PUISSANCE CALORIFIQUE DES COMBUSTIBLES

12. Définitions. — La quantité de chaleur dégagée par la combustion dépend essentiellement de la nature du combustible et constitue un des principaux éléments de sa valeur industrielle.

L'unité de chaleur généralement adoptée pour la mesurer est la quantité de chaleur nécessaire pour élever de o* à i* centigrade, la température de i kilogramme d'eau. On l'appelle calorie.

On désigne sous le nom de puissance calorifique d'un combustible, le nombre de calories dégagées par la combustion complète de 1 kilogramme de ce combustible.

Un grand nombre de physiciens se sont occupés de la détermination de la puissance calorifique.

13. S^éiiences diverses. — Eq i78o,LaplaceetLavoisier firent des expériences en brûlant, dans leur calorimètre à glace, divers corps combustibles, et, en mesurant la quantité de glace fondue, ils trouvèrent les résultats suivants pour la puissance calorifique :

Carbone ^624

Hydrogène 23 352

Phospbore 7900

Huile d'olive 11 762

Suif. 7569

Cire blanche io52o

Rumfort, en 1814, se servit d'un calorimètre (fig. 4) composé d'une caisse rectangulaire en cuivre mince dans laquelle se trouvait disposé un serpentin borizontal. L'une des extrémités de ce serpentin se terminait, audessous de la caisse, par un eatODDoir sous lequel on brûlait le combustible à essayer, l'autre extrémité déboucbait latéralement dans l'atmospbère. La caisse était

remplie d'eau et les gaz de '-

la combustion, en circulant dans le serpentin, abandon- Daient leur cbaleur à l'eau fig- 4.

dont la température était

donnée par un thermomètre. En tenant compte du poids et de la chaleur spécifique de la caisse, du poids de l'eau contenue, l'élévation de température constatée servait à mesurer la chaleur dégagée par la combustion, et, d'après le poids de combustible brûlé, on en déduisait la puissance calorifique.

Les résultats fournis par cet appareil étaient entachés de nombreuses causes d'erreur provenant de l'imperfection de la combustion, du refroidissement incomplet des gaz, de la

perte d'une partie de la chaleur rayonnée sous rentonnoir.

Le calorimètre était en outre exposé au refroidissement de Tair ambiant, mais pour ne pas avoir à en tenir compte, Rumfort employait une méthode fort simple de correction. Il mettait dans la caisse, au commencement de l'expérience, de Teau à une température inférieure à celle de Tair ambiant et déterminée par un essai préliminaire, de telle sorte que le réchauffement du calorimètre, dans la première moitié de l'expérience, fît compensation au refroidissement dans la seconde moitié.

Voici quelques résultats obtenus par Rumfort :

Bois 4 3i4

Huile de colza 9^07

Huile d'olive 9044

Suif 8 369

Cire blanche 9479

Éther '. 8 o3o

Alcool à 42° Beaumé 6190

Alcool à 33* 5261

Naphte 7 338

Clément et Desormes s'occupèrent également de cette question. Ils trouvèrent les nombres suivants :

Carbone 7 386

Hydrogène 23294

Despretz, quelques années plus tard, détermina aussi la puissance calorifique du carbone, de l'hydrogène, du phosphore et de plusieurs autres corps combustibles. Il se servait d'un calorimètre à eau, avec chambre de combustion intérieure, afin de mesurer entièrement la chaleur rayonnée. Il obtint les nombres suivants :

Carbone 7 9^^

Hydrogène 23 640

Dulong a fait également de nombreuses expériences au moyen

d'un calorimètre analogue à celui de Despretz. Les nombres qu'il trouva pour le carbone et d'hydrogène sont :

Carbone 7 295

Hydrogène 34601

On voit qu'ils diffèrent notablement de ceux obtenus par Despretz.

14. Expériences de MM. Favre et Silbermann. — En i853, MM. Favre et Silbermann publièrent un travail remarquable sur les chaleurs de combustion, travail qui fait aujourd'hui autorité incontestée dans la question.

L'appareil que ces physiciens ont employé se compose de deux parties : i* le calorimètre proprement dit; 2* la chambre à combustion.

Le calorimètre (fig. 5) est formé de trois vases cylindriques et concentriques en cuivre, B, C, D. Le premier B est le vase calorimétrique; il est en cuivre plaqué extérieurement d'argent très poli afin de diminuer son pouvoir émissif. Ce vase a une capacité de 2 litres environ ; il a 2 décimètres de hauteur et 12 centimètres de diamètre. Il est plein d'eau et au milieu se trouve la chambre de combustion A. Un thermomètre donne les varialions de température que l'on repartit également dans la masse au moyen d'un agitateur.

Entre les vases B et C, dans l'espace annulaire, se trouve une. peau de cygne munie de son duvet tourné vers le vase B.

Enfin l'intervalle entre les vases C et D est rempli d'eau à la température ambiante, qui a pour effet de rendre insignifiantes, pour le calorimètre, les variations accidentelles de la température de l'air ambiant. Un thermomètre est plongé dans le liquide.

La chambre de combustion A se compose d'un vase en cuivre mince doré, suspendu au milieu du vase B par des tiges et portant trois tubulures sur son couvercle ; celle du milieu a^ plus large et légèrement conique, reçoit un bouchon auquel est sus-

pendu le foyer des diverses substances à brûler, foyer dispose suivant la nature de ces substances. Le bouchon porte luimême deux tubes m et n; le premier sert de fenêtre à la chambre h combustion ; il est surmonté d'un miroir incliné M qui permet de suivre l'allure du feu. Pour que les produits de la combustion ne s'échappent pas, le tube est fermé par une petite vitre mastiquée en place et qui se compose de trois pièces, un disque de quartz accolé à un disque d'alun en contact lui-même avec un disque de verre, ce qui forme un système athermane et ne permet pas la sortie de la chaleur rayonnante.

La tubulure n reçoit le chalumeau apportant le jet de gaz hydrogène ou oxygène, etc., ou un bouchon, suivant la nature de l'expérience.

La tubulure b sert à l'admission de l'oxygène pour alimenter la combustion dans les diverscas,cxccptélorsqu'il s'agit de la combustion du charbon.

Dans ce cas la tubulure b est fermée par une ligature de pjg. s caoutchouc, et l'oxygène ar-

rive par la tubulure n.

La tubulure c reçoit le bout rodé d'un serpentin dont le tube, long de 2 mètres, se développe -dans l'eau du calorimètre B et sort en c' pour conduire les gaz à des appareils d'analyse.

Los dispositions de la chambre do combustion à l'intérieur sont difTérentes suivant la nature du combustible.

Pour la combustion de l'hydrogcne (lig. 6) le jet arrive par le tube n, l'oxygène par le tube A. La vapeur d'eau qui se forme se condense tout entière dans la chambre qui n'a pas besoin

d'issue ; en conséquence le serpentin est fenné. La chambre A est pesée avant et après chaque opération pour connaitre le poids de l'eau formée.

Quand on brûle des gaz carbures, on fait traverser aux gaz de la combustion te serpentin dont la longueur est suffisante pour produire un refroidissement complet. Les gaz s'échappent en </ et sont recueillis pour être analysés.

Pour brûler les liquides, on fixe au bouchon a une virole

FIg- 6. Fig. 7. Fig. 8.

à laquelle sont suspendus deux fils de platine qui portent la lampe (fig. 7). La lampe est en cuivre avec porte-mèche en platine et mèche en amiante. L'oxygène entre par le tube b, et la tubulure n est fermée par un obturateur.

Pour la combustion du charbon, on le place dans un cylindre mince en platine formant foyer {fig. 8), de 17 millimètres de diamètre et dont le fond qui sert de grille est percé de trous. L'oxygène arrive en n et la tubulure b est fermée.

lies précautions les plus minutieuses ont été prises pour avoir

des combustibles et de Toxygène purs. Les produits de la combustion ont été recueillis et analysés avec le plus grand soin, afin de tenir compte de la chaleur qu'auraient dû dégager les gaz incomplètement brûlés, et les expérimentateurs sont arrivés à des résultats d'une concordance remarquable. Ainsi, sept expériences, faites avec des durées différentes, sur la combustion du carbone, ont donné sept nombres dont le plus faible est 8 064 et le plus fort 8 ogS, la moyenne est 8 080.

MM. Favre et Silbermann ont opéré sur un grand nombre de corps définis chimiquement. Le tableau suivant renferme les résultats obtenus pour les principaux (*) :

Carbone (charbon de bois fortement calciné). 8080

Charbon de cornues 8 047, 3

Graphite naturel '- 796,6

Graphite des hauts fourneaux 7762,3

Diamant »- 7^70

Hydrogène 34462

Oxyde de carbone 2 4o3

Hydrogène protocarboné i3o63

Hydrogène bicarboné 11 857

Alcool 7 i83,6

Soufre préparé depuis longtemps 2 220,5

Soufre mou ou récemment cristallisé 2 260,3

Sulfure de carbone 3 400, 5

Les analyses ont fait reconnaître que la combustion n'était jamais complète et qu'il se dégageait toujours des gaz combustibles. On a tenu compte, dans chaque cas, de la chaleur que ces gaz auraient dégagée s'ils avaient été entièrement brûlés.

Ainsi dans la combustion du carbone, on a trouvé constamment dans les gaz dégagés une certaine proportion d'oxyde de

(») Nous donnons, page 4^1 un tableau plus complet des résultats des expériences, en les comparant aux résultats fournis par le calcul.

carbone. Pour avoir la puissance calorifique, on ajoutait à la chaleur mesurée par le calorimètre celle que cet oxyde aurait produite par la combustion.

Il importe de remarquer que la puissance calorifique a été déterminée, dans ces expériences, en prenant le combustible et Toxygene à la température extérieure, et en mesurant la chaleur abandonnée par le refroidissement des gaz de la combustion à la température du calorimètre, qui s'écartait peu de celle extérieure. Il en résulte que, pour les combustibles donnant, comme Thydrogène, des produits gazeux qui passent à Tétat liquide à cette température, on a compté, dans la puissance calorifique, la chaleur de condensation de la vapeur.

Ainsi la puissance calorifique de Thydrogène est de 34 4^^ calories lorsque la vapeur produite est condensée dans l'appareil. Si cette condensation n'a pas lieu, ce chiffre doit être diminué de toute la chaleur abandonnée par le passage de la vapeur à Tétat liquide. Cette quantité de chaleur varie de quelques unités, suivant la température à laquelle se fait la condensation. En prenant le cas le plus défavorable, la condensation à o^, on trouve que la chaleur de condensation de 9 kilogrammes de vapeur d*eau, produits par la combustion de i kilogramme d'hydrogène, est

et par conséquent la puissance calorifique de l'hydrogène, quand Teau s'échappe à l'état de vapeur, se réduit à

soit sensiblement 29000 calories. C'est le nombre que nous adopterons dans ce cas.

Par la même raison, lorsqu'on brûle des hydrogènes carbonés, et que la vapeur d'eau produite s'échappe avec les gaz de la combustion sans être condensée, il y a lieu de retrancher de la puis-

sancc calorifique, qui a été déterminée en supposant cette condensation, ]e nombre de calories représentant la chaleur de vaporisation de Teau.

Chaque kilogramme d'hydrogène protocarboné produit 2*, 25 de vapeur d'eau qui emportent

de chaleur de vaporisation, ce qui réduit, dans ce cas, la puissance calorifique de l'hydrogène protocarboné à

Chaque kilogramme d'hydrogène bicarboné produit 1*^,285 de vapeur d'eau qui emporte

et la puissance calorifique de l'hydrogène bicarboné se réduit, quand il n'y a pas condensation, à

Pour l'alcool le poids de vapeur d'eau est 1'', 174, dont la chaleur de vaporisation à 0° est

et la puissance calorifique de l'alcool devient dans ce cas :

Un calcul analogue permet de faire facilement la réduction, due

à la non condensation, pour tous les combustibles hydrogénés.

La puissance calorifique dépend de l'état moléculaire du corps.

C'est ainsi que le carbone dégage, à Tétat de charbon de bois calciné, 8 080 calories, tandis qu'à Tétat de graphite naturel, il en produit seulement 7796,2 et à Tétat de diamant 7770. Il résulte de ces chiffres qu'il faut dépenser une certaine quantité de chaleur pour modifier Tétat d'agrégation des molécules, afin de rendre leur combinaison possible avec l'oxygène, et cette quantité est d'autant plus grande, que l'agrégation est elle-même plus forte. D*aprës les chiffres ci-dessus, il y aurait 3io calories dégagées dans le changement de i kilogramme de carbone amorphe en diamant.

Les mêmes différences s'observent avec le soufre. Le soufre mou ou récemment cristallisé produit 2 260 calories, tandis que le soufre, préparé depuis longtemps et plus agrégé, ne dégage que 2 220 calories.

15. Expériences de M. Berthelot. — M. Berthelot a fait une longue série d'expériences, au moyen d'appareils d'une grande précision, pour déterminer les chaleurs dégagées par la formation d'un grand nombre de corps composés.

Il se servait d'un calorimètre et d'une chambre de combustion disposée de diverses manières suivant la nature de l'expérience.

Le calorimètre se compose (Kg. 9) de plusieurs vases cylindriques disposés les uns dans les autres de manière à former des enceintes concentriques.

Le premier vase intérieur est le calorimètre proprement dit, il est en platine et renferme ordinairement 600 centimètres cubes d'eau, dans laquelle plonge la chambre de combustion où se produit la réaction qui dégage de la chaleur. Il est pourvu d'un couvercle de platine agrafé à baïonnette sur les bords du vase et percé de divers trous pour le passage d'un thermomètre, d'un agitateur et des tubes adducteurs destinés aux gaz et aux liquides. Ce couvercle ne sert que dans certaines expériences, le calorimètre étant le plus souvent découvert.

Le calorimètre est posé sur trois pointes de liège, fixées sur un petit triangle de bois, le tout placé au centre d'un cylindre de

26 PRODUCTION DE U CBALECR.

cuivre rouge très mince et plaqué intérieurement d'argent poli, afio de diminuer autant que possible le rayonnement. C'est la première enceinte : Elle est munie d'un couvercle de même métal également plaqué d'argent et pourvu de trous et d'ouvertures qui répondent à ceux du calorimètre.

Le système est posé sur trois minces rondelles de liège, au centre d'une enceinte d'eau (seconde enceinte) laquelle est constituée par un cylindre de fer-blanc à doubles parois, entre lesquelles se trouve de l'eau. Le fond est également double et plein d'eau. Un agitateur circulaire permet de remuer cette eau do

temps en temps, pour y établir Téquilibre de la température, cette dernière étant donnée par un thermomètre très sensible. Un couvercle de fer-blanc ou mieux de carton ferme l'orifice du cylindre de fer-blanc.

Enfin le cylindre est complètement recouvert, sur toutes les surfaces extérieures, par un feutre très épais qui le protège contre le voisinage de Topérateur.

M. Berthelot a reconnu que, pour éviter les déperditions de chaleur, il était préférable de ne pas mettre un duvet de cygne ou du coton entre la première et la seconde enceinte, l'air conduisant moins bien la chaleur.

La méthode de M. Berthelot, pour déterminer la chaleur dégagée par les corps explosifs, consiste à mélanger, dans un vase convenable, le gaz ou la vapeur combustible, avec la proportion d'oxygène strictement nécessaire pour la brûler exactement, ou même avec un léger excès, quand cet excès n'est pas nuisible ; puis à déterminer l'explosion du mélange en vase clos et à volume constant par une étincelle électrique.

Le détonateur ayant été placé à l'avance dans le calorimètre, on mesure la chaleur produite. En procédant ainsi, la combustion dure une fraction de seconde seulement; elle est toujours totale, du naioins pour les gaz proprement dits ; enfin la mesure calorimétrique s'effectue dans un temps aussi court que possible, c'està-dire dans les conditions de la plus grande exactitude.

Les détonateurs employés se rattachent à deux modèles : la bombe ellipsoïdale et la bombe demi-cylindrique, dont le mode de clôture est un peu différent; l'introduction des gaz, leur extraction, l'inflammation et la mesure de la chaleur dégagée s'opèrent toujours de la même manière.

La figure lo représente la bombe ellipsoïdale. Sa capacité est de 218 centimètres cubes. Sa valeur en eau, c'est-à-dire le produit de son poids par sa chaleur spécifique, est de 5i grammes. Elle est formée d'un récipient et d'un couvercle assemblés par un pas de vis, munis d'oreilles, tous deux en tôle d'acier épaisse de 2"", 5. Ils ont été recouverts à Tintérieur par la galvanoplastie d'une

très épaisse couche d'or, pesant ^2 grammes, laquelle a résisté à

toutes les détonatioDS. Une couche de platine essayée auparavant

ne résistait pas. La surface extérieure de la bombe a été nickelée,

toujours par voie galvanique, afin de la rendre moins oxydable.

Le couvercle porte latéralement un ajutage d'ivoire isolant^

traversé par un fil de platine, lequel est pourvu d'un petit pas de

vis qui l'assujettit dans l'ivoire. C'est

par ce fil que l'on fait passer l'élincelle

électrique. Dans chaque expérience,

avant de fermer l'appareil, on ajoute

un petit disque de mica, percé au

centre, à la surface de l'ivoire, ado de

protéger celui-ci contre la flamme de

l'explosion.

Les gaz sont introduits et extraits au moyen d'une pompe à mercure, avec un appareil analogue à l'endiomëtre de Regnault, mais d'une plus grande capacité (ud demi-litre); on procède & cette introduction par un orifice ménagé au sommet de la bombe et obturé à volonté par une vis munie d'un canal intérieur et que l'on manœuvre au moyen d'une tète exté-

Fig. .0. "^"™-

La figure 9 montre la bombe calorimétrique en place, au sein du calorimètre avec les supports et les robinets de verre à trois voies destinés à sa manœuvre.

Pour la combustion directe du charbon, du soufre, de l'hydrogène, des métaux, des composés organiques au moyen de l'oxygène libre et aussi de l'hydrogène et des métaux au moyen du chlore gazeux, etc., M. Berthelot s'est servi d'une chambre de combustion en verre mince (fig. 11), très légère, disposée de manière à pouvoir apercevoir nettement la combustion. Cette chambre est de forme cylindrique, terminée par deux calottes

sphéroïdalcs ; vers sa partie inférieure s'ouvre un serpentin de verre, soudé, enroulé autour de la chambre et qui se termine par un tube vertical recourbé plus loin k angle droit et destiné à conduire les gaz de la combustion hors du laboratoire. La chambre de combustion est munie de deux tubulures à sa partie verticale, l'une d'elles, plus étroite, sur le côté, porte un tube recourbé à angle droit qui amène l'oxygène sec dans la chambre. L'autre tubulure, plus grande, au centre, est munie d'un gros bouchon par lequel s'engage un large tube vertical fermé à In partie supérieure par un autre bouchon plus petit. C'est par ce tube que l'on introduit le charbon en ignilion destiné à enflammer le souh-e ou le charbon, qui se trouvent placés dans un petit creuset de biscuit suspendu par un HI de platine : ce fil est fiché par

, , *^ rig. Il,

sa partie supérieure

dans le gros bouchon ; il traverse deux rondelles de mica, destinées à protégef le bouchon contre la flamme.

La mémo chambre de combustion est employée pour brûler l'oxyde de carbone et les carbures d'hydrogène avec une légère modiRcation qui consiste à faire traverser le gros bouchon par deux tubes concentriques, l'un amenant le gaz combustible et l'autre l'oxygène. Ces tubes sont terminés k leur partie inférieure par une feuille de platine mince et enroulée.

Nous donnons dans les tableaux pages 32, 33, 34, 35, les

Quantités de chaleur dégagées par la formation

Les composants et les composés étant prv.