PROPRIÉTÉS PHYSIQUES DES VAPEURS

I Mesure des forées élastiques des Tapeirs.

Hétiiodes de Daiton. — La mesure des tensions des vapeurs a été es travaux d'un grand nombre de physiciens ; ces tensions se mesurent

quand la vapeur est h saturation. Dalton, un des prei construit des tables de tension donnant pour chaque ture, la force élastique coi respondante. Il se servait areil (/î^. 683); il portait Te^u du manchon aune ture donnée par plusieurs thermomètres plongés à tes profondeurs, et la différence des hauteurs des » de mercure dans les deux tubes barométriques, ; à 0**, donnait la tension de la vapeur. Cette méthode

servir que jusqu'à 100°, au-delà le niveau dans le apeur descendant au-dessous de celui de la chaudière, imployait alors le petit appareil (fig. 702) ; la tension nnée par la différence de niveau ab dans les deux s, augmentée de la hauteur du baromètre. Cette ! n'est pas susceptible de précision, à cause de la i de connaître la température moyenne de la colonne de mercure ab, ramener à 0**. M. Regnault a reconnu aussi que la première, telle iployait Dalton, ne peut donner que des résultats approchés, à cause de ilté de rendre uniforme la température de la colonne d'eau du manchon. Q a imaginé une autre méthode, qui permet d'opérer avec les plus faibles s comme avec les plus fortes ; elle est fondée sur ce principe que la

Fig. 70«.

CHANGEMENTS D ETAT pES CORPS.

tension de la vapeur pendant Tébullition est égale à la pression extérieure. Le liquide est renfermé dans une cornue c (fig. 103) munie d*une tubulure à laquelle est adapté un thermomètre /. Le col delà cornue est incliné, et connmunique avec un ballon B, dans lequel on peut comprimer ou raréfier Tair, par le tube à robinet m. La pression de cet air est donnée par le manomètre b. T est un manchon, dans lequel on fait passer un courant d*eau froide. On commence par établir une certaine pression dans Tintéricur de Tappareil, puis oa fait bouillir le liquide, dont la température est donnée par le thermomètre /. La force élastique de la vapeur reste alors constamment égale à la pression qui règne dans l'appareil, car la vapeur produite est condensée au fur et à mesure, dans la partie du tube qu'enveloppe le i ff^ manchon T. Avec cette méthode, les observations se font facilement, au moment que l'on choisit, et sans qu'on ait à

Fig. 704.

se préoccuper de maintenir la température constante; c'est sans contredit la plus sûre et la plus commode.

969. Cas des bmsscs températures. — Gay-Lussac a employé la méthode suivante : le liquide est introduit dans un tube barométrique recourbé, comme on le voit en na (fig. 704). L'extrémité de la chambre vide plonge dans un mélange réfrigérant, et le liquide s'y rend tout entier par distillation (949). La vapeur prend alors la tension qui correspond à la température du mélange réfrigérant, température indiquée par un thermomètre, tandis que la tensioi est mesurée par la différence de niveau dans le tube h vapeur et dans le ba»mètre B. Gay-Lussac a reconnu ainsi que la glace produit de la vapeur, etipe sa force élastique est égale à celle de l'eau à la même température.

9VO. Expérieaees de Duionfl^ et Arayo. — L'emploi de la vapeur coDune force motrice, exige que l'on connaisse les températures qui correspondent i de fortes pressions. Au-dessus de 8 atmosphères on n'avait, avant 1839, ({^ les obsenations faites jusqu'à 20 atmosphères, par M. Arzberger, qui mesurât la pression en évaluant l'effort qu'elle devait faire pour soulever une soupape de sûreté. Malgré les soins apportés à la construction de cette soupape, ^

lénilUts ne pomraieni être qu'approehés. De plus, le thermomètre qui donnait la tmnpératare étant plongé dans la chaudière à vapeur, la compression lui faisait indiquer une température trop élevée.

En 18*29, Dulong et Arago, pour répondre à la demande faite par le gouvernement à TAcadémie des sciences de Paris, mesurèrent la force élastique de la vapeur d*eau jusqu\n ^4 atmosphères, en se servant d*un manomètre à air ** La fiQ, 705 représente Tappareil, imaginé par Dulong : c est une chaudière en tôle de 80 litres environ de capacité, formée d'une partie cylindrique et de deux parties hémisphériques, réunies par des boulons. On voit en h (fig, 706) le mode de jonction, et en ce, la manière dont est fixé, au moyen de boulons d'acier, le couvercle plan qui ferme la chaudière à sa partie supérieure. Des

l*oes de plomb interposées empêchent toutes les fuites. Cette chaudière avait

été^sayéeà une pression de 60 atmosphères; elle était munie d'une soupape

* sûreté, et disposée sur un fourneau d'une masse assez grande pour que les

^^n'aiions jg températures y fussent très lentes. Le couvercle de la chaudière

^fflmuniquait par un tube en fer avec un réservoir en fonte r (fig. 705), con-

*^oant du mercure, qui s'élevait d'autre part dans le manomètre à air w, et

*P^ le niveau s'observait dans le tube latéral n. Cette partie de l'appareil avait

déjà Servi à Dulong et Arago dans leurs- recherches sur les lois de la compres-

^'wUté de l'air ( I, 320), recherches entreprises à l'occasion de celles qui nous

^^^^pent. Le tube de communication tsr s'élève d'abord verticalement, puis

descend obliquement jusqu'au réservoir r. La partie oblique contient de l'eau,

^^ft^l continuellement refroidie par un courant d'eau, qui sort en 6, de manière

•P^ ce tube reste toujours plein, la vapeur s'y condensant lorsque le niveau

^^eut à baisser. Pour mesurer la température dans la chaudière, deux tubes de

* Annalei de chimie ei de physique, 3<^ série, t. XL111, p. 74.

CHANGEMENTS D ETAT DES CORPS

fer /, (' (fig. 705 et 706) plongent dans son intérieur; Tun s'enfonce dans l'eau, tandis que l'autre est seulement plongé dans la vapeur, ils sont remplis de mercure, dans lequel plongent deux thermomètres, qui sont ainsi présenés de la compression qui pourrait les briser ou fausser leurs indications. Ces deux thermomètres ont toujours été sensiblement d*accord ; la température de la vapeur a donc toujours été égale à celle de l'eau. La portion des tiges qui se trouvait hors des tubes /, f était courbée horizontalement (fig. 706) et entourée d'un manchon en verre T, dans lequel on faisait passer un courant d'eau.

Fig 706.

La température de cette eau étant donnée par un thermomètre o, on faisait b correction.

Voici comment se faisaient les expériences ; après avoir mis l'eau de la chaudière en ébullition, et chassé l'air par la soupape momentanément soulevée» on réglait les robinets d'écoulement de l'eau en tn,SetT; on chargeait le fourneau d'une quantité de combustible en rapport avec la température qo^ l'on voulait obtenir, et l'on attendait que la marche ascendante des thermomètres fût très lente ; quand elle avait atteint son maximum, on obserrait simultanément le manomètre et les thermomètres. Des observations faites quelques instants auparavant préservaient des erreurs de lecture. La pression était mesurée par la force élastique de l'air dans le manomètre, augmentée du poids de la colonne de mercure qui y était soulevée, comptée à partir du niieai dans le tube n ( fig. 705), diminuée enfin du poids d'une colonne d'eau ayait pour hauteur la distance des niveaux S et n. La pression n'a pu être poussée que jusqu'à 2-i atmosphères; au-delà, la chaudière laissait perdre l'eau parles joints. A 24 atmosphères, la température était de 224°. Voici le tableau des .résultats trouvés par Dulong et Arago. Les tensions qui correspondent aux températures supérieures à 224°, ont été calculées au moyen d'une fonntlf d'interpolation que nous indiquerons plus loin (974). Les températures soti données par le thermomètre à mercure :

PRESSION

TEMPÉRATURE

PRESSION sur 4 centim. carré

itmospbères.

en mercure à 0^,

en kilog.

. Expérienees de H. Reffiiauit. — Le travail le plus étendu que Toû sur les tensions des vapeurs dans les basses températures et dans les svées, est celui de M. Regnault. C'est aussi le plus remarquable, tant perfection des appareils que par l'exactitude des méthodes. Pour les tempes inférieures àO'', M. Regnault a employé la méthode de Gay-Lussac, servant pour refroidir le tube à vapeur, d'un mélange de neige et de e de calcium, qui étant liquide, peut être agité, de manière que la tempéest mesurée avec plus de sûreté.

CHANGEMENTS D ETAT DES CORPS

M. Regnatïlt a reconnu, comme l'avait fait Gay-Lussac, qne la yapenr fournie

par l'eau à l'état liquide ou solide présente les mêmes tensions pour les mêmes

températures ; il a constaté, en opérant de 0** à — 32** , que la courbe construite

en partant de ces expériences, présente une continuité parfaite avec celle que

donnent les tensions prises au-dessus deO®. Des

expériences faites sur Vhydrocai-bure de brome^

la benzine et surtout sur l'acirf^ acétique timo-

hydraté, ont conduit à la même conclusion. La

dernière substance, qui fond à 16°, peut rester

"Ute==sg~^ 1 liquide au-dessus de^ ce terme, môme quand on

I f^ H fin '*^êi^^) ^^ 4"i permet d'opérer facilement aux

Bi r^jhpH jVj^ mômes températures sur la substance liquide et

va ^ J^ jfl I solide. La courbe des tensions données par l'acide

1 1^ JLJH 1 [ solide a été d'abord un peu au-dessus de celle qui

,^PpjlP^p[}i. correspondait à l'acide liquide; mais la substance

ayant été distillée sur de l'acide pliosphoriqae

anhydre, pour lui enlever l'eau en excès qu'elle

pouvait contenir, la courbe correspondante à l'acide

solide s'est trouvée au contraire inférieure à l'autre;

c'est qu'il se forme un peu d'acétone, pendant II

distillation. M. Regnault admet donc que les courbes

coïncideraient, si la substance était pure ; à rêUl

liquide, l'eau en excès ou l'acétone sont disséminés

dans la masse et n'exercent pas d'action sensible

sur la tension ; mais, à l'état solide, la substance

étrangère se sépare en partie, et son influence

sur la tension devient plus prononcée.

Pour les températures comprises entre 0° et 50°, M. Regnault a d'abord

employé la méthode de Oalton, en la débarrassant des causes d'erreur qui b

rendent inexacte ' .

La pg. 707 représente la disposition adoptée: le baromètre t' et le tube i vapeur ^ aussi semblables que possible, sont plongés dans une môme cuvette munie d'une vis à deux pointes o, destinée à faciliter la vérification du baro* mètre t'. Ces tubes traversent des tubulures garnies de caoutchouc, placécsa» fond d'une caisse V en tôle galvanisée, portant antérieurement une glace verticale h travers laquelle on aperçoit le haut des tubes /, /'. La caisse est rempli* d'eau qu'on agite continuellement, et dont on maintient la température corstîinte au moyen d'une lampe à alcool, quand cette température est plus élevée que celle de l'air. On mesure au rathétomètre la différence de niveau dans les deux tubes, et l'on ramène la hauteur h 0°. Il est évident qu'il faut que If niveau du mercure dans le tube a vapeur se trouve toujours dans l'intérieur de la caisse.

Fig 707.

Annales de chimie et de physique, 3« ^(^rie, t. XI, p. t73.

MEStHE m LA TmsmH DES VAPEUES,

Daii^ \ine autre série d'expérienccii, M. Ik-gnaiilt a procédé de b manière iisaï^W : lin ballon B, de 500*^™ cubns environ (/?//. 707), renferme une petite mpowW etiliérement remplie de liquide purgé d',iir. Ce ballon eommunique wecune tubulure en t'iiivrc h trois branthrs e. La brancUe antérieure est liîtée ïi un Inbp recourbé soudé a l*extr^mité du tube a vapeur /, et la tubulure supérieure ^erl a îiieltre le ballon en rommuniralîûn avec une niacbine pneumatique, par rinlt'rmédiaire de tubes n remplis de lionce sulfurifiiie. Après avoir bien (îeii&échr l'appareil, en faisant le vide et laissant rentrer Tair un j^frand nombre de (m, m\ fait une dernière fois le vide aus^i exactement que possible» puis on fernitf à la iarape le tube ci. On enveloppe ensuite le ballon II, de glace fondante, H Ion mesure la tension de Tair ser qui est reste dans le ballon^ en relevant au c;Uhétomêtre la différence des colonnes dans les tubes r el i\ Ou enlève fistule la ^hce, et» chauffant le ballon avec quelques charbons' on fait éclater fampoule. On remplit ensuite

'iS

k aisse V, d'eau que l'on ihaiitîe a diverses températures; la tension de la vapeur fet donnée par la <liiïérence &5 colonne?, diminuée de ïa ^pression produite par l'air ipii reste dans le ballon, et la température est indiquée [»ar un thermomètre 1\ pion :é dans le bain , qu'on agite tivement.

Pour les tempéiaturcs inférieures à 0", la caisse V îst remplacée par un \ase de *iTe qui entoure le ballon !^ul, et dans lequel on met tne dissolution de flili»rure le calcium, dont on abaisse progressivement ïa températtu^e en y projetant de * glace. Cette mélbode peut servir aussi pour des liquides autres que l'eatt: ^s Rjfpérienees faites sur le mercure ont donné pour la tension delà vapeur ^ ce liquide à 50° et h iW, un peu moins de 0"""J et 0""«,5, en admettant ûe fe mercure ne donne pas de vapeurs appréciables â 0°.

Séfhodc pnr i^buiitiion. — M. Reguault a aussi employé la métbode de '*ihm par rébullition.d'ne chaudière en cuivre a [fifj. 70H) communique par fï tube oblique, avec un ballon B de ^i litres de capacité, renfermé ïîans un Sservoir R contenant de l'eau h U température ambiante. Le tube oblique est ïliîorj d'un manchon T, dans lequel on fait circiiler de Tcaii froide qui entre ^ 0 et sort en o\ Le ballon est surmonté d'un ajutage à deux brandies, dans Une desquelles on mastique le tube de Tappareil manomélrique 1, tandis que littrisr mi uii&e en communication avee une machine pneumatique ou une

Fig. 708.

CHANGEMENTS D ETAT DES CORPS

pompe de compression, au moyen desquelles on peut établir dans tout l'appareil la pression que Ton veut, pression mesurée au moyen du manomètre I. La température de l'eau renfermée dans la chaudière a est donnée par quatre thermomètres plongeant dans des tubes en fér remplis de mercure Deux de cestube^ s'enfoncent dans Teau bouillante, et les deux autres, seulement dans la vapeur, comme on le voit dans la coupe de la chaudière, figurée en A. Ces thermomètres ont toujours marché d'accord. Pour corriger leurs indications de Terreur provenant de la partie non plongée, M. Regnault prenait pour la température de cette partie, celle qui était donnée par un petit thermomètre suspendu entre les tiges. Cette méthode a donné les mêmes résultats que la précédente pour km températures communes.

Voici le tableau des résultats obtenus par M. Regnault jusqu'à 100** :

TEMPÉ-

FORCE

TEMPÉ-

FORCE

TEMPÉ-

FORCE

TEMPÉ-

FORCE 1

RATURE

élastique.

RATURE

élastique.

RATURE

élastique.

RATURE

élasUqoe. 1

iVS. Expériences dane les hmutes pressions. — Ces expériences ont été faites par le procédé qui précède, seulement Tappareil était de plus grandes dimensions, et susceptible d*une bien plus grande résistance ^ La chaudière était celle qui est figurée à la page 253, seulement elle n'avait pas encore été percée en R. Le couvercle porte trois tubes de fer remplis d*huile de lin, dont deux reçoivent des thermomètres à mercure, que Ton a soin d'enfoncer de manière que le mercure ne dépasse qu à peine le couvercle, et le troisième, plus gros que les autres et plongé seulement dans la vapeur, contient le réservoir d'un thermomètre à air (224). Le ballon B (fig, 708 ) est remplacé par un réservoir en cuivre très fort, de 280 litres de capacité, communiquant par sa partie inférieure avec la chaudière, au moyen d'un tube entouré d'un manchon dans lequel circule de l'eau froide. A sa partie supérieure est une tubulure d'où partent deux tuyaux, dont l'un communique avec une machine à comprimer l'air, et l'autre communique avec le manomètre à air libre qui avait déjà servi à M. Regnault, dans ses recherches sur la loi de Mariette, et que l'on loil à gauche de la fig, 710, page 372.

Voici maintenant la manière générale d'opérer : l'eau de la chaudière étant .près de bouillir, on comprimait de l'air dans le réservoir en cuivre, et au moyen delà pompe à eau P, on poussait le mercure dans le tube M (fig. 710), de inaniére que ce liquide arrivât dans le tube un', près d'un* repère marqué à sa partie inférieure. Plusieurs expérimentateurs obsen^aient ensuite avec uoe multitude de soins, les thermomètres, et les positions des niveaux du inercure dans les tubes M et nn\

H. Regnault a pu opérer ainsi Jusqu'à 28 atmosphères. A 30 atmosphères, la chaudière était tellement distendue, que le boulon qui réunissait les barres de l'armature à la partie inférieure se rompit. Il eût été imprudent d'aller in-delà. Nous donnons plus loin le tableau des principaux résultats.

•73. Expérienees de H. Magnas. — Nous citerons enfin les expériences , de M. Magnus, faites au moyen d'un appareil de petites dimensions, suscept3)le de supporter des pressions supérieures à celles de l'atmosphère^. Cet ippareil consiste en un tube U, dont une des branches terminée par une boule est remplie d'eau bien purgée d'air, que du mercure sépare de l'autre branche. Cell^-ci communique avec une machine pneumatique ou une pompe à comprimer l'air. Le tube en U est plongé dans un bain, dont on fait varier la température. Un thermomètre à air, dont le réservoir bifurqué embrasse le tube en U, donne cette température. On commence, dans chaque expérience, par établir dans l'appareil une pression déterminée, mesurée sur un manomètre, et l'on observe la température indiquée par le thermomètre à air. M. Magnus a opéré ainsi jusqu'à 111°.

1 Mémoires de l'Académie des sciences de PariSy t. XXI , p. 538.

2 Annales de chimie et de physique^ 3« série, t. XII, p. 69.

366 CHANGEMENTS D'ÊTAT DES CORPS

9^4. ConstmctioiiB s^raphiqoes et formules d*iBterpohiti«B. — U

force élastique de la vapeur A saturation croit très rapidement avec la température. On n'a pu saisir jusqu'à présent la loi théorique qui lie ces deux quantités. Dalton avait proposé la loi suivante : les tensions des vapeurs rm$$aA suivant une progression géométrique lorsque les températures croissent en fngression arithmétique. Mais les expériences de M. Regnault montrent que cette loi n'est vraie qu'entre des limites de température assez rapprochées.

Il faut alors, pour saisir la marche du phénomène, employer la méthode graphique. C'est ce qu'a fait M. Regnault en représentant les températures par les abeisses, et en employant les précautions que nous avons déjà fait coih naître (847). I.a courbe une fois tracée sur la planche de cuivre, on s'en sert pour trouver la valeur de la tension correspondant à une température donnée.

Formules d'interpolation — Un moyen d'arriver à ce dernier résnlli consiste à employer les formules d'interpolation ; on en a proposé un granJ nombre. De Prony a adbpté une expression de la forme F=fla'+6j3'-i-cy-f-..M et il a calculé les constantes au moyen dos expériences de Bélancouil. Le D' Yon^yi: a proposé la formule F = (a-f-t/)»*. Dulong et Arago ont représenté la force élastique F par l'expression F= (l-+-07î53/)\ dans laquelle / repré-, sente la température comptée positivement ou négativement à partir de W. La constante unique que renferme cette formule, a été déterminée au moyen de l'observation faite sous la plus forte pression. M. Regnault a trouvé que cette formule, qui a servi à calculer les résultats qui dépassent 2i atmosphères, dass le tableau de la page 301 , représente bien les données de l'observation à partir de 100°, mais au-dessous, elle se trouve en défiiut. M. Roche a proposé li t

formule F= a a "*""'' , à laquelle il a été conduit par le calcul, et à laqi* sont aussi arrivés, de leur côté, MM. Clapeyron, August, de Wrede, Iloltznwuo. M. Regnault, au(juel nous empruntons ces citations, a trouvé que cette formule, qui ne contient que trois constantes, représente les résultats qu'il a trouvés, avec une exactitude remarquable, dans une grande étendue de l'écliellf therniométrique, et qu'elle s'applique aussi à la vapeur d'élher et à rellf d'alcool. Knfin, de Prony a proposé l'expression

log Fr:=a-f■6a^+cjS^

qui donne le logarithme de la force élastique, et a été appliqué, en 1844, ^ M. Biot, à la vapeur d'eau.

C'est cette formule que M. Regnault a adoptée; elle représente bien l'ensemble de toutes ses observations entre — SO"" et ^32°. Pour calculer les cini constantes, il s'est servi des températures — 20°, iO°, 100°, 160% 2iO^ et des tensions F corre^pondaIlles 0™™,91 ; 5i™'",91; TGO"™; iGôî"""/'; 1731)0™™.

Le tableau suivant renferme une comparaison des nombres calculés par celte formule avec ceux que donne la construction graphique :

SRMOMÈTRE