CHAPITRE PREMIER

De la production de la chaleur.

Dans l'exposé des phénomènes de chaleur, on a séparé longtemps la cause de l'effet; mais aujourd'hui on confond assez généralement, sous la dénomination commune de chaleur, le calorique , qui est le principe, et la chaleur, qui est l'effet.

La chaleur possède-t-elle ou non quelques-unes des propriétés de la matière, telles que l'élasticité, la compressibilité et la faculté de se combiner avec les corps? Essayer de résoudre cette question serait entrer dans une discussion de principe sur l'origine de la chaleur, dont nous n'avons pas à nous occuper pour l'instant.

Nous suivrons, à l'égard de la chaleur, la même marche que pour l'électricité, c'est-à-dire que nous exposerons d'abord ce qui concerne le dégagement de la chaleur dans toutes les circonstances où il a lieu.

Une question devrait d'abord nous occuper, celle relative à la mesure des températures, en vue des recherches qui sont du domaine de la physique appliquée; mais, comme la construction et l'emploi de ces appareils reposent sur les propriétés des courants thermo-électriques, dont nous n'avons pas encore parlé, nous préférons commencer par la production de la chaleur.

INous allons donc étudier d'abord la production de la chaleur : 1° dans les actions mécaniques; 2° dans le passage de l'électricité à travers les corps ; 3° dans les actions chimiques ; 4° dans les actions capillaires.

Les molécules des corps sont tenues en équilibre par les actions combinées des affinités, de l'attraction moléculaire, de la chaleur et

de l'électricité ; une de ces forces cesse-t-elle d'agir, les autres aussitôt manifestent leur action : ainsi, par exemple, rattraction molécu" laire est-elle détruite ou affaiblie, il y a production d'électricité et de chaleur. Nous avons fait connaître tout ce qui concerne le dégagement de l'électricité ; suivons la même marche relativement au dégagement de la chaleur, d'autant plus que toutes les causes qui troublent l'équilibre des forces électriques dans les corps agissent de même à l'égard de la chaleur.

On peut dès à présent poser en principe que tout changement de volume d'un corps est accompagné d'effets calorifiques : si le volume est diminué, il y a élévation de température; dans le cas contraire, abaissement. Ces deux effets résultent de ce que , dans le premier cas , la portion de chaleur latente employée à tenir les molécules distendues devient libre, tandis que, dans le second , les molécules reprennent aux corps voisins la chaleur dont elles ont besoin pour occuper un plus grand espace.

Du dégagement de la chaleur dans les actions mécaniques.

Les actions mécaniques comprennent la pression , la percussion et le frottement : les corps sur lesquels on opère peuvent être solides , liquides ou gazeux. Toutes ces actions, en imprimant un mouvement de vibration aux molécules , dégagent de la chaleur.

La pression n'agit que faiblement pour dégager de la chaleur dans les corps solides et liquides, attendu que leur volume n'éprouve pas de diminution sensible. Il n'en est pas de même à l'égard des gaz , qui, en raison de leur coinpressibilité, sont susceptibles de dégager une grande quantité de chaleur. Le briquet à air nous en offre un exemple; car on sait que lorsque l'air est comprimé j'apidement, au moyen d'un piston, dans un tybe de verre ou autre, de manière à être réduit au cinquième de son volume, il se dégage assez de chaleur pour enflammer un morceau d'amadou tixé à l'extrémité de ce piston , et que l'on retire rapidement du tube. Les autres gnz s'échauffent également, mais ne jouissent pas de la propriété d'enllammer de l'amadou ou autre corps combustible , parce qu'ils ne renferment pas tous un principe comburani ; il n'y a que l'oxygène, les gaz qui le renferment et le chlore qui dégagent de la chaleur et de la lumière.

Si la compression exercée sur un gaz rend libre la chaleur latente et élève sa température, la raréfaction d'un gaz doit absorber de la chaleur aux corps environnants et produire un abaissement de température. Pour le prouver, ou suspend un thermomètre au milieu

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d'un ballon dans lequel on fait le vide; à peine a-ton enle\é(!e rair, que le mercure descend. Le thermomètre de Brcguit est employé avec avantage, en raison de sa sensibilité, pour faire cette expérience. On peut aussi se servir de l'appareil thermo-électrique , dont il sera parlé ci-après, attendu qu'il indique des changements de température instantanés.

Les effets deviennent plus manifestes quand on opère de la manière suivante, avec de l'air comprimé à deux ou trois a'.mosphères : ou laisse échapper cet air par une petite ouverture en avant de laquelle on place une boule de verre ; celle-ci , en se refroidissant, ne tarde pas à se couvrir de glace, quand l'air ambiant est humide. Si l'on fait rentrer de l'air dans un balhm où l'on a fait le vide , il s'y produit des effets de chaleur complexes : dans les premiers instants, il y a abaissement de température par l'effet de la dilatation de l'air ; mais les nouvelles quantités d'air qui arrivent ensuite refoulent celles déjà entrées, d'où résulte un dégagement de chaleur qu'on observe facilement en placaivt des thermomètres à différentes hauteurs dans le récipient.

Les liquides, en général, ne produisent pas de chaleur par la percussion : nous disons en général, car MM. Coladon et Sturm ont trouvé qu'en percutant l'éther sulfurique à coup de marteau, on obtenait une variation de 2" dans le thermomètre de Breguet : dans les mêmes circonstances l'eau et l'alcool n'ont rien produit.

On a recherché si le dégagement de chaleur dans la percussion des corps solides était toujours accompagné d'une réduction de volume. Dans le cas, par exemple, où les particules refoulées un instant , reviendraient dans la même position qu'elles occupaient auparavant, devait-il y avoir encore de la chaleur rendue libre ? Or, il résulte des recherches deBerthollet, Pictetet M. Biot, que lorsqiie l'on passe sous le balancier des rondelles de cuivre et d'argent, il y a un fort dégagement de chaleur dans les premiers instants seulement; puis il diminue ensuite rapidement, et enfin, lorsque les molécules sont suffisamment écroules pour ne plus changer de place, il ne se dégage plus de chaleur, quelle que soit la violence des chocs. Arrivées à ce point , les molécules éprouvent bien encore des dérangements ; mais comme elles reviennent dans leur position primitive, la chaleur dégagée par la compression disparaît par l'expansion qui la suit immédiatement.

La quantité de chaleur qui est émise dans le frottement est quelquefois si considérable , qu'elle suffit pour enllammer les corps combustibles. C'est ainsi qu'une roue qui tourne rapidement sur son essieu prend feu, et que le sauvage, avec une dextérité que nous n'avons pas,

parvient à enflammer deux morceaux de bois, en les frottant l'un sur l'antre avec une grande rapidité. Les effets produits sont dus à un mouvement de vibration imprimé par le frottement aux molécules, comme tendent à le prouver encore les faits suivants. Lorsqu'on lime un alliage composé d'une partie de fer et de deux d'antimoine, il en jaillit aussitôt de vives étincelles, qui prouvent que la température est portée jusqu'à l'incandescence.

En frottant vivement l'un contre l'autre deux morceaux de glace, à une température au-dessous de zéro, il se dégage assez de chaleur pour opérer la fusion de la glace à la surface.

Les expériences de M. deïlumford sur la chaleur dégagée dans le forage d'une pièce de canon, nous donnent encore une idée de l'intensité des effets de chaleur produits dans le frottement. Cette expérience étant décrite dans tous les traités de physique, nous ne rapporterons seulement que les résultats auxquels elle a conduit.

Le forage , dans un temps donné , avait détaché de la pièce des écailles métalliques dont le poids était de 443 grammes 61 ; la quantité de chaleur dégagée fut assez puissante pour élever de 70 degrés la température d'environ 55 kilogrammes de bronze, et cette quantité aurait suffi pour fondre 3 kilogrammes 15 grammes de glace. M. de Rumfort s'est demandé avec raison si cette quantité de chaleur était due à la chaleur latente devenue libre par suite du changement dans l'état moléculaire des écailles formées, ou à une autre cause. Il reconnut d'abord que la chaleur latente n'entrait pour rien dans la production du phénomène ; il essaya ensuite de découvrir si l'air ambiant contribuait ou non à la chaleur dégagée, et il lui fut prouvé que l'exclusion de l'air dans la cavité où était introduit le foret, ne diminuait en rien la quantité de chaleur produite par le frottement; enfin , en discutant toutes les causes qui avaient pu intervenir dans la production du phénomène, M. de Rumfort a été seulement conduit à supposer que les vibrations imprimées aux molécules du bronze étaient une des causes qui avaient eu le plus de part dans l'effet produit. C'est précisément une cause semblable qui intervient avec une grande énergie dans le dégagement de félectricité par frottement.

Tâchons actuellement d'analyser les effets de chaleur produits dans le frottement, afin de les mettre en regard des effets électricjues qui ont lieu dans les mêmes circonstances. On ignore jusqu'à présent, quand on frotte deux corps l'un contre l'autre, la portion de chaleur que dégage chacun d'eux, en raison de sa nature et de l'état de sa surface. La question étant des plus complexes, il est bien difficile d'en avoir une solution complète dans l'état actuel de la science; on peut

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cependant en approcher au moyen de la méthode expérimentale que je vais indiquer.

Pour déterminer comment chaque corps intervient dans la production de hx chaleur, il faudrait écarter les causes diverses qui masquent l'effet que l'on a en vue ; c'est ce que l'on ne peut faire entièrement. Effectivement, lorsque l'on frotte plus ou moins rapidement deux corps l'un contre l'autre, en maintenant toujours le contact, il y a évidemment transmission de chaleur d'un corps dans l'autre; la quantité transmise dans chacun d'eux dépend de la conductibilité du corps , de sa capacité pour la chaleur , et de l'état de sa surface. D'après cela , la chaleur dégagée sur la surface de chaque corps par le frottement d'un autre corps, ne saurait être accusée immédiatement, c'est-à-dire, avant la transmission qui a lieu d'un corps à l'autre. Il est possible, néanmoins, d'opérer dans des circonstances qui permetlent d'écarter plusieurs des difficultés qui viennent d'être signalées; on est conduit alors à une série de faits que l'on va exposer, et qui ne sont pas sans intérêt pour la théorie du dégagement de la chaleur.

L'appareil destiné à observer ces faits se compose d'une pile thermoélectrique en relation avec un excellent multiplicateur M, comme l'indique la fig. 14 , pi. VI, et dont la sensibilité est suffisante pour permettre d'observer une différence d'environ un centième de degré centigrade entre la température des deux faces de la pile.

Pour réduire en quelque sorte la question à sa plus simple expression , on opère avec deux corps de même nature, mauvais conducteurs de la chaleur, égaux dans leurs dimensions, taillés en rondelles de 1 à 2 millimètres d'épaisseur, et ne présentant de différence que dans l'état de leur surface. Ces corps sont fixés avec du mastic à l'extrémité detiges de \en-et't' : les surfaces des rondelles sont mises en contact; on les presse légèrement l'une sur l'autre, et on leur imprime un mouvement de rotation pendant un temps déterminé, de manière à obtenir toujours le même nombre de tours dans le même temps. Les deux corps sont séparés ensuite rapidement et mis en contact, chacun d'eux, par la surface frottée, avec une des faces de la pile avec laquelle il partage sa chaleur acquise. Les deux corps ont-ils la même température , l'aiguille aimantée reste en repos, attendu que les deux courants thermo-électriques étant égaux et dirigés en sens contraire, se détruisent. La température est- elle différente dans les deux corps, l'aiguille aimantée est aussitôt déviée, et l'angle d'écart indique la différence de température, en se servant de tables construites préalablement pour faire connaître, d'une part , les rapports existant entre

la déviation de l'aiguille aimantée et l'intensité du courant; et de l'autre, la déviation correspondante à une différence de température donnée. On peut consulter à cet égard les méthodes employées pour former ces tables (*). Les effets ne sont comparables, néanmoins, qu'autant que le frottement est produit avec une vitesse et une pression connue , et que les deux corps sont séparés rapidement l'un de l'autre et mis immédiatement en contact avec les faces de la pile. Avec un peu d'habitude on parvient à remplir ces conditions, comme les résultats qu'on rapportera ci-après le prouveront.

Avant de passer aux expériences , et afin de bien connaître la marche de l'appareil , il est nécessaire de chercher l'effet produit par le courant thermo électrique sur l'aiguille aimantée, lorsqu'on met en contact, avec une des faces de la pile, un des deux corps possédant une température supérieure à celle de l'air ambiant. On trouve alors que, quelle que soit la nature des corps ou disques frottés, qu'ils soient conducteurs ou non de la chaleur, le temps que met l'aiguille pour atteindre son maximum d'écartement , pourvu que cet écartementne dépasse pas 60", est toujours de lO"; pour des écartements de 60 à 75°, il est de 9", 5; de 9" pour des déviations de 75 à 90. Cela tient à la fjrce d'inertie de l'aiguille, laquelle force est vaincue d'autant plus facilement que l'intensité du courant est plus grande.

L'aiguille aimantée se comporte ici comme un pendule qui oscille sous l'action de la pesanteur, entre de petites amplitudes, puisque les oscillations sont isochrones; mais avec cette différence, néanmoins, que dans le pendule, l'amplitude de l'oscillation augmente, tandis que le contraire a lieu dans les expériences citées, puisque le temps diminue à mesure que l'amplitude augmente au delà de 60*^ jusqu'à 90". On montre l'isochronisrae des déviations par première impulsion, en mettant en contact une substance taillée en disque, pendant une seconde, avec une source de chaleur possédant une température constante , et l'appliquant ensuite sur une des faces de la pile.

Substances soumises Déviation lors de la

à l'expérience. première impulsion. Temps. Moyenne.

i''^ expérience 39 10"

Verre poli. . . [ 4 — Sii 11 } I0,43

— 4t II

(*) Traité de f électricité, t. 2 et suiv., p. 11.

464 TR.ilTE DE PHYSIQUE.

Verre dépoli

expérience 4S 10

i'^" expérience.

Liège (3 — II 9 ; 9,8

il" expérience 56 10

4 — 55 lo

Ces résultats montrent bien l'isochronisme des déviations , à part les légères différences qui doivent être attribuées aux erreurs d'observation ; car il est bien facile de se tromper d'une demi-seconde quand on évalue le temps de la durée d'une oscillation entière, attendu que l'on ne peut savoir l'instant précis où l'aiguille entre eu mouvement et celui où elle s'arrête, surtout quand l'intensité du courant est faible. Dans les expériences qu'on a faites pour s'assurer si cette loi avait encore lieu pour des déviations plus considérables, on a pris un disque d'argent que l'on a chauffé successivement , de manière à obtenir des déviations par première impulsion de 1 à 90°; on a obtenu les résultats suivants :

Déviations. Temps évalué en 1/2 secondes.

Il est donc bien prouvé que de l à 60° environ , la durée de chaque déviation est de lO"; de 60 à 70 , elle est de 9", 5; de 70° à 90% de 9". Il ne faut pas oublier que les déviations de l'aiguille jusqu'à 20** répondent à des intensités égales du courant, et que, au delà, les déviations ne sont plus proportionnelles aux intensités.

Quand une des faces de la pile est échauffée par le rayonnement direct de la flamme d'une lampe ordinaire placée à un mètre de distance au lieu de l'être par transmission directe, les résultats sont encore les mêmes :

Déviations. Temps en 1/2 secondes.

aS 2o

Il est prouvé par là que l'effet est indépendant du plus ou du moins de conductibilité des disques employés. Pour voir jusqu'à quel point les faits précédents dépendent de l'action exercée par le magnétisme terrestre sur le système des deux aiguilles du multiplicateur, on a déterminé le temps d'une oscillation du système auquel on imprime une impulsion avec un aimant. A cet effet, on a approché, à diverses distances de l'aiguille supérieure, un barreau légèrement aimanté, de manière à la faire dévier d'un certain nombre de degrés, puis, ayant rapidement retiré le barreau , on a compté le temps d'une oscillation.

Voici les résultats obtenus pour diverses amplitudes :

Déviations. Temps d'une oscillation en 1/2 secondei.

65 ao

80 ao

On voit, comme dans le pendule, que le temps des oscillations augmente à mesure que la déviation devient plus grande, tandis que, lorsque l'aiguille aimantée est déviée par l'action d'un courant thermoélectrique, les effets sont inverses. Pour connaître la cause de cette différence, on a porté le disque d'argent échauffé sur l'une des faces de la pile, au point de produire une déviation de 80**; puis après un contact de quelques secondes, lorsque l'aiguille était parvenue à une division quelconque du cercle, à 30" par exemple, on a interrompu le circuit; l'aiguille a continué à cheminer en vertu de la vitesse acquise jusqu'à 50° seulement; elle s'est arrêtée et est retournée à zéro après plusieurs oscillations. Cette expérience, répétée plusieurs fois, a donné constamment le même résultat. On doit en conclure que le disque ne se met pas immédiatement en équilihre de température avec la face de la pile, que le disque soit excellent ou mauvais conducteur; de sorte que l'isochronisrae observé dépend de la propagation de la chaleur dans la face échauffée de la pile.

Lorsqu'on frotte rapidement l'un contre l'autre deux disques de liège disposés comme il a été dit, mais dont l'un a une surface lisse obtenue avec un instrument tranchant, et l'autre une surface couverte d'aspérités, et que l'on présente simultanément les deux surfaces frottées aux deux faces de la pile pour savoir si chacune d'elles a pris ou non la même température, on obtient un courant dont la direction, due à une différence dans les effets thermo-électriques, indique que le disque à surface couverte d'aspérités possède une température plus élevée que l'autre, dans un rapport tel, que la déviation de l'aiguille varie de 1 0** à 1°, suivant que l'on a frotté plus ou moins fort.

Un morceau de verre poli et un morceau de verre dépoli produisent le même effet; c'est-à-dire que le premier prend moins de chaleur. Il semble résulter de là que les surfaces qui ont le plus grand pouvoir absorbant sont celles qui s'échauffent le plus.

Le tableau suivant renferme les résultats d'un certain nombre d'expériences obtenus dans le frottement exercé pendant une minute :