Dilatation thermique

“ Que par l'action du feu on arrive à porter la force de l'air d'une atmosphère à cinq seulement, qui empêchera de prendre sur ces cinq
atmosphères une force suffisante pour injecter, continuellement, de l'air nouveau dans le dilateur, de manière à obtenir un mouvement continu qui ne cesserait qu'avec la chaleur dilatante? Sur ce point, notre conviction est entière ; on obtiendra, par une bonne dilatation de l'air, une force expansive qui dépassera toutes les merveilles produites par la vapeur d'eau. ”

“ Cette force de dilatation est produite tant par la chaleur, l'explosion d'une chaudière à vapeur, que par le froid, l'éclatement d'une bombe remplie
d'eau. L'eau, par la congélation, — soit dit en passant, — donne dans ce cas une pression de 1,200 atmosphères.
4° On croit à tort que la force de dilatation soit infinie, et qu'aucune force ne puisse lui faire équilibre. Si une barre de fer, placée dans la fente d'un rocher, est chauffée, elle tend à écarter le rocher ”

“ Une autre conséquence de ces courants est que la température s’abaisse à mesure qu’on s’élève. En effet, quand un gaz s’élève de la surface, sa pression diminue, ce qui a pour conséquence sa dilatation, et par suite son refroidissement. Tout le monde sait qu’un gaz s’échauffe quand il est rapidement comprimé, propriété jadis utilisée dans le briquet atmosphérique. Il est clair qu’à l’inverse un gaz se refroidira en se dilatant. ”

“ De là les deux chaleurs spécifiques des gaz, dont le rapport, si important dans la physique, entre notamment dans la formule de la vitesse du son dans l'air. Dans un des cas, lorsque le volume reste constant, le gaz n'effectue aucun travail extérieur; la quantité de chaleur qui lui est communiquée contribue tout entière à élever sa température, ou, suivant les idées nouvelles, à accroître la force vive intérieure des molécules. Si au contraire on laisse le gaz se dilater, sa pression l'estant constante , il y a un travail extérieur produit par la dilatation du gaz ”

“ Nous avons donc lieu de présumer que la dilatation de
l'air s'accroît dans une progression très rapide, peut-être selon le carré des chaleurs ; car il est essentiel de remarquer que l'air comprimé absorbe, comme la vapeur d'eau, une très grande quantité de calorique latent, dont l'action expansive doit s'ajouter à l'action de la chaleur destinée à opérer la dilatation. ”

“ Dans la dilatation des solides et des liquides nous n'avons tenu compte que de deux facteurs : le volume et la température. Dans la dilatation des gaz nous devons en introduire un troisième : la pression.
Les gaz sont généralement enfermés dans une enveloppe, sans cela ils s'épandraient dans l'atmosphère. Si donc nous prenons une enveloppe quelconque fermée remplie d'un gaz et que nous l'échauffions, le gaz tend à augmenter de volume, il fait donc un effort sur les parois de l'enveloppe pour se dilater, cet effort c'est la pression. ”

“ Comme les corps solides et liquides, les gaz se dilatent par l'action de la chaleur; mais ici, les effets de la dilatation sont incomparablement plus marqués et amènent de tout autres conséquences. En raison de la grande mobilité de ses molécules, lorsqu'un gaz est échauffé en un point quelconque de sa masse, il en résulte aussitôt des variations de densité qui amènent la production de courants. ”

“ Lorsque la combustion est alimentée par l'air atmosphérique, un effet analogue se produit, mais avec une intensité beaucoup moindre ; car pour être efficace, la température doit être portée brusquement à une hauteur excessive, afin que la dilatation subite qui en résulte produise une prompte décrépitation. ”

“ Dans le foyer, il y a des températures très diverses, toutes supérieures à celle de la paroi de la chaudière, et dont certaines sont extrêmement élevées, aux points mêmes où se produit la combustion et dans les flammes auxquelles elle donne naissance. Ces températures n’ont rien de commun avec celle de la source thermodynamique, à laquelle le fluide emprunte l’énergie thermique exigée pour son évolution. Nous avons d’ailleurs évité ce malentendu en définissant (§ 9) la source chaude comme constituée par les parois de la chaudière. ”

“ Si le gaz est suffisamment éloigné de son point de condensation, les molécules semblent ne plus exercer d'action les unes sur les autres ; la relation entre le volume, la pression et la température du milieu, sous l'influence des pressions extérieures et de l'action de la chaleur, est réglée par la seule condition mécanique d'une exacte compensation entre l'énergie de translation thermique des molécules et le travail développé par la résistance élastique de l'enveloppe. ”

“ I. On sait que beaucoup de corps, tels que les métaux, le verre, etc., ont une dilatation proportionnelle, du moins entre certaines limites de température, aux degrés du thermomètre ordinaire à mercure, ou même à ceux du thermomètre à air dont les variations, quand elles sont corrigées des variations de la pression atmosphérique, paraissent tenir seulement à la quantité de chaleur et être indépendantes, à très-peu de chose près, de la nature du gaz dilaté. ”

“ En fait, dans la pratique industrielle courante, on crée sur place l’énergie thermique nécessaire, au contact des parois externes de la chaudière, au moyen d’un foyer qui l’entoure, dans lequel on réalise la combinaison chimique d’un combustible avec l’oxygène de l’air : l’énergie potentielle chimique qui disparaît dans la réaction se transforme en fournissant l’énergie thermique désirée. ”

“ L’énergie potentielle de cohésion du liquide dépend de la température. Elle dépend même d’elle seule lorsque le liquide est en équilibre avec sa vapeur saturante : les molécules sont, en effet, maintenues à la densité élevée de la phase liquide par les attractions de cohésion elles-mêmes, et seule l’agitation thermique maintient une valeur non nulle à l’énergie potentielle correspondante. ”

“ Par le fait de la compression ou accroissement de tension du milieu gazeux et de son augmentation de densité, une partie de l'énergie latente ou de tension des molécules est transformée en énergie thermique dans l'état d'équilibre statique correspondant. L'énergie active ainsi développée vient en déduction de la quantité de chaleur nécessaire, d'une part, pour relever la température, d'autre part, pour permettre la transformation d'une partie du liquide en vapeur, de manière à mettre la densité du milieu en rapport avec son nouveau degré de saturation. ”

“ Une des premières conditions à remplir est de permettre la dilatation libre et facile des diverses parties. Un appareil de chauffage est composé de matériaux de diverses natures, briques, fonte, fer, etc., inégalement dilatables, inégalement chauffés : il se produit nécessairement des mouvements qui doivent pouvoir s'effectuer sans compromettre la solidité et la bonne marche, et toutes les précautions doivent être prises en conséquence. ”

“ Bref, quel que soit le genre de l’enchaînement entre un changement mécanique et un changement thermique, on retrouve toujours prix égal pour résultat égal : il y a équivalence des enchaînements possibles, comme entre changements mécaniques et comme entre changements thermiques, ou encore :
Aucun dispositif n’est plus avantageux qu’un autre pour acheter de la chaleur avec du travail. ”

“ Un changement thermique a été défini comme pouvant être la cause ou l’effet d’un autre changement thermique, rien d’autre ne se passant. Par exemple la fusion de glace peut être achetée par le refroidissement d’une masse de mercure qui passe de la température de l’eau bouillante à celle de la glace fondante, sans autre répercussion. ”

“ Pour être complète, l'étude d'une machine thermique doit aujourd'hui s'appuyer sur les principes de la théorie mécanique de la chaleur, aussi nécessaire aux ingénieurs que l'est celle de la résistance des matériaux. ”

“ La dilatation n'est pas la même entre chaque degré de chaleur ; elle croît avec la température, en sorte que la variation est plus forte pour chaque degré compris entre 200 et 3oo degrés qu'entre 100 et 200; plus forte entre ces deux derniers qu'entre o et 100, etc. Cet accroissement devient surtout très-sensible vers le temps de la fusion, dans les corps qui en sont susceptibles. ”

“ Si on ne peut empêcher tout à fait, on peut, du moins pendant un temps fini, rendre pratiquement négligeables les actions qu’exercent, sur un système matériel, des corps extérieurs de température différente. On enfermera par exemple ce système dans un récipient de métal lui-même entouré d’une seconde enceinte métallique dont il est séparé par une matière peu conductrice telle que de la poudre de liège. Ainsi se trouve très atténuée toute possibilité d’action thermique tant par rayonnement que par conductibilité. ”

“ La Terre elle-même contient d’énormes réserves d’énergie thermique. Mais le second principe de la Thermodynamique nous apprend que la transformation de cette énergie en travail ne peut être obtenue qu’en mettant à profit les différences de température qui peuvent exister entre diverses portions de cette réserve, et les écoulements spontanés de chaleur qu’elles provoquent. Ces différences de température sont rarement assez grandes et assez stables, entre masses importantes voisines, pour permettre l’installation de machines dans des conditions pratiques. ”

“ On comprend qu’un phénomène si général, quelquefois si étendu, ne sera pas sans influence dans les opérations des arts ou de l’industrie. La dilatation agrandit les feuilles de zinc qui couvrent les édifices et les déchire ; si on n’y prend garde, elle brise ou elle courbe les tuyaux de fonte qui conduisent le gaz ou les eaux ”

“ Or les oscillateurs qui sont en équilibre thermique avec le rayonnement, doivent être aussi bien en équilibre thermique avec un gaz qui emplirait l’enceinte à la température considérée. En d’autres termes, l’énergie moyenne d’oscillation doit être ce qu’elle serait si elle était seulement entretenue par les chocs des molécules du gaz. ”

“ Chaque gaz a un coefficient de dilatation spécial; de plus, ce coefficient varie pour chaque gaz selon la pression qu'il supporte, et conséquemment selon sa densité. Voici le coefficient des dilatations des gaz sur lesquels M. B.égnault a expérimenté sous la pression de l'atmosphère, et de 0° à 100°. ”

“ La chaleur nécessaire pour échauffer, à volume constant, 1 kg de gaz est moindre que si, la pression restant constante, le gaz éprouvait une dilatation. La différence des deux quantités de chaleur doit être équivalente au travail produit par le gaz pendant la dilatation. Il en résulte que pour une élévation de température de on a
ou
mais la relation fondamentale des gaz, , donne ; par conséquent
Remarquons que ce raisonnement revient à appliquer la formule
du § 61 en supposant qu’un gaz n’éprouve aucune variation d’énergie interne quand son volume varie. ”

“ Ce que l'on sait, c'est qu'en général la contraction correspond à un refroidissement, à une perte de chaleur; et la dilatation exige un échauffement, une absorption de calorique. Il faut chauffer les corps solides pour les liquéfier; et les liquides demandent de la chaleur pour se vaporiser. Les gaz ne peuvent devenir liquides qu'en perdant du calorique ; il en est de même des liquides pour devenir solides. Une augmentation de pression favorise la liquéfaction des gaz, tandis qu'une diminution de pression favorise la vaporisation des liquides. ”

“ Dans certains appareils, les gaz, à la sortie du foyer, pénètrent immédiatement dans un grand nombre de tubes de faible diamètre, offrant une très grande surface refroidissante qui abaisse la température au point que la combustion ne peut se maintenir et que la flamme s'éteint. ”

“ Pour utiliser la chaleur dégagée dans les foyers, il faut, comme nous l'avons déjà dit, la transmettre aux corps qui, sous son influence, doivent s'échauffer, se transformer ou se décomposer. Dans certains cas, notamment dans la plupart des fourneaux métallurgiques, cette transmission peut s'effectuer par le contact direct des gaz de la combustion; mais le plus souvent il est nécessaire d'établir des appareils intermédiaires qui laissent passer la chaleur tout en empêchant le contact des gaz. Ces appareils intermédiaires peuvent être désignés sous le nom général de récepteurs de chaleur. ”

“ L'application des principes de la théorie nouvelle de la chaleur aux gaz permanents ainsi considérés est d'une extrême simplicité. La totalité de la chaleur qu'ils reçoivent du dehors est employée à élever leur température ou est convertie en travail mécanique extérieur. ”

“ Quand les combustibles renferment, outre le carbone, de l'eau toute formée ou de l'oxygène et de l'hydrogène dans les proportions nécessaires pour la produire, on ne peut plus regarder le volume de gaz qui se dégage comme égal au volume d'air appelé, dilaté à la température de la cheminée, car il en diffère par le volume de vapeur produite. ”

“ On admettait généralement, il y a quelques années encore, et cette opinion trouvait place dans l’enseignement classique, que la dilatation d’un corps, celle de l’air par exemple, absorbait de la chaleur. Tout le monde se rappelle que dans les cours de physique on mettait un thermomètre sous le récipient de la machine pneumatique : on observait l’abaissement de température qui suivait les premiers coups de piston donnés pour faire le vide, et on déclarait sans plus ample analyse que la dilatation de l’air absorbait la chaleur qui disparaissait en cette circonstance ”

“ On sait depuis longtemps, par exemple, que, pour élever la température d'un gaz d'un nombre déterminé de degrés, il ne faut pas la même quantité de chaleur lorsque pendant réchauffement ce gaz est maintenu sous un même volume invariable, et lorsqu'il se dilate sous une pression constante. ”