CHANGEMENTS D'ÉTAT T)ES CORPS

249. Lois de la fusion et de l'ébullition. Fixité des points de fusion et d'ébullition, sous pression constante. — Les variations quantitatives de la chaleur sont une des causes les plus fréquentes du changement d'état des corps. Quand on ajoute de la chaleur aux corps, on fait passer les solides à l'état liquide, les liquides à l'état gazeux. Une soustraction de chaleur opère les transformations inverses : liquéfaction des corps gazeux et solidification des liquides.

Il n'est pas douteux que tous les corps, à l'exception de ceux qui , comme le carbone et beaucoup de composés organiques, brûlent ou se décomposent avec facilité, ne puissent se présenter sous les trois états solide, liquide et gazeux , suivant le degré de la température. On est parvenu à fondre les substances les plus réfractaires, telles que le platine, le silicium, l'iridium etc., en les soumettant à l'action de la flamme du chalumeau à gaz hydrogène et oxygène. Il n'y a que cinq gaz, Yhydrogène , Y oxygène , Y azote, le bioxyde d'azote et Y oxyde de carbone, qui n'aient pas encore pu être liquéfiés % à quelque basse température qu'on les ait exposés.

On appelle point de fusion, la température à laquelle un corps passe de l'état solide à l'état liquide, et point d'ébidlition, la température à laquelle un liquide se vaporise , [en tant, du moins, que ce changement d'état prenne naissance au sein même de la masse liquide , sous forme de bulles de vapeur qui montent à la surface et se dégagent]. Le point de solidification , c'est-à-dire la température à laquelle un liquide repasse à l'état solide, ne diffère pas sensiblement du point de fusion. Ainsi le thermomètre marque toujours 0°, qu'on le plonge dans la glace fondante ou dans de l'eau qui se congèle.

Les lois de la fusion et de l'ébullition sont les suivantes :

1° Pour chaque substance, sous une même pression , les points de fusion et d'ébullition sont fixes.

[2° Pendant toute la durée de la, fusion ou de l'ébullition , la température de la substance reste stationnaire ; en chauffant plus ou moins fortement, on ne fait qu'activer plus ou moins le changement d'état , sans élever pour cela la température.]

Néanmoins, moyennant certaines précautions, on parvient à maintenir un corps à l'état liquide à une température bien au-dessous de celle de son point habituel de solidification. Si, par exemple, on garantit l'eau contre tout ébranlement , on peut la refroidir jusqu'à — 20° sans qu'elle se congèle; mais alors la plus légère' agitation suffit pour la faire passer en masse à l'état solide. Ce phénomène, qu'on désigne sous le nom de surfusion, ne constitue pas une exception à la loi de fixité du point de congélation ; car, au moment ou l'eau se transforme en glace, la température remonte en général et subitement, à 0°.

CHANGEMENTS p'ÉTAT DES CORPS.

250. Influence de la pression sur les points de fusion et d'ébullition. — Les

points de fusion el d'ébullition varient avec la pression extérieure : ils s'élèvent tous les deux, quand la pression augmente, et le point d'ébullition beaucoup plus que le point de fusion. Cependant le fait n'est pas général pour la fusion , ainsi qu'on le verra tout à l'heure.

I /influence de la pression sur l'ébullition est si grande que les fluctuations ordinaires de la hauteur barométrique suffisent pour la mettre en évidence. Ainsi, l'eau ne bout à la température de 100° que sous la pression normale de 760. Si le baromètre tombe à 730, l'ébullition se produit déjà à 99°; si, au contraire, la pression atmosphérique s'élève à 770, le point d'ébullition de l'eau est d'environ 100°,5. Dans le vide, sous une pression de 4mm de mercure, l'eau bout à une température voisine de 0°.

Pour retarder l'ébullition par l'accroissement de la pression, il suffit de chauffer le liquido.cn vase clos: la vapeur qui prend naissance, ne pouvant s'échapper, exerce une pression qui croît avec la température, et le liquide ne peut jamais bouillir. On se sert dans ce but de la mai-mite de Papin. Cet appareil consiste en un vase métallique à parois très-épaisses, fermé par un couvercle qu'on maintient solidement fixé au moyen d'une vis, dont l'écrou fait partie d'une sorte d'étrier qui prend son point d'appui sur le rebord de la marmite. Le couvercle est muni d'une soupape pressée plus ou moins fortement par des poids. Si l'on échauffe de l'eau dans ce vase, la température du liquide s'élève de plus en plus jusqu'à ce que la soupape soit soulevée par la force élastique de la vapeur produite. Au moment où la vapour s'échappe, la température redescend h 100°, pour remonter de nouveau quand la soupape se referme; et ainsi de suite. — On emploie la marmite de Papin pour extraire des substances organiques, telles que les os, certains principes qui ne se dissoudraient que difficilement h la température de 100°.

Le» corps gras, facilement fusibles, sont très-propres à montrer l'influence de la pression sur la température à laquelle a lieu la fusion. C'est ainsi que M. Bunsen a constaté que le blanc de baleine (sperma ceti) fondu se solidifie à 47°, 7 sous la pression d'une atmosphère, et seulement à 50°, 9 sous une pression de 156 atmosphères. La glace fait exception à cette règle. Comme "elle occupe un volume plus grand que l'eau â la même température, il en résulte que son point de fusion s'abaisse, au lieu de monter, quand la pression augmente. En soumettant des morceaux de glace à l'action d'une presse, on peut leur faire prendre toutes les formes imaginables, parce qu'une partie de la glace fond quand la pression augmente el se congèle de nouveau , sitôt que la pression cesse. Telle est aussi la raison pour laquelle , en comprimant de la neige à 0°, on la transforme en un bloc de glace.

Comme le point de fusion et le point d'ébullition dépendent de la pression , on peut, au moyen de l'action combinée de la chaleur et de la pression , produire sur certaines substances des changements d'état, qu'il serait impossible ou du moins très-difficile d'obtenir par la seule addition de la chaleur ou par la réfrigération seule.

En effet, l'augmentation de la pression agit, en général, dans le même sens que l'abaissement de la température, et inversement, la diminution de la pression équivaut à une élévation de température; il s'ensuit que le froid, développé sous une grande pression, produit, l'effet d'un froid beaucoup plus intense, et qu'au contraire, en diminuant la pression en même temps qu'on ac-

en w.euk.

croît la température, on obtient ce (me donnerait une température plus élevée. Tel est le principe qui a été utilisé pour liquéfier les gaz. On peut obtenir l'acide carbonique à l'état liquide, en le soumettant à une compression énergique dans un vase qu'on entoure de glace, ou mieux d'un mélange réfrigérant.

251. Fusion des alliages et des solutions salines. — Indépendamment de la pression, il y a encore d'autres causes qui influent sur la température à laquelle les corps changent d'état. Ainsi, le point de fusion des alliages diffère, non-seulement de ceux des métaux composants, mais encore de la moyenne de leurs points de fusion; en général, il est plus bas. Tandis que le plomb, par exemple, fond à 330° et l'étain à 230°, un alliage formé de parties égales de ces deux métaux entre en fusion à 189° ; si on augmente la proportion de plomb, le point, de fusion s'élève et ne devient égal à celui de l'étain que quand la proportion de plomb est double. Un alliage composé de deux parties de bismuth , une partie de plomb et une d'étain (alliage de H. Rose) fond déjà à 94° ; la température de fusion du bismuth est d'environ 265°.

D'après les expériences de M. Heintz, les mélanges d'acides gras offrent la même particularité que les alliages : le point de fusion du mélange est moins élevé que celui de chacune des substances qui entrent dans sa composition. L'acide stéarique fond à 69°, l'acide palmitique à 62°; un mélange de trente parties d'acide stéarique, et de soixante-dix d'acide palmitique est déjà fusible

L'eau tenant des sels en dissolution présente des phénomènes du même genre : le point de solidification est abaissé. C'est pour cela que l'eau de mer se congèle à une température plus basse que l'eau douce. Quand on ajoute, deux parties de chlorure de sodium à cent parties d'eau, l'eau de la solution ne passe à l'état solide qu'à la température de — 1°,2; si la proportion de sel s'élève à 12 °/0, la congélation n'a lieu qu'à — 7°,2.

251°. Èbullition des solutions salines. Influence de l'adhésion sur le point d'ébullition. — La présence d'un sel clans l'eau retarde aussi l'ébullition , bien que l'eau seule se vaporise.

Pour les solutions de sel marin, le point d' èbullition s'élève presque proportionnellement à la quantité de sel dissous : ainsi 7,7 °/0 de chlorure de sodium font monter le point d' èbullition de 1° ; avec 39,7 parties de sel , l'élévation est de 8°. Nous ne pouvons guère attribuer ces écarts du point d'ébullition des solutions salines qu'aux effets de la cohésion ; il semble que les molécules du sel, en raison de l'attraction qu'elles exercent sur les molécules de l'eau, empêchent ces dernières de prendre la forme gazeuse. Dans les alliages, au contraire, la force de cohésion qui unit entre elles les molécules de chaque métal, paraît être affaiblie, et on s'explique ainsi pourquoi les alliages sont en général plus fusibles que les métaux dont ils sont formés.

Celte manière de voir est étayée par ce fait que le contact du liquide avec un corps solide, c'est-à-dire un simple effet d'adhésion , suffit pour changer le point d'ébullition; la température à laquelle bout un liquide varie, en effet, un peu selon la nature du vase dans lequel on le chauffe. Plus la force d'adlié-

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sion du liquide pour la substance du vase est considérable, plus le poinL d'ébullition est élevé : l'eau, par exemple, bout à une température un peu plus grande dans un vase de verre que dans un vase de fer; son point d'ébullition est ordinairement de 101° dans le verre, et seulement de 100° dans le fer, Quand on laisse la surlace intérieure d'un vase de verre en contact avec de l'acide sulfurique ou de la potasse caustique, la température d'ébullition de l'eau monte de 3 à 5 degrés, même après qu'on a lavé soigneusement le vase. Si , au contraire, on jette des fragments de métal dans le liquide, le point d'ébullition s'abaisse aussitôt; ainsi, pour faire bouillir de l'eau à 100° dans un vase de verre, il suffit d'y introduire des fragments de platine.

252. Vaporisation des liquides au-dessous du point d'ébullition: évaporation. Influence de la pression sur l'évaporation. — Ce n'est pas seulement à la température de l'ébullition que les liquides volatils passent à l'état gazeux; de leur surface se dégagent continuellement des vapeurs à des températures bien plus basses que celle de l'ébullition; on dit alors qu'il y a évaporation. L'évaporation diffère de l'ébullition en ce que dans le premier cas les vapeurs ne prennent naissance qu'à la surface, tandis qu'elles se forment simultanément dans toute la masse d'un liquide bouillant ou plutôt contre les parois du vase (cf. § 249).

L'évaporation se produit à toutes les températures compatibles avec l'état liquide, mais elle est d'autant plus lente que la température est plus basse. Nous avons vu, § 250, que la diminution de la pression fait descendre le point d'ébullition , et que dans le vide les liquides peuvent bouillir à des températures extrêmement basses ; de là nous devons conclure qu'en général, les liquides ont toujours une tendance à se vaporiser, et qu'ils né sont maintenus à l'état liquide que grâce à la pression extérieure , aidée en partie, comme on l'a vu dans le paragraphe précédent , à la fois par la cohésion et par l'adhérence aux corps solides.

En ajoutant de la chaleur à un liquide, on augmente sa tendance à passer à l'état gazeux, et on finit ainsi par triompher de la résistance qu'opposent à la vaporisation la pression extérieure ainsi que les forces de cohésion et d'adhésion.

253. Influence de la cohésion et de l'adhésion sur la formation des vapeurs.

— On sait que la diffusion des gaz suit les mêmes lois que leur écoulement dans le vide; il en résulte que l'évaporation d'un liquide ne peut être empêchée ni par la pression de l'atmosphère ni par celle d'un autre gaz, quelque forte qu'elle soit.

Il n'en est plus de même pour les molécules situées dans l'intérieur de la masse liquide ; le poids de l'atmosphère presse sur elles comme le ferait un corps solide, car la couche superficielle du liquide remplit à l'égard des couches suivantes l'office d'un piston. On comprend dès lors que la vapeur ne puisse se former au sein de la masse liquide qu'à partir du moment où sa tension devient capable de soulever celte sorte de piston ; c'est ce qu'on peut obtenir, soit en diminuant la pression extérieure, soit en chauffant. La température de l'ébullition aéra donc celle pour laquelle la vapeur possède une force clas-

CHALEUR

tique un peu supérieure à la pression extérieure, augmentée des forces de cohésion et d'adhésion (Dalton). Ces deux dernières forces sont les seules que le liquide ait à vaincre pour bouillir dans le vide.

[Les expériences de M. Dufour ont montré le retard de l'ébullition de l'eau ordinaire ou distillée, comme un fait général , quand on provoque l'ébullil ioit par la diminution de la pression, la température restant constante, et que le liquide a subi antérieurement plusieurs réchauffements, de manière à débarrasser les solides qu'il baigne de la couche d'air qui y est adhérente ; les retards observés vont jusqu'à 20 et môme 30 degrés .

M. Dufour pense qu'il y a lieu de modifier de la manière suivante l'énoncé de la loi de Dalton relative à la température de l'ébullition :

« L'ébullition d'un liquide à une pression déterminée peut se produire seulement à partir d'une température minimum qui est celle où la force élasti- « que de sa vapeur fait équilibre à la pression extérieure. En d'autres termes , « l'ébullition est possible à partir du point indiqué par la loi de Dalton ; mais « elle se produit en réalité à des températures variables, égales ou supérieures i à ce point-là , suivant les conditions dans lesquelles lé liquide est placé.»

Parmi les causes qui provoquent l'ébullition à partir du minimum de température où ce phénomène est possible , il faut placer en première ligne le contact des gaz. D'après M. Dufour, le contact des solides n'a d'influence que par la couche d'air qui y est adhérente.

On ne peut pour ainsi dire pas faire bouillir de liquide non en contact avec un corps solide ; c'est ce qu'on observe quand on maintient des globules liquides en suspension dans un autre liquide de même densité.]

[253°. État sphéroïdal ou caléfaction des liquides. Incombustibilité momentanée des tissus vivants. — Un phénomène des plus remarquables se manifeste quand on introduit un liquide volatil dans un vase préalablement chauffé à une

température notablement supérieure au point d'ébullition du liquide. Ce dernier, au lieu de se mettre à bouillir, se rassemble en un globule limpide, aux bords arrondis et déchiquetés (Fig. 276), qui tourne sans cesse sur lui-même, et qui ne finit par disparaître qu'au bout d'un temps assez4 long. Le liquide est, comme on dit, d l'état sphéroïdal, expression imaginée par M. Boutigny.

Ce phénomène, étudié pour la première fois par Leidenfrost, et depuis par un certain nombre de physiciens, au nombre desquels il convient de citer M. Boutigny, s'explique par l'absence de contact entre le liquide et la surface chaude. L'expérience suivante est. probante à cet égard : sur une plaque de métal poli, suffisamment chauffée

mm

Fig. 27G. — Liquide à l'état sphiiroïdal.