CHAPITRE V

279. Sources de chaleur. — Nous avons passé en revue, dans les chap. II et III, une série de phénomènes où nous avons pu constater la production de chaleur. C'est ainsi qu'il s'opère un dégagement de calorique pendant les changements d'état inverses , liquéfaction d'un gaz pu d'une vapeur, et solidification d'un liquide. Il suffit même de réduire le volume d'un gaz par la compression pour en élever la température. Enfin, nous avons dans les combinaisons chimiques une puissante source de chaleur. Mais, pour comprimer un corps, il faut dépenser un certain travail extérieur ; pour qu'une combinaison s'effectue, il faut qu'il existe entre les éléments qui s'unissent une force d'affinité ou énergie potentielle. Les sources de chaleur se réduisent donc à deux : le travail mécanique et l'action chimique ; de tous les phénomènes de combinaison , c'est la combustion qui a le plus d'importance, en tant que source générale de chaleur.

280. Production de la chaleur par le travail mécanique. — Un grand nombre de faits nous montrent le travail mécanique engendrant de la chaleur. Quand on fait du feu, par exemple, soit au moyen du briquet, soit au moyen des allumettes, la chaleur qui détermine l'incandescence du fer ou l'inflammation du phosphore est produite par le frottement. On voit quelquefois le moyeu des roues prendre feu, lorsque celles-ci sont animées d'un mouvement rapide de rotation; c'est encore là un effet de la chaleur développée par le frottement. Dans le martelage des métaux, le choc produit souvent des élévations de température considérables. Des appareils thermométriques délicats permettent de reconnaître que les actions mécaniques peu intenses mettent aussi de la cha-

leur en liberté: on peut ainsi constater que L'eau s'échauffe quand on l'agite dans un vase ou qu'elle s'écoule dans un tuyau. Tous les gaz s'éehauffenl par la compression; les ondes sonores même élèvent la température de l'air au soin duquel elles se propagent [ou, du moins la demi-onde condensante dégage de la chaleur qui est de nouveau absorbée par la demi-onde dilatante, en sorte que l'effet thermique produit est à peu près nul.]

Pour évaluer la quantité île chaleur correspondante à une certaine dépense de travail mécanique, M. joule a eu recours à divers moyens, le frottement des so- 0 lides, celui des liquides et la compression des gaz. Un premier procédé consistait à appliquer l'une contre l'autre deux plaques métalliques et à faire tourner rapidement l'une d'elles, de manière qu'il y eût un frottement énergique; les deux plaques étaient plongées dans un bain de mercure : on évaluait le travail dépensé pour produire la rotation de la plaque, et on mesurait l'élévation de température éprouvée par le mercure; cette dernière donnée permettait de calculer, à l'aide de la chaleur spécifique du mercure, la quantité de chaleur produite. On obtenait ainsi le nombre de calories engendrées par le travail mécanique dépensé dans le frottement de deux métaux l'un contre l'autre. Dans une autre série d'expériences, M. Joule a déterminé la quantité de chaleur dégagée par le mouvement des liquides : dans ce but, il faisait tourner une roue à palettes plongée dans l'eau ou le mercure, et il calculait comme ci-dessus, d'après l'élévation de la température du liquide , la quantité de chaleur produite par le travail dépensé. Le physicien anglais a aussi mesuré la température dégagée par la compression de l'air.

Des recherches de M. Joule et de celles d'autres savants, parmi lesquels nous citerons MM. Mayer, Clausius, Hirn, etc., il résulte que l'équivalent mécanique de la chaleur est d'environ 424 kilogrammètres , c'est-à-dire que pour produire une calorie , il faut dépenser un travail mécanique correspondant à 424 kilogrammètres.

281. Production de travail mécanique par la chaleur. — La transformation de la chaleur en travail mécanique se trouve réalisée dans les machines à feu et à vapeur, qui représentent de nos jours les moteurs les plus puissants que nous ayons à notre disposition. On s'est demandé si dans cette transformation il disparait une quantité de chaleur équivalente au travail effectué ; l'expérience a répondu affirmativement : quand la chaleur produit un effet mécanique,- il disparaît une calorie par 424 kilogrammètres de travail accompli. M. Hirn a démontré cette équivalence pour la machine à vapeur, en comparant la chaleur de la vapeur , après qu'elle a agi sur le piston , avec le nombre de calories qu'elle possédait avant sa transformation : le savant français tenait compte, dans cette comparaison, de la perte de chaleur due au rayonnement et au contact du milieu ambiant.

Une méthode de démonstration encore plus rigoureuse consiste à mesurer l'abaissement de température qu'éprouve un gaz quand il se dilate. On sait que les gaz, en vertu de leur force expansive, occupent toujours tout l'espace qui est mis à leur disposition. Or, dans ce mouvement de dilatation, les molécules ga- Keuses accomplissent un certain travail qui est nécessairement emprunté à la

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chaleur qu'elles possèdent; il en résulte qu'un gaz se refroidit quand il se dilate par suite de la diminution de la pression extérieure. C'est aussi là ce qui explique pourquoi la quantité de chaleur nécessaire pour échauffer d'un certain nombre de degrés une masse gazeuse donnée est plus grande quand on laisse le fluide se dilater librement que lorsqu'on en maintient le volume constant (cf. § 264). La différence entre la chaleur spécifique à pression constante et la chaleur spécifique à volume constant permet donc de calculer facilement l'équi- . valent mécanique de la chaleur. Ce qui prouve encore que la chaleur qui disparaît pendant la dilatation d'un gaz est employée à produire un travail, c'est que les fluides aériformes n'éprouvent pas de refroidissement quand ils se répandent dans le vide ; il est évident, en effet, qu'il n'y a de travail produit que si le gaz, pour se dilater, a à vaincre une résistance; or, quand l'écoulement a lieu dans le vide, il n'y a pas de résistance qui s'oppose à l'expansion du gaz,

La dilatation des solides et des liquides consomme aussi une certaine quantité de chaleur qui est employée à produire l'écartement des molécules. La chaleur, spécifique d'un corps se compose donc de deux parties : l'une qui produit le travail mécanique de la dilatation ; l'autre qui est réellement employée à élever la température. Or les corps présentent entre eux de grandes différences sous le rapport de leur dilatabilité par la chaleur ; en d'autres termes, il faut, pour augmenter leur volume d'une même fraction, dépenser des quantités fort différentes de travail mécanique ; par conséquent, si nous voulions obtenir des chaleurs spécifiques comparables, nous devrions les déterminer dans des conditions telles que le volume des corps restât constant. Jusqu'à présent cette condition n'a pu être remplie que pour les gaz.- C'est sans doute aux différences de dilatation des corps par la chaleur qu'il y a lieu d'attribuer les valeurs différentes que présente la chaleur spécifique des corps suivant leur état d'agrégation.

En étudiant les changements d'état des corps, nous avons vu que, sous ce rapport, la diminution de la pression et l'élévation de la température produisent des effets identiques, que l'augmentation de la pression et l'abaissement de la température peuvent aussi se suppléer mutuellement. Ce sont là des faits qui trouvent leur explication dans les notions exposées ci-dessus. L'écartement des molécules qui accompagne le passage d'un corps de l'état liquide à l'état gazeux, exige un certain travail mécaniquepour produire ce travail, il faut dépenser une certaine quantité de chaleur empruntée, soit a l'extérieur, soit au corps lui-même : ici, comme dans la machine à vapeur, il y a disparition de chaleur. Tous les phénomènes dans lesquels du calorique passe à l'état latent consistent donc dans une transformation de chaleur en travail intérieur. Ces considérations nous conduisent directement à l'idée que nous devons nous faire de la nature de la chaleur, question dont il sera traité dans le § 284. Nous avons montré, d'autre part (cf. §§ 11 et suiv.), l'importance de la transformation réciproque de la chaleur et du travail mécanique au point de vue du principe de la conservation de la force.

282. Chaleur solaire. — La source de chaleur la plus abondante est fournie par les actions chimiques, et surtout par la combustion. Le soleil, qui, suivant les opinions les plus accréditées, se trouve dans un étal de combustion permanente, constitue pour nous directement et indirectement, la source de chaleur la plus importante : directement , parce que la chaleur de la surface terrestre est due presque exclusivement aux rayons calorifiques que nous envoie le so-

leil; indirectement, parce que c'est sous L'influence des radiations calorifiques et lumineuses émanées de cet astre que se forment ces combinaisons organiques du règne végétal et du règne animal qui, soumises à une combustion artificielle, deviennent pour nous les sources ordinaires de chaleur.

Pouillet a cherché à mesurer la quantité de chaleur que la terre reçoit du soleil; dans ce but il exposait aux radiations solaires, pendant un temps déterminé, un vase métallique rempli d'eau et dont la base supérieure, directement tournée vos le soleil, était noircie. Cet appareil a reçu le nom de pyrhéliomètre. En ajoutant au résultat obtenu la chaleur absorbée par notre atmosphère, Pouillet a trouvé qu'un centimètre carré de la surface terrestre reçoit dans une minute 0,8816 unité de chaleur; si l'on admet que chaque point de notre globe soit exposé en moyenne pendant 12 heures chaque jour aux radiations solaires, il en résulte qu'un centimètre carré reçoit en un an 231 684 calories. En supposant que cette quantité de chaleur soit répartie uniformément sur toute l'étendue de la surface terrestre , on trouve qu'elle serait capable de fondre une couche de glace de 31 mètres d'épaisseur. De la quantité totale de chaleur envoyée par le soleil sur la terre, notre atmosphère en absorbe environ les "7s î le tiers de ce qui reste est employé 'à produire de la vapeur d'eau.

- 283. Chaleur de combustion. — La chaleur de combustion n'est qu'un cas particulier de la chaleur dégagée dans les actions chimiques , question que nous avons déjà traitée dans le § 267. Mais, comme l'oxygène constitue l'un des éléments essentiels de notre atmosphère, les phénomènes de combustion l'emportent tellement en fréquence sur les autres actions chimiques qu'ils les effacent toutes en tant que source de chaleur. Parmi les combustions, c'est surtout celle du carbone et de ses combinaisons qui occupe la place la plus importante.

En vertu de la loi générale développée § 267, par suite de laquelle deux corps! qui se combinent produisent d'autant plus de chaleur qu'avant de s'unir ils se trouvent engagés dans des combinaisons moins stables, la quantité de chaleur mise en liberté par la combinaison d'une même quantité, soit de carbone, soit d'hydrogène, soit de soufre etc., avec une quantité donnée d'oxygène, n'est pas toujours la même; le carbone, par exemple, à l'état isolé, produit en brûlant plus de chaleur que s'il est préalablement engagé dans une combinaison, telle que la cellulose, le sucre etc. Il suit de là que la combustion d'une substance composée produit une quantité de chaleur différente de celle que fourniraient ensemble les divers éléments qui la constituent s'ils étaient brûlés séparément; car, pendant la formation de ce composé, il s'est dégagé une certaine quantité de chaleur qui repasse à l'état latent quand le corps se décompose , et qui est à défalquer de celle que produit la combustion des éléments du composé. Par conséquent, en général, la chaleur de combustion d'un composé est plus petite que la somme des chaleurs de combustion de ses éléments. Ce n'est que très-exceptionnellement qu'elle est égale ou supérieure à cette somme ; le

- cas peut se présenter, quand la formation du composé a eu lieu avec absorption de chaleur, par suite d'un changement d'état par exemple.

La chaleur de combustion est constante pour un même corps, simple ou

WUNDT, Physique médicale. M

CHALEUR

composé, quelle que soit la rapidité avec laquelle le corps brûle, quels que soient aussi le nombre et lu nature des états intermédiaires par lesquels il passe avant d'arriver à son maximum d'oxydation. Un gramme de carbone, parexemple, en passant directement et d'emblée à l'état d'acide carbonique, développe autant de chaleur que, lorsqu'avant d'arriver à ce degré final d'oxydation , il se transforme d'abord en oxyde de carbone.

Nous devons h MM. Favre et Silbermann les recherches les plus étendues et les plus exactes sur la chaleur produite par la combustion des corps simples et des corps composés. Ces physiciens ont remarqué que même les corps simples possèdent des chaleurs de combustion un peu différentes suivant leur état physique ; le fait est surtout manifeste pour les diverses modifications allotropiques du carbone et du soufre.

[Cependant il restait à déterminer la chaleur de combustion des substances alimentaires et des produits d'excrétion du corps humain, afin de pouvoir calculer avec une approximation suffisante la chaleur dévéloppéc dans l'organisme par les actions chimiques qui s'y accomplissent; car nous avons vu que la chaleur de combustion d'un composé n'est pas égale à, la somme des chaleurs de combustion de ses éléments composants. Les reche .ches récentes de M. Frankland sont venues combler la lacune que nous signalons.]

Le tableau suivant donne les résultats obtenus pour la chaleur dégagée par la combinaison de 1 kilogramme de combustible avec l'oxygène. [Les nombres imprimés en italique se rapportent aux travaux de Frankland et supposent les substances il l'état sec]; les autres ont été trouvés par MM. Favre et Silbermann.