CHAPITRE XXXVI

Suite du même sujet.

Troisième question. Quelle est ï action de la chaleur sur les liquides et principalement quels sont les phénomènes que présente l'eau dans ses relations avec la chaleur?

La table que nous avons donnée précédemment du calorique spécifique de divers corps, nous montre qu'en général les li-

i £><S DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE, quides en contiennent plus que les solides : c'est très-probablement à cette combinaison de calorique en assez grande quantité que les premiers doivent cette mobilité de molécules qui les constitue liquides. Le calorique étant comme interposé entre ces molécules, les écarte assez les unes des autres pour détruire en partie la force de cohésion qui tient unies les molécules d'un corps solide, et celles même d'un liquide congelé : les molécules de l'eau ont une très-faible cohésion entre elles : les molécules de la glace en ont relativement une très-forte.

L'état de liquidité suffit seul pour modifier l'action de la chaleur sur les corps qui sont dans cet état.

Une barre de fer que vous exposez par un bout à l'action du feu , conduit le calorique de molécule à molécule , et il faut , comme nous l'avons vu, un certain temps pour que ce fluide puisse pénétrer d'une extrémité à l'autre de cette barre de fer ; le calorique qui agit sur les premières molécules , tend bien à les écarter, mais il ne peut les déplacer, et seul il semble traverser les petits passages qu'il s'est ouverts entre les molécules des corps solides.

Ce n'est pas ainsi qu'en général le calorique échauffe un liquide : les molécules de la première couche liquide qui touche la paroi du vase exposée à l'action du feu, se dilatant aux premières impressions de chaleur , et devenant ainsi plus légères que les autres molécules, s'élèvent dans le sein du liquide, et viennent se ranger en nappe à la surface. Le calorique ne passe pas d'une molécule à l'autre , il est comme transporté par les molécules sur lesquelles il a exercé son action. Mais si les molécules affectées de calorique s'élèvent, comme plus légères , les autres prennent leurs places pour s'échauffer à leur tour; un vase rempli de liquide doit donc alors présenter deux courans , l'un ascendant et l'autre descendant ; le

ET DES MACHINES A VAPEUTt. 1^9 premier traosporte le calorique du fond à la surface du liquide , le second va le recevoir à sa source. On rend sensible ce double mouvement des molécules liquides qui sechauffent dans un vase dont le fond est exposé immédiatement à l'action du feu , en mêlant au liquide des particules légères , solides , colorées : on voit les unes descendre , les autres monter , et mettre ainsi en évidence la manière dont s'opère la propagation du calorique dans les corps liquides.

Il paraît cependant que la chaleur peut se propager encore dans les liquides par communication immédiate, mais ce mode en comparaison de l'autre est extrêmement peu efficace.

On le prouve en échauffant une masse liquide par sa partie supérieure , ou en le refroidissant par sa partie inférieure. Dans le premier cas les particules que l'on échauffe devenant plus légères ne peuvent pas descendre ; dans le second cas , les particules refroidies étant plus lourdes ne peuvent pas monter.

Pour la première expérience on prend un vase de verre ou de toute autre matière qui propage lentement la chaleur; on adapte à ce vase, deux thermomètres, de telle manière que l'un indique la température du liquide qui est au fond , et l'autre celle des couches supérieures; versez alors assez de liquide froid, assez d'eau, par exemple, dans la partie inférieure du vase pour recouvrir entièrement la boule du thermomètre qui y correspond ; puis après avoir fait flotter sur cette eau une petite rondelle de bois très-mince, versez-y doucement de l'eau bouillante avec toutes les précautions nécessaires pour ne pas mêler l'eau chaude à l'eau froide ; vous aurez ainsi deux couches liquides superposées, de température très-différentes. Cependant le thermomètre inférieur ne s'échauffera pas sensiblement, du moins dans les premiers instans de l'expérience. Rumford qui , le premier, a imaginé ce genre

i6o DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE, d'expérience , et qui en a varié l'application de mille manières , prétend que le thermomètre inférieur ne varie point , quelle que soit la durée de l'expérience, et il en conclut que les liquides sont absolument incapables de transmettre la chaleur par communication.

M. Dalton, qui s'est beaucoup occupé du même objet, trouve, au contraire, qu'au bout d'un certain temps, ce thermomètre s'élève, et il en infère qu'à la vérité les liquides s'échauffent principalement par les courans ascendans quand ils sont libres de le faire, mais que cependant ils transmettent aussi la chaleur par communication directe quoique avec une facilité incomparablement moindre.

M. Dalton, dans une de ses expériences, a employé pour la couche plus froide , du mercure au lieu d'eau ; les résultats ont été semblables : le thermomètre inférieur s'est élevé lentement. Cependant on ne pouvait pas alors supposer des causes d'ondulations intérieures qui eussent fait descendre l'eau dans le mercure, ou monter le mercure dans l'eau. On ne peut pas non plus supposer que la transmission de la température se soit faite par le moyen des parois du vase qui était de verre ; car si l'on prend une lige de verre seulement d'un décimètre de longueur, et qu'on tienne l'une de ses extrémités pendant plus d'une heure à la température de l'eau bouillante, l'autre extrémité ne sera pas seulement élevée au bout de ce temps de ^ de degrés, tant le verre transmet mal la chaleur.

On peut faire cette expérience d'une autre manière : après avoir versé dans la partie inférieure du vase , de l'eau ou du mercure, versez par-dessus de l'alcohol à la même température, et, après avoir vérifié que les deux thermomètres marquent le même degré, mettez le feu à cet alcohol;la chaleur se transmet si difficilement par communication immédiate de la couche

Digitizsd by

ET DES MACHINES A VAPEUR. 161 supérieure qui brûle à la couche inférieure , que le thermomètre placé dans celle-ci ne monte que très-lentement.

Pour faire l'expérience inverse qui consiste à refroidir la couche supérieure, par communication, placez au fond du vase ci-dessus un morceau de glace, recouvert d'une couche d'eau liquide à o de température, et versez doucement par-dessus une couche d'eau chaude ; la glace ne refroidit qu'à peine et trèslentement la couche d'eau chaude qui est au-dessus, et la glace ne se fond qu'avec une extrême lenteur. (Voy. Traité de Physique de M. Biot.)

Il résulte de ces expériences que, comme nous l'avons dit plus haut, la portion de calorique qui, dans les liquides, se propage d'une molécule à l'autre, par communication immédiate, est extrêmement petite en comparaison de celle qui s'élève avec les molécules échauffées au fond d'un vase. On peut conclure dès lors, i°. que pour échauffer promptement une masse liquide, ce n'est ni à la partie supérieure de cette masse, ni à une des faces latérales du vase qui la contient, qu'il faut porter l'action de la chaleur , mais bien sous le fond , et sur tous les points correspondans verticalement avec ceux de la surface liquide , afin de multiplier et de répandre dans toute la masse les courans ascendans.

a". Que pour échauffer le plus promptement possible une masse donnée de liquide , il faut lui faire présenter à l'action du feu la plus grande étendue de surface possible, afin de multiplier les points de contact immédiat des molécules liquides avec le foyer ou la source d'où le calorique émane ; ce qui revient à dire qu'il faut, donner à une chaudière, par exemple, le plus de largeur et de longueur possible et uue très-petite hauteur relative.

Le mode de propagation du calorique dans les liquides, n'est il. ai

pas le seul phénomène qui doive appeler notre attention; il s'agit de savoir maintenant ce qui arrive lorsqu'on laisse une masse liquide exposée à l'action du feu.

Aux premières impressions de la chaleur sur les molécules d'eau, celles-ci se dilatent, comme nous l'avons dit, et viennent occuper la partie supérieure du liquide , tandis que les couches plus froides viennent à leur tonr s'échauffer. Lorsque la température de toute la niasse est arrivée à un certain degré d'élévation les molécules qui touchent le fond du vase, et qui là sont d'ordinaire le plus immédiatement en contact avec le calorique, se forment en petites huiles et tendent à se soulever; mais comme les couches supérieures s'y opposent aussi long-temps que la température de la masse liquide n'est pas encore assez élevée pour maintenir l'état élastique que ces huiles ont pris : elles sont comme étouffées, et le liquide un instant soulevé, relomhe sur le fond; on entend alors un petit hruit qui accompagne une sorte de trémoussement qu'éprouve le liquide, et qui précède 1 ebullition de quelques instans. La température de Ja masse totale continue de s'élever, et lorsqu'elle est arrivée au point de ne plus détruire l'élasticité des huiles qui viennent du fond , le hruit cesse, 1 ebullition a lieu , et des portions successives du liquide changent d'étal, tant que dure 1 ebullition. La masse de ce liquide finit ainsi par passer toute entière à l'état de vapeur, laquelle ressemble alors à un fluide aéri forme.

Un phénomène remarquable se présente dans 1 ebullition. Aussitôt qu'un liquide bout , sa température ne s'élève plus , elle reste au même point pour chaque espèce de liquide, quelles que soient et l'ardeur du feu , et la violence de l'ébullition ; qu'elle soit lente ou vive, tout le calorique que le liquide reçoit est uniquement employé à opérer le changement d'état, à réduire à chaque instant en vapeur, des portions plus ou

ET DES MACHINES A VAPEUR. l63

moins grandes de liquide. Or ce calorique devient latent , et la vapeur , qui se l'approprie en se formant , est à la même température que le liquide bouillant. L'on peut se convaincre de ce fait en plaçant un thermomètre dans l'eau d'une chaudière à moitié remplie , et un autre thermomètre dans la partie vide de cette chaudière. Lorsque 1 ebullition a lieu , celle dernière partie se remplit de vapenr , et les deux thermomètres marquent le même degré de température.

La quantité de calorique qui devient latente dans le passage de l'état liquide à l'état de vapeur ou de gaz , est très-considérable; cette quantité diffère suivant la nature du liquide : l'eau, par exemple, rend latent 4*"" 66 autant de calorique qu'elle en exige pour passer de o liquide à ioo degrés centigrades, d'après les expériences de MM. Clément et Desormes. D'où il résulte qu'un kilogramme de vapeur suffit pour porter à ioo degrés de température, ^\66 d'eau à o degré, à travers laquelle on ferait passer cette vapeur, et qu'on aurait ainsi 5lil,66 d'eau à ioo degrés si l'on ne perdait point de chaleur.

Cette grande quantité de calorique qu'exige le changement d'état du liquide, explique pourquoi sa température n'augmente pas pendant la durée de 1 ebullition : la vapeur emporte tout le calorique qui émane du foyer en combustion , et le liquide n'est plus qu'un intermédiaire par lequel ce fluide passe sans s'y arrêter.

Chaque liquide , suivant sa nature , a particulièrement un point déterminé auquel, toutes choses égales d'ailleurs, il commence à bouillir, et ce point s'appelle celui de son ébullition. Ainsi l'eau, à l'air libre, commence à bouillir lorsqu'elle est arrivée à la température de ioo degrés centigrades ; cependant son ebullition est retardée lorsqu'elle tient en dissolution quelques corps moins volatils qu'elle ne l'est ) l'eau salée ou

i64 DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE,

sucrée , par exemple , ne bout qu'à une température de plus

de 100 degrés.

Au surplus , quel que soit le point d'ébullition d'un liquide , il ne s échauffe jamais davantage , nous le répétons , à quelque forte chaleur qu'il soit exposé : l'action continue du calorique n'a d'autre effet que de donner à 1 ebullition plus de rapidité , et de fournir , dans un temps donné , une plus grande quantité de vapeur.

La table suivante indique le point particulier d'ébullition de quelques liquides, et de quelques corps qui deviennent liquides entre 100 et 200 degrés centigrades.

NOMS des substances.

POIKT d'cbullilioa.

36',66 centigrades.

aïo5 ago°

( Foy . Chimie de Thompson. ) *

Lorsque les liquides reçoivent l'action de la chaleur, ils se dilatent plus ou moins , suivant leur nature , avant d'arriver au point d'ébullition*, mais leur dilatation n'est pas proportionnelle aux quantités de chaleur qu'ils reçoivent ; c'est-à-dire qu'entre 10 et 20 degrés la dilatation est autre, avec la même quantité de chaleur , qu'entre 3o et 4<> degrés, par exemple. Ce phé-

ET DES MACHINES A VAPEUR. i65 nomène digne de remarque paraît provenir, suivant M. Thompson, de l'affinité ou de la volatilité des parties composantes de ces corps j car en général ceux dont l'ébullition a lieu aux températures les plus Basses, ou qui contiennent quelque principe susceptible de prendre facilement la forme gazeuse , sont aussi ceux qui se dilatent le plus par l'addition d'une quantité donnée de calorique. Ainsi, par une même augmentation de température, le mercure se dilate beaucoup moins que l'eau, qui entre en ébullition à une température inférieure à celle qu'exige le mercure \ et par la même raison, la dilatation de l'alcohol est beaucoup plus considérable que celle de l'eau. L'acide nitrique se dilate également beaucoup pins que l'acide sulfurique, nonseulement puisqu'il entre en ébullition à une température moins élevée , mais encore parce qu'une portion de cet acide a de la tendance à prendre la forme d'un fluide élastique. Cette règle de la dilatation du liquide est au moins celle que j'ai reconnue, dit M. Thompson, dans tons ceux que j'ai jusqu'ici examinés sous ce rapport ; et j'en conclus qu'on peut considérer comme un fait assez général que la dilatation des liquides est à peu près en raison inverse de leur température d ébullition.

Une autre circonstance , relative à la dilatation des liquides, mérite une attention particulière : l'expansibilité de chacun d'eux semble augmenter avec la température, ou, en d'autres termes, plus un liquide est voisin de son point d 'ébullition, et plus grande est la dilatation qu'il éprouve par l'addition d'un degré de calorique; et d'un autre côté , plus la température d'un liquide s'éloigne de celle à laquelle il commence à bouillir, et plus l'augmentation produite dans son volume, par l'addition d'un degré de calorique, est moindre ; il en résulte que la dilatation des liquides augmente d'autant plus lentement que le terme de leur ébullition est plus élevé.

i66 DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE,

La densité n'influe d'aucune manière sur leur faculté de dilatation; celle-ci dépend de la quantité de calorique qui leur est nécessaire pour les amener à l'état d'ébullition et les convertir en fluides élastiques. Nous ignorons , poursuit l'auteur cité ci-dessus, pourquoi le changement d'état exige dans diiTérens liquides des températures diverses.

Les deux tables suivantes dont la première est puisée dans le i" vol. des Annales de Chimie et de Physique^ et la seconde dans l'ouvrage cité de Thompson , feront voir l'effet et la marche de la dilatation dans différons liquides.

PREMIÈRE TABLE

Dilatation, en volume, des liquides entre o e< 100 degrés centigrades.

Dation.

id.

id.

id.

id.

Eau saturée de sel marin. . . .

.... o,o5oo =s ~.

id.

id.

id.

id.

id.

Caveadith.

DEUXIÈME TABLE

Température*.

O cent I o°

iS«5S

43°33 48*88 5f4f 6o°oo 65*55

>I,-r>ci<-.

I 0008 I 100. 83 ioo3o4 100 |oS 1 oo5o8 1006 10

1 00- 1 2 10081 3 longi 5 101017 101 1 1<> 101 220

I0l322 IOl42/|