu de qudques expériences sur la pression et la température de la vapeur , que ce serait la portion latente de la chaleur qui serait constante, et que pour avoir h| quantité totale de chaleur actuellement contenu dans la vapeur formée à une température dpni^, il faudrait, à cette température, ajouter uf^ HPmhri^ constant, qui représenterait la chaleur latento ^^^^rbée par la vapeiu* dans le change* ment d'état.

I04 CHAPITRE DEUXliMR«

Cette opinion a paru plus rationnelle à quelques auteurs, mais la première nous semble mise hors de doute par les observtions que nous allons rapporter.

On sait que , lorsqu'un fluide élastique se dilate dans un espace plus grand, cette dilatation est invariablement accompagnée d'un abaissement de température. Si donc la première des deux lois est exacte, il s'ensuit que la vapeur étant une fois formée sous une certaine pression, pourra être séparée du liquide, et pourvu seulement qu'on ne lui enlève, par un agent extérieur, aucune por^ tion de son calorique primitif, elle pourra se dilater dans des espaces de plus en plus grands, en passant en même temps à des températures de plus en plus petites, sans cesser pour cela de rester au maximum de densité pour sa température actuelle. £if effet, puisque nous supposons que tel vapeur n'a perdu matériellement aucune portion de sa chaleur totale, il s'ensuit qu'elle en contient toujours précisément ce qu'il faut pour la constituer à l'état de maximum de densité à sa nouvelle température , aussi bien qu'à l'ancienne.

Si au contraire la loi de Southern est exacte , lorsque la vapeur, une fois séparée de l'eau génératrice, diminuera de densité en se dilatant dans des espaces de plus en plus considérables, elle ne restera pas au maximum de densité pour sa nouvelle température. En effet, si nous admettions ce fait, il s'ensuivrait que la loi de Watt se trouverait

DE l'action mécanique DE LA VAPEUR. Io5

vérifiée, puisque la nouvelle vapeur serait au maximum de densité, tout en contenant précisément la même quantité de chaleur totale que Tancienne. Mais puisque nous admettons au contraire que la vapeur primitive contenait plus de chaleur qu'il n'en faut pour constituer la nouvelle à l'état de maximum de densité, il s'ensuit que ce surplus de chaleur, devenu libre maintenant, se répandra dans la nouvelle vapeur; et comme celle-ci est séparée du liquide, cet aôcrûissement de chaleur ne pourra avoir pour effet d'augmenter la densité delà vapeur, mais sera tout entier sensible dans là tempérliture. Ainsi, nous aurons pour résultat, de la vapeur à une certaine densité, indiquée par les espaces relatifs dans lesquels s'est dilatée la vapeur, et à une température supérieure à celle qui convient à cette densité, pour les vapeurs au miaximum de densité.

Or, dans une suite très nombreuse d'expériences dont nous parlerons dans un instant , nous avons trouvé que dans une machine à vapeur , dont les conduits étaient entièrement protégés contre tout refroidissement extérieur , la vapeur se formait sous une très haute pression , et eh sortait sous des pressions très basses et très variées, et que dans tous les cas cette vapeur sortait exactement à l'état de vapeur au maximum de densité pour sa température. La loi de Southern est donc inadmissible, à moins qu'on ne veuille supposer que dans ces changements variés de pression, la vapeur au-

IqQ GHAFITAE 0El)UèM^.

rs^it toi;gpurs pe;r4u9 p^jr le coptaçt; avep les ipémes sqr^ce^ extérieures, précisément çt striçt^inent h quaptit^ de çh^leu^^ tantôt très çopsi4f^i^^^« tai^tot très pçt;itç, dont aurait di^ s'af^çroitir^ sa température. Par conspuent nous pc^^rd^fis la loi dis W^ft çommff }a seule supportée par le^^it^.

ha^ qu£^ntité totale dfs çt^alewr çopt^ou^ 4an^ la vapeur en çoptact ay^c Iq Uqwd^ » et sow |iiiq pression q^elçQpq^^, est dpnc ^m qqw^ité coflfr» tantç; et k mesure qm U clialeuir $çi)sibl^ ^^i^-^ mentç, la cbaljsur jiatente diminue AU eonti*air^ d'une quantité égale. M^ip on ren^arquera que cette loi n'a été reconnue qm pour la vapwir en çOQt^ct avec le liquide^

D'un autri^ c6té , d'api^s ceMe même loi , si l'on conçoit d^ l'efttt rçafifermée dans un vase eapable d'y ne ré^i^t^nce suffisant^, et que l'on soumette cette eau à des jtefppératures de plus en plua élevées , la çhalwr latente de la vapeur qui s'en élèvei'a, sera toujours de plus en plus fuetite, à nïe^ure que la température de formation sera plus considérable ; et lorsque la vapeur se produira à une température égale à 65o degrés centigrade/^ ou 1170 degrés de Fahrenheil:, elle cessera d'absprber de la /chaleur à l'état laleàt , el n'en recevra plus aucune portion qui ne devienne sen^Ue au therjnométee. Nous devons donc conclure qu'à ce point la vapeur aura une densité égale à pelle de Veau^ puisqu'en passant d'un élat à l'au-» tre , elle n 0;iîg^ra plui de nouvelle dose de eha-»

DE L ACTIOH BfSCANIQUB DE LA VAPEUR. IO7

leur 9 comme cela $eraît nécessaire , s'il devait y avoir augmentation d'écartement entre lés mole* cules, Ain^ l'eau ^ quoique toujmirB cont^iue dans le vase, y sera néanmoins passée csi to^ité, à Tétat de vap^r ; <le sorte qu'il n'y ainra plus de liquide en contact ayee la vapeur , et la loi précédente cessera 4 W^ter. Dès ce moment donc, on pourra ajouter 9U vase de nouvelles quantités de cha* leur; mais au lieu d'agir sur un liquide, on n'agira fim qu# sur un fluide éla^ique, et ainsi tous les accroissements de chaleur qu^on lui fera subir, deviendront I coaame dans tous les gas, sensiUes au thermomètre.

Cette observation explique la difficulté qui sans cela se présenterait, en ce qu'au-ddà de 65o degrés centîgritdes ouile 1 170 degrés de Fahrenheit, la loi précédente ne pourrait subsister qu'autant que la chaleur latente deviendrait une quantité négative,^ ce qm est impossible.

§ 6. De la conservation du maximum de densité de la vapeur y pendant son action dans les machines.

jA>rsqu'une machine est en action , la vapeur se produit dans la chaudière à une certaine près* sioa ; 4e là ^We passe dans le cylindre ^en prenant uae pression d^érem^, et ensuite, si la machine est à détente, la vapeur après sa séparation de celle de 1^ dbaudière, continue à se dilater de plus en phis dans le cylindre, jusqu'à la fin de la

Io8 CHAPITRE deuxième:.** *

course du piston. On suppose ordinairement que pendant tous les changements de pression que peut subir la vapeur , sa température se conservé la même, et Ton conclut en conséquence que^ durant l'action de la vapeur dans la machine, la densité ou le volume relatif de cette vapeur suit J^. loi deMariotte, c'est-à-dire que le volume relatif varie en raison inverse de la pression. Cette supposition simplifie considérablement les formules , mais comme nous allons voir qu'elle est contraire À l'expérience, il est nécessaire que nous recherchions quelle est la loi /suivant laquelle la vapeur change de température, en même temps qu'elle change de pression dans la machine. Et comme les calculs relatifs aux effets de la vapeur dépendent essentiellement du volume qu'elle occupe , il faut que nous recherchions ensuite quels changements ce volume éprouve, en raison des variations de température et de pression qui se produisent dans la vapeur pendant son action.

Nous remplacerons ainsi la relation précédemment indiquée, d'après la loi de Mariotte, par une autre plus réelle et déduite des faits euxmêmes, ce qui est nécessaire pour calculer avec exactitude les effets de la vapeur.

Nous venons de dire que , dans les calculs relatifs aux machines, on suppose que la vapeur conserve invariablement sa température de formation , ce qui permet d'appliquer la loi de Mariotte à tous les changements de densité ou de pression

DE L ACTioir Mecaniijue de la vapeur, tog qu'elle subit. Cependant, comme on sait que les fluides élastiques ne se dilatent jamais sans éprouver un refroidissement , il est clair que la supposition dont il s'agit, ne pourrait se réaliser qu'autant que la vapeur aurait le temps de recouvrer sur les corps avec lesquels elle est en contact, supposés suffisamment échauffés , la quantité dé calorique nécessaire pour ramener sa tempâ^ture, après la dilatation , au même point où elle était auparavant. Or, la rapidité du mouvement de la vapeur dans les cylindres et les conduits y . ne permet pas d'admettre une semblable hy« pothèse*

Pour nous en assurer, pendant une série nom<^ breuse d'expériences , qu'on trouvera détaillées dans la prochaine édition de notre Traité des LocomotweSy nous avons adapté à la chaudière d'une locomotive un thermomètre et un manomètre à air; puis nous avons appliqué deux instruments semblables au conduit par lequel la vapeur, après avoir terminé son action dans la machine, s'échappait dans l'atmosphère, et nous avons observé leurs indications simultanées. La vapeur se formait dans^ la chaudière à une pression totale qui variait de 4o à 65 livres par pouce carré, ou de a.7 à 4.4 atmosphères, et elle s^échappait vers l'atmosphère à une pression qui variait, suivant différentes circonstances, de 20 à i5 livres par pouce carré, ou de 1 .40 à I .o3 atmosphères. Si la vapeur avait conservé sa température pendant son action dans la

MO CHà^RS I>EUXI:kMfe.

machine, die serait sortie arec la prefièitm de i5 livre» par pouce carré , par exemple, tnàts avec la température propre à k pre^iôô de 65 li* vreà par ptnice carré , à laquelle eUe s'était formée. Or, il n'en était rien : petidant plusieurs centaines d'expériences ^ où nous avoDs observé et eiaregistré ces elfets^ nous avon^ l^ôu^é «irariablement que la vapeur sortit ex^àctaiâent avec la température qui conv<Bnsât à ^a pression aC'tueUe; de sorte que le thermomètre , qui portait des divisions pour indiquer la pression , dans les vapeui^s au maximum de denisité, donnait identiquement le même degré de pression que le manomètre à air, et qu'il s'accordait également avec un troisième manomètre à siphon, que nous avioàs encore ajouté à l'appareil ^u poitit de sortie de k vapeur* La vapeur se formait donc datis la chaudière à une certaine pression très élevée ^ et eUe dcntait de la machine avec une pression très£»ble; mais à sa lK>rtie, aussi bien qu'à Tinstant de sa prodik^ion , cette vapeur était a la température qu'elle ant^ait eue, si elle s'était immédiatemtot fomée à sa pression actuelle.

Bar conséquent , nous devons conclure de ces expériences, que pettvdaùt tonte son diction dans ks ffnai|hi»es , la vàpettr resfte à Fétat de vapeur aa tnalÉEnDm de prè^on ou de densité pour sa tempénMire. fi rés^te de là que, lorsque la pression de la viif>eHt change i9ans la machine , sa température change d'etle-mémfe en même temps,

DE L^ACTIOÏT MÉfcÀÏ^IQtE DE LA VAPEUR. 1 f (

OU réël|>i^ôquéttiétlt ; de telle sorte qu'elles conservent toujours entre elles la relation cjui lie les pressions et les températures dans les vapeurs qui restent en tbntact avec leur liquide généra- Wût.

■Ôf , nous avons hiotttré ^âhs le paragraphe 4 ije4ce chapitré, qu*dn t)eiit, pôtir les vapeurs en Cfôntadt avec le liquide, exprimer leur volume en Fonction de leti^ préSSiôn , par une formule très Sitnpte, que iiôus pouvons réprésenter en général SôiiS là fornlié

Cette relation , dans laquelle n et ^ auront, suivant le cas , les Valeurs numériques données plus haut, èèra donc applicabïe à tous les changements Ae volume ^e la vapeur dans les machines.

Ainsi, quand la vapeur passera d'une certaine pression/?', à une autre pression également connue /u, et ^ue son volume primitif donné fi' variera en conséquence , et acquerra une valeur inconnue /u, on aura à la fois :

n + qp' ^ 71 + qp"

Par conséquent, en divisant ces deux équations l'ûue par Tattls^e ^ on eli cokidura , «ntre les vo- Itmies relatifs et les |>ressionS(, larelat«3n^aiiraifite:

^ n^ qp

tI2 CHAPITRE DEUXIÈME.

Cette relation doit donc être substituée à celle de Mariotte, qui n'est point applicable au travail de la yapeur dans les machines.

Comme dans tous les calculs relatifs aux effets des machines, c'est le volume occupé par un poids donné de vapeur, qui forme l'élément important du calcul , il est facile de reconnaître que l'emploi du principe de conservation du maximum de densité de la vapeur pendant son action dans les ma^ chines , et les formules par lesquelles nous l'avons représenté , feront éviter des erreurs considérables dans les résultats.

Si l'on considère une machine où la vapeur se forme à 8 atmosphères , ou 1 20 livres par pouce carré, et se détende à 10 livres par pouce carré; dans le mode de calcul en usage , on supposera que pendant sa détente , la vapeur conservera sa température, et qu'ainsi son volume variera en raison inverse des pressions. Le volume de la vapeur à la pression de 120 Ibs par pouce carré , est a49 fois celui de l'eau qui Ta produite. Si sa température se conservait pendant son action dans la machine, son volume deviendrait, après la détente y

La supposition que Ton fait revient donc à admettre que sous la pression de 10 Ibs par pouce carré , le volume de la vapeur serait 3988 fois celui de l'eau. Or, d'après les tables exactes , ce volume

DE L^ ACTION MÉCANIQUE Ï>E LA VAPEtJR. f l3

€St ^4^7* ^ ^^^^ donc ainsi une erreur de | sur le volume réel de la vapeur, c'est-à-dire sur Teffet de la machine, et on l'évitera presque entièrement en feisant usage de notre formule, car elle donne , pour ce cas , ii4 17 au lieu de 24^7 9 c'est-àdire qu'elle diffère à peine du véritable volume de la vapeur.

Cependant nous devons ajouter que pour des diffërendes de pression peu considérables, comme «lies se produisent dans quelques machines, l'erreur peut devenir négligeable.

^ I t4 . . GHAPITBB TROISliV E.