PREFACE. VII

généraux qui concernent celles-ci, aux machines à vapeur de toutes les catégories.

Je me suis eflForcé dans toutes ces études d'aborder les applications mises à Tordre du jour par les machines nouvelles qui ont attiré l'attention des ingénieurs dans les dernières expositions universelles ou simplement nationales, sans négliger pour cela les applications aux machines importantes qui rendent depuis longtemps de si grands services à Tindustrie. J'espère que ce travail, après tant d'autres de si grande valeur, ne sera pas tout à fait inutile.

A. Devillez.

Le lecteur est prié de corriger les fautes â'impresBÎon indiquées ci-desaous, avant de lire ce chapitre premier, afin de lo

comprendre plus aisément.

Page 36, ligne 21, a» ^{>« if; .- la comparant, lisez: le comparant

égale à,

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la chaleur neu- i

, la chalear à

tralisée,

dépenser.

Les fautes qui peuvent exister dans les chapitres 2"", 3"*, 4mc et 5iii. seront indiquées au commeocement du second volume.

La chaleur est la force qui produit le mouvement dans un certain nombre de machines dont la principale est la machine à vapeur.

Pendant longtemps les physiciens ont considéré la chaleur comme* un fluide impondérable, de nature tout à fait inaccessible à tous nos sens, qui s'insinue dans les espaces moléculaires ou intervalles qui existent entre les éléments matériels des corps, écarte ces éléments avec plus ou moins d'énergie, en augmentant le volume total de ces corps et en diminuant leur densité, lorsque leur dilatation n'est pas empêchée par d'autres forces ou ne l'est qu'incomplètement.

Plus tard, on a attribué tous les phénomènes de chaleur à des mouvements oscillatoires d'une nature particulière, qui avaient lieu dans une substance spéciale différente de la matière, douée d'inertie quoique sans pesanteur, répandue partout et capable, par ces mouvements vibratoires imaginaires, de communiquer du mouvement réel aux particules de matière soumises à son action.

Enfin, dans ces derniers temps, M. Glausius a proposé d^attribuer tous les phénomènes de chaleur à des vibratioiis invisibles des éléments matériels eux-mêmes, vibrations de nature telle qu'elles ne puissent être constatées par aucun de nos sens. Les corps composés de ces éléments matériels posséderaient ainsi une certaine quantité de force vive susceptible d'être transmise à d'autres corps, suivant les lois ordinaires de la mécanique, et capable de se transformer en mouvement visible

accessible à nos sens. Dans cette hypothèse, l'énergie de la força calorique serait proportionnée à l'intensité de ces mouvements vibratoires qui paraissent aussi imaginaires que les fluides impondérables primitifs, puisque nous ne possédons aucun moyen d'en constater l'existence, et chaque particule de matière qui transmettrait une certaine quantité de force vive à une ou à plusieurs autres particules également matérielles, serait dépouillée de toute la force vive qu'elle aurait transmise, ou aurait perdu une quantité de puissance calorique égale à celle qu'elle aurait communiquée aux autres particules.

D'après M. Clausius, la partie de la force vive transmise qui ne produirait que des mouvements vibratoires invisibles, engea- , drerait tous les phénomènes de variations de température, et la partie qui se transformerait en mouvements visibles, comme la dilatation ou le déplacement de résistances extérieures, s'éteindrait dans cette opération, conformément aux lois mécaniques de la transmission du travail. La première partie transformée en mouvements moléculaires invisibles serait, par conséquent, susceptible d'être transmise de nouveau et, par suite, de produire encore des phénomènes de variations de température dans d'autres corps et de transmission de travail effectif, en disparaissant dans la mesure du travail transmis.

Les deux premières hypothèses ont eu, chacune, leur période de popularité dans le monde savant, mais depuis plusieurs années elles paraissent s'évanouir sous les objections nombreuses qui leur ont été faites et sous le nombre de phénomènes dont elles sont incapables de donner l'explication.

Quant à la dernière, elle semble aujourd'hui presque universellement adoptée par les physiciens. Il est vrai que, jusqu'à présent, elle s'est trouvée merveilleuEement d'accord avec l'expérience dans tout ce qui concerne la transformation de la chaleur en travail et réciproquement, car, dans cette hypothèse, le mouvement visible ou travail à l'état de force vive peut aussi se transformer en mouvements invisibles ou chaleur accusée

r des variations do température: mais de ce qu'un phéno-

naissance, et comme celle dont il s^agit n^est susceptible d'aucune constatation directe, le champ restera encore longtemps ouvert à toutes les objections que l'on voudra formuler contre elle. L'œuvre de démolition est même déjà commencée et l'hypothèse de M. Glausius est sans doute destinée, comme toutes les hypothèses antérieures sur la nature intime des causes premières des phénomènes physiques, à être reléguée, tôt ou tard, dans la catégorie des rêveries métaphysiques.

Quoi qu'il en soit, provisoirement et jusqu'à ce que l'on ait constaté quelque phénomène qui soit en contradiction avec elle, on peut l'admettre, non comme une réalité, mais comme un moyen conventionnel de se représenter d'une façon qui s'accorde avec l'expérience, les phénomènes de transformation de la chaleur en travail, du travail en chaleur, ou de simple transmission de la chaleur produisant des variations de température dans les corps qui sont en présence.

Cependant nous ferons observer qu'il serait plus rationnel encore de se passer de toutes ces hyp(}thèses sur la nature des causes premières des phénomènes caloriques, et qu'il eût été très possible, sans leur secours, de découvrir les lois générales suivant lesquelles ces phénomènes s'accomplissent, ce qui est suffisant pour réaliser tous les progrès possibles dans Favenir. Pourquoi ne pas introduire dans l'étude des phénomènes dus à l'action de la chaleur, la réforme que les astronomes ont introduite depuis longtemps dans l'étude de la pesanteur. Us se contentent de connaître que la tendance des corps les uns vers les autres varie en raison directe des masses, en raison inverse des carrés des distances, sans chercher à résoudre l'insoluble problème de la nature intime de la pesanteur, et ils ont su, néanmoins, porter la science astronomique à un degré de perfection dont toutes les autres sciences sont encore fort éloignées.

Ainsi lorsqu'il y a production de chaleur dans les cas d'action solaire, de frottement, de compression brusque de certains corps, de combinaison chimique et notamment dans celle de l'oxygène de l'air avec le carbone, qui constitue ce que l'on nomme combustion, cela ne signifie pas que, dans les diffé-

rentes circonstances que noua venons d'énumérer, il y ait production d'un iiuide qui détermine dans les corps les effets connus de la chaleur, ou qu'il naisse daus un éther imaginaire des vibrations produisant ces effets, ou enân qu'il se produise dans ces corps d'incompréhensibles vibrations moléculaires donnant naissance à ces mêmes phénomènes ; mais cela signifie tout simplement que ces effets calorifiques se manifestent dans ces conditions, sans qu'il soit utile de rechercher leur nature intime, ce qui n'empêche nullement d'analyser toutes les circonstances de leur production, les effets appréciables qui en résultent et, finalement, de découvrir les véritables lois suivant lesquelles les phénomènes de chaleur naissent et accomplissent leur période d'action sur les corps.

Ainsi encore, quand an corps plus chaud qu'un autre avec lequel on le met en contact, échauffe celui-ci en se refroidissant lui-même jusqu'à ce qu'il y ait équilibre de température, il est inutile de supposer que le plus chaud envoie n'imporfe quoi au second, ou lui communiqua la force vive qu'il i«rd, il suffit de constater que lorsque deux corps à des températures différentes sont mis en présence, le plus chaud a une tendance naturelle à se refroidir et l'autre à s'échauffer jusqu'à ce qu'ils se soient mis en équilibre de température, et quand on parle de la quantité de chaleur qui passe de Vun de ces corps dans l'autre, cela ne peut signifier autre chose que Véntrgie de la puissance calorique qui naît dans l'un et qui disparaît dans l'autre, lorsqu'on les met en présence dans ces conditions.

La chaleur ne doit donc être pour nous qu'une force abstraite, une force répulsive, agissant en seus inverse de la puissance générale qui a reçu le nom de gravitation quand on l'envisage relativement aux corps célestes, de pesanteur quand on la considère relativement à la terre et d'attraction moléculaire dans ses manifestations relativement aux éléments matériels d'un même corps, et cette force calorique, dans presque toutes les circonstances, tend à écarter ces éléments matériels. Si dans quelques cas très rares, comme c

toute apparence, à la disparition de certaines matières volatiles expulsées par la chaleur, ou à des modifications de structure qui l'emportent sur les effets de dilatation et les dissimulent. Du reste, ces exceptions ne font que mieux ressortir la convenance d'abandonner les systèmes préconçus sur la nature des causes premières et de se borner à la recherche des lois des phénomènes physiques.

11 ne peut être question ici des sensations que la chaleur produit sur les êtres animés et qui, très probablement, sont elles-mêmes dues à des effets de dilatation, de contraction ou de décomposition chimique semblables à ceux qu'elle provoque dans les corps inanimés et dont l'intensité peut s'élever jusqu'à une hmite incompatible avec l'accomplissement de certaines fonctions vitales et causer de la souffrance. L'analyse de cette catégorie de phénomènes rentre dans une spécialité différente de la nôtre.

Unité^de chaleur.

Quelle que soit la nature de la chaleur, elle produit, comme les autres forces, des effets plus ou moins considérables suivant qu'elle se développe avec plus ou moins d'intensité, mais comme elle échappe à toute observation directe et n'a point pour nous d'existence isolée, on ne peut mesurer directement sa quantité et on ne la mesure que d'après la grandeur des effets qu'elle produit.

Pour cela on a choisi un effet simple, facile à reproduire en toutes circonstances et qui se prête merveilleusement aux comparaisons des phénomènes calorifiques, l'élévation de 1 kilogramme d'eau pure de la température zéro à 1 degré du thermomètre centigrade, et l'on a donné à la quantité de chaleur qui produit cet effet, à la pression atmosphérique ordinaire, le nom de calorie ou tout simplement celui d'unité de chaleur.

Ainsi, quand la chaleur produit sur un corps certains efi'ets déterminés, on dit qu'il a fallu, pour produire ces effets, autant de calories que la quantité totale de chaleur à laquelle ils sont

dus, pourrait élever de kilogramiueB d'eau de 0° à 1° centigrade ; ce que l'on vérifie communément par la quantité de kilogrammes d'eau que ces corps, en reprenant leur état primitif, peuvent élever de 0° à I".

Pendant longtemps, on a admis que la quantité de chaleur nécesBaire pour élever de 1" la température d'un kilogramme d'eau était la même quelle que fût la température initiale et, dans cette hypothèse, l'unité de chaleur était la quantité nécessaire pour élever do 1" la, température d'un kilogramme d'eau dans toute l'étendue de l'échelle thermométrique avant Is transformation de cette eau en vapeur, mais les expériences de M. Kegnault ont démontré qu'il fallait plus de chaleur pour faire passer 1 kilogramme d'eau de 90" à 91<*, par exemple, que de 0" à l".

D'après ces expériences, la quantité de chaleur f nécessaire pour élever 1 kilogramme d'eau de la température 0" à la température t, serait exprimée, très approximativement, par la formule empirique suivante :

Cependant comme l'emploi de l'ancienne unité présentait un grand nombre d'avantages spéciaux, et que l'accroissement de la quantité de chaleur nécessaire pour élever la température de 1 kil, d'eau de 1' est peu rapide à mesure que l'on s'élève sur l'échelle thermométrique, on peut encore, dans certaines circonstances et lorsque cela ne peut conduire à de trop graves erreurs, se contenter de cette ancienne unité.

Mesure des températures.

On donne le nom de thermomètres aux instruments qui indiquent les variations de température d'un milieu quelconque dans lequel on les place.

Ces appareils ne peuvent servir qu'à constater les variations

de température et ils ne fournissent aucun renseignement sur

tation que les corps éprouvent sous l'action de la chaleur, ou snr les changements de force élastique qu'un même volume de gaz subit quand on fait varier sa température.

La précision que Ton peut apporter dans la construction du thermomètre à mercure, la facilité avec laquelle ce liquide peut toujours être obtenu dans un état identique, Tuniformité de sa dilatation et la grande étendue de l'échelle des températures dans lesquelles il conserve le même état, ont fait donner à ce thermomètre la préférence sur tous les autres de la même catégorie, c^est-à-dire qui reposent sur la dilatation d'un liquide.

Les physiciens se sont contentés, jusqu'à présent, d'assujettir les échelles des thermomètres à mercure, à s'accorder pour certaines températures faciles à reproduire et toujours identiques ; ils ont adopté pour cela, la température constante que présente la glace qui se fond et la température, non moins constante, que présente la vapeur d'eau saturée lorsqu'elle développe une force élastique de 0™,76 de mercure, ou l'eau pure en ébuUition sous cette pression de 0^,76.

Or, d'après les expériences de M. Regnault à qui nous empruntons ces considérations sur la mesure des températures, deux thermomètres à mercure réglés pour ces mêmes points fixes de la glace fondante et de l'ébullition de l'eau, et gradués au-delà de ces limites en continuant par des divisions d'égale longueur, peuvent présenter dans leur marche des différences très considérables en dehors de ces limites lorsque les enveloppes de ces thermomètres ne sont pas formées avec des verres de même nature, même quand les tubes gradués ont une section intérieure constante. Dans le cas où les verres des réservoirs présentent la même composition chimique, il peut encore y avoir des différences très sensibles entre les indications des instruments, suivant la manière dont les réservoirs ont été travaillés à la lampe d'émailleur, l'état moléculaire du verre subissant, pendant ce travail, des altérations très notables.

Le thermomètre à mercure, tel qu'il a été construit jusqu'ici, manque donc d'une des conditions les plus essentielles que Ton doive exiger d'un appareil de mesure ; il ne peut pas être reproduit toujours dans un état identique, et les divers instruments

de même espèce soût rarement comparables entre eux au-delà des pointa fixes de leurs échelles.

C'est pour cela que clans les expériences qui exigent beaucoup de précision, les physiciens ont remplacé le mercure par de l'air sec ou par un autre gaz et ont construit des thermomètres à gaz qui, sans être, plus que les autres,, susceptibles de donner directement la mesure des quantités de chaleur absorbées par un milieu, présentent néanmoins certains avantages considérables. D'abord ils procurent la faculté de mesurer des températures bien supérieures à celles qui peuvent l'être par le thermomètre à mercure ; puis ils présentent un degré supérieur de précision qui tient à la grandeur de la dilatation de la substance thermométrique. Dans un thermomètre quelconque formé par une substance liquide ou gazeuse, les indications de l'instrument dépendent de la dilatation de cette substance et de celle de l'enveloppe. Or, la dilatation du mercure n'est guère que sept fois plus grande que celle du verre qui le renferme ; les variations que l'on remarque dans la loi de dilatation des différentes espèces de verre forment donc des fractions très sensibles des dilatations apparentes du mercure et influent, par suite, d'une manière notable sur les indications de l'instrument. Dans le thermomètre à gaz, au contraire, la dilatation du gaz étant cent soixante fois plus grande que celle du verre, les variations dans la loi de dilatation des diverses espèces de verre n'influent plus sensiblement sur les indications de l'appareil et n'empêchent pas les instruments d'être comparables entre eux.

Tbebmomèteb a gaz. — Lorsqu'un gaz renfermé dans une enveloppe mathématiquement élastique est soumis à une élevation de température, son volume augmente et le gaz conserve la même force élastique. Mais on peut empêcher cette dilatation en exerçant sur toute la surface de l'enveloppe une pression convenable, plus grande que celle qu'elle supportait primitivement ; le gaz conserve dans ce cas le même volume, mais sa force élastique est devenue plus considérable.

gaz dans des conditions telles, que la pression qui le maintient reste constante, et observer son augmentation de volume ; ou forcer le gaz à conserver le même volume et observer l'augmentation de sa force élastique. Ces deux modes d'emploi constituent pour ainsi dire deux instruments distincts. . Pour qu^un thermomètre à gaz réalisât les conditions prescrites par la première méthode, et qui sont à peu près celles qui se trouvent dans le thermomètre à mercure, il faudrait que le gaz, restant toujours soumis à la même pression, pût se dilater librement dans un réservoir calibré, maintenu partout à la même température. Or, ces conditions sont impossibles à remplir dans la pratique, au moins lorsque l'appareil doit être exposé à de hautes températures ; il faut, dans ce cas, composer l'appareil de deux parties, dont l'une est exposée à la température du milieu sur lequel on veut constater les efiFets de la chaleur, et dont l'autre, placée dehors, est destinée à recueillir le gaz qui sort de la première ou réservoir, et à mesurer les accroissements de volume. On peut évidemment maintenir la pression constante à l'aide d'une colonne de mercure disposée conyenablement.

Cette disposition présente un grave inconvénient dans les températures élevées, parce qu'alors la plus grande partie du gaz a passé de la première partie de l'appareil dans la seconde, et qu'il n'en reste plus qu'une portion très petite dans le réservoir proprement dit, de sorte que la quantité de gaz qui passe de ce réservoir dans le tube calibré qui sert à apprécier Taccroissement de volume, est très petite pour un faible accroissement de température, et se mesure difficilement avec une précision suffisante. A cause de cet inconvénient qui rend l'appareil de moins en moins sensible à mesure que la température s'élève, M. Regnault pense qu'il est convenable de rejeter les thermomètres basés sur ce principe.

Dans la deuxième méthode, on maintient le gaz constamment sous le même volume, dont la très majeure partie peut être exposée à la température du milieu soumis à l'expérience, en augmentant la hauteur de la colonne de mercure qui agit sur ce gaz et, d'après les variations survenues dans les forces élas-

tiquea, on peut calculer, en se fondant snr la loi de Mariotte, les dilatations qui se seraient produites si la pression avait été maintenue constante et, par suite, l'accroisBement de température correspondant à ces dilatations, quand on connut le coefficient relatif an gaz employé comme sab&tance thermométrique. C'est ce principe que M. Regnault recommande d'appli* quer à la construction des thermomètres à gaz, et l'on peat trouver dans ses mémoires originaux les précautions à prendre et les formules à employer pour tenir compte de la dilatation Au verre, de la portion du gaz qui échappe à l'action du milieu qui contient le réservoir et de quelques autres circonstances qui ont une influence sur le résultat final.

Dans tous les cas, ces instruments ne sont point d'une application facile ni d'un usage commode, et leur emploi doit être regardé comme réservé aux expériences de physique qui exigent une grande précision.

D'après les expériences de M. Regnault, l'air atmosphériqne, qui est le gaz le plus communément employé dans ces thermomètres, suit la même loi de dilatation depuis 0° jusqu'à 350°, lora même que sa force élastique initiale à 0° varie de 0"40 de mercure à l^SO. Ainsi, dans la construction d'un thermomètre à air, on n'aura pas à se préoccuper de la densité de l'air introduit dans le réservoir, les instruments sont comparables, quelle que soit cette densité. De plus, il a reconnu que le gaz hydrogène et l'acide carbonique BuiveQt,entreO° et 350", sensiblement la même loi de dilatation, bien que leurs coefficients de dilatation soient notablement différents. Ainsi, des thermomètres construits avec ces différents gaz marcheront d'accord, pourvu que l'on calcule les températures avec le coefficient propre à chacun d'eux. Il résulte de là que les coelEcients de dilatation de ces gaz présentent sensiblement le mêine rapport à toutes les températures.

Pour donner une idée des erreurs que l'on peut commettre en se servant de thermomètres à mercure différents pour apprécier la même temnérature. nous reproduisons un tableau des