POIDS SPÉCIFIQUE DES VAPEURS

282. On conçoit que la connaissance du poids spécifique des différentes vapeurs était d’un grand intérêt pour les physiciens; mais l’application des méthodes ordinaires présentait certaines difficultés , qui dépendent de ce que les vapeurs se condensent avec facilité par le moindre abaissement de température, ou par des différences de pres.sion. M. Despretz a, comme nous l’avonâ vu, fait quelques expériences fort exactes par la méthode qu’on emploie pour les’gaz; mais elle ne pouvait pas s’étendre à des températures élevées, puisque le ballon devait être rempli et pesé exactement, sans avoir changé de température , et qu’il le remplissait d’ailleurs, en le faisant communiquer avec le vide d’un baromètre.

M. Gay-Lussac a découvert un moyen fort exact d’apprécier le poids spécifique de la vapeur, en lé déduisant du volume qu’elle prend, comparativement! à celui du liquide qui la forme. Il a fait usage d’une cloche graduée , étroite et haute, qu’il a renversée dans un vase plein de mercure pouvant se chauffer à volonté ; il a enveloppé cette docKe d’une espèce de manchon de verre plus élevé qu’elle, plongeant profondément dans le mercure du vase , et pouvant se remplir d’eau pure, de manière à submerger la cloche. L’appareil ainsi disposé, il a préparé de petites ampoules de verre très mince , remplies de liquide, dont le poids , et par conséquent le volume, pouvaient être parfaitement déterminés. Une de ces ampoules étant engagée sous la cloche remplie de mercure arrivait à son sommet. Tout l’appareil étant bientôt échauffé jusqu’à faire bouillir l’eau

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environnant la cloche, la petite ampoule se brisait par l’expansion du liquide contenu , et la vapeur se répandant dans la cloche y occupait un volume qu’il était facile d’apprécier exactement à l’aide de la graduation.

En faisant toutes les réductions nécessaires, quant à la hauteur du baromètre , aux diverses pressions de l’eau et du mercure de l’appareil, etc., il a déterminé par cette méthode qu’à ioo°, et sous la pression om,76o, la vapeur d’eau occupait 1696,4 fois son volume à l’état d’eau liquide; d’dù il résulte qu’un volume de vapeur d’eau, à ioo° pèse 10, lorsqu’un pareil volume d’air, aussi à 100% pèse 16. Mais comme les vapeurs isolées se dilatent et se contractent suivant les mêmes lois que les gaz , il en résulte qu’à toutes les températures le poids de la vapeur d’eau sera 10, quand celui du même volume d’air est 1 6 , ou qu’en prenant l’air atmosphérique pour unité , le poids spécifique de la vapeur d’eau est 0,6235.

On peut obtenir le poids spécifique de beaucoup de vapeurs par la même méthode que pour les gaz composés * c’est-à-dire en tenant compte du poids spécifique des principes composans, des volumes qui s’unissent, et du volume résultant. En considérant que la vapeur d’eau est formée de 1 volume d’oxigène et de 2 volumes d’hydrogène, lé tout réduit de moitié, on trouve le poids spécifique de la vapeur d’eau égal à 0,6206, ce qui se rapproche beaucoup des résultats de l’expérience de M. Gay-Lussac.

La coïncidence de ces deux méthodes n’est pas toujours aussi heureuse; mais, dans les cas où les principes constituans sont des gaz permanens , on doit préférer le résultat fourni par le calcul au résultat direct fourni par l’expérience.

On est dans l’usage de rapporter les poids spécifiques des vapeurs à o°, quoique ces vapeurs ne puissent jamais

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exister à cette température sous la pression atmosphé* rique, parce que ce point fixe est très commode dans l’application des calculs. On trouvera (’tome I , page 465 ) , à la fin du tableau des densités des gaz , le poids spécifique des principales vapeurs.

285. De l'effet des hautes pressions sur les vapeurs. — M, Cagnard de Latour a observé le premier que les liquides pouvaient se réduire en vapeur dans des espaces très peu considérables, c’est-à-dire dans des circonstances où ces vapeur^ devaient présenter d'énormes tensions. En prenant, par exemple , un tube de verre scellé hermétiquement par les deux extrémités, et contenant un tiers de sa capacité d’alcool, si l’on échauffe peu à peu ce tube en rapprochant d’un fourneau , il arrive un moment où l’alcool liquide disparaît, et se trouve par conséquent réduit en vapeur dans un volume seulement triple de celui du liquide; mais , au moindre refroidissement, le liquide reparaît et occupe de nouveau son volume primitif. Cette première expérience a prouvé , en outre , que les tubes de verre étaient capables de résister à des pressions beaucoup plus considérables qu’on ne le croyait jusque-là; et M. Cagnard a été plus loin : il a cherché à déterminer quelles tensions présentaient ces vapeurs ainsi formées dans des espaces circonscrits. Il a fait usage pour cela d’un appareil indiqué dans la fîg. 120 ; A B C est un siphon primitivement fermé au point A; on y introduit une certaine quantité de mercure qui s’arrête aux deux niveaux a , h ; on y fait passer ensuite une petite quantité du liquide à essayer, qui occupe l’espace a a ; on soude enfin à la lampe l’extrémité B , de manière à renfermer une certaine colonne d’air atmosphérique dans la longueur B b , sur laquelle on trace une échelle semblable à celle du tube de Mariotte : cette portion d’air et cette échelle sont destinées

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à faire connaître la force élastique de la vapeur par les diminutions de volume de cet air. Fout étant ainsi disposé, on plonge le siphon dans un bain d’huile, dont on élève peu à peu la température : et c’est en notant la température du bain , le volume de l’air comprimé et l’espace occupé par la vapeur dans l’autre branche, que M. Cagnard a formé les tables que nous avons données (p. 71 et

suiv.). On conçoit que, dans cet appareil, le mercure n’a

d’autre usage que de séparer l’air de l’espace où se produit la vapeur, et de lui transmettre sa pression.

Les résultats obtenus par cette méthode sont déjà très remarquables, en ce qu’ils montrent, ainsi que nous l’avons dit, que les tensions des vapeurs à de hautes pressions . sont bie.n loin d’être proportionnelles à la température, et qu’elles peuvent même se trouver inférieures de près de moitié à ce que le calcul aurait indiqué. Elles ont, en outre, conduit à une foule de résultats très importons : par exemple, la liquéfaction de presque tous les gaz.

284. Application de la force de Ici vapeur aux effets mécaniques. — On a fait les applications les plus remarquables de la force élastique des vapeurs à la mécanique industrielle, et l’emploi de ce nouvel agent a changé la face de l’industrie humaine, en lui fournissant des puissances en quelque sorte illimitées , et beaucoup moins dispendieuses que toutes celles dont elle avait pu disposer jusqu’alors.

La première idée de l’empioi de la vapeur , comme puissance, a été suggérée par une expérience bien simple: si l’on met de l’eau dans un tube de fer soudé par un bout, et que l’on ferme l’autre avec un tampon de bois solidement enfoncé, en chauffant l’appareil il arrivera une certaine époque où le tampon de bois sera lancé avec une très grande force. Cette puissance expansive paraît même 2. 6

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capable de produire des effets supérieurs à ceux de la poudre à canon.

Salomon de Caux , dans un ouvrage écrit en français, dédié à Louis XI li et publié en i6i5, a le premier proposé d’élever de l’eau par la puissance de la vapeur.

En i665, le marquis de Worcester a renouvelé, du moins en théorie, l’idée de Salomon de Gaux, ce qui lui a valu près de ses compatriotes le beau titre d’inventeur de la machine à vapeur, qui doit être rapporté au modeste de Caux.

Papin a imaginé le premier, et ses idées ont été publiées dans les Actes de Leipzig pour 1668, de faire mouvoir un piston au moyen de La force élastique de la vapeur et de sa condensation , ce qui est par conséquent bien antérieur à la patente anglaise de Savery, qui date de 1698.

Papin n’avait fait autre chose que mettre de l’eau dans le fond d’un corps de pompe , la vaporiser en l’échauffant et la condenser en enlevant le feu. Il produisait pourtant ce mouvement alternatif dansun quart de minute. Tous ceux qui depuis ont perfectionné la machine à vapeur n’ont pas fait autre chose, mais ils l’ont fait autrement, et de manière à rendre cette machine plus économique et plus usuelle; en sorte que si Papin est le seul et véritable inventeur de la machine à vapeur à piston, ceux qui ont perfectionné cette machine n’cn ont pas moins rendu de grands services aux arts. Par exemple, Newcomen et ses associés ont construit en 1 yo5 la première grande machine marchant par la condensation de la vapeur d’eau. Quant h l’injection de ce H uide dans le corps de pompe , l’idée en est due au hasard.

John Watt a apporté les plus impértans perfectionnemens dans cet art nouveau; il a imaginé de condenser la vapeur dans une cavité distincte du corps de pompe , de

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manière à ne pas refroidir celui-ci; il a indiqué l’avantage qu’on pourrait retirer en laissant la vapeur se détendre; il a construit la première machine à double effet, en faisant agir successivement la vapeur dessus et dessous le piston ; il a imaginé ce qu’on nomme le parallélogramme articulé , employé comme moyen de maintenir le parallélisme du mouvement de la tige du piston pendant que l’extrémité du balancier décrit des arcs de cercle. Enfin , on lui doit encore l’emploi du régulateur à force centrifuge.

Il est important de remarquer que non seulement Papin a imaginé le premier une véritable machine à vapeur; mais qu’il doit être considéré comme le premier inventeur des bateaux à vapeur, puisqu’il a très bien décrit un mode de construction qui a été renouvelé de nos jours : c’est encore lui qui a imaginé les robinets à quatre voies , et enfin la soupape de sûreté; en sorte qu’il semble, malgré l’injustice avec laquelle il est traité par nos voisins d’outre mer, qu’il lui ait été réservé d’imaginer, le premier, tout ce qu’ils ont depuis exécuté avec tant de perfection.

On doit à MM. Trevithick et Vivian l’application des machines à hautes pressions au transport des fardeaux.

En cherchant à apprécier la valeur intrinsèque de la machine à vapeur et de ses diverses modifications , on peut dire que cette machine est lé plus puissant des moyens industriels que l’homme ait imaginés; que la machine, qui marche au moyen de la vapeur d’eau sous la pression ordinaire de l’atmosphère et par condensation , est à la fois la meilleure, la plus sûre et la plus économique; enfin, que les machines à hautes pressions, pouvant se passer d’eau de condensation, étant moins compliquées et occupant moins déplacé, sont très commodes dans beaucoup de circonstances, sans qu’on doive imaginer qu’elles puissent être économiques, puisque le calorique latent des vapeurs

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est proportionnel à leur poids et non à leur volume , et qu’il faut autant de chaleur pour former un mètre cube de vapeur sous deux atmosphères de pression que pour ep former deux sous une seule atmosphère.

Dans ces derniers temps, M. Perkins a imaginé une nouvelle méthode qui paraît infiniment plus puissante et plus économique. Il fait usage d’un vase de petite dimension , mais extrêmement épais , qu’il appelle générateur , qu’il remplit complètement d’eau, et qu’il chauffe à une très haute température. Ce vase est disposé de manière à recevoir, par une de ses extrémités, une petite quantité de nouvelle eau poussée par une très petite pompe. L’autre extrémité est munie d une soupape qui ne s’ouvre que sous de très hautes pressions , et qui fait communiquer le gé nérateur avec le corps, de pompe où se meut le piston. Quelque forte que soit la tension de l’eau ainsi chauffée à 200° environ, elle n’ouvre point la soupape ; mais à l’instant où une nouvelle quantité d’eau est poussée dans le générateur par la petite pompe, il s’en échappe , par l’autre extrémité, une égale quantité qui, se trouvant à 200°, se réduit subitement en vapeur, et chasse le piston avec une grande force et une grande vitesse. Dans l’expérience dont on a connaissance en France, une force égale à celle de 10 chevaux était produite par un piston de 2 pouces de diamètre , et la tension de la vapeur était de 35 atmosphères. . •

La grande difficulté d’exécution de cette machine consistait à pouvoir fermer assez solidement les deux extrémités du générateur ; mais il paraît que l’on vient de réussir à le construire en fer forgé d’une seule pièce.

Nous ne sommes point entrés dans le détail de la construction des différentes machines à vapeur , qui est du ressort de la mécanique appliquée. Mais il est facile de

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concevoir que le piston en mouvement étant fixé h une tige solide , cette tige pourra elle-même élever et abaisser un balancier dont l’autre extrémité ferait mouvoir le piston d’une pompe à eau ordinaire. On conçoit aussi que le même mouvement peut s’appliquer 5 des manivelles qui feraient tourner des roues pesantes auxquelles on donne le nom de voians ; et qu’enfin tous les petits mouvemers particuliers i nécessaires pour entretenir l’intérieur de la machine vide d’air, et pour ouvrir ou fermer, dans le moment convenable , les différentes ouvertures qui font communiquer le corps de pompe avec la chaudière à vapeur ou avec le condenseur, peuvent êlre produits avec une grande régularité par la machine elle -même ; en sorte qu’une fois mise en train , elle se meut d’une manière continue , sans secours étrangers et tant qu’on lui fournit de la vapeur.

285. Mélange des vapeurs avec les gaz . — En traitant de^ l’ébullition nous avons dit que les liquides pouvaient se réduire en vapeur à toutes les températures , sous la pression de l’air atmosphérique , par une sorte d’évaporation lente qui s’opère seulement à la surface du liquide ,

et dans laquelle la vapeur n’a pas réellement h soulever le

poids de l’atmosphère : témoins de cette disparition du liquide, qui est , en général , d’autant plus rapide que l’air est plus sec et plus souvent renouvelé , les physiciens l’ont de tout temps attribuée à une sorte d’action dissolvante de l’air, analogue à celle que l’eau ecerce sur les sels. Dalton a démontré le premier, d’une manière absolue, que cette supposition était sans fondement , et que par conséquent la formation de la vapeur devait être unique^ ment attribuée, dans tous les cas , à la force expansive du calorique. La démonstration résulte des trois faits suivans: i° les liquides se vaporisent plus vile dans le vide que dans

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l’air ou dans tout autre gaz ; 2° il se forme , dans un espace plein d’air ou de tout autre gaz, précisément autant de vapeur que dans le même espace vide; 3° la vapeur, une fois formée et mêlée à l’air, jouit d’une force élastique parfaitement égale à celle qu’elle possède lorsqu’elle occupe seule un espace vide. Ces faits se démontrent aisément par les expériences suivantes :

Si l’on compare la rapidité de l’évaporation d’une certaine quantité d’eau exposée à l’air, ou placée dans un espace où le vide soit incessamment entretenu, on la trouvera beaucoup plus grande dans ce dernier cas; elle ira même jusqu’à produire la congélation de beau, si l’on a fait usage de ce liquide.

Si l’on introduit une certaine quantité d’eau dans un récipient parfaitement vide , et à la température de o°, on verra le baromètre s’élever de 5 millim. , qui expriment la tension de l’eau à cette température. Si, au lieu d’un récipient vide , on se sert d’un récipient rempli d’air parfaitement sec, qui supporte actuellement om,y6o, par exemple , de mercure , et qu’on introduise un peu d’eau dans cet air, la température étant toujours o°, la colonne de mercure s’éleverade 5 millimètres, comme dans le cas précédent, et deviendra par conséquent om,765.

Cette dernière expérience , très simple, et que l’on peut répéter de beaucoup de manières différentes , et surtout à l’aide de l’ingénieux appareil de M. Gay-Lussac, démontre à la fois que la vapeur d’eau a précisément la même tension dans l’air ou dans le vide, et que l’air humide jouit de la somme des deux tensions dé l’air et de la vapeur qu’il contient.

Ce qu’il y a de plus remarquable dans le mélange de la vapeur avec l’air, c’est la faculté que la première possède alors de supporter des pressions beaucoup plus grandes que

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ne le comporte sa propre force élastique. Nous savons en effet que la vapeur d’eau ne peut exister seule sous la pression atmosphérique qu’à la température de ioo°, tandis qu’à des températures beaucoup plus basses , et même à o°, la vapeur d’eau, mêlée à l’air ou aux gaz, semble pouvoir supporter om ,765 de pression, sans se condenser. Cotte vapeur se comporte même alors précisément comme le gaz , et ne se précipite point par la compression quq, l’on fait subir au mélange , tant quelle n’est pas au maximum déterminé. par la température et par l’espace.

Ces faits, et un grand nombre d’autres, ont porté Dalton à établir en principe que les gaz ou les vapeurs mélangées n’exercent aucune pression réciproque les uns sur les autres , et qu’ils supportent, chacun à part, une partie de la pression commune que l’on exerce sûr le mélange. Ainsi, dans le cas que nous venons de citer, l’air supporte une pression de om,76o, et la vapeur n’est chargée que des 5 millim. excédans. Quelque difficile à concevoir que soit une pareille proposition, elle est pourtant jusqu’à présent la seule qui s’accorde avec tous les faits.

Les exemples fréquens d’évaporation d’un liquide exposé au contact de l’âir atmosphérique , et sans que ce liquide soit élevé à la température de l’ébullition, demandent quelques explications , quand on admet la théorie de Dalton. En effet , à la température ordinaire , les liquides s’évaporent dans l’atmosphère d’autant plus vite que l’air est plus souvent renouvelé,* ce que l’on conçoit en se représentant que l’air immobile au dessus d’un liquide est bientôt chargé de toute la vapeur que comporte la température, et qu’alors l’évaporation s’arrête , comme cela arriverait dans un espace limité; tandis que, si les masses d’air qui touchent le liquide se renouvellent incessamment, elles n’arriveront jamais à contenir le maximum de va-

peur d’eau , et le cas sera le même que pour un liquide situé dans un espace indéfini.

L’évaporation libre sera d’autant plus rapidè que l’air environnant sera plus sec; car celui qui contient déjà de la vapeur d’eau en exige beaucoup moins pour arriver à ce maximum qui arrête l’évaporation.

Lorsqu’un liquide est chauffé au dessus de la température de l’air, son évaporation est d’autant plus rapide que sa température est plus élevée. Il s’échappe de sa surface des vapeurs d’abord visibles , qui se dissipent et disparaissent bientôt dans l’atmosphère. 11 arrive alors que l’air s’échauffe lui-même au contact du liquide, et s’élève ensuite pour être remplacé par de nouvel air; en sorte que l’atmosphère qui repose sur le liquide est réellement à une température beaucoup plus élevée que dans l’état ordinaire ; ce qui permet dans cet espace la formation d’une plus grande quantité de vapeur, laquelle se mêle peu à peu avec les couches supérieures de l’air, si elles sont sèches , ou retombe en nuages dans les lieux voisins plus froids , et va se condenser en liquide sur tous les corps envir onnans.

Toutes choses égales d’ailleurs, l’évaporation spontanée est d’autant plus rapide, que la surface du liquide est plus considérable, car elle répond à une plus grande masse d’air qui représente un espace plus étendu , dons lequel il peut se répandre plus de vapeurs.

[/effet de l’évaporation spontanée est de refroidir continuellement la masse d’où la vapeur s’échappe , en emportant son calorique à l’état latent. Cet effet est si remarquable , qu’il devient souvent impossible de faire bouillir les chaudières qui présentent de très grandes surfaces à l’air, et que l’on suspend l’ébullition en agitant le liquide.

A la température même de l’atmosphère , l’évaporation produit souvent une grande déperdition de calorique dans

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les liquides , ce qui arrive surtout lorsque les surfaces sont étendues, et l’air environnant rapidement renouvelé. Les alcarazas. sont des vases poreux, dans lesquels on enferme de l’eau qui suinte lentement à leur surface,* on les suspend au plafond dans un lieu aéré , et on les met en oscillation. L’évaporation extérieure enlève assez de calorique pour que l’eau intérieure devienne très fraîche dans des climats où la température de l’atmosphère est au dessus de 2o°. En entourant de coton une ampoule de verre pleine d’eau, mouillant ce coton d’éther, et agitant rapidement ce petit appareil dans l’air atmosphérique , on détermine aisément la congélation de l’eau intérieure.

Ces faits expliquent le froid vif dont nous sommes toujours saisis en sortant du bain, et la facilité avec laquelle on refroidit une partie du corps en la mouillant d’un liquide très volatil , comme l’éther, et l’exposant à un courant d’air.

Mais l’expérience la plus remarquable, sous ce rapport, est sans contredit celle de Le&lie. Si l’on place sous le récipient de la machine pneumatique un petit vase métallique contenant de l’eau , et une grande capsule en verre contenant de l’acide sulfurique concentré , et qu’on fasse le vide sous le récipient, la vapeur qui se dégagera de l’eau la refroidira bientôt assez pour la congeler; et l’acide sulfurique , absorbant cette vapeur d’eau à mesure qu’elle se formera, s’échauffera et perdra peu à peu la faculté d’absorber la vapeur, faculté que l’on pourra lui rendre aisément en le concentrant de nouveau.

Si le liquide que l’on met en évaporation dans le récipient est de l’éther ou du carbure de soufre, on pourra obtenir des abaissemens de température encore plus marqués et congeler le mercure. Mais aucun corps ne produit

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un froid aussi considérable que l’acide sulfureux liquide , dernièrement obtenu par la compression du gaz, et l’acide carbonique liquide qui se solidifie par le froid de sa propre évaporation.