ORIGINE DE LA CHALEUR ET THEORIE DES PHENOMENES CALORIFIQUES

produisent des changements de température de l'air au sein duquel elle se propagent; mais l'effet thermique produit est à peu près nul, la demi* onde condensante dégageant de la chaleur qui est de nouveau absorbée par la demi-onde dilatante.

Pour évaluer la quantité de chaleur correspondante à une certaine dépense de travail mécanique, M. Joule a eu recours à divers moyens, le frottement des solides, 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 pi*oduire la rotation de la plaque, et on mesurait l'élévation de température éprouvée par le mercure; cette dernière donnée permettait de calculer la quantité de chaleur produite, en supposant connue la chaleur spécifique du mercure. 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 eu recours à la compression de l'air pour déterminer le rapport entre le travail mécanique et la chaleur.

Des recherches de M. Joule et 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 égal k 424 kilogrammètres.

Ml. Prtdietloa detrsfaO méeaaiqae par la cbaleir. — La transformation, inverse de la précédente, 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 le travail produit par la machine i la quantité de chaleur absorbée, laquelle est égale à la différence des ttombres de calories que possède la vapeur avant et après son action sur le piston ; 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,fdans ce mouvement de dilatation, les molécules gazeuses accomplissent un certain travail pour déplacer les corps qui les entourent immédiatement et ce travail est effectué grâce à une transfor* tnatiôn d'une partie de la chaleur que possèdent ces molécules; 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 mam gazeuse donnée est plus grande quand on lal:se le fluide se dilater librement que dans le cas où on en maintient le volume constant (cf. § 262). La différence entre la chaleur spécifique à pression constante et la chaleur spéd* fique à volume constant permet en effet de calculer facilement réquivalent mécanique de la chaleur. Ce qui prouve encore que la chaleur absorbée pe&* dant la dilatation d'un gaz est employée à produire un travail, c'est que les fluides aériformes n'éprouvent pas de refroidissement quand ils m 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 intérieure oa extérieure ; or, quand l'écoulement a lieu dans le vide, il n'y a pas de résistance extérieure qui s'oppose à l'expansion du gaz ; la constance de la température pendant la détente nous montre en outre qu'il n'y a pas de frottement intérieur entre les molécules gazeuses.

La dilatation des solides et des liquides consomme aussi une certaine qoaih tité de chaleur ; mais par suite de la cohésion qui réunit les molécules de œi corps, la chaleur absorbée se décompose dans ce cas de trois parties : Tuoe qui est employée à vaincre les résistances extérieures, la seconde qui produit le travail mécanique intérieur de la dilatation ; la troisième qui élève la température du corps. Or, les corps présentent entre eux de grandes différeooes 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 toih lions obtenir des chaleurs spécifiques comparables, nous devrions ks 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. Cest sans doute aux différences de dilatation des corps par la chaleur qu'il j a lieu d'attribuer les valeurs différentes que présente leur chaleur spécifiqoe suivant leur état d'agrégation.

Eo étudiant les chan^ments d'état dea corps, nous afoos tu que, sous ce rapport* i> diminution de la pression et Télé ration de la température produisent des efTels ideôtiqia. que Taugmentation de la pression et rabaissement de la température peuvent nm t^ suppléer mutuellement. Ce sont là des faits qui trouvent leur explication dans les wAm exposées ci-dessus.

L*écartemeut des molécules qui accompagne le passage d*un corps de Tétat liqu-ie i rétat gazeux, exige un certain travail mécanique ; pour produire ce travail, il M dépenser une certaine quantité de chaleur e:upruntde, soit à Textérienr, tatC ai epf^ lui-même : ici, comme dans la machine à vapeur, il y a disparition de chaleur. Tev ki phénomènes dans lesquels du calorique passe à Tétat latent consisient donc àam v transformation de chaleur en travail intérieur.

Ces considérations nous conduisent directement k Tidée que nous devons noos 6bk àf la nature de chaleur, question dont il sera traité dans le § 284. Nous avons montré, «Titfv pari (cf. §§ 11 et suiv.), Timportance de la transformation réciproque de la elialctf Hâ travail mécanique au point d« vue du principe de la conservation de la force.

M8. Ckiltir soltirt. -— La source de chaleur la plus abondante est foorni^ par les actions chimiques, et surtout parla combustion. Le soleil qui, suivant les opinions les plus accréditées, se trouve dans un état de corobo5t^>o

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lermaDente, consUlue pour nous, directement et iudireûtement, la source de ihaleur la plus importante : direclenient , parce qufi la chaleur delà 3ur£aca «rrestre est due presque exclusivement aux rayons calorifiques que nous invoie le soleil ; vidirectemeiit, parci' que c'est sous l'influence des radia ions calorifiques et lumineuses émanées de cet astre que se forment ces Xïnibinaisoas organiques du règne végétal etdu règne animal qui, soumises luuecowbustionarlificielle, deviennent pour nous les sources ordinaires de :baleur.

Pouillet a ciiercliê îi mesurer la quantité de chaleur que la terre reçoit du loleil : dans ce but, il exposait aux radiations solaires, pendant un temps léterminé, un vase métallique rempli d'eau et dont la base supérieure, direc- .ement tournée vers le soleil, était noircie. Cet appareil a reçu le nom de ayrhéliomètre. En ajoutant au résultat obtenu la chaleur absorbée par jolre atmosphère, Pouillet a trouvé qu'un centimètre carré de la surface «TPestre reçoit dans une minute 0,8816 unité de chaleur ; si l'on admet que ïbaque point de notre globe soit exposé en moyenne pendant liilieures chaque oup aux radiations solaires, il en résulte qu'un centimètre carré reçoit en in an 231.684 calories, En supposant que cette quantité de chaleur soit rélartîe uniformément sur toute l'étendue de la surface terrestre, on trouve [a 'elle serait capable de fondre une couche de glace de !il mètres d'épaislenr. Notre atmosphère absorbe environ les 2/5 île la quantité totale de chaleur envoyée par le soleil sur la terre; le tiers de ce qui reste est employé I produire de la vapeur d'eau.

2S3, Chftlenr da GonbutloD. — La chaleur de combustion n'est qu'un cas parti - :ulier de la chaleur dégagée dans les actions chimiques, question que nous ivous déjà traitée dans le § 268". Mais comme l'oxygène constitue l'un des ïléments essentiels de notre atmosphère, les phénomènes de combustion 'emportent tellement en fréquence sur les autres actions chimiques qu'ils .«s effacent toutes en tant que sources de chaleur. Parmi les combustions, :'esl surtout celle du carbone et de ses combinaisons qui occupe la place la jUis importante.

En vertu de la loi générale développée § 268", par suite de laquelle deux :4rps qui se combinent produisent d'autant plus de chaleur qu'avant de i "unir ils se trouvent engagés dans des combinaisons moins stables, la quanïlé de chaleur mise en liberté par la combinaison d'une même quantité, soit I« carbone, soit d'hydrogène, soit de soufre, etc., avec une quantité donnée l'oxygène, n'est pas toujours la même ; le carbone, par exemple, à l'état Sfllé, produit en brûlant plus de chaleur que s'il est préalablement engagé ans une combinaison, telle que la cellulose, le sucre, etc. Il suit de là qua * combustion d'une substance composée produit une quantité de chaleur 'fférente de celle que fourntraientensemble les divers éléments qui la con- 'tuent s'ils étaient brûlés séparément; car, pendant la formation de ce "Qposé, il s'est dégagé une certaine quantité de chaleur qui repasse k l'état tent quand le corps se décompose, et qui est à défalquer de cdle que pro- 'Û la combustion des éléments du composé. Par conséquent, en général, la ^eur de combustion d'un composé est plus petite que la somme des cnal*** de combustion de ses éléments. Ce n'est que très exceptionnellement ""^ ! est égale ou supérieure à cette somme; le cas peut se presentei ,

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 composé, quelle que soit la rapidité avec laquelle le corps brûle, quels que soient aussi le nombre et la nature des états intermédiaires par lesquels il passe avant d'arriver à son maximum d'oxydation. Un gramme de carbone, par exemple, en passant directement et d*emblée h Tétat 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 à Favre et Silbermann et à M. Berthelot les recherches les plus étendnet et les plus exactes sur la chaleur produite par la combustiou des corps simples et des oorpi composés. Ces chimistes ont même remarqué que les corps simples possèdent des chaleon de combustion un peu différentes suivant leur état physique ; le fait est surtout msniJMit pour les diverses modifications allotropiques du carbone et du soufi*e.

[11 restait à déterminer la chaleur de combustion des substances alimentaires et âm produits d'excrétion du corps humain, afin de pouvoir calculer avec une approximstiai suffisante la chaleur développée dans Torganisme par les actions chimiques qui s*v aoooBplissent ; car nous avons vu que la chaleur de conû>U8tion d*un composé n*est pas égale a h somme des chaleurs de combustion de ses éléments composants. Les recheixhes réceateide M. Frankland sont venues combler la lacune que nous signalons.]

Le tableau suivant donne les résultats obtenus pour la chaleur dégagée par la ccwnh'niiwi de 1 kilogramme de combustible avec Toxygène [Les nombres imprimés en italifvem rapportent aux travaux de Frankland et supposent les substances à Tétat tec] ; les «atm ont été trouvés par Favre et Silbermann.

aois

DSt SUBtTAMCBt

DÉOAOÉI

PAS 1 KILOtfB. DB

COMBUSTIU.I

iOM

DR nvurtAKCMM

VÊêUBB

BéMtti 9ktL 1 mmau. m

Hydrogène

/ Charbon de bois.

^ , Charbon de sucre

Carbone ^ , .^ ^ ,

Graphite naturel

l Diamant. . . .

Oxyde de carbone. . . .

Soufre natif.

Soufre mou

Alcool méthylique (CH« 0)

AJcool étbylique (C< H«0)

Alcool amylique (C^ HiSQ),

Ether éthylique (C^ U«0O)

Acide acétique (C^ H^ 0?)

Acide butyrique (C* H» 0«)

Acide valérique (C^Hit^O').

Pommes de terre. . . .

Choux

Carotte

Pain (mie)

Jambon (maigre). . . .

Veau (maigre)

Merlan

Lait. .