CHAPITRE IV

Clialear,

113. La chaleur est la source de force la plus générale et la plus importante ; c'est elle qui, par la vaporisation, est la cause des chutes d'eau ; c'est elle, si on voulait aller plus loin, qui est la cause du travail de l'homme, dont la respiration est une véritable combustion. Mais boruons-nous à la chaleur produite par la combustion dans les foyers, en ayant soin de la considérer en elle-même et de ne pas la confondre avec les excipients qui servent à l'utiliser; vapeur d'eau, d'alcool, air chaud, etc., etc.

Il est important pour cela de poser un principe trop souvent oublié dans la théorie de la machine à vapeur, ce qui nous engage à y insister ici , bien qu'il paraisse presque évident ; c'est que le travail d'une unité de chaleur (capable d'élever d'un degré un kilog. d'eau) a un maximum de travail théorique, comme un pcràds d'eau qui tombe d'une certaine hauteur. On ne saurait admettre, en effet, qu'une quantité limitée de chaleur puisse produire un travail infini; ce serait admettre un effet qui ne serait pas en rapport avec la cause qui le produit. C'est ce qui va paraître encore plus dair en étudiant la manière dont la chaleur produit du travail.

Ce principe a été établi pour ki première lois, en 1824, dUuns un opuscule remarquable, auquel on fit trop pea d'atteatitt», par S. Caraot* No«s allons lappeler, en noos aidant des considérations consignées dans cette brochure (Sur la puisiatue awtrUe du /eu), les conditions à remplir poor bien utîHser cette source de travail.

1° Le travail eêi f^roduH par k passage de la chaleur éTun corps chaud à un corps froid. — En considérant la machine à Tapemr, il est facile de se rendre compte que c'est ainsi que le traYaif s"^ produit. En effet, le calorique développé dans le foyer par Teffet de la combustion traverse les parois de la chaudière et vient donner naissance à de la vapeur en s'y incorporant en quelque sorte. Celle-ci Tcntrainant avec elle la porte dans le cylindre où elle agit, et de là, dans le condenseur, dont Teau froide, s*emparant du calorique développé dans la combustion, produit le vide, ou dans Tair, où la température et la pression sont inférieures à celles de la vapeur.

T" Partout où il y a différence de température, il y a prodmc^ tion de force motrice, — Tous les corps sont susceptibles de changements de volume, de contractions et de dilatations sneeesaivcs par les alternatives de chaleur et de froid, tous sont capables de vaincre dans leurs diangements de volnme certaines résistances, et de développer ainsi une certaine puissance motrice. Un covpe solide, une barre métallique alternativement chauffée et relMdie, augmente ou diminue de longueur et peut mouvoir des corps placés à ses extrémités. Un liquide chanffé pent vaincre les obstacles pins ou moins grands opposés k sa dilatation. Un ftuîde aériforme produira dans les mêmes conditions des mouvements de grande étendue. Tous ces changements supposent des alternatives de chaleur et de froid, c'est-lhdire la disp^ sition d'un corps chand pour transmettre la chalevr à xm em:p^ froid.

Puisque le passage de la chaleur d'un corps chaud à im eorpi froid est une source de force parla dilatation qui e» résulte, le bon emploi de la chaleur exige qu'il ne se fasse dans les corps

employés à réaliser la puissance motrice de la chaleur aucun changement de température qui ne corresponde à un changement de volume. Cette condition est la condition capitale de la bonne utilisation de la puissance motiice de la chaleur incorporée dans de la vapeur. Si le corps est refroidi par contact avant d'avoir atteint la température du corps froid par Teffet de sa dilatation, il y a évidemment travail perdu, comme quand Veau quitte une roae à augets en conservant une grande vitesse ; il aurait pu se produire un travail qui ne s'est pas produit par reflet de cette chaleur, qui n'a pas causé de dilatation.

3** La puissance motrice d'une même quantité de. chaleur esteUe constante ou varie-t-^Ue avec l'ewcipient employé pour l'utiliser? On peut démontrer qu'elle est constante théoriquemient, en rvisoBoiant sur un gaz, cas dans lequel des effets ne sont pas ■élangéa d'actions moléculaires intérieures. £n effet, la quantité de chaleur qui cause la dilatation d'un gaz produisant une certaine quantité de travail , cette même quantité de travail exereée en sens inverse pour comprimer ce gaz, devra à son tour produire le dégagement de la nïéme quantité de chaleur; il y a là réciprocité de causes et d'effets.

Si donc, pour une même quantité de chaleur, un corps A donnait un travail mécanique plus grand que tout autre B, remploi de ce travail mécanique produit par le corps A , employé à comprimer cet autre corps B , devrait fournir une quantité de chaleitf supérieure à celle qui a produit le travail initial , et capable par suite d'engendrer, en se communiquant au corps A, une ijMintiti^ de travail supérieure à celle qui a produit la compression. On pourrait ainsi créer de rien , en répétant la même opération, une quantité indéfinie de chaleur, réaliser la chimère du mouvement perpétuel ; en d'autres termes on arrivo à une conséqoenee absurde.

On ne doit doue pas chercher à faire varier l'excipient dans Fis^ir d'un bénéfice de travail, mm chercher seulement à utiliser le mieux possible le travail du calorique, qui, comme une chute d'eau, a un maximum théorique, dont les machines peu-

H2 LTVRE PREMIER.

vent ntiliser une fraction d*autant plus grande qu'elles sont plus parfaites.

1 14. Équivalent mécanique de la chaleur, — Les progrès de la théorie physique de la chaleur ont permis de déterminer la valeur théorique de ce maximum, et de démontrer qu'on devrait la considérer comme la mesure de la consommation de la chaleur, de sa transformation en travail mécanique. La chaleur produit des mouvements moléculaires habituellement perceptibles comme effets calorifiques, et qui deviennent d'ordre mécanique lorsqu'ils se transforment, se communiquent de manière à devenir des mouvements de masses matérielles.

Nous ne pouvons entrer ici dans plus de détails sur cette intéressante question, que nous avons traitée ailleurs en détail. Nous dirons seulement qu*une expérience directe et la discussion d'expériences antérieures, nous ont conduit à admettre le chiffre 140 pour l'équivalent mécanique de la chaleur, ou 140 kilogrammes élevés à 1 mètre pour le travail théorique que peut engendrer une calorie, la quantité de chaleur nécessaire pour échauffer 1 kilog. d'eau d'un degré centigrade.

Passons en revue les divers moyens possibles d'utiliser les effets du calorique.

Solides,

115. Les solides ont une force de cohésion que le calorique détruit à mesure qu'il agit, il y a donc une partie du travail produit par la chaleur annulé par cette cause; mais cette quantité est restituée lorsque, par le i*efroidissement, le corps revient à son état primitif.

La physique indique les moyens de calculer les effets dus à la dilatation des solides. On connoit l'étendue des dilatations el l'effort qui peut être produit, lors du refroidissement , en raison de l'élasticité du corps. Chacun connaît l'application faite par Molard pour redresser les murs du Conservatoire , exemple qui , ainsi que nombre de faits, prouve que la force ainsi engendrée est considérable, si le chemin parcouru est petit.

Le pea d'étendae des mouvements de dilatation des corps solides, lear déformation permanente par de semblables actions, rend leur emploi presque impossible pour l'établissement de machines pouvant les utiliser. Il faudrait employer des mécanismes compliqués et bientôt détruits, des pièces d'une grande force pour transmettre des pressions énormes, etc.

Le seul moyen tenté quelquefois, qui n'a guère été employé que dans des appareils régulateurs, disposition qui peut être considérée comme produisant une traction, consiste (fig. 109) à faire ^- 1^- dilater et refroidir successivement une

l)arre de fer, dont Textrémité produit un mouvement rectiligne alternatif.

Liquides.

116. Tous les inconvénients que nous venons d*énumérer pour les solides se rencontreraient dans l'emploi des liquides; aussi la question n'offre-t-elle que peu d'intérêt au point de vue de l'application. On pourrait théoriquement utiliser l'excès de la dilatation des liquides sur celle de Tenveloppe solide qdi les renferme, en y adaptant des corps de pompe contenant des pistons, dont la tige prendrait , par les échauffements et refroidissements successifs du liquide, un mouvement rectiligne alternatif.

Vapeur et gaz.

117. Les seuls appareils à noter ici sont ceux qui se rapportent à l'emploi de la vapeur d'eau , seule réellement employée dans l'industrie. Remarquons toutefois que les gaz permanents, i*alr par exemple , offrant l'avantage de pouvoir produire un travail à une température très-peu supérieure à la température ordilUiIre, donnent la possibilité d'employer des sources de chaleur fournissant une température peu élevée, étant bien compris ^ue l'eCEet de la chaleur est toujours de faire de la chaudière ^On réservoir de gaz comprimé. Les appareils qui permettraient

d'utiliser le travail des gaz échauffés seraient les mêmes que ceux pouvant servir pour la vapeur d'eau, avec cette énorme infériorité que la dépense d'alimentation ne correspond {dm au fidble volume de Teau, de la vapeur liquéfiée. Nous aUons passer en revue ces récepteurs, en commençant par quelquesuns de ceux qui sont restés à l'état de projet, et n'ont pu rivaliser avec la machine à corps de pompe et piston, que nous donnerons en dernier.

118. ÉUvalion d'un liquide. — On a quelquefois proposé de Wftenûre le premier mode d'emploi de la vapeur (fig. 110), d'élever par la pression de la vapeur de l'eau ou quelque liquide ne produisant pas de condensation, le mercure par exemple, et de recevoir ensuite ce liquide sur une roue hydraulique si l'on a besoin de produire un mouvement circulaire continu. De semblables systèmes, qui consistent dans l'emploi de deux récepteurs dont les pertes d'effet utile se multiplient, donneraient des résultats extrêmement désavantageux, quand la perte de chaleur résultant de réchauffement du liquide à élever ne le rendrait pas complètement défectueux. En effet, soit A le travail théorique, V le travail utile du premier récepteur, T le travail utile du second , on aura :

r = iA,T = -r, d'oùT = --^A; m n m X »

ainsi , si — = — = -, T = - A , et la perte égale - A.

119. l** Système levées. — On peut encore utiliser la vapeur par une application du système précédent, en construisant un appareil analogue au balancier hydraulique, en se servant de la pression de la vapeur pour faire passer successivement le liquide d'une caisse dans l'autre (flg. m), et pro-

Fig. 111.

«Soire ainsi par le poids du liquide un mouvement circulaire alternatif.

Mais tous les appareils de cette nature qui ne sont pas sortis ^es cabinets* de physique ne sauraient, comme la machine à -irapeur à piston et corps de pompe, utiliser convenablement la détente de la vapeur, être exempts de beaucoup de chocs et de iréaistances accessoires, et ne peuvent soutenir, sous aucun rap* port, la comparaison avec la machine ordinaire.

150. 2® Système toub. — Machines rotatives, — On a essayé «mvent d*obtenir directement le mouvement circulaire continu en disposant le piston dans une couronne cylindrique, et établissant par des pièces mobiles, permettant le passage du piston , la aération du condenseur et de la chaudière. Aucun système de ce genre , dont nous retrouverons les dispositions aux pompes rotatives (Livre lY), n*a produit de bons résultats. Les frottements , les fuites, etc., ont toujours bien plus que compensé les avantages résultant du mouvement circulaire directement obtenu, et trop d^inventeurs se ruinent chaque Jour en combinant des machines de ce genre, faute de comprendre comment s'opère la transmission du travail dans la machine ordinaire , et en ne voyant pas qu'il faut avant tout ne pas s'écarter du ' système qui permet le mieux Tutilisation de la force motrice d'après les conditions précédemment exposées.

151 . Machines à réactiofi. — La plus ancienne machine de A genre est Téolypile de Héron d'Alexandrie, dans lequel la vapeur s*édiappant par un tube recourbé, d'une capacité portée sur un axe de rotation, produit le mouvement circulaire continu par la réaction qu'engendre son écoulement sur la face opposée à rorifice de lasortie.

Mais pour que de semblables machines travaillassent dans des eanditions de maximum, pour ne pas dépenser Inutilement leur npeor, il faudrait que la vitesse à la circonférence fût à peu près égale à celle de la vapeur. Or cette vitesse est tellement considérable que d^à, à des vitesses bien moindres, les matériaux compmM l'arbre s'échauffent, grippent et cessent de fonctionner.

De plus, si l'orifice de sortie est large comme il faudrait le faire pour des machines de cette nature d'une force quelque peu considérable, Tutilisation de la force expansive de la vapeur est loin d'être assurée. Car cela suppose, ce qui est loin d'être démontré par Texpérience, ou plutôt ce qui est contraire à plusieurs expériences , que le courant de vapeur, doué d'un mouvement extrêmement rapide, exerce toute la contre-pression qui se produit à l'état statique. Des essais curieux se poursuivent pour appliquer à des machines de ce genre quelques-unes des dispositions qui ont si bien réussi dans les turbines, et peut-être pourra-t-on arriver À des résultats pour quelques cas spéciaux; le problème d'utiliser non plus la pression de la vapeur, mais la vitesse qu'elle peut prendre, n'étant pas théoriquement insoluble. (Voy. Dictionnaire des Arts et Manufactures.)

122. 3*" Système plan. — Corps de pompe et piston (iig. 113). — Le guide est ici une surface cylindrique dans laquelle se meut un piston , disposition que nous avons déjà rencontrée en trai<tant des machines à colonne d'eau.

Cet organe constitue le meilleur récepteur de la force ezpoi» sive de la vapeur. Relativement à l'arrivée de la vapeur sur le piston , on doit distinguer deux cas :

l'' La vapeur n'est introduite qu'au-dessus du piston , puis condensée quand celui-ci est parvenu à l'extrémité de sa course, #est-à-dire mise en communication avec une masse d'eau froide qui la liquéfie presque instantanément. Le piston revient à sa première position par l'efifet de la pression atmosphérique ou d'un contre-poids, et sa tige prend un mouvement rectiligne alternatif.

2'' L'action de la vapeur a lieu successivement sur les deux faces du piston, dont la tige traverse le couvercle du cylindre dans un stuffing-box (espèce de coussinet garni d'étoupe) en produisant le même mouvement que ci-dessus. C'est la machine de Watt à double effet.

La distribution de la vapeur d'un côté ou de l'autre du piston s'obtient à l'aide d'un tiroir (ûg. 112) plongé dans la vapeur

CHALEUR. Ul

qui, mû d*un mouvement reetiligne alternatif, recouvre et découvre suceessivement les orifices des conduites pratiquées dans la paroi du cylindre, et fait ainsi agir alternativement la vapeur, à haute pression, de la chaudière, sur une face du piston, tandis que celle qui a déjà travaillé sur Tautre face se rend au condenseur en passant par Fintérieur du tiroir.

Fig. 113.

Lorsque la communication entre la |chaudière et le corps de pompe se trouve interceptée avant que le piston ait accompli sa course, la vapeur travaille en se détendant, et par suite en se refroidissant par suite de la consommation de la chaleur. Si la résistance que surmonte le piston était indéfiniment décroissante, la détente pourrait théoriquement se prolonger jusqu'à la condensation totale de la vapeur et rutilisation de toute la chaleur de vaporisation. De là et de ce que nous avons dît ci-dessus, nous déduirons l'important principe suivant : La quantité de chaleur qui disparaît lorsque la vapeur se détend^ est proportion*

nelle à la quantiU de travail produit ^ et il faat remarquer que c*est également par une action de détente de la yapear renfermée dans la chaodière qae se produit Faction directe. On voit qu*on pourrait ainsi tliéoriquement utiliser tout le travail dû à la quantité de chaleur dépensée à former la yapeur employée. Dans la pratique , il faut rester bien au-dessous de la production des volumes énormes qui seraient nécessaires pour se rapprocher de cette limite.

On doit donc distinguer deux systèmes de machines à vapeur, ou deux époques dans son invention. Le premier, qui s*appelait le plus souvent pompe à feu , est une véritable pompe, et le i^t<m ne 8*y meut qu'en vertu du vide produit sous une de ses fàoes pariaoûBdenaatlon de la vapeur qui a rempli le cylindre. Dans le aeeond on emploie souvent la vapeur à haute pression, la vapeur Joue le rôle de gaz comprimé ; c*est celui dont les applications Mml les phdi modernes. On peut alors , et c'est ce qui a souvent llea en effet, lafaeer sortir dans TatmospUn la ymfvar qui a agt d*iui oMé do pislon lors du changement ie aans dn nonTemenl, mais il est préMrable encore dans ce cas ^ loncpM eela est possible, de liquéfier la vapeur à Taide d'ean fMda li^|aelée dans le condenseur, en évitant la perte de travail due à la contre-pression d'une atmosphère qui a lieu quand la vapeur est lancée directement dans l*air.

123. Vitesses. — Les vitesses du mouvement rectiligne alternatif des pistons, pour la plupart des machines fixes, d*après les résultats les plus avantageux de l'expérience, varient en moyenne, de 0'",90 en 1" pour les petites machines, à 1",30 pour les fortes machines de 60 chevaux et au-dessus (1).

Pour les locomotives, ou quelques maehines fixes dont la construction s'en rapproche , on sait que cette vitesse est trèsgrande, et que le piston fait une double course par tour de roue

(1) Le cheval-vapeur correspond à 75 kil. élevés à l mètre en t" ; c'est une mesure de travail dans laquelle on fait intervenir le temps, et dont Tusagc est commode dans les applications des machines à la pratique de rinduBtrie.

motrioe dont le diamètre est de l ,80 environ. Il est facile, d'après cda, de calculer les vitesses des pistons pour les diverses vitesses da parcours. Elles atteignent souvent 2», et cette vitesse contribue avec la diminution des résistances sur les chemins de fer et la puissance de vaporisation des chaudières tubulaires employées sur les locomotives qui permettent de produire abondamment de la vapeur à haute pression , à produire les grandes vitesses de transport sur les chemins de fer.