_Des Appareils relatifs à la mesure du Calorique._
_Description du Calorimètre._
L'Appareil dont je vais essayer de donner une idée a été décrit dans un
mémoire que nous avons publié M. de la Place & moi dans le recueil de
l'Académie, année 1780, page 355. C'est de ce mémoire que sera extrait
tout ce que contient cet article.
Si après avoir refroidi un corps quelconque à zéro du thermomètre, on
l'expose dans une atmosphère, dont la température soit de 25 degrés
au-dessus du terme de la congélation, il s'échauffera insensiblement
depuis sa surface jusqu'à son centre, & se rapprochera peu-à-peu de la
température de 25 degrés qui est celle du fluide environnant.
Il n'en sera pas de même d'une masse de glace qu'on auroit placée dans
la même atmosphère: elle ne se rapprochera nullement de la température
de l'air ambiant, mais elle restera constamment à zéro de température,
c'est-à-dire, à la glace fondante, & ce, jusqu'à ce que le dernier
atôme de glace soit fondu.
La raison de ce phénomène est facile à concevoir: il faut pour fondre
de la glace, & pour la convertir en eau, qu'il s'y combine une certaine
proportion de calorique. En conséquence, tout le calorique des corps
environnans s'arrête à la surface de la glace où il est employé à la
fondre: cette première couche fondue, la nouvelle quantité de calorique
qui survient en fond une seconde, & elle se combine également avec
elle pour la convertir en eau, & ainsi successivement de surfaces en
surfaces, jusqu'au dernier atôme de glace qui sera encore à zéro du
thermomètre, parce que le calorique n'aura pas encore pu y pénétrer.
Que l'on imagine d'après cela une sphère de glace creuse, à la
température de zéro degré du thermomètre; que l'on place cette sphère
de glace dans une atmosphère, dont la température soit, par exemple,
de 10 degrés au-dessus de la congélation, & qu'on place dans son
intérieur un corps échauffé d'un nombre de degrés quelconques: il suit
de ce qu'on vient d'exposer deux conséquences; 1º. que la chaleur
extérieure ne pénétrera pas dans l'intérieur de la sphère; 2º. que
la chaleur d'un corps placé dans son intérieur ne se perdra pas non
plus au-dehors; mais qu'elle s'arrêtera à la surface intérieure de la
cavité, où elle sera continuellement employée à fondre de nouvelles
couches de glace, jusqu'à ce que la température du corps soit parvenue
à zéro du thermomètre.
Si on recueille avec soin l'eau qui se sera formée dans l'intérieur
de la sphère de glace, lorsque la température du corps placé dans
son intérieur sera parvenue à zéro du thermomètre, son poids sera
exactement proportionnel à la quantité de calorique que ce corps aura
perdue, en passant de sa température primitive à celle de la glace
fondante; car il est clair qu'une quantité double de calorique doit
fondre une quantité double de glace; en sorte que la quantité de glace
fondue est une mesure très-précise de la quantité de calorique employée
à produire cet effet.
On n'a considéré ce qui se passoit dans une sphère de glace que pour
mieux faire entendre la méthode que nous avons employée dans ce genre
d'expériences, dont la première idée appartient à M. de la Place. Il
seroit difficile de se procurer de semblables sphères, & elles auroient
beaucoup d'inconvéniens dans la pratique; mais nous y avons suppléé au
moyen de l'appareil suivant, auquel je donnerai le nom de calorimètre.
Je conviens que c'est s'exposer à une critique, jusqu'à un certain
point fondée, que de réunir ainsi deux dénominations, l'une dérivée du
latin, l'autre dérivée du grec; mais j'ai cru qu'en matière de science
on pouvoit se permettre moins de pureté dans le langage, pour obtenir
plus de clarté dans les idées; & en effet je n'aurois pu employer un
mot composé entièrement tiré du grec, sans trop me rapprocher du nom
d'autres instrumens connus, & qui ont un usage & un but tout différent.
La figure première de la planche VI représente le calorimètre vu
en perspective. La figure 2 de la même planche représente sa coupe
horisontale, & la figure 3 une coupe verticale qui laisse voir tout
son intérieur. Sa capacité est divisée en trois parties; pour mieux
me faire entendre, je les distinguerai par les noms de _capacité
intérieure, capacité moyenne, & capacité extérieure_. La capacité
intérieure _ffff_, _fig. 3, pl. VI_, est formée d'un grillage de
fil de fer, soutenu par quelques montans du même métal; c'est dans
cette capacité que l'on place les corps soumis à l'expérience: sa
partie supérieure LM se ferme au moyen d'un couvercle GH représenté
séparément, _figure 4_. Il est entièrement ouvert par-dessus, & le
dessous est formé d'un grillage de fil de fer.
La capacité moyenne _bbbbb_, _figures 2 & 3_, est destinée à contenir
la glace qui doit environner la capacité intérieure, & que doit fondre
le calorique du corps mis en expérience: cette glace est supportée &
retenue par une grille _mm_ sous laquelle est un tamis _nn_; l'un &
l'autre sont représentés séparément, _figures 5 & 6_. A mesure que la
glace est fondue par le calorique qui se dégage du corps placé dans
la capacité intérieure, l'eau coule à travers la grille & le tamis;
elle tombe ensuite le long du cône _ccd_, _figure 3_, & du tuyau _xy_,
& se rassemble dans le vase F, _figure 1_, placé au-dessous de la
machine; _u_ est un robinet au moyen duquel on peut arrêter à volonté
l'écoulement de l'eau intérieure. Enfin la capacité extérieure _aaaaa_,
_fig. 2 & 3_ est destinée à recevoir la glace qui doit arrêter l'effet
de la chaleur de l'air extérieur & des corps environnans: l'eau que
produit la fonte de cette glace, coule le long du tuyau _s_T que l'on
peut ouvrir ou fermer au moyen du robinet _r_. Toute la machine est
recouverte par le couvercle FF, _fig. 7_, entièrement ouvert
dans sa partie supérieure, & fermé dans sa partie inférieure; elle est
composée de fer-blanc peint à l'huile pour le garantir de la rouille.
Pour mettre le calorimètre en expérience, on remplit de glace pilée la
capacité moyenne _bbbbb_, & le couvercle GH de la capacité intérieure,
la capacité extérieure _aaaa_, & le couvercle FF, _figure 7_, de toute
la machine. On la presse fortement pour qu'il ne reste point de parties
vuides, puis on laisse égouter la glace intérieure; après quoi on ouvre
la machine pour y placer le corps que l'on veut mettre en expérience,
& on la referme sur le champ. On attend que le corps soit entièrement
refroidi, & que la glace qui a fondu soit suffisamment égoutée; ensuite
on pèse l'eau qui s'est rassemblée dans le vase F, _fig. 1_: son poids
est une mesure exacte de la quantité de calorique dégagée du corps,
pendant qu'il s'est refroidi; car il est visible que ce corps est
dans la même position qu'au centre de la sphère dont nous venons de
parler, puisque tout le calorique qui s'en dégage est arrêté par la
glace intérieure, & que cette glace est garantie de l'impression de
toute autre chaleur, par la glace renfermée dans le couvercle & dans la
capacité extérieure.
Les expériences de ce genre durent quinze, dix-huit & vingt heures;
quelquefois pour les accélérer, on place de la glace bien égoutée
dans la capacité intérieure, & on en couvre les corps que l'on veut
refroidir.
La figure 8 représente un seau de tôle destiné à recevoir les corps sur
lesquels on veut opérer; il est garni d'un couvercle percé dans son
milieu, & fermé avec un bouchon de liége, traversé par le tube d'un
petit thermomètre.
La figure 9 de la même planche représente un matras de verre dont le
bouchon est également traversé par le tube d'un petit thermomètre, dont
la boule & une partie du tube plonge dans la liqueur; il faut se servir
de semblables matras toutes les fois que l'on opère sur les acides, &
en général sur les substances qui peuvent avoir quelque action sur les
métaux.
_RS_, _figure 10_, est un petit cylindre creux que l'on place au fond de
la capacité intérieure pour soutenir les matras.
Il est essentiel que dans cette machine, il n'y ait aucune
communication entre la capacité moyenne & la capacité extérieure;
ce que l'on éprouvera facilement en remplissant d'eau la capacité
extérieure. S'il existoit une communication entre ces capacités, la
glace fondue par l'atmosphère dont la chaleur agit sur l'enveloppe de
la capacité extérieure, pourroit passer dans la capacité moyenne, &
alors l'eau qui s'écouleroit de cette dernière capacité, ne seroit plus
la mesure du calorique perdu par le corps mis en expérience.
Lorsque la température de l'atmosphère n'est que de quelques degrés
au-dessus de zéro, sa chaleur ne peut parvenir que très-difficilement
jusque dans la capacité moyenne, puisqu'elle est arrêtée par la glace
du couvercle & de la capacité extérieure; mais si la température
extérieure étoit au-dessous de zéro, l'atmosphère pourroit refroidir la
glace intérieure; il est donc essentiel d'opérer dans une atmosphère
dont la température ne soit pas au-dessous de zéro: ainsi dans un tems
de gelée, il faudra renfermer la machine dans un appartement dont on
aura soin d'échauffer l'intérieur. Il est encore nécessaire que la
glace dont on fait usage, ne soit pas au-dessous de zéro; si elle étoit
dans ce cas, il faudroit la piler, l'étendre par couches fort minces,
& la tenir ainsi pendant quelque tems dans un lieu dont la température
fût au-dessus de zéro.
La glace intérieure retient toujours une petite quantité d'eau qui
adhère à sa surface, & l'on pourroit croire que cette eau doit
entrer dans le résultat des expériences: mais il faut observer qu'au
commencement de chaque expérience, la glace est déjà imbibée de
toute la quantité d'eau qu'elle peut ainsi retenir; en sorte que si
une petite partie de la glace fondue par le corps, reste adhérente
à la glace intérieure, la même quantité, à très-peu près, d'eau
primitivement adhérente à la surface de la glace, doit s'en détacher
& couler dans le vase: car la surface de la glace intérieure change
extrêmement peu dans l'expérience.
Quelques précautions que nous ayons prises, il nous a été impossible
d'empêcher l'air extérieur de pénétrer dans la capacité intérieure,
lorsque la température étoit à 9 ou 10 degrés, au-dessus de la
congélation. L'air renfermé dans cette capacité étant alors
spécifiquement plus pesant que l'air extérieur, il s'écoule par le
tuyau _xy_, _fig. 3_, & il est remplacé par l'air extérieur qui entre
dans le calorimètre, & qui dépose une partie de son calorique sur la
glace intérieure: il s'établit ainsi dans la machine un courant d'air
d'autant plus rapide, que la température extérieure est plus élevée, ce
qui fond continuellement une portion de la glace intérieure; on peut
arrêter en grande partie l'effet de ce courant, en fermant le robinet;
mais il vaut beaucoup mieux n'opérer que lorsque la température
extérieure ne surpasse pas 3 ou 4 degrés; car nous avons observé
qu'alors la fonte de la glace intérieure, occasionnée par l'atmosphère,
est insensible, en sorte que nous pouvons à cette température, répondre
de l'exactitude de nos expériences sur les chaleurs spécifiques des
corps, à un quarantième près.
Nous avons fait construire deux machines pareilles à celle que je viens
de décrire; l'une d'elles est destinée aux expériences dans lesquelles
il n'est pas nécessaire de renouveller l'air intérieur; l'autre machine
sert aux expériences dans lesquelles le renouvellement de l'air est
indispensable, telles que celles de la combustion & de la respiration:
cette seconde machine ne differe de la première, qu'en ce que les deux
couvercles sont percés de deux trous à travers lesquels passent deux
petits tuyaux qui servent de communication entre l'air intérieur &
l'air extérieur; on peut par leur moyen souffler de l'air atmosphérique
dans l'intérieur du calorimètre pour y entretenir des combustions.
Rien n'est plus simple avec cet instrument que de déterminer les
phénomènes qui ont lieu dans les opérations où il y a dégagement,
ou même absorption de calorique. Veut-on, par exemple, connoître ce
qui se dégage de calorique d'un corps solide, lorsqu'il se refroidit
d'un certain nombre de degrés? On élève sa température à 80 degrés,
par exemple, puis on le place dans la capacité intérieure _ffff_
du calorimètre, _figures 2 & 3, planche VI_, & on l'y laisse assez
long-tems pour être assuré que sa température est revenue à zéro du
thermomètre: on recueille l'eau qui a été produite par la fonte de la
glace, pendant son refroidissement; cette quantité d'eau divisée par le
produit de la masse du corps & du nombre de degrés dont sa température
primitive étoit au-dessus de zéro, sera proportionnelle à ce que les
physiciens anglois ont nommé _chaleur spécifique_.
Quant aux fluides on les renferme dans des vases de matière quelconque,
dont on a préalablement déterminé la chaleur spécifique: on opère
ensuite de la même manière que pour les solides, en observant seulement
de déduire de la quantité totale d'eau qui a coulé, celle due au
refroidissement du vase qui contenoit le fluide.
Veut-on connoître la quantité de calorique qui se dégage de la
combinaison de plusieurs substances? on les amenera toutes à la
température zéro, en les tenant un tems suffisant dans de la glace
pilée; ensuite on en fera le mélange dans l'intérieur du calorimètre,
dans un vase également à zéro, & on aura soin de les y conserver
jusqu'à ce qu'elles soient revenues à la température zéro; la quantité
d'eau recueillie sera la mesure du calorique qui se sera dégagé par
l'effet de la combinaison.
La détermination des quantités de calorique qui se dégagent dans les
combustions & dans la respiration des animaux, n'offre pas plus de
difficulté: on brûle les corps combustibles dans la capacité intérieure
du calorimètre; on y laisse respirer des animaux tels que des cochons
d'inde qui résistent assez bien au froid, & on recueille l'eau qui
coule: mais comme le renouvellement de l'air est indispensable dans ce
genre d'opérations, il est nécessaire de faire arriver continuellement
de nouvel air dans l'intérieur du calorimètre par un petit tuyau
destiné à cet objet, & de le faire ressortir par un autre tuyau: mais
pour que l'introduction de cet air ne cause aucune erreur dans les
résultats, on fait passer le tuyau qui doit l'amener à travers de la
glace pilée, afin qu'il arrive dans le calorimètre, à la température
zéro. Le tuyau de sortie de l'air doit également traverser de la
glace pilée, mais cette dernière portion de glace doit être comprise
dans l'intérieur de la capacité _ffff_ du calorimètre, & l'eau qui en
découle doit faire partie de celle que l'on recueille, parce que le
calorique que contenoit l'air avant de sortir fait partie du produit de
l'expérience.
La recherche de la quantité de calorique spécifique contenue dans
les différens gaz, est un peu plus difficile à cause de leur peu de
densité; car si on se contentoit de les renfermer dans des vases
comme les autres fluides, la quantité de glace fondue seroit si
peu considérable que le résultat de l'expérience seroit au moins
très-incertain. Nous avons employé pour ce genre d'expériences deux
espèces de serpentins ou tuyaux métalliques roulés en spirales.
Le premier contenu dans un vase rempli d'eau bouillante servoit à
échauffer l'air avant qu'il parvînt au calorimètre; le second étoit
renfermé dans la capacité intérieure _ffff_ de cet instrument. Un
thermomètre adapté à une des extrémités de ce dernier serpentin,
indiquoit la chaleur de l'air ou du gaz qui entroit dans la machine;
un thermomètre adapté à l'autre extrémité du même serpentin indiquoit
la chaleur du gaz ou de l'air à sa sortie. Nous avons été ainsi à
portée de déterminer ce qu'une masse quelconque de différens airs ou
gaz fondoit de glace en se refroidissant d'un certain nombre de degrés,
& d'en déterminer le calorique spécifique. Le même procédé, avec
quelques précautions particulières peut être employé pour connoître la
quantité de calorique qui se dégage dans la condensation des vapeurs de
différens liquides.
Les différentes expériences que l'on peut faire avec le calorimètre,
ne conduisent point à des résultats absolus; elles ne donnent que
des quantités relatives: il étoit donc question de choisir une unité
qui pût former le premier degré d'une échelle avec laquelle on pût
exprimer tous les autres résultats. La quantité de calorique nécessaire
pour fondre une livre de glace, nous a fourni cette unité: or pour
fondre une livre de glace, il faut une livre d'eau élevée à 60 degrés
du thermomètre à mercure divisé en 80 parties, de la glace à l'eau
bouillante; la quantité de calorique qu'exprime notre unité, est donc
celle nécessaire pour élever l'eau de zéro à 60 degrés.
Cette unité déterminée, il n'est plus question que d'exprimer en
valeurs analogues les quantités de calorique qui se dégagent des
différens corps, en se refroidissant, d'un certain nombre de degrés, &
voici le calcul simple par le moyen duquel on y parvient: je l'applique
à une de nos premières expériences.
Nous avons pris des morceaux de tôle coupés par bandes & roulés, qui
pesoient ensemble 7 livres 11 onces 2 gros 36 grains, c'est-à-dire en
fractions décimales de livres, 7,7070319 livres. Nous avons échauffé
cette masse dans un bain d'eau bouillante, dans laquelle elle a pris
environ 78 degrés de chaleur; & l'ayant tirée de l'eau prestement, nous
l'avons introduite dans la capacité intérieure du calorimètre. Au
bout de onze heures, lorsque l'eau produite par la fonte de la glace
intérieure a été suffisamment égoutée, la quantité s'en est trouvée de
1 livre 1 once 5 gros 4 grains = 1,109795 livre. Maintenant je puis
dire si le calorique dégagé de la tôle par un refroidissement de 78
degrés, a fondu 1,109795 livre de glace, combien un refroidissement
de 60 degrés auroit-il produit; ce qui donne 78 : 1,109795 : : 60 :
x = 0,85369 livre. Enfin divisant cette quantité par le nombre de
livres de tôle employée, c'est-à-dire par 7,7070319 livres, on aura
pour la quantité de glace que pourra faire fondre une livre de tôle en
se refroidissant de 60 degrés à zéro, 0,110770 livre. Le même calcul
s'applique à tous les corps solides.
A l'égard des fluides, tels que l'acide sulfurique, l'acide nitrique,
&c. on les renferme dans un matras représenté _planche VI, fig. 9_. Il
est bouché avec un bouchon de liège traversé par un thermomètre dont la
boule plonge dans la liqueur. On place ce vaisseau dans un bain d'eau
bouillante; & lorsque d'après le thermomètre on juge que la liqueur
est élevée à un degré de chaleur convenable, on retire le matras & on
le place dans le calorimètre. On fait le calcul comme ci-dessus, en
ayant soin cependant de déduire de la quantité d'eau obtenue, celle
que le vase de verre auroit seul produite, & qu'il est en conséquence
nécessaire d'avoir déterminé par une expérience préalable. Je ne donne
point ici le tableau des résultats que nous avons obtenus, parce qu'il
n'est pas encore assez complet, & que différentes circonstances ont
suspendu la suite de ce travail. Nous ne le perdons cependant pas de
vue, & il n'y a point d'hiver que nous ne nous en soyons plus ou moins
occupés.