CHAPITRE XXXVIII

Cinquième question. Quelles sont les propriétés mécaniques de la vapeur, et les circonstances qui influent sur sa force ?

Lorsque l'eau se convertit en vapeur, soit à l'air libre et sous la pression atmosphérique, soit dans d'autres circonstances où la pression est nulle, plus faible ou plus forte que celle de l'atmosphère, il y a, ainsi que nous l'avons dit plus haut,, absorption d'une grande quantité de chaleur , qui résulte du changement d'état que subit le liquide.

Il est évident que si , par le fait seul de la production de la vapeur, cette absorption n'avait point lieu, le calorique s'accumulerait dans le liquide , et lorsqu'il y en aurait assez pour réduire toute la masse liquide en vapeur , un énorme volume de vapeur éclaterait avec une violente explosion.

Nous avons vu que ce n'est pas ainsi quelle se forme : le calorique, à mesure qu'il pénètre dans le liquide , arrive à la surface , et là se combine en certaines proportions avec le» molécules d'eau , pour donner naissance à la vapeur. Celle-ci s'échappe et emporte avec elle précisément toute la quantité de calorique que le liquide reçoit du feu, à l'action duquel il est exposé. C'est pour cela que l'eau parvenue à l'ébullition, n'importe sous quelle pression, ne peut plus augmenter de température, puisqu'elle dépense en calorique précisément autant qu'elle reçoit.

Que si la pression exercée sur la surface de l'eau d'une chaudière était telle que le calorique pût s'y accumuler en assez

ET DES MACHINES A VAPEUR. i8t grande quantité pour réduire la niasse d'eau toute entière en vapeur, la formation de celle-ci serait instantanée, et offrirait de grands dangers.

Ce n'est donc que graduellement qu'il faut la produire pour en faire usage avec sécurité , et cette production est d'autant plus active, qu'il y a moins de pression et plus de chaleur , que la masse liquide est plus petite en comparaison du foyer comburant, et le nombre de points de contact de celle-là avec celui-ci, plus grand. Elle est très-prompte et, pour ainsi dire, instantanée lorsqu'on projette, par exemple, des gouttes d'eau très-petites sur un fer rouge ; l'on remarque , lorsque celles-ci flout un peu grosses, le fer serait-il rouge à blanc, qu'il leur faudrait un certain temps , d'une durée facilement appréciable, pour être entièrement converties en vapeur. On regarde comme un fait certain qu'il faut 5 à 6 fois autant de temps pour réduire en vapeur, avec un foyer donné, une certaine quantité d'eau froide, qu'il en a fallu pour l'amener avec ce même feu , à la température de l'ébullition.

On ne sera point étonné du temps qu'exige la production artificielle de la vapeur, si nous nous rappelons qu'un kilogramme de vapeur, à 100 degrés de température, doit contenir autant de calorique que 5U,66 d'eau à la même température de ioo degrés ; aussi les molécules d'eau, extrêmement ténues, subtiles dans la vapeur, sont tellement écartées les unes des autres, par le calorique combiné avec elles, qu'un centimètre cube d'eau, au maximum de condensation, c'est-à-dire à 3^89 centigrades environ, donne sous la pression de 76 centimètres de mercure, un volume de vapenr de lôgô"**" tabny 4 > à 100 degrés centigrades , ou, en d'autres mesures , un pouce cube d'eau donne à peu près un pied cube de vapeur. Il résulte de là que 1000 centimètres cubes , ou un litre de vapeur, sous

i8a DE LA VAPEUR COMMB FORCE MOTRICE , celle pression, et à celte température , ne. pè?e que ^£Sfr ce qui prouve que çe^e vapaur est plus légère qm l'air atu>Q6ph«T rique sec, pris à la même température et sou* la même près* sipu y m nm WW* vtf*en:&oo, Ke», que- L'ai** dans cas circonstances, pèse ~3r^i Iflpoidadèfc vàpenr est donc à ceWi de l'air à peu près comme 10 est à 16.

Ceci vous montre quel énorme volume de vapeur vous formez avec un mètre cube d'eau , par exemple ; quelle quantité de calorique vous devez consommer , et quelle force vous obtenez, puisque celte vapeur, à 100 degrés, tient en équilibre une colonne de mercure de 76 centimètres , ou une colonne d'eau d'environ 3a pieds de hauteur.

Dans la combinaison qui se fait du calorique et des molécules d'eau , pour donner naissance à ce fluide aériforme qu'on nomme vapeur, y a-t?il des proportions fixes des deux principes constiuaan&j ou plutôt;, des quantités égales d'eau étant complètement réduites en vapeur, chacune dans des circonstances diverses. Y a^t-il eu, pour la formation de cette vapeur, la même consommation de calorique? Y a-t-il, dans les volumes respectifs de vapeur, la même proportion de calorique et de molécules d'eau ? En outre, ces. divers volumes de vapeur ont-ils dès lors la même température, et oflrent-ils la même densité, ou la même tension ou force élastique?

Pour tâcher d «éclaira? ces questions, qui nous paraissent fondamentales, examinons séparément, i°. la vapeur toute formée y renfermée dans un vase, comme si c'était de 1 air ^ et entièrement isolée de T<eau qui Va. produite ; a0, la vapeur et le liquide qui la ibrm», renfermés ensemble dans un vase , d'abord vide d'air, et omsulte plein d'air , en prenant en coasidénation, dans le premier cas comme daps. le seoancL» i toute* les circonstances qui peuvent se présenter.

ET DES MACHINES A VAPEUR . tB3 . Rappekms-nous que si, à l'air Hbiré, il feui porter leau à 100 degrés centigrades de chaleur ^ pour avoir de. la vapeur , avec ce caractère de transparence et d'invisibilité qui la distingue d'une sorte dte fumée épaisse ou de brouillard composé de globules d'eau très-sensibles à la vue ; rappelons-nous qu'on obtient aussi de la vapeur à des températures beaucoup plus basses , lorsque la pression qu'éprouve la surface du liquide est moindre que celle de l'atmosphère , ou bien que la pression est nulle.

M. Gey-Ijussàc a observé que de l'eau à 19 ",59 centigrades au-dessous de zéro, donne dans le Vide une vapeur dont la tension est de i°"1",353; ainsi l'on peut dire qu'à toute température il y a production de vapeur lorsqu'il n'y a point de pression , ou bien que la pression qui existe n'est pas suffisante pour vaincre la tension de la vapeur qui doit se former à la température du liquide soumis à l'observation.

Prenons donc une certaine quantité d'eau à 0 degré de température; plaçons-la dans une capacité disposée, par supposition, de manière qu'on puisse y faire le vide complètement , et que, quand elle sera pleine de vapeur, on puisse séparer le volume de ce fluide , de l'eau qui l'a formée. Cette vapeur donnera aussi o de température , si, par l'hypothèse qu'il faut admettre ici, aucune chaleur extérieure ne peut atteindre notre capacité.

L'on a observé qu'à o degré centigrade, la tension de la vapeur est représentée par une colonne de mercure de 5""' ,05^ de hauteur, c'est-à-dire qu'un tube barométrique, comniuniquantavec la capacité entièrement vide, donne o d'élévation, et lorsqu'elle est pleine de cette vapeur, il donne 5"'%o59 d'élévation de mercure dans le tube.

Remarquons, avant daller plus loin, qu'aussitôt que la ca-

184 DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE, pacité dont il s'agit est pleine de vapeur de S'^oSq de tension , l'eau ne peut plus en fournir à ce degré de température; cette pression suffît pour l'en empêcher; Von dit, dans ce cas, que l'espace vide de cette capacité est saturé de vapeur, ou, en d'autres termes , que l'espace en contient autant qu'il peut eu recevoir, quand on ne change rien ni à la température du liquide , ni à la pression qui règne dans l'espace que la vapeur remplit.

Ainsi donc, pour ne pas compliquer l'examen de ce volume limité de vapeur, nous supposons d'abord, comme nous i'avons dit plus haut, que le vase qui le contient est séparé du liquide, et que c'est à une masse isolée de vapeur que nous avons affaire.

Or quels sont les divers genres de changemens ou d'action auxquels nous pouvons soumettre cette masse de vapeur? les voici :

i°. Exposer le volume de vapeur à une température inférieure à la sienne.

2°. Soustraire de la capacité une portion de la vapeur qu'elle contient , ou étendre cette capacité.

3°. Introduire dans la capacité une portion nouvelle de vapeur au même degré de température , ou à des degrés diflférens; ou bien diminuer l'espace qui renferme la vapeur, par l'introduction d'un liquide ou d'un corps solide, à la même température ou à des températures différentes.

4°. Échauffer d'abord la capacité pleine de vapeur à o,en saturant l'espace, par l'application du calorique à l'extérieur du vase , et ensuite dans les diverses circonstances détaillées cidessus.

11 ne nous paraît pas qu'on puisse supposer d'autres changemens , d'autres actions \ voyons donc quels sont les divers

ET DES MACHINES A VAPEUR. l85 phénomènes qui doivent se présenter dans chacun de ces cas , en nous appuyant incessamment sur les faits incontestables qu'on doit aux recherches des physiciens les plus célèbres.

i". cas. Si nous exposons notre volume de vapeur à o de température, avec le vase qui le contient, à un froid extérieur, par exemple, de 190 5g, au-dessous de o, les parois de ce vase se refroidiront à ce degré , une partie du calorique combiné avec la vapeur passera dans ces parois , et une portion de vapeur seulement redeviendra liquide , mais la tension de la vapeur restante > au lieu d'être de 5nJ , o5g, ne sera plus que de 1"% 353 } c'est-à-dire que par ce refroidissement vous avez rendu la force de la vapeur environ 4 fois plus petite, sans cependant la détruire entièrement.

Il est impossible, en effet, que vous la détruisiez entièrement, puisqu'à i9°,59 au-dessous de o et dans le vide, l'eau donne encore une vapeur de i""-, 353 de tension. Or, comme c'est à ce point que vous avez réduit la température, et que le vide complet se ferait dans votre vase , si la vapeur se condensait entièrement , ce dernier effet ne peut avoir lieu , puisqu a cette basse température il y a encore tout ce qu'il faut pour maintenir l'existence d'une vapeur de imi, ,353 de tension; vapeur qui, avec la petite portion de liquide qui s'est formée, remplit encore tout le vase , comme avant le refroidissement.

Il serait superflu pour nous de nous arrêter à la question de savoir à quel degré de froid il faudrait exposer cette dernière vapeur pour en réduire la tension à o et obtenir un vide parfait ; il nous suffît de savoir qu'un vase plein de vapeur pure, sans mélange d'air ou de gaz, à o de température, est encore plein de vapeur, saturant l'espace, même en le refroidissant de i9°,5g.

11 est vrai de dire que la tension de la vapeur à i9°,59 il. 24

iSG DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE ,

et même à o est si faible que, dans l'usage que la science tle la mécanique fait de ce fluide , on peut négliger cette tension , et considérer comme vide la capacité où elle règne.

Quoi qu'il en soit, noas voulons montrer par un fait bien constaté, qu'on ne détruit pas la vapeur qui remplit un vase, et toute la force qu'elle possède lorsqu'on la refroidit : on l'affaiblit, et le degré d'affaiblissement dépend de la quantité dont vous avez abaissé la température. Ceci étant vrai pour de la vapeur à o , à plus forte raison l'est-il pour de la vapeur à 100 degrés, minimum de chaleur dont on se sert, lorsqu'on fait agir ce fluide comme moteur.

Il faut remarquer que quand on refroidit la vapeur de o degré à — 19 degrés, une partie de la chaleur l'abandonne ; mais aussi une portion de celte vapeur repasse à l'état liquide j et bien que la vapeur restante continue de remplir la capacité , elle a évidemment moins de densité , c'est-à-dire que le volume de cette vapeur contient un moindre nombre de molécules d'eau , que le même volume à o de température.

2mr. cas. Si , par un moyen quelconque , nous aspirons , hors de notre vase , la moitié , par exemple , en poids , de la vapeur qu'il renferme, ou ce qui serait équivalent, si nous en doublions tout à coup la capacité , la vapeur prenant incontinent tout l'espace qui lui est ouvert , dans les deux suppositions , s'étend et remplit comme précédemment toute la capacité j mais la tension sera diminuée de moitié, et l'on ne peut plus dire que cette vapeur satura l'espace ; car le vase n'en contient plus autant qu'il peut en contenir à o de température ; c'est-à-dire que si l'on introduisait de nouvelle eau à o , celle-ci fournirait précisément la quantité de vapeur que nous avons ôtée, ou une quantité égale à celle que contenait le vase , avant que la capacité en fût doublée.

Un autre phénomène acccompagne , dans le cas ci -dessus, la rare'faction delà vapeur et la diminution de tension; c'est que cette vapeur >. au moment de la raréfaction , n'est plus à o degré de température, mais au-dessous : une portion du calorique devient latent; et pour que cette masse de vapeur se remette en équilibre de température avec les parois du vase, elle doit en soutirer une certaine quantité de calorique.

Ce phénomène a lieu toutes les fois qu'on agrandit tout à coup un espace saturé de vapeur, quelle que soit la température de celle-ci; Ou bien qu'on soutire de cet espace une portion de vapeur, par quelque moyen mécanique : la vapeur se refroidit incontinent et se trouve capable d'enlever du calorique à ses enveloppes. Il résulte évidemment de ce phénomène que pour condenser une vapeur ainsi raréfiée , il faudrait la mettre en contact avec un corps plus froid, qu'il ne devrait l'être avec la vapeur telle qu'elle était avant la raréfaction ; attendu que, pour opérer la condensation , il faut présenter à la vapeur un corps en état de lui enlever du calorique ; or la vapeur raréfiée est plus froide qu'avant la raréfaction ; donc il faut le contact d'un corps plus froid , pour la faire repasser en partie à l'état liquide.

Il suit encore de ce phénomène que dans la conduite de la vapeur par des tuyaux, vous êtes plus exposé à perdre de sa chaleur, lorsqu'elle se presse sur elle-même dans son passage, que lorsqu'elle peut s'étendre et s'y raréfier.

Enfin , que vous pouvez obtenir la même diminution de tension par ia raréfaction de la vapeur, que par une condensation partielle, comme elle a toujours lieu dans le vide.

3"*. cas. Au lieu de soutirer de la vapeur de notre vase , ou d'augmenter tout à coup la capacité > si nous y introduisons par force une nouvelle quantité de vapeur, ou si nous dînai-

i88 DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE,

niions la capacité de ce vase , il se présente d'autres phénomènes que nous allons successivement examiner.

Supposons d'abord que nous fassions entrer dans le vase un volume de vapeur égal à celui qu'il contient , et à la même température; ou bien que nous nous efforcions de réduire autant que possible l'espace occupé par la vapeur.

A mesure que ce volume additionnel de vapeur entrera , ou que la capacité diminuera, une portion du calorique latent de la Vapeur redeviendra sensible ; il semblera en sortir comme l'eau d une éponge qu'on presse , et la moitié du poids et de la vapeur du vase et de la vapeur nouvelle repassera à l'état liquide; ce sera dans le premier cas, l'équivalent du volume de vapeur introduit qui se condensera par la pression qu'il faut, par hypothèse, exercer pour le faire entrer dans le vase ; et dans le second cas , ce sera le volume primitif de la vapeur qui se condensera tout entier , car on parviendra à réduire les dimensions de l'espace jusqu'à ne plus contenir que le liquide provenant de la condensation.

Dans les deux cas, il y a production de calorique qui se dissipe par les parois du vase.

Une première conséquence importante découle de cette observation : c'est qu'il est impossible d'augmenter la tension de la vapeur, en introduisant par le concours d'une force mécanique étrangère, dans un espace saturé , une nouvelle portion de vapeur à la même température, ou bien exerçant sur le volume primitif de vapeur une pression qui tendrait à le réduire à de plus petites dimensions : une portion de la vapeur , dans les deux hypothèses , repasse inévitablement à l'état liquide , et la tension est la même qu'auparavant. N'oublions pas que nous supposons ici qu'aucune circonstance extérieure ne peul concourir à changer, ni en plus, ni en moins, la température

ET DES MACHINES A VAPEUR. 189 de la vapeur soumise à l'expérience dont nous parlons ; nous supposons seulement que le calorique s'échappe de la vapeur par la pression ; ce qui est vrai en réalité.

Par l'expérience précédente, qui est l'inverse de celle-ci, nous parvenons bien à diminuer la tension de la vapeur , soit par la soustraction qu'on en fait , soit par l'augmentation de l'espace ; mais par l'introduction forcée de la vapeur dans un espace saturé , ou par la réduction , par pression , du volume de la vapeur dans cet espace, nous n'obtenons pas l'effet inverse, qui serait d'augmenter la pression de la vapeur. Or ceci vient de ce qu'en raréûant la vapeur, nous ne luiôtons aucune portion du calorique qui la constitue vapeur, sous la pression primitive, mais en la comprimant nous en faisons sortir une portion d'autant plus grande que la compression est plus forte. Alors ce qui peut rester de calorique ne suffit plus pour maintenir à l'état de vapeur tout le liquide , qui était dans cet état avant la compression ; et cette pression peut être telle que toute la vapeur repasserait à l'état liquide. Ce qui arrive lorsqu'on réduit jusqu'à rien la dimension de l'espace , sauf la place que le liquide doit occuper , ainsi que nous l'avons supposé plus haut.

Nous disions tout-à-l'heure que la moitié en poids de la vapeur du vase, et de la vapeur introduite repassait à l'état liquide, et que la tension restait la même qu'auparavant; revenons à cette expérience et poursuivons nos observations.

Une portion du calorique s'est dissipée, parce que nous savons que les corps dont on peut faire des epveloppes , des vases, conduisent tous la chaleur. Si cependant les parois du vase n'étaient point perméables à la chaleur, et que celle-ci fût par conséquent forcée de rester dans l'espace occupé par la vapeur, aucune pression, quelle qu'elle fût, ne pourrait condenser la vapeur; elle serait comme l'air, ou ce qu'on appelle les gaz

ujo DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE , permanens , qui ne se liquéfient sons aucune pression quelle que puissante qu'elle soit \ mais cette remarque n'est point applicable, puisque aucun corps n'est imperméable à la chaleur.

Notre vase contient donc , après l'introduction de ee volume de vapeur 3 deux fois le poids de l'eau qui existait avant dans l'espace, sous forme de vapeur , et dont la moitié est à l'état liquide et l'autre à l'état de vapeur. Or si tout à coup nous doublons l'espace, la vapeur existante se raréfiera, sa tansion diminuera, et se refroidissant parce qu'une portion de son calorique devient latente, elle attirera par cela même ou tendra à attirer du calorique des corps environnans -, enfin le liquide du vase se réduira de nouveau en vapeur. Vous aurez ainsi deux volumes de vapeur à lalension et à la température primitives, mais dans un espace double. Or il a falla que la vapeur en se raré* fiant, reprît des corps environnans le calorique qu'elle avait perdu en se comprimant par l'introduction forcée du volume additionnel de vapeur*, que si, par hypothèse, elle n'avait pu le récupérer, tout le liquide n'aurait pas repassé à l'état de vapeur, attendu que la température de l'intérieur du vase serait restée au-dessous de o degré; la tension primitive serait aussi affaiblie.

Maintenant si, au lieu de doubler l'espace, nous en soutirons un volume de vapeur égal à celui que nous y avions introduit, le liquide que contient le vase reparaît aussitôt à l'état de vapeur et présente la même température et la même tension qu'avant l'expérience. Voici comment les choses se passent : dès que vous commencez à soutirer la vapeur, il y a raréfaction, absorption de calorique des corps environnans, la tension diminue et le liquide fournit à chaque ibis une quantité de vapeur égale à celle que vous puisez \ de telle sorte qu'au moment où le liquide achève de se réduire en vapeur , un volume

ET DES MACHINES A VAPEUR. 191 de vapeur, égal à celai qui reste, doit avoir été soutiré. Si vous continuiez l'extraction de la Tapeur, elle perdrait de sa tension et se raréfierait.

On conçoit qu'introduire dans un espace saturé de vapeur, une nouvelle masse de vapeur, à la même température , c'est' comme si vous diminuiez l'espace par l'introduction d'un corps liquide ou d'un corps solide, par un piston, par exemple, qu'on ferait descendre dans un cylindre plein de vapeur.

Mais pour produire avec un corps solide ou liquide le même efïet qu'avec un volume égal de vapeur, c'est-à-dire pour faire repasser à l'état liquide toute la vapeur qui sature l'espace avant l'introduction, il faut évidemment que le corps introduit s'empare de tout cet espace, à l'exception de la très-petite place que le liquide , qui se forme par la condensation de la vapeur, doit occuper. Ainsi, par exemple, si le vase était un corps de pompe, il faudrait que le piston descendît très-près du fond pour anéantir la vapeur. Si on ne le faisait descendre qu'à la moitié de l'espace occupé par la vapeur, ce qui reviendrait à diminuer la capacité de moitié , la moitié de l'eau en vapeur repasserait à l'état liquide, et l'autre moitié conserverait son état et la même tension qu'auparavant.

Il résulte de là , en général, qu'un espace saturé de vapeur , sous une pression et à une température données , ne peut plus admettre, dans son sein, d'autres portions de vapeur , ou d'autres corps solides ou liquides à la même température , sans qu'une portion de cette vapeur ne se condense.

Voyons maintenant ce qui arriverait si nous introduisions dans notre vase de la vapeur à une température différente , c'est-à-dire au-dessus ou au-dessous de o.

Nous devons prévenir que cette introduction de vapeur dans un espace saturé n'est qu'une supposition dont nous croyons

irp DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE , devoir nous servir pour faire connaître bien à fond les qualités de la vapeur. On conçoit que pour l'introduire il faudrait la comprimer, et qu'en la comprimant on la dénaturerait avant d'entrer dans l'espace.

Si la vapeur à introduire était au-dessous de o degré, elle n'aurait pu être formée que sous une pression moindre que celle de la vapeur renfermée dans le vase , et elle aurait par conséquent une tension moindre. Elle ne pourrait donc se maintenir où régnerait une pression plus forte que celle sous laquelle elle a pu se développer } et à son arrivée dans le vase elle se condenserait et abandonnerait son calorique latent qui pourrait élever, pour quelques instans, la température de notre capacité.

Si la vapeur à introduire est plus chaude que celle du vase , à quelque degré que ce soit au-dessus de o , il faut savoir que les conditions de son existence sont rigoureusement : la température à laquelle elle s'est formée , la dimension de l'espace qu'elle peut saturer, la pression sous laquelle elle a pu le remplir ; or changez une de ces conditions, et la vapeur n'est plus de la même espèce, elle change de caractère : abaissez la température de l'espace qui la contient , une portion de cette vapeur se condense , et sa tension diminue ; changez les dimensions de l'espace, elle se condensera en partie, si vous les réduisez jusqu'à un certain point ; et si vous les augmentez , elle se raréfiera en perdant de sa tension. Ce double phénomène paraîtra aussi , si vous faites varier la pression sous laquelle elle s'est formée avant l'introduction dans le vase dont il s'agit.

Il est donc facile de concevoir que cette vapeur plus chaude, arrivant dans un espace saturé de vapeur à o de température , se condensera en môme temps qu'elle échauffera le vase et

ET DES MACHINES A VAPEUR. 193 augmentera la tension de la vapeur renfermée dans ce vase , jusqu'à ce que les corps environnaos aient absorbé le calorique ramené à la température de l'espace à o. Dès ce moment la vapeur primitive a repris sa tension, et notre capacité est dans le même état qu'auparavant , si ce n'est qu'elle contient en plus la quantité d'eau dont la vapeur introduite était composée.

Les résultats ne seraient pas les mêmes, si l'on introduisait dans la capacité un certain volume de liquide ou de corps solide d'une température différente de celle de la vapeur.

Un liquide ou un solide plus froids condenseront une partie de la vapeur, non-seulement parce qu'ils viennent diminuer l'espace rempli par la vapeur , mais encore parce qu'ils s'emparent d'une portion du calorique combiné avec cette vapeur. Celle qui reste dans l'espace n'a plus que la tension qui appartientau nouveau degré de température qui affecte l'espace depuis l'introduction de ce corps. Si le vase revenait à o de température , la vapeur reprendrait sa tension primitive ; mais comme l'espace est diminué, la portion de vapeur condensée resterait à 1 état liquide , attendu qu'il ne faut plus autant de vapeur pour saturer l'espace ainsi réduit dans ses dimensions.

Les effets produits par l'introduction d'un volume de liquide ou de solide plus chauds que la vapeur du vase dépendent et de la réduction qu'ils opèrent sur l'espace occupé par la vapeur, et du degré de chaleur qu'ils ont.

D'abord s'ils venaient remplir tout l'espace, la vapeur se condenserait entièrement, quel que fût leur degré de chaleur; mais si ce n'était qu'en partie , une portion de vapeur se condenserait dans le cas où le corps introduit n'apporterait pas avec lui assez de chaleur pour maintenir à l'état de vapeur toute la quantité d'eau dont était composée la vapeur à o, saturant un espace plus grand.

nj> DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE,

Supposons, par exemple, que nous réduisions à moitié le volume primitif de notre vapeur à o , et que le calorique ne puisse pas s'en échapper; la température de la vapeur s'élèvera ainsi que sa tension ; si donc le corps vient occuper la moitié de l'espace , et qu'il apporte avec lui assez de calorique pour élever la température de la vapeur au point où elle le serait, en là réduisant à la moitié de son volume par la compression sans perte de calorique , comme nous venons de le supposer , il paraît évident qu'il n'y aurait point de condensation, mais production dune vapeur plus chaude et d'une tension plus grande qu'avant l'introduction du corps, tension qui dépendrait et des degrés de température et du rétrécissement de l'espace. On conçoit au surplus que , pour qu'il n'y ait pas de condensation , il faut que la température s'élève à proportion que l'espace devient plus petit : nous allons bientôt revenir sur ce sujet.

4f. cas. Nous avons supposé , dans la plupart de nos remarques précédentes , qu'on opérait sur de la vapeur à une température déterminée , et que tout accès du calorique extérieur était interdit. Ce n'est que dans les dernières que nous avons examiné le cas de l'introduction d'un solide ou d'un liquide plus chauds que la vapeur ; mais ces corps n'apportaient dans le sein de cette vapeur qu'une portion définie de calorique qui ne pouvait se renouveler ; il s'agit maintenant de voir ce qui se passe lorsqu'on expose un volume de vapeur, que nous prendrons encore à o degré de température, à l'action permanente et successive du calorique, en un mot à l'action du feu.

Notre vapeur, à o de température, sature complètement l'espace que lui bflfre le vase dont nous nous servons, c'est-adire qu'à o de température un espace vide de cette dimension ne peut admettre ni plus ni moins de vapeur qu'il n'y en a.

ET DES MACHINES A VAPEUR. Kj5 Aussitôt que vous échaufferez ce vase, une nouvelle portion de calorique se répandra entre les molécules de vapeur et tendra à les écarter les unes des autres ; mais comme le vase est fermé et supposé inextensible , pour plus de simplicité, le volume de la vapeur reste le même, et le calorique qui la pénètre, quelle qu'en soit la quantité , se montre sensible au thermomètre*, aucune portion de ce fluide ne devient latente parce que la vapeur est toute constituée , lorsque nous la soumettons à l'action du feu. Les seuls changemens qui s'opèrent donc par cette action sont l'élévation de la température et l'augmentation de la tension. La vapeur dès lors a changé d'espèce, et l'espace qui était saturé de la vapeur à o n'est plus saturé lorsque vous avez élevé sa température : ce qui revient à dire que si vous aviez soumis , dans uotre vase vide d'air , une certaine quantité d'eau à une température égale à celle que vous donnez maintenant à la vapeur primitivement à o , vous auriez réduit en vapeur plus d'eau qu'en opérant à o comme nous l'avons supposé ci-dessus; l'espace, pour se saturer, aurait donc admis plus de vapeur.

Il résulte de là que vous pourriez introduire dans cet espace une nouvelle portion de vapeur à la température primitive, pour achever de le saturer; ou bien que vous pourriez comprimer cette vapeur, en diminuant l'espace jusqu'au point d'être en état de saturation ; et dans les deux cas la tension augmenterait et correspondrait à celle que vous obtiendriez tout d'un coup en laissant évaporer dans le vase autant de liquide qu'il en faut pour saturer l'espace à cette température.

Si vous soutirez de notre vase la moitié du volume de la vapeur échauffée , ou , ce qui serait la même chose, si vous doubliez l'espace qui la renferme, une portion de son calorique deviendrait latent, la température s'abaisserait, et la tension serait

196 DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE , diminuée de moitié, en supposant que l'action du feu eût

cessé.

Mais avant comme après l'augmentation de l'espace, ou la soustraction d'une partie de vapeur , introduisez dans le vase de l'eau à la même température que celle à laquelle vous avez porté la vapeur par l'action du feu , quelle que soit cette température au-dessus de o , l'eau bouillira jusqu'au moment où l'espace sera saturé de vapeur, après quoi l'eau ne fournira plus • de vapeur ; et l'on conçoit qu'elle en fournira d'autant plus que la vapeur aura été plus raréfiée, et que la température sera plus élevée , et réciproquement.

Il serait superflu de dire ce qui arriverait si l'eau était plus froide que la vapeur , on peut le déduire de ce que nous avons établi précédemment, ou bien si Ton introduisait au lieu d'eau un corps solide plus froid ou plus chaud que la vapeur. Si cependant ce corps solide n'avait que la température de la vapeur, et que son volume fût tel qu'il vînt réduire l'espace au point que la vapeur ne pût se maintenir aussi comprimée sans recevoir une nouvelle dose de calorique , une portion de la vapeur se condenserait, parce qu'il y a pour chaque température , un espace déterminé et un point de saturation qu'on ne peut changer sans affecter une vapeur donnée ou de condensation ou de raréfaction.

Enfin, en continuant l'action du calorique sur la vapeur renfermée dans notre capacité, on augmenterait graduellement la tension. On ne trouve rien dans les faits relatifs à la vapeur qui puisse faire assigner une limite à cet accroissement, en supposant que le vase pût résister; mais si la vapeur pouvait s'échapper à mesure quelle reçoit l'action de la chaleur, on la dilaterait à tel point que sa tension deviendrait presque nulle.

Nous venons d'étudier la vapeur isolée, prise dans toutes

ET DES MACHINES A VAPEUR. 197 les circonstances qui peuvent se présenter ; nous avons maintenant à la considérer en présence de l'eau qui la fournil et peut la renouveler dans le même vase.

i°. Introduisez dans le récipient vide d'air de l'eau à o degré de température, et en quantité telle qu'il en reste une portion à l'état liquide , dans le cours de nos expériences. L'espace qui se trouve au-dessus de l'eau sera bientôt saturé de vapeur à 0 de température et au degré de tension qui appartient à cette espèce, de vapeur.

20. Exposez-la à une température plus basse , une partie se condensera et se réunira, au fond du récipient, à l'eau restante, et vous aurez une vapeur d'une tension moindre, et correspondante au degré de température nouveau dont le récipient et le liquide sont affectés.

3°. Soutirez de votre récipient une portion de vapeur ; aussitôt celle-ci se raréfiera, sa tension diminuera, et l'eau fournira continuellement une nouvelle quantité de vapeur, de telle sorte qu'après avoir soutiré, par exemple, un volume de vapeur égal à l'espace vide du récipient , cet espace serait encore saturé de la même vapeur que l'eau aurait produite. En continuant ainsi d'extraire de la vapeur, vous parviendriez à réduire toute l'eau du récipient en vapeur; en supposant, bien entendu, que la température est entretenue au même point.

4°. Doublez tout à coup l'espace qui renferme la vapeur; la tension diminue à l'instant ; une nouvelle portion d'eau peut dès lors se réduire en vapeur, et vous obtenez bientôt, dans votre récipient doublé , un double volume de vapeur au degré de tension primitif.

Triplez, quadruplez l'espace, en le maintenant à o de température; de nouvelle vapeur se formera, et au bout d'un temps assez court l'espace sera saturé, et il y régnera la même ten-

sion qu'auparavant} car ce n'est qu'à ce point de tension, la température restant la même, que l'eau ne peut plus fournir de vapeur. On peut concevoir un agrandissement d'espace tel , que toute l'eau se réduirait en vapeur ; mais à quel degré de tension ? ce n'est pas assurément au-dessus de celui qui correspond à o degré , puisque , au-dessus de cette tension , l'eau ne donnerait plus de vapeur ; mais ce peut être au-dessous , en supposant que l'espace ait été augmenté à tel point que la vapeur se soit raréfiée, après que l'eau serait entièrement passée dans cet état.

5°. Cherchez à introduire une nouvelle quantité de vapeur à o degré, il arrivera , comme précédemment avec la vapeur isolée , que la quantité introduite repassera à l'état liquide. Comprimez la vapeur, en réduisant les dimensions de l'espace, elle, se condensera aussi comme précédemment , et en totalité si vous prenez toute la place qu'elle occupe 5 ce que, nous le répétons, vous pouvez faire avec la vapeur, et jamais avec l'air.

6 . Introduisez de la vapeur , échauffée et dilatée à un degré tel , qu'après avoir partagé son calorique avec le récipient et avec la vapeur et le liquide qu'il renfermera température résultante soit précisément celle qui permet à l'espace donné de contenir, non-seulement la vapeur primitive, mais encore celle que vous y avez introduite, il n'y aura point de condensation ; mais bien élévation de température et de tension correspondante à cette température. On conçoit que la vapeur d'intro-i duction pourrait être portée à an degré de chaleur suffisant , pour mettre l'eau contenue dans le récipient en état de fournir de nouvelle vapeur pour saturer 1 espace , et la vapeur résultante serait alors plus dense que précédemment. On conçoit aussi que la vapeur introduite pourrait ne pas apporter assez de

ET DES MACHINES A VAPEUR. wjp calorique libre pour élever la température dut récipient et s'y maintenir dans le même état : ce qui amènerait une condensation partielle; condensation au surplus qui aurait toujours lieu, si la vapeur d'introduction n'était point, avant, dilatée par la chaleur.

U serait inutile de dire ce que produirait l'introduction d'un liquide ou d'un solide échauffés, qui viendraient, par leur volume , rétrécir l'espace ; on peut aisément le prévoir d'après ce que nous avons dit précédemment.

7°. Enfin , soumettez votre récipient à l'action graduelle du calorique ; comme il n'y a de pression dans ce récipient que celle qui résulte de la tension de la vapeur, tension que vous savez n'être que de 5m,1,o:>9, l'eau commence à bouillir Lien audessus de 100 degrés centigrades, qu'il faut sous la pression atmosphérique; ainsi que nous l'avons vu plus haut. La vapeur s'accumule donc, se replie, pour ainsi dire, sur elle-même dans l'espace, à mesure que vous pressez l'action du feu, et qu'il y a plus de portions d eau qui se réduisent en vapeur. Au bout de quelque temps d'action , toute l'eau pourra disparaître et votre récipient ne contenir que de la vapeur.

Remarquez qu'à chaque degré d'élévation de température , la vapeur a changé d'espèce, c'est-à-dire qu'elle a acquis plus de tension, et que, sous le même volume, elle contenait plus de molécules d'eau, carie récipient est supposé n'avoir point varié de dimensions. Ainsi donc , la tension et la densité de la vapeur augmentaient avec chaque degré de température ; et à chaque degré de température l'espace était toujours saturé, comme au degré précédent, mais d'une espèce de vapeur différente et correspondante à chacun de ces degrés. Enfin , lorsque toute l'eau a été réduite en vapeur, eu vertu d'un accroissement de chaleur suffisant, il ne vous était plus possible d'augmenter la densité

200 DE LA VAPEUR COMME FORCE MOTRICE , de la vapeur, en continuant l'action du feu, à moins que vous n'eussiez introduit de nouvelle eau dans le récipient ; mais vous pouviez augmenter la tension de cette vapeur par le seul effet de l'accumulation du calorique entre le même nombre de molécules d'eau renfermées dans un espace inextensible. D'où il résulte que tant qu'il reste de l'eau à vaporiser, la tension et la densité de la vapeur se sont accrues ensemble -, mais après , la densité n'a pas changé, bien que la tension ait continué d'augmenter par le seul effet de la chaleur.

Maintenant , pour nous faire une idée nette de ce qu'est la vapeur , supposons qu'au moment où toute l'eau était vaporisée et la vapeur arrivée au maximum de densité, qui correspond et à la quantité d'eau et de chaleur employées et à l'espace offert par notre récipient, supposons, disons-nous, que vous agrandissiez graduellement cet espace et que les parois du récipient décroissent régulièrement de température comme la vapeur, qui , en se raréfiant , rend latente une portion de chaleur, sensible à chaque degré de raréfaction ou d'augmentation d'espace : il est évident que de décroissemens en décroissemens de température , et d'agrandissemens en agrandissemens d'espace, vous pourriez arriver à une vapeur qui n'aurait plus que o de température, mais qui occuperait un espace immense en comparaison de celui qu'elle occupait dans le récipient primitif. Or, cette masse de vapeur à o contient et la même quantité de calorique et la même quantité d'eau; les proportions de ces deux principes constituans n'ont point changé; il n'y a de changé que la tension et le volume de la vapeur, ou ce qui revient au même la grandeur de l'espace occupé et saturé. Ceci est tellement vrai , qu'en diminuant graduellement l'espace, comme vous l'avez augmenté , et en supposant que les parois du récipient suivent, dans l'accroissement progressif de leur tempéra-

ture , celui de la vapeur ; vous retrouverez la môme vapeur , avec la même tension , la même densité et la même température qu'avant l'agrandissement, lorsque vous serez revenu aux dimensions primitives du récipient.

Que conclure de ces considérations fondamentales? c'est qu'un pouls donné de vapeur à o de température contient la même quantité d'eau et de calorique que le même poids de vapeur à 5o, à 100, à 200 degrés, etc., de température, lorsque ces diverses espèces de vapeur ont été formées et fournies jusqu'à saturation de l'espace, et sans qu'on les ait imprégnées, après, d'une nouvelle quantité de calorique, comme nous l'avons supposé , lorsque toute l'eau est réduite en vapeur et qu'on continue l'action du calorique sur celte vapeur. Les différences qu'on remarque entre ces diverses espèces de vapeur portent sur les volumes, les tensions, les densités et les températures; mais toutes peuvent être ramenées à la même espèce de tous points, en diminuant, ou en agrandissant, comme il convient, l'espace qui les renferme , espace qu'on suppose imperméable au calorique.

Ainsi un poids donné d'eau en vapeur, à o de température, présente un très-grand volume; et le même poids à 200 degrés de température, un très-petit en comparaison. Dans la vapeur à o, la quantité de calorique et d'eau qu'elle comporte est disséminée , éparpillée dans un grand espace ; et dans le même poids de vapeur à 200 degrés, cette quantité égale de calorique et d'eau est resserrée relativement dans un très-petit.

Pour bien établir cette importante proposition, il est peutêtre nécessaire d'insister et de préciser les termes et les circonstances qui la rendent d'une évidence incontestable.

Prenons deux récipiens parfaitement égaux, vides d'air, communiquant chacun, par un tuyau armé d'un robinet, à un