CHAPITRE XVII

803. Chaleur dégagée par les actions mécaniques. — Il y a des

sources de chaleur autres que la radiation solaire et que les réactions chimiques, les changements d'état physique et l'électricité. Tous les corps, quel

que soit leur état, peuvent devenir des sources de chaleur. 11 suflit, pour cola, qu'ils soient soumis à certaines actions mécaniques, telles que le frottement, la percussion, la pression, le choc. Ainsi, l'axe d'une roue qui frotte sur ses coussinets, un marteau-pilon qui frappe sur son enclume, un gaz que l'on comprime, un boulet de canon qui choque un blindage, dégagent de la chaleur, en quantité plus ou moins considérable, et d'une manière aussi régulière que les sources calorifiques ordinaires. Nous allons entrer dans quelques détails à ce sujet.

806. Chaleur due au frottement. — Le frottement de deux eorps l'un contre Vautre développe une quantité de chaleur d'autant plus grande, que la pression est plus forte et le mouvement plus rapide. En voici quelques exemples.

1° Souvent les boites des roues de voitures, par suite du frottement contre leurs essieux, s'échauffent jusqu'à prendre l'eu.

2° Expérience de Davy. — H. Davy a fondu deux morceaux de glace en les frottant l'un contre l'autre dans une atmosphère dont la température était au-dessous de zéro.

5° Expériences de Rumford. — Eu forant sous l'eau une masse de bronze, Ruinford trouva que, pour obtenir 250 grammes de limaille, on développe par le frottement une chaleur capable d'élever 25 kilogrammes d'eau de zéro 100°, ce qui représente 2500 calories.

4° Expériences de Beaumont et Mayer. — Beaumont et Mayer construisirent à Paris, en 1855, un appareil dans lequel ils chauffaient en quelques heurt 400 litres d'eau de 10 à 130° par le frottement d'un cône de bois recouvert de chanvre, tournant, avec une vitesse de 400 tours par minute, dans un cône de cuivre creux, fixe et plongé dans l'eau d'une chaudière hermétiquement close. Les surfaces frottées étaient constamment graissées d'huile.

5° Expérience de Tyndall. — Tyndall a imaginé un petit appareil qui,

quelques minutes, rend très manifeste la chaleur développée par le frottement. Il se compose d'un tube de laiton, creux et plein d'eau, auquel on imprime un mouvement de rotation rapide au moyen d'un mécanisme très simple, représenté dans la figure 798. Le tube a 10 centimètres de hauteur et 2 de dia-

mètre. On le remplit d'eau tiède, pour que l'expérience dure moins longtemps, et on le terme avec un bouchon, afin que l'eau ne soit pas projetée par l'effet de la rotation. Tandis que d'une main on fait tourner le système, de l'autre on serre le tube entre deux planchettes à rainures qui forment les branches d'une sorte de pince en bois. Le tube s'échauffe alors rapidement par le frottement, et bientôt, la température de l'eau dépassant 100", le bouchon est projeté par la tension de la vapeur.

6° Briquet. — Dans le briquet à pierre, c'est le frottement de l'acier contre le silex qui échauffe les parcelles métalliques qui s'en détachent, au point de leur faire prendre feu dans l'air.

807. Chaleur due à la compression. — Lorsqu'on bat sur l'enclume un métal malléable, on l'échauffé considérablement. Si l'on comprime un corps de manière à en augmenter la densité, sa température s'élève d'autant plus que la diminution de volume est plus grande. Peu sensible dans les liquides, ce phénomène l'est davantage dans les solides; dans les gaz, qui sont extrêmement compressibles, il y a un dégagement de chaleur considérable. Nous en avons déjà montré un exemple par l'expérience du briquet à air (tig. 207).

De même, c'est par l'élévation de température dont elle est cause que la compression peut provoquer la combinaison, et, par suite, la détonation d'un mélange d'oxygène et d'hydrogène.

Expériences de Tyndall. — 1° On prend un vase do métal à parois résistantes, et muni d'un robinet sur lequel on visse une pompe de compression. Si l'on comprime l'air dans le vase, on constate d'abord que le gaz s'est échauffé par

Fig. 799.

la pression. On le laisse alors refroidir pendant plusieurs heures, jusqu'à ce qu'il soit revenu, à la température ambiante. Lorsqu'on ouvre ensuite le robinet, l'air s'élance violemment, expulsé par sa propre force expansive et l'on constate que cette dilatation du gaz est accompagnée d'une absorption de chaleur. En effet, si l'on reçoit le jet de gaz sur la pile thermo-électrique (lig. 799), le galvanomètre indique, par le sens de sa déviation, qu'il y a refroidissement.

Au contraire, si l'on répète l'expérience avec un soufflet ordinaire, et si l'on reçoit encore le jet de gaz sur la pile (iig. 800), la déviation de l'aiguille du galvanomètre se fait dans le sens opposé, ce qui l'ait voir qu'il y a échauffement.

11 faut remarquer que ces deux phénomènes inverses correspondent à des conditions mécaniques opposées. En effet, dans la première expérience, le travail mécanique étant exécuté par l'air lui-même, une portion de sa chaleur est

Fig. 800.

consommée dans cet effort, tandis que dans le cas du soufflet c'est la main de l'expérimentateur qui exécute le travail.

808. Chaleur engendrée par le choc et la percussion. — 1° Lorsqu'on laisse tomher une bille d'ivoire sur un corps dur, elle rebondit en vertu de son élasticité, mais elle ne s'échauffe pas. Mais qu'on laisse tomber une bille de plomb, qui n'est pas élastique et ne rebondit pas, elle s'échauffe sensiblement, comme si sa force vive était transformée en chaleur (604). De même, lorsqu'on tire une balle contre une plaque de tôle qui l'arrête brusquement, le plomb s'aplatit, et en même temps s'échauffe, jusqu'à un degré qui peut atteindre le point de fusion.

2° En Angleterre, en 1863, pour essayer les plaques de fonte destinées au blindage des frégates cuirassées, on tirait dessus à courte distance avec des canons Armstrong. Or, au moment où les boulets se trouvaient arrêtés au contact de ces plaques, ils atteignaient brusquement la température du rouge.

809. Corrélation entre la chaleur et le travail. — Il résulte de

tous ces faits que, d'une manière générale, les frottements, les chocs, et toutes les résistances passives qui paraissent consommer en pure perte du travail moteur, engendrent de la chaleur. Dans tous les cas où il y a destruction apparente de travail ou de force vive, il y a apparition de chaleur. Inversement, toute création apparente de travail est accompagnée d'une absorption de chaleur.

Ainsi, dans une machine à vapeur, la vapeur qui sort du cylindre, après avoir travaillé sur le piston, possède moins de chaleur qu'en sortant de la chaudière. Les deux expériences de Tyndall citées plus haut montrent bien les deux phénomènes calorifiques inverses qui correspondent à la production ou à la destruction de travail. On peut encore citer l'expérience de la marmite de Papin. Lorsqu'on ouvre la soupape, de manière à laisser partir un jet de vapeur, celle-ci se refroidit tellement dans son travail de détente, que non seulement on peut y mettre la main sans danger, mais qu'on y ressent même une impression de froid.

Cette corrélation intime entre la chaleur et le travail mécanique était complètement inexplicable dans l'hypothèse du fluide calorique, cause des phénomènes calorifiques. Si l'on admet, au contraire, Y hypothèse dynamique, c'est-à-dire si l'on attribue la chaleur à un mouvement vibratoire particulier de la matière (603), elle devient une grandeur de même nature que la force vive, et le lien mystérieux qui l'unit au travail mécanique devient une conséquence nécessaire du principe général de la conservation de l'énergie.

810. Chaleur considérée comme une forme de l'énergie. — Étant données les définitions de l'énergie et du travail et l'hypothèse dynamique sur la nature de la chaleur, il est possible d'expliquer la transformation du mouvement en chaleur, ainsi que le phénomène inverse.

Si un corps très élastique, tel qu'une bille d'ivoire, vient tomber verticalement sur un plan horizontal, également élastique, comme une table de marbre, le corps s'y réfléchira, sans rien perdre de sa force vive, et remontera jusqu'à son point de départ, c'est-à-dire jusqu'à ce que la force vive qu'il avait acquise dans sa chute soit annulée progressivement par le travail résistant de son poids. Il n'y a là qu'un phénomène purement mécanique, une simple transformation de travail en force vive, ou d'énergie potentielle en énergie actuelle, et inversement.

Mais laissons tomber de la même hauteur, sur la même table de marbre, un corps mou, de même poids que la bille d'ivoire, il acquerra par sa chute la même force vive que la bille d'ivoire; mais les effets en seront différents, car, au lieu de rebondir, il s'aplatit et reste au repos. Or sa force vive ne peut pas être détruite, elle doit se retrouver sous une forme quelconque. En effet, une partie est employée à produire le travail interne d'où résulte la déformation du corps, et l'autre partie à accélérer le mouvement vibratoire moléculaire, et par conséquent à échauffer le corps. L'énergie cinétique ou de mouvement se retrouve à l'état d'énergie calorifique.

81 1 . Équivalence du travail et de la chaleur. — Le fait de la transformation du travail détruit en chaleur sensible est précisé par un autre fait général, non moins important : // existe une relation numérique entre les quantités de travail détruit et de chaleur sensible correspondantes. Cette relation est indépendante de la nature des corps qui servent d'intermédiaire pour opérer cette

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transformation. On a constaté par des expériences nombreuses et variées que, toutes les fois que les substances intermédiaires n'ont éprouvé aucun changement moléculaire et se sont retrouvées, à la fin de l'expérience, dans le même état physique ou chimique qu'au commencement, il y a équivalence absolue entre le travail détruit et la chaleur créée : à toute quantité de chaleur disparue correspond une quantité déterminée de travail effectué, et réciproquement, pour tout travail anéanti il y a une certaine quantité de chaleur qui apparaît : c'est ce fait constant qui constitue le principe de V équivalence de la chaleur et du travail. C'est sur ce principe et sur l'hypothèse dynamique de la chaleur qu'est fondée la thermodynamique ou théorie mécanique de la chaleur*

On a nommé équivalent mécanique de la chaleur, ou mieux équivalent mécanique de la calorie, le travail (évalué en unités de travail), qui correspond à la disparition de l'unité de chaleur. Inversement, on appelle équivalent calorifique du travail, ou mieux du kilogrammètre, la quantité de chaleur, évaluée en calories, qui correspond à la disparition de l'unité de travail. Ces deux coefficients sont évidemment inverses l'un de l'autre.