CHALEUR PHÉNOMÈNES GÉNÉRAUX

Afin de faciliter l'étude des divers changements que produit la chaleur sur les corps qui sont soumis à son action, il nous parait utile de donner quelques définitions et quelques formules résultant d'expériences qui ont été faites au sujet de cet agent sur divers corps soit à l'état solide, gazeux ou liquide :

On donne le nom de calorique à un fluide éminemment subtile, impondérable et incoercible auquel on attribue tous les phénomènes de la chaleur. Les principaux phénomènes créés par la chaleur sont :

i^ Lorsqu'un corps A possède la propriété de nous faire éprouver d'une manière quelconque des senscitions de chaleur, il émet donc du calorique autour de lui, il en rayonne dans toutes les directions, et la portion de son calorique qu'il émet de toutes parts est appelé calorique rayonnant;

2** Lorsqu'un corps B est situé dans le voisinage du corps A porté à un certain degré de température, ce corps B acquerra, au bout d'un certain temps, les mêmes propriétés que le corps A. Ces propriétés lui seront communiquées par contact ou par rayonnement, selon le cas où ces deux corps seront en contact ou situés à une certaine distiincc.

Tous les corps ne possèdent pas au même degré la même facilité de se laisser pénétrer par le calorique et pour cette raison on les classe en corps bons conducteurs ou corps mauvais conducteurs;

3° Le calorique est susceptible d'opérer le changement d*état des corps. C'est-à-dire qu'en pénétrant et en s'accumulant dans leur masse, il les fera passer de l'état solide à l'étiit liquide, et de l'état liquide à l'état gazeux. Ce phénomène de changement dans l'étal des corps résulte de ce que le calorique introduit dans leur masse agit comme force répulsive, et que la lutte qui s'établit entre cette

RÉGULATION 603

force et la force attractive moléculaire appelée force de cohésiouy est ce qui détermine Vétat solide, liquide ou gazeux d'un corps quelconque; ce qui fait que dans les solides la force de cohésion serait supérieure à la force répulsive du calorique, tandis que dans les liquides, l'équilibre aurait à peu près lieu, et enfin que dans les gaz la force répulsive remporterait sur la force attractive; explications qui sont parfaitement justifiées pour les solides, par la propriété qu'ils offrent de présenter une grande résistance à la séparation de leurs molécules; pour les liquides par leur grande mobilité, et enfin pour les gaz, par leur tendance à augmenter constamment de volume par l'action d'une source de calorique.

On appelle fusion d'un corps le passage de l'état solide de ce corps à l'état liquide;

4^ Si le corps soumis à l'action de la chaleur est composé, il peut arriver que ses éléments hétérogènes se séparent et dans ce cas, la force répulsive du calorique anéantit la force attractive qui s'exerce entre les molécules hétérogènes en éloignant ces molécules à des distances telles que cette force ne puisse plus s'exercer. On dit alors qu'il y a décomposition;

5® Lorsqu'on accumule du calorique dans un corps, toutes ses dimensions sont augmentées et l'on donne à cet accroissement le nom de dilatation, La dilatation est linéaire, superficielle ou cubique selon qu'on veut désigner l'accroissement en longueur, en surface ou en volume. Lorsqu'un corps abandonne du calorique au contraire ses dimensions sont diminuées et l'on donne à cette diminution le nom de contraction.

Les contractions ont les mêmes valeurs que les dilatations pour les mêmes variations dans les états calorifiques des corps ; c'està-dire qu'un corps en restituant le calorique qu'il a absorbé reprend exactement ses dimensions primitives. C'est ce qui a valu au calorique le nom de fiuide éminemment élastique.

thermomètre; degré; température

On appelle thermomètre un appareil destiné à rendre sensibles les variations qu'éprouve la quantité de calorique contenue dans un corps. On ne saurait vouloir déterminer la quantité absolue de calorique que les corps contiennent, car on ne peut parvenir à les en priver complètement. Mais l'entrée du calorique dans ces corps ou sa sortie peuvent être mesurées, et tel est le but du thermomètre. Cet appareil est fondé sur la propriété dont jouissent les corps de se dilater par la chaleur. Tous les corps peuvent donc servir à cet usage ; mais en tenant compte des dilatations de chaque corps, on reconnaît que celles des solides sont petites et ne peuvent, par conséquent, être employées que

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pour des variations calorifiques très grandes ; les dilatations des gaz sont grandes et ne sont propres qu*À mesurer de petites variations. Tandis que les liquides ayant des dilatations intermédiaires sont préférés pour les usages ordinaires, le mercure, A cause de sa dilatation constante a été choisi à Texclusion de tout autre liquide.

Les deux phénomènes suivants servent de base à la graduation du thermomètre.

1^ Lorsqu'on plonge un corps dans le bain d'un solide en fusion, les dimensions de ce corps varient jus-

Iqu'à une certaine limite qu'elles ne dépassent pas tant qu'il reste du solide à fondre; et si Ton alimente sans cesse le bain du solide qui le forme, la chaleur ou quantité de calorique à laquelle on le soumet est employée à opérer le changement d'état de ce solide et n*élève point Pétat calorifique du bain, de sorte que les dimensions du corps qui y est plongé acquièrent une certaine valeur correspondant à la chaleur de ce bain, mais qui reste invariable tant que le solide n'est pas entièrement fondu ;

29 Lorsqu'on pionge un corps dans un liquide qui se réduit en vapeur, ce corps acquiert un volume qui reste constanttantqu'ilyadu liquide à vaporiser ; ce qui prouve que la chaleur communiquée au liquide est employée à opérer son changement d'état et non à hausser ses propriétés calorifiques. Ces deux propriétés servent à déterminer les deux points fixes de la graduation des thermomètres.

Le thermomètre se compose d'un tube A, en verre ou en cristal terminé à sa partie inférieure par une sphère ou par une partie cylindrique B d'un diamètre un peu plus grand que celui du tube. Cette sphère ou cette partie d'un diamètre un peu plus grand est remplie de mercure ainsi qu'une certaine hauteur du tube. Le tube peut porter l'échelle de graduation indiquant les variations de la température, ou une échelle placée longitudinalement au tube et indépendante de ce dernier peut porter cette graduation. La construction d'un thermomètre comprend trois opérations distinctes : !• le calibrage; 29 le remplissage; 3« la graduation.

i^ La callbration du tube, c'est-à-dire la régularité des hauteurs du tube pour le même volume du liquide mercure ou alcool ; et pour s'assurer de cette régularité dans le tube, on y introduit une colonne de mercure de 2 à 3 centimètres que Ton a soin de main-

Plg. 472.

tenir à zéro et que Ton promène dans le lube, si le tube est régu* lier dans sa forme chaque déplacement de la colonne de mercure dans les diverses parties du tube doit donner la même hauteur. Pour vérifier la constance de ces hauteurs, on se sert d'une règle graduée en millimètres sur laquelle est appliqué le tube, par cette disposition on peut donc évaluer à 1/tO de millimètre près la hauteur de la colonne de mercure. Toute erreur dans les hauteurs serait un indice que le tube a des capacités inégales pour des hauteurs égales et dans ce cas, il ne pourrait être employé. On se rend compte des hauteurs en collant une bande de papier le long du tube et en marquant un trait au crayon en regard des divers points occupés successivement par les extrémités de la colonne. Les divisions ainsi obtenues doivent nécessairement indiquer des capacités égales, puisqu'elles sont ducs à un même volume de mercure; le tube reconnu régulier peut être rempli.

2^ Rempliisage. — Pour remplir le tube, on soude à Tune de ses extrémités un entonnoir de verre, cela fait, on incline légèrement le tube et Ton chauffe à la lampe la partie inférieure renflée du tube, on remplit de mercure l'entonnoir, Tair se dilatant sous rinfluence de la chaleur de la lampe le mercure descend dans le tube; on chauffe également la partie cylindre du tube afin de faciliter le remplissage et d'expulser complètement, et Ton répète plusieurs fois cette opération jusqu'au remplissage du tube. Cette opération terminée, on chauffe suffisamment le tube de manière à amener le mercure en ébullition, on dessoude Tentonnoir, les vapeurs du mercure humide chassent Pair et une partie du mercure contenue dans le tube afin que le mercure puisse se dilater; on ferme l'extrémité du tube à la lampe. Gomme dans la pratique des opérations, jamais le mercure ne sera porté à Tébullition, la colonne libre du tube qui est privée d'air sera toujours plus que suffisante pour permettre les variations de volume à des températures intermédiaires.

30 Graduation du thermomôtre. — En tenant compte des deux observations précédentes, relatives aux changements que subit un corps plongé dans un bain d'un corps en fusion ou d'un liquide qui se vaporise, nous pourrons facilement déterminer les deux points fixes de la graduation. Par le fait de rexpérience, il est acquis que la température de la glace reste constante quelle que soit l'intensité et la nature de la source de chaleur, pendant la fusion, tant qu'il y aura de la glace en excès à fondre, et que d'autre part dans les mêmes conditions que pour la glace, l'eau distillée soumise à une source de chaleur suffisante, conserve toujours la même température tant qu'il y aura de l'eau à vaporiser. D'après ces faits pratiques établis, on a pris pour point

de départ de la graduation, le point correspondant à la température de la glac« fondante, et ce point a été marqué zéro; puis pour second point fixe, le point correspondant à Tébullition de Teau distillée, correspondant à une pression de 0",76 ; ce repère a été marqué 100. Les moyens employés pour déterminer les deux points fixes 0 et 100 sont très simples : Pour le premier, il suffit de placer le thermomètre dans un récipient rempli de glace pilée et percé à sa partie inférieure d'un petit orifice qui permettra l'évacuation de Teau résultant de la fusion de la glace. L'expérience devant durer jusqu'à ce que la fixité de la colonne de mercure soit assurée. Ce point de repère 0^ tel que nous venons de l'obtenir est arbitraire, car, son point de fixation n'indique pas que le milieu dans lequel est plongé l'instrument est dépourvu de toute chaleur, correspondant à un repos absolu des mollécules entre elles. Mais c'est au point de cet arrêt, de cette fixité de la colonne de mercure que Ton marque sur une bande de papier collée sur le tube que l'on trace au crayon le point 0 de l'instrument ou de l'échelle ; mais ainsi que nous allons le prouver, on verra combien ce repère 0^ pourrait être abaissé pour correspondre au 0^ absolu. C'est-à-dire au point où la température correspondrait à l'absence complète de chaleur dans le corps et par conséquent à la cessation complète du mouvement vibratoire de ses molécules.

Pour déterminer à quel degré de l'échelle centigrade correspond le 0 absolu, on remarque que le coefficient de la dilatation de l'air correspondant est de 0,00366 de 0*^ à 100^ et pour un

degré centigrade équivaut à la fraction -^z^ ; car 0,00366 =

Fig. 473.

10.000 "~ 10.000 "~ 273 Cela admis, et à la température du 0^ centigrade soient 1 centimètre volume d'air, et F sa force élastique; à t degrés, son volume sera (1 +at) et sa force élastique F (1 +at); les forces élastiques croissant à volume constant dans le rapport de i à (i-\-at); si Ton admet qu'à la température du 0 absolu, l'air soit encore un gaz parfait, no soit pas liquéfié et, par conséquent, toujours soumis à la loi de Mariotte, la formule F (1 -\-at] représente encore sa force élastique, cette dernière sera nulle puisque tout mouvement vibratoire des molécules sera nul ; il faut donc

que l'on ait F (1 -{- at)=0 d'où t = = — 273, en remplaçant a

par sa valeur, ce sera donc à moins 273° que correspondront le 0 absolu si la loi de Mariotte restait applicable, et les températures comptées à partir de ce point seraient dites températures absolues. En désignant par t une température centigrade et par T la température absolue, on a T — i + 273.

Détermination du point 100. — Ce deuxième point est obtenu de la manière suivante : Dans un appareil composé d'un récipient cylindrique A sont superposés deux autres cylindres B et C, le cylindre B étant fermé à ses deux extrémités et enveloppant le cylindre G ouvert à sa partie supérieure, et dans lequel est suspendu un cylindre D représentant le thermomètre à graduer; comme on le voit le tube thermomctrique plonge dans la vapeur à 100<* renfermée à la partie supérieure du cylindre A. Sur le cylindre B est fixé la tubulure F d'échappement de la vapeur et dans une boîte à étoupe E le tube barométrique E servant de manomètre indicateur de la pression dans les cylindres A et B. Tout l'appareil étant placé sur un fourneau G, on le chauffe de façon à produire TébuUition de Teau, la vapeur se produisant à la pression atmosphérique actuelle, elle entoure le tube t thermométrique, le mercure se dilate, et lorsque sa position est stationnaire on marque par un trait cette position sur la bande de papier et on inscrit le chiffre 100 qui est le deuxième point de l'échelle; mais pour que la position de ce chiffre soit exacte, il faut que la pression atmosphérique soit égale à 0"*,76 ce qui n'existe pas toujours. Gette condition est indispensable : car, comme nous le verrons, avec une pression supérieure ou inférieure à 0,76 on peut retarder ou avancer le point d'ébullition et par conséquent augmenter ou diminuer la pression et par conséquent la température de la vapeur. 11 faut donc opérer une correction.

Par des observations répétées, il a été observé que quand la colonne barométrique monte ou descend de 27 millimètres, la température de l'eau ou de la vapeur s'élève ou s'abaisse de i^ et

par suite de -^ de degré par degré. Si l'on suppose au moment

de l'expérience que la pression atmosphérique est de 766 millimètres; c'esl>à-dire supérieure de 6 millimètres à la pression normale» la température correspondante d'après les faits obser-

vés sera donc de 100 -f -^ x 6 = lOO» + -^ .

Fig. 474.

608 MACHINES A VAPBUB MARINES

Construction de réchelle. — Les deux points fixes étant arrêtés, on divise la hauteur qui les sépare en 100 parties égales que Ton nomme degrés et Ton continue ces divisions au-dessus du point iOO et au-dessous du zéro. L'ensemble de ces divisions constitue Véchelle thermométrique.

Différentes échelles thermométriqaes. — Il existe trois échelles thermométriques : réchelle centigrade, l'échelle Réaumur et l'échelle Fahrenheit.

i^ L'échelle centigrade est celle dont la construction vient d*être indiquée, elle est due au physicien Suédois Celsius et adoptée généralement en France.

2^ La seconde échelle est dite de Réaumur physicien Français; dans cette échelle le point zéro correspond à la glace fondante, et celle de Teau bouillante la distance entre les deux points est partagée en 80 parties ou degrés ; par conséquent pour convertir les centigrades en Réaumur, il suffît de remarquer que 1® Réaumur = » = -T" de degré centigrade et réciproquement 4® centigrade =:-rrr;r- = — - Réaumur; donc pour convertir un nombre de degrés Réaumur en degrés centigrades, il faudra multiplier ce nombre par -7- ; de même pour convertir des degrés centigrades en degrés Réaumur, il faudra multiplier les centigrades par-i.

3<> L'échelle Fahrenheit généralement employée en Hollande, en Angleterre et en Amérique est graduée de la façon suivante : le point fixe supérieur correspond également à la température de Teau bouillante, maïs le zéro qui correspond au degré de froid s'obtient en mélangeant des poids égaux de sel ammoniac pilé et de neige ; la distance verticale entre ces deux points est divisée en 212 degrés. Le thermomètre plongé dans le mélange d'ammoniac et de glace fondante marque ZÙ°.

Pour convertir cette échelle en centigrades et en Réaumur, il suffira de remarquer que 100<» G équivalent 212 F — 32® on a idû9.

10 G vaut donc -j-^ ou -r- F et réciproquement 1<»F= -~r-