CHAPITRE III

Le l’ action nu calorique sur les corps , sans

CHANGEMENT d’ÉTAT.

2 G4- Lorsque le calorique pénètre l’intérieur d’un corps solide , liquide ou gazeux , il peut s’y accumuler en quantité plus ou moins considérable sans faire changer l’état do ce corps , c’est-h -dire , sans liquélier le solide ou réduire le liquide en gaz. Deux choses sont principalement dignes d’observation dans ces sortes d’unions du calorique avec les corps : d’abord., la manière dont le calorique les pénètre et s’étend dans toute leur masse ; en second lieu , les changemens de volume qu’il produit dans ces corps. La manière dont le calorique se répand dans l’intérieur des corps est très-différente pour chacun d’eux, et porte le nom de propriété conductrice ou de conductibilité. Nous étudie-

J 8 DK l’action du calorique

rons d’abord celte circonstance importante , pour nous

occuper ensuite des changemens de volume.

2Ü5. De la Conductibilité. — Nous possédons un grand nombre de moyens de produire ou de développer du calorique pour l’accumuler dans un corps , et il est extrêmement facile de faire des expériences directes pour observer la manière dont le calorique se transmet du point échauffé à ceux qui ne le sont pas. Ce mode de transmission est tout à-fait différent dans les solides, dans les liquides et dans les gaz.

Conductibilité des solides. — Si l’on prend une barre de fer et que l’on place une de ses extrémités dans un foyer de chaleur, on remarque que celte extrémité s’échauffe rapidement , mais que le reste de la barre de fer ne tarde pas à s’échauffer aussi, successivement, depuis les points les plus voisins du foyer jusqu’à l’autre extrémité : tous les corps solides sont dans le même cas; mais la transmission du calorique est beaucoup plus rapide dans les uns que dans les autres, et c’est à la cause de ces phénomènes qu’on donne le nom de conductibilité.

Si l’on cherche à se faire une idée théorique de la manière dont le calorique se transmet ainsi , par une marche infiniment plus lente que le rayonnement , d’une partie à l’autre d’un corps solide, on pourra concevoir la barre de fer que nous avons prise pour exemple , comme composée d’une suite de couches parallèles et transversales dans toute sa longueur, et que nous désignerons par les lettres A, B, C, etc. ; on pourra même réduire , par la pensée, chacune de ces couches à une seule molécule de fer. Cela posé , si l’on admet que les molécules de fer exercent une attraction sur les molécules du calorique, on pourra se représenter que la molécule A , ayant reçu directement du foyer une certaine quantité de calorique, la molécule B devra lui en enlever la moitié; que la molécule C enlèvera

SUR LES CORPS, SANS CHANGEMENT Ii’ÉTAT. ] q

a la molécule B la moitié de ccttc moitié , et ainsi de suite , jusqu’à l’extrémité de la barre do fer : mais comme la première molécule A recevra incessamment du loyer, de nouvelles quantités de calorique pour remplacer celui qui se transmettra ainsi, toute la barre de fer dbvra se trouver è la même température que le foyer, au bout d’un temps qui , d’après le calcul , doit être infini. Les choses ne se passent point ainsi dans les expériences, parce qu’aussitùt que la barre de fer est chaude , elle commence à rayonner du calorique en plus grande quantité , de sorte que son extrémité opposée au foyer n’atteint jamais, h beaucoup près , la température de celle qui reçoit directement le calorique.

Celte explication , toute fondée 6ur l’attraction des particules des corps pour les molécules de calorique , ne se prête nullement à l’application du calcul ; et l’on a été forcé d’admettre que la molécule A , tout en échauffant la molécule B qui la touche , transmet aussi une certaine quantité de calorique aux molécules suivantes C , D , etc. , qui ne la touchent pas; ce qui suppose qu’il se fait dans l’intérieur des corps solides un véritable rayonnement : en admettant cette supposition , on a trouvé des formules générales à l’aide desquelles on peut déterminer quelle sera, au bout d’un temps donné, la température d’un point quelconque d’un corps solide , pourvu que l’on connaisse la quantité de calorique accumulé dans le foyer , ou ce qu’on nomme sa température , et le degré de conductibilité du corps.

Pour déterminer, par expérience, le degré de conductibilité d’un corps solide, on le convertit en une barre de dimensions connues; on plonge une des extrémités de celte barre dans un milieu d’une température fixe et assez élevée; on pratique, dans différons points de la longueur de ccttc barre , des trous dans lesquels on plonge des ther-

DE l/ACTION DU CALO IUQUE

momètres très-sensibles, en achevant de les remplir avec du mercure , et Ton observe ensuite avec exactitude au bout de quel temps et «à quelle hauteur s’élèvent les différons thermomètres. Les recherches exactes de cette nature sont encore peu nombreuses et sont dues à M. Desprez.

Les résultats principaux des diverses expériences de ce genre sont : d’abord, que Les distances au foyer de chaleur formant une progression arithmétique , les températures des divers points décroissent dans une progression plus rapide , qui n’est cependant pas une simple progression géométrique, elles forment une série récurrente dans laquelle, sur trois termes, la somme des deux extrêmes divisée par le moyen donne un quotient constant (i).

En second lieu , que la régularité de la série est altérée si les températures sont trop élevées.

En troisième lieu , que les seuls corps que l’on nomme bons conducteurs du calorique présentent celte marche régulière.

Enfin, que la température que peut prendre un corps h une certaine distance du foyer qui réchauffe, est comme la racine carrée de son épaisseur, ce qui explique comment un fil métallique très-fin peut être tenu entre les doigts h peu de distance du point qui rougit , tandis que pour une grosse barre de fer le contraire arriverait.

On a déduit de ces expériences des rapports de conductibilité qui sont tels , que si on désigne par le nombre mille le maximum de conductibilité, et par des nombres proportionnels les degrés de cette propriété dans les diffé rens corps essayés , on obtient la table suivante :

(O La foripule est y= a x x étant ta distan e d'un thermomètre au foyer, et y l’excès de la température sur celle de l’espace environnant.

SUR I.F.S CORPS , sans CHANGEMENT u’ÉTAT,

Or.

1 ooo

Terre des fourneaux.

Plomb.

Marbre

Étain

(Desprez. )

ingenhouz avait trouvé un ordre un peu différent , savoir : argent, or, cuivre, étain, platine, fer, acier, plomb.

AP rès les métaux , viennent , dans l’ordre de conductibilité, les pierres , qui varient beaucoup enlr’elles sous ce rapport ; en sorte que les briques , par exemple , conduisent beaucoup moins bien le calorique que la plupart des autres substances pierreuses. Le verre est un des plus mauvais conducteurs de calorique que nous connaissions : nous en a\ons tous les jours la preuve, puisque l’on peut tenir entre les doigts un tube de verre que l’on fait actuellement rougir dans la flamme de l’émailleur, à une distance d’un pouce ou deux. C’est par la même raison que le verre se brise si facilement par l’application de la chaleur; car un seul point pouvant s’échauffer beaucoup sans transmettre son calorique aux autres parties du corps, la portion échauffée se dilate , comme nous le verrons bientôt , et détruit la cohésion du corps.

De tous les corps que nous connaissons, le charbon est celui qui conduit le moins bien le calorique. Toutes les substances qui contiennent beaucoup de carbone jouissent aussi d’une très-faible conductibilité.

Il faut remarquer qu’indépendamment de la nature même

de l’action DU CALORIQUE de la substance , les amas de filamens très-fins , qui ne se touchent que par très-peu de points et qui laissent entre eux de grands vides, sont presque insusceptibles de conduire le calorique : c’est pourquoi la ouate de colon ou de soie , la laine cardée , les étoffes tissues des mêmes substances, sont très propres à tenir le calorique enfermé dans les espaces qu’elles enveloppent , et sont si fréquemment usitées comme vêtemens d’hiver.

Conductibilité des liquides. — La faculté conductrice des liquides pour le calorique est si faible , qu’elle a pu être considérée comme absolument nulle, jusqu’à ce que des expériences faites avec beaucoup de soin soient venues démontrer qu’elle existe jusqu’à un certain point; néanmoins, il est facile de s’assurer que les liquides s’échauffent, dans la plupart des cas, avec une grande rapidité, mais par un mode tout différent de la conductibilité proprement dite. Il est donc fort important de comparer les différons modes d’écliauffement des liquides.

Si l’on applique du calorique à la partie inférieure d’un vase contenant une masse d’eau ou de tout autre liquide , au bout d’un certain temps on pourra s’assurer que la partie supérieure du liquide est très-chaude , tandis que sa partie inférieure est encore froide. Si l’on répète la même expérience dans un vase de verre , et que l’on jette dans l’eau quelque poussière qui puisse y flotter, comme de la résine en poudre , on verra , pendant l’application de la chaleur , des courons plus ou moins rapides s’établir dans l’intérieur de la masse d’eau ; les molécules qui louchaient le fond du vase s’élèveront à sa surface pour être remplacées par d’autres molécules ; et si l’ou échauffe un des points de la paroi latérale du même vase , il s’établira dans ce point un courant ascendant.

Ces expériences démontrent que les molécules d’eau dev iennent plus légères lorsqu'elles s’échauffent , qu’elles-

SUR LES COUPS, SANS CHANGEMENT u’ÉTAT. <J 3

montent par conséquent îi la surface, et sont continuellement remplacées par d’autres molécules non encore échauffées. D’où l’on peut conclure , qu’à raison de la mobilité de leurs particules , les liquides sont susceptibles de charrier, en’quclque sorte, le calorique, au lieu de le conduire; circonstance qui accélère beaucoup réchauffement total , et qui s’oppose h ce que la propriété conductrice soit aperçue dans le cas où elle existerait.

Il y a un moyen fort simple de supprimer le mode d’échauffement dont nous venons de parler , et d'isoler par conséquent la faculté conductrice. Ce moyen consiste à échauffer les liquides par leur face supérieure; car, alors, les molécules échauffées et devenues plus légères tendent à rester à la surface , et il ne se produit aucun mouvement dans le liquide. Rumfort a fait le premier la curieuse expérience suivante : Si l’on fait congeler au fond d’un vase une certaine quantité d’eau; si l’on recouvre cette glace d’une couche de mercure de quelques millimètres d’épaisseur , et si l’on pose ensuite à la surface de ce mercure un cylindre de fer extrêmement chaud , on pourra l’y laisser pendant un temps très-considérable sans fondre aucune partie de la glace , qui ne se trouve séparée du corps chaud que par une couche mince de liquide. Ce phénomène est si marquant, que Rumfort en avait conclu que les liquides ne conduisaient pas du tout le calorique. On peut répéter l’expérience d’une manière plus simple, en remplissant à moitié un vase de verre avec de l’eau froide, et versant doucement à la surface de cette eau une certaine quantité d’huile très-chaude : malgré ce contact, l’eau restera froide, ou du moins ne s’échauffera que très-peu.

Ces expériences , répétées avec beaucoup de soin et variées d’un grand nombre do manières , ont appris que les liquides avaient, en effet, une certaine conductibilité, mai»

Dfl ^ACTION DU CALOÏIIQUB

qu'elle était extrêmement faible , comparativement à celle des autres corps. On a cru reconnaître (pie le mercure conduisait environ deux lois plus que l’eau ou l'huile , à volume égal.

Conductibilité des gaz. • — Les fluides élastiques sont éminemment susceptibles de s'échauffer , à la manière des liquides , par le déplacement de leurs molécules ; mais cette circonstance n’est pas la seule qui, chez eux, s’oppose à l’observation de leur conductibilité ; ils permettent , en outre , le rayonnement du calorique à travers leur masse : en sorte qu’ils s’échauffent rapidement, dans quelque direction qu’on essaye de leur transmettre du calorique , sans qu’il soit permis d’isoler les ellets delà conductibilité, et par conséquent de constater son existence.

La faculté de s’échauffer par le déplacement de leurs molécules , dont les fluides élastiques jouissent à un si haut degré, donne lieu à une multitude de phénomènes remarquables dans la nature , dans les arts et dans les habitudes de la vie , dont il est toujours facile de se rendre compte à l’aide des deux principes généraux suivans : i°. lorsqu’une partie quelconque d’une masse d’air devient plus chaude que le reste de la masse, celte portion s’élève; 2°. lorsqu’une partie quelconque d’une masse d’air se trouve refroidie , elle descend vers les régions les plus basses qu’elle puisse rencontrer.

C’est ainsi qu’il s’établit autour d’un corps chaud un courant d air ascendant qui fait tourner ces légères spirales de papier qu’on suspend quelquefois à coté d'un tuyau de poêle. Par la raison inverse, il s’établit un courant d’air descendant autour d’un corps, plus froid que l’atmosphère. Les mêmes lois produisent ces courans rapides qui alimentent nos foyers et emportent avec eux les produits volatils de la combustion. Lu fin , l’ascension de l’air échauffé , qui

Sun I,KS CORPS, SAKS CHAKGKMEKT u’Éi'AT. y,)

a produit l’invention des mongolfières , est aussi la cause qui lait que la partie supérieure d’une salle de spectacle en est le point le plus échauffé.

Quelle que soit au fond la conductibilité des gaz pour le calorique, il est certain qu’une petite lame d’air, dont les particules ne peuvent pas se mouvoir librement , devient un puissant obstacle au passage du calorique , tandis qu’au contraire une masse de gaz enfermée dans une enveloppe éprouve presque instantanément les effets d’une chaleur communiquée , c’est ce qu’on peut remarquer sur les aérostats momentanément frappés des rayons du soleil , et particulièrement dans l’usage des thermomètres è air.

266. Changement de volume des corps par le calorique. — C’est un lait extrêmement facile h constater, par les expériences les plus vulgaires, que les corps augmentent do volume quand ils s’échauffent, et diminuent de volume quand ils se refroidissent. Mais pour analyser avec soin ces sortes de phénomènes , il est indispensable de posséder un moyen exact de comparer les échauffemens et les refroidissemens , ou ce que l’on nomme généralement la température des corps. L’instrument qui a été imaginé à cet effet porte le nom de thermomètre ; il est fondé lui-même sur les dilatations qu’éprouvent certains liquides , comme le mercure. On s’en sert en le mettant en contact avec les corps qu’on examine, et par conséquent il exprime les effets de chaleur que ces corps sont capables de produire sur lui; la dilatation de son liquide est appréciée par les degrés d’une échelle , et le nombre de ces degrés est ordinairement ce que l’on entend par température des corps: c’est ainsi que l’on dit qu’un corps est à o° , io°, 20°, etc., de température. Nous expliquerons en détail la nature et les propriétés de cet instrument , en parlant de la mesure, du calorique; mais ces notions générales étaient indispensables à 1 intelligence des lois qui président aux change-

îG de j/action du calorique

mens do volume des corps : nous devons même ajouter que les indications du thermomètre, dépendant évidemment du passage du calorique de l’intérieur du corps examiné au thermomètre lui-même, et réciproquement, on peut considérer le calorique , dont les variations sont indiquées par le thermomètre, comme étant dans les corps à l’état de liberté.

Les différens corps de la nature sont très-différemment dilatés ou condensés par les mêmes changemens dans leur température. Nous devons nous occuper successivement des changemens de volume des gaz , des liquides et des solides.

267. Changement de volume des gaz. — On a cru pendant long-temps que les gaz se dilataient tous diversement par des changemens semblables de température; mais lorsqu’on est parvenu à les obtenir dans un grand état de pureté et de sécheresse, on n’a pas tardé à reconnaître que leur dilatation était parfaitement égale pour un même nombre de degrés du thermomètre. MM. Dalton et Gay- Lussac sont arrivés séparément , et par des voies differentes , à ce même résultat. Nous allons décrire la méthode de M. Gay-Lussac, qui comporte une grande exactitude.

Un vase À B C D ( flg. 118 ) est rempli d’un liquide que l’on peut élever et maintenir h différentes températures : dans ce liquide se trouve plongé un thermomètre ah , qui donne avec exactitude la température de ce liquide au niveau de la boule a dans le moment îles observations; on prend, d’une autre part, une petite boule de verre c , souillée h l’extrémité d’un tube cd, parfaitement cylindrique ou gradué par la méthode que nous indiquerons en parlant du thermomètre. On mesure avec une grande précision la capacité de la boule et du tube en pesant le mercure qu’ils peuvent contenir, et l’on trace sur le tube des divisions qui représentent de très-petites frac-

SUR LES CORPS, SAKS CHANGEMENT d’ÉTAT. 27

lions du volume total , par exemple , des millièmes.

L’instrument ainsi préparé, on dessèche fort exactement l'intérieur de la boule et du tube , en les faisant communiquer avec un vase contenant du chlorure de calcium ; on lait passer ensuite dans l’intérieur le gaz qu’on veut examiner , après l’avoir préalablement parfaitement desséché. Pour y parvenir , on fait d’abord le vide dans l’appareil; on le remplit de gaz, on le vide une seconde fois et on le remplit encore , de manière à s’assurer qu’il ne reste pas de quantité notable d’air atmosphérique. Le tube étant rempli de gaz, on y introduit une petite bulle de mercure, qui s’arrête en un point rn quelconque de sa longueur ; lorsque le tube est ainsi disposé , on le fait passer dans un bouchon , qui s’ajuste exactement h une ouverture latérale pratiquée dans la paroi B D. Maintenant , le liquide étant dans la caisse à o°, la bulle de mercure s’arrêtera dans un point m , déterminé par le volume qu’occupe le gaz à cette température sous la pression barométrique alors existante; et si l’on porte la température du liquide à io° , par exemple , le volume de gaz augmentera et la bulle de mercure se portera en m' ; si on élève encore la température jusqu’à 20°, la bulle de mercure se portera en m". Des effets inverses auront lieu si on abaisse la température après l’avoir élevée. On voit donc que l’on obtient, par ce moyen, la mesure exacte du volume des gaz à des températures diverses, et par conséquent les changemens de volume qui résultent des changemens de température. Nous avons supposé que la pression barométrique restait la même pendant toute la durée des expériences : s’il en était autrement , il faudrait rectifier les résultats des expériences d’après les différences de pression.

A 1 aide de celle méthode expérimentale rigoureuse on a reconnu les lois suivantes :

r. Tous les g az , quelle que soit leur différence de poids

l)E L ACTION Df CALOKIQl'E.

spécifique , *0 dilatent d’une même quantité pour un même nombre de degrés lhermométriques de température, et se condensent de la même quantité pour un môme nombre de degrés d’abaissement,

2°. Les gaz se dilatent ou se condensent uniformément d’une égale quantité pour des nombres égaux de degrés lhermométriques : ainsi l’accroissement de volume de ou à io° est exactement le même que celui qui survient de iou à 20°.

5°. La quantité absolue du changement de volume des gaz est de o,oo'5j5 du volume primitif pour un degré du thermomètre, ou de o,3~5 pour ioo° : ainsi, un volume d air , exprimé par îooooo , en s’échauffant de i°, devient 100075, et en s’échaudant de ioo° devient 187000 O11 voit donc que l’augmentation de volume de o° h 100° est un peu plus d’un tiers du volume primitif.

11 est très-probable que les vapeurs suivent la même loi de dilatation et de condensation que les gaz, lorsqu’elles sont isolées des liquides qui les produisent, et tant que la température est suffisante pour maintenir leur existence jdu moins la chose est-elle démontrée pour des températures peu élevées , quoiqu’elle reste douteuse pour les liantes températures.

s()8. Changement de volume des liquides. — Les corps liquides changent de volume par les additions ou soustractions du calorique, aussi bien que les fluides aérilormes; mais ce phénomène est accompagné de circonstances fort différentes, et d’abord il est beaucoup moins prononcé. Ainsi l’alcool, par exemple, augmente seulement de 7 de son volume en passant de 0“ h 100" , tandis que la dilatation des gaz est de plus d’un tiers. Ensuite, chaque, liquide a son mode cl sa loi de dilatation,* en sorte qu’il peut y avoir de très- grandes différences dans les change* mens de volume de diffère 11s liquides pour un même nombre

Sun LES CORPS, SANS CHANGEMENT n'è'rAT. s<j

de degrés thermomélriques. C’est ainsi que l’alcohol se dilatant de le mercure ne se dilate que de T; environ. La dernière différence remarquable enlro les fluides élastiques elles liquides, c’est que ceux-ci ne se dilatent point uniformément pour un meme nombre de degrés aux diverses températures , et que la quantité relative de leur dilatation s’accroît à mesure qu’ils approchent du terme de leur ébullition ou de leur réduction en vapeur sous la pression atmosphérique.

11 a été extrêmement difficile de mesurer avec exactitude la dilatation des liquides, attendu qu’il est nécessaire de les enfermer dans des vases il parois solides, dont la substance est elle-même susceptible de changemens de volume par les effets du calorique. Un grand nombre de ph ysiciens se sont occupés de cet objet; les expériences les plus exactes ont été faites par MM. Petit et Dulong sur le mercure, par une méthode fondée sur cette loi d’hydrostatique , que les hauteurs de deux colonnes liquides qui se font équilibre sont en raison inverse de leur densité. Ces physiciens observaient avec des lunettes armées de micromètres, les niveaux exacts de deux colonnes de mercure communiquant ensemble par le bas , et dont l une était maintenue à o° par de la glace fondante , tandis que l’autre était échauffée à divers degrés par un bain d’huile. Nous donnons ici une table des dilatations d’un grand nombre de liquides , d’après les recherches de divers physiciens.

Mercure. Dalton .

— Lord Chartes Cavendish

— Oelue . .

— Général Roy. .

5o UE l’action nu calorique

Sliuckburg . o,oi85i

Lavoisier et Laplace . 0,01810

Ilaellstroem . 0,0181800

Dulong et Petit . 0,0180180

Id. ioo° cenligr. à 2000 . o,oi8455i

Dulong et Telit. 200° cent, à 5oo°. . . 0,0188700

Id. dans le verre de o° cenligr. à ioo°. o.oi5432 Id. dans le verre de ioo° cent, à ooo°, o,oi56So Id. dans le verre de 200° cent, à 5oo°. o,oi5828o

Eau. Kirwau à partir de -|~ 4° cenligr. , son

maximum de densité.

Acide muriatique (poids spécifique 1,157). Dalton.

— nitrique ( poids spécifique i,4o).

Id.

— sulfurique (poids spécifique 1,85).

Id.

Alcool .

Id.

Eau .

Id.

Eau saturée de sel commun .

Id.

o,o5oo

Éther sulfurique .

Id.

Huiles fixes . . . .

Id.

Huile de térébenthine .

Id.

Eau saturée de sel commun. Robison.

“sT

30, oS

SUR LES CORPS, SANS CHANGEMENT lfÉTAT. 5l

Celte table fournit un grand nombre d’observations très -intéressantes. Nous remarquerons d’abord que toutes ces dilatations expriment l’accroissement de volume cubique ou dans tous les sens à-la-fois , même lorsque les observations ont été faites sur les accroissemens linéaires d’une colonne liquide , puisqu’on effet , dans un cylindre à parois fixes , l’augmentation de hauteur de la colonne exprime l’augmentation do volume dans tous les sens.

On voit que les dilatations observées pour le mercure deo° à ioo°sont différentes suivant les divers observateurs; mais il est très-probable que les résultats de MM. Petit et Dulong sont les plus exacts. On voit encore que les dilatations du mercure, observées dans le verre, paraissent beaucoup moindres que la dilatation réelle, ce qui tient à ce que le vase de verre s’agrandit réellement par sa propre dilatation, ce qui diminue l’élévation apparente de la colonne de mercure.

Une autre observation, non moins importante, sur la dilatation absolue du mercure , c’est qu’elle augmente avec la température , puisque de o° à ioo° elle est de , que de ioo° à 200° elle est de — — , et que de 200° à 5oo° elle

est de fr. Mais un résultat fort remarquable des recherches de MM. Petit et Dulong, c’est que celte dilatation devient à-peu-près uniforme quand on l’observe dans le verre , car elle se trouve, dans les trois périodes indiquées, — , — — , — circonstance très-heureuse, puisqu’elle rend à-peu-près uniforme la dilatation du mercure dans les thermomètres.

On peut voir aussi , par l’aspect général de cette table , que les liquides qui bouillent à la température la plus basse , sont très-souvent ceux qui se dilatent le plus pour un même nombre de degrés thermométriques. C’est ainsi que l’eau , qui bout à ioo°, se dil le de lorsque. le mercure , qui bout à 5ôo° , se dilate de L. Néanmoins, il