Théorie cinétique des gaz

“ Donc, puisque le débit reste fixe, la quantité d'électricité dissociée par unité de masse est nécessairement proportionnelle à la température absolue. En résumé, pour un même gaz, pour un même rayonnement et en un même point, la quantité d'électricité dissociée par unité de masse est indépendante de la pression et proportionnelle à la température absolue. Il peut n'être pas sans intérêt de se rappeler que, suivant la théorie cinétique des gaz, l'énergie possédée par une molécule est, elle aussi, in-dépendante de la pression et proportionnelle à la température absolue. ”

“ Nous avons vu qu’à une même température l’énergie moléculaire moyenne est la même pour tous les gaz. Ce résultat reste valable quand les gaz sont mélangés. On sait, en effet, qu’alors chaque gaz presse sur l’enceinte comme s’il était seul, c’est-à-dire que molécules de ce gaz développent dans le volume la même pression partielle que si elles s’y trouvaient seules, en sorte que et par suite , garde la même valeur. Par exemple, les molécules d’argon et d’oxygène présentes dans l’air ont même énergie cinétique moyenne. ”

“ Un gaz parfait est un fluide théorique qui serait constitué par un essaim de points matériels de masse uniforme, animés d’un mouvement d’agitation désordonné, et rebondissant en tous sens au gré de leurs chocs entre eux ou contre les parois solides du récipient qui les enferme. Leurs actions mutuelles se limitant à des chocs sans déformation, et leurs dimensions étant supposées négligeables, l’énergie interne de la masse gazeuse qu’ils constituent se réduit à l’énergie cinétique de translation des molécules. ”

“ Les chocs se produisent sans modification de l’énergie cinétique moyenne, lorsque la paroi est immobile et que le gaz est en équilibre de température avec elle, et les études statistiques conduisent à conclure que l’effet global est le même que si chacune des molécules individuellement rebondissait sans modification de son énergie cinétique. ”

“ 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. ”

“ Dans chacun des deux degrés successifs de la combustion du carbone, le fait chimique est exactement le même, savoir la combinaison du carbone ou de l'oxyde de carbone avec la même quantité d'oxygène.
Mais les circonstances physiques ne sont pas les mêmes dans les deux cas : dans le premier cas le carbone est à l'état solide, et dans le second, il est à l'état gazeux. Lorsqu'il est à l'état solide, il y a une cause de destruction de chaleur qui n'existe pas lorsque le carbone a déjà pris l'état de gaz. ”

“ Dans la pratique, la combustion complète du carbone exige toujours un excès d'air qui est 1,5 fois la quantité théorique, parce que le brassage et le mélange de l'air à un corps solide comme le carbone se fait toujours difficilement.
Retenons comme corollaire que la combustion d'un gaz ou d'un liquide peut se faire parfaitement avec un volume d'air presque théorique, ce qui, nous le verrons plus loin, est cause de la supériorité comme rendement thermique du chauffage au mazout et au gaz.
Dans le cas de combustion incomplète, la formule devient :
C + 0 = CO + 2,3 calories. ”

“ Les diverses sortes d'énergie ne diffèrent point entre elles d'une manière absolue, comme les divers corps simples : elles peuvent, au contraire, être transformées les unes en les autres. Ainsi, dans un train brusquement arrêté, il y a transformation d'énergie cinétique en chaleur; dans la plupart des combinaisons chimiques, il y a production de chaleur et d'électricité aux dépens de l'énergie chimique; un gaz qui dépense de l'énergie mécanique en chassant un obstacle se refroidit, c'est-à-dire qu'il perd de l'énergie thermique, etc. ”

“ Les mélanges gazeux détonans développent beaucoup plus de chaleur que les composés solides ou liquides : l’hydrogène et l’oxygène, en produisant 1 kilogramme de vapeur d’eau, dégagent 3,280 calories; les vapeurs d’éther ou de benzine en fournissent 2,400. Néanmoins on ne peut en faire usage dans la pratique, parce que les gaz changent à peine de volume en se combinant, et ne développent par conséquent que des pressions relativement faibles, 10 ou 20 atmosphères, — malgré la haute température de la combustion. ”

“ L'air échauffé se dilate; une partie de l'oxygène de l'air brûle le carbone du gaz pour former de l'acide carbonique, l'hydrogène pour former de l'eau, et toute cette masse gazéiforme opère sur la surface du piston une pression que les organes de la machine transforment en travail. Le second tiroir est destiné à l'échappement des produits de la combustion. Rien de plus simple comme principe. ”

“ Il faut donc faire ce que la pratique a fait, augmenter la quantité de combustible pour produire une quantité de gaz suffisante pour absorber une plus grande contenance en oxygène.
Mais cette opinion de la pratique, juste en elle même, compte aussi sans l'hôte comme les inventeurs précités; car l'augmentation de combustible élève tellement la température de la cuve, que la réduction des minerais par l'oxyde de carbone ne peut plus avoir lieu. ”

“ On peut réduire la perte, en abaissant utilement la température par la décomposition d'une certaine quantité d'eau ou de vapeur, en hydrogène et en oxygène. Ce dernier gaz s'unit au carbone pour former de l'oxyde de carbone, en diminuant la proportion d'air nécessaire, tandis que l'hydrogène augmente la masse des gaz combustibles. ”

“ La chaleur n’est pas toujours une cause de dissolution des corps et de dispersion de leurs élémens. Exposés à une température qui dépasse 1,000 degrés, ces gaz se condensent. Leurs molécules se rapprochent ; ils forment entre eux, par suite d’échanges divers, des combinaisons plus riches en carbone et, par conséquent, moins volatiles. Nous avions des gaz, et, quand nous laisserons refroidir nos appareils, nous trouverons des liquides et même des cristaux. Il y a des phénomènes de synthèse opérés par la chaleur rouge. ”

“ Rien ne se perd dans la nature, ainsi dans la combustion du bois, du charbon de terre, du charbon de bois, du coke, etc., les produits qui prennent naissance sont variables, mais ils se répandent tous dans l'atmosphère sous, forme de gaz visibles ou invisibles. Dans le gaz d'éclairage bien épuré, on obtient comme produits de combustion de la vapeur d'eau et de l'acide carbonique; la vapeur d'eau provient de la combinaison de l'oxygène atmosphérique avec l'hydrogène du gaz. L'acide carbonique résulte d'une autre combinaison de l'oxygène avec le carbone contenu aussi dans le gaz. ”

“ Prenons un gaz ; supposons que ce gaz obéisse à la loi de Mariotte à toute température et sous toute pression ; supposons que ce gaz n’absorbe ni ne dégage de chaleur lorsqu’on lui ouvre l’accès d’un récipient vide ; nous dirons que ce gaz est un gaz ’parfait ; — il n’y a pas de gaz parfaits dans la nature, il y a seulement des gaz : l’air, l’hydrogène, l’azote, l’oxygène, l’oxyde de carbone qui, dans les conditions de température et de pression où on les observe ordinairement, diffèrent peu de cet état gazeux idéal que nous nommons parfait ”

“ Imaginons que la chaleur d’un dégagement gazeux semblable soit encore plus marquée, et que la proportion d’acide carbonique qui s’y observe augmente en même temps, supposons en outre que l’hydrogène libre y fasse son apparition, nous arriverons bientôt à nous représenter une effluve de gaz qui aura tous les caractères d’un suffione. Or une pareille idée n’est pas une pure hypothèse ; on connaît des sources thermales d’où se dégagent des mélanges gazeux à élémens combustibles doués d’une plus haute température et plus riches en acide carbonique que ceux de Porretta. ”

“ Un gaz, détendu brusquement, se refroidit, car, pour le ramener à sa température primitive, il faudrait lui fournir la masse de calorique que contiendrait un espace vide égal à son accroissement de volume. Un gaz, comprimé rapidement, se réchauffe, car, pour empêcher sa température de varier, il faudrait lui ôter une quantité de chaleur précisément égale à celle qui remplirait un espace vide égal à la contraction qu’il a subie : « C’est la réduction du volume, la disparition de l’espace qui fait surabonder le calorique. » ”

“ Il suffit d’exercer une pression de 30 atmosphères à la température de 0 degré pour transformer le gaz en un liquide très limpide qu’on prendrait pour de l’eau et qu’on verse aisément dans des tubes de verre où il commence par bouillir, puis se maintient immobile après s’être refroidi jusqu’à — 80 degrés ; il garde toutes les propriétés qu’avait le gaz, c’est-à-dire qu’il endort les sujets qui le flairent et qu’il fait brûler avec flamme un morceau de charbon rouge que l’on introduit dans le tube ”

“ Ils doivent prévenir la production de la fumée, et non brûler celle-ci, comme on le dit souvent. En effet, au sortir du foyer, les gaz renferment le carbone à l'état de combinaisons hydrogénées et incolores; le contact de l'air enflamme les gaz qui se décomposent par suite de la combinaison de leur hydrogène avec l'oxygène de l'air, et c'est alors seulement que le carbone, devenu libre, se dépose sous forme de nuages noirs et fuligineux. ”

“ Pour l'introduire sur le combustible il faut ménager, dans les proportions convenables, les orifices d'accès et les moyens de tirage ou d'insufflation.
Une seconde, condition est d'assurer le mélange intime des gaz combustibles et comburants. Pour que la combustion s'effectue, les molécules d'oxygène doivent nécessairement venir au contact de celles d'hydrogène et de carbone. Dans beaucoup de foyers, ce contact est imparfait et l'on constate dans les veines gazeuses, après l'extinction de la flamme, la présence simultanée de l'oxygène et des gaz combustibles. ”

“ La cohésion déjà bien réduite dans les corps liquéfiés disparaît tout à fait dans les corps gazeux. Loin de s'attirer, les molécules des gaz se conduisent — du moins en apparence — comme si elles se repoussaient. C'est ainsi que la plus petite quantité de gaz introduit dans un récipient se répand dans toutes ses parties. Pour comprimer un gaz, c'est-à-dire forcer ses molécules à se rapprocher, il faut exercer sur lui une pression considérable. ”

“ Allumons une bougie : que se passe-t-il donc? Du moment où nous mettons le feu à la mèche, celle-ci, disons-nous, imprégnée d'un corps gras, décompose en brûlant ce corps gras et produit des gaz qui se combinent avec l'oxygène et donnent de la flamme. Il y a du reste continuité du phénomène, c'est-à-dire production continue de gaz combustible qui se transforme en flamme : la chaleur de ce gaz, en effet, fait fondre le corps gras, la stéarine; celle-ci monte par capillarité dans la mèche et, sous l'influence de la chaleur, donne naissance à un nouvel afflux de gaz. ”

“ Il ressort donc des expériences que nous venons de citer qu'on ne doit pas s'attacher à fournir à la flamme une trop grande quantité d'air, mais cependant qu'on doit employer le moyen nécessaire pour obtenir une combustion simultanée de carbone et d'hydrogène du gaz lorsqu'on veut chauffer par contact, sans cela la flamme pourrait laisser déposer sur les parois du vase du carbone non brûlé, ou noir de fumée qui échapperait à la combustion en produisant une odeur très-désagréable. ”

“ Le volume qui reste après l'absorption, déduit du volume après l'explosion, donne la proportion d'acide carbonique engendré par la combustion du gaz.
Le résidu du gaz ne contient plus que de l'azote et l'excès d'oxygène employé. On détermine le premier en cherchant la proportion d'oxygène contenu, et la déduisant du volume des deux gaz. A cet effet, on introduit une quantité d'hydrogène sec, au moins triple du résidu gazeux,
et on détermine le volume du mélange ”

“ Assurément, les molécules ne doivent pas être soumises aux mêmes forces, ni décrire les mêmes trajectoires, dans un corps solide que dans un liquide ou dans un gaz, dans une vapeur facilement liquéfiable que dans un gaz permanent. S’il est une catégorie de corps où l’on ait chance de découvrir les lois du mouvement calorifique, c’est assurément la famille des gaz difficiles à liquéfier, des gaz parfaits ”

“ La combustion complète du gaz hydrogène carboné appliqué au chauffage, en évitant les inconvénients assez graves signalés plus haut, constitue le principal avantage de l'application nouvelle ; il en résulte bien aussi une économie dans la quantité de gaz employée pour produire une égale quantité de chaleur, mais cette économie, d'après une moyenne de plusieurs expériences, ne s'élève guère au-delà de dix pour cent. ”

“ Ainsi, le métal dont sont formés les tuyaux étant un excellent conducteur du calorique, la température ne tarde pas à se trouver trop basse pour que la combustion puisse se propager, d'autant plus que le mélange d'air et de gaz hydrogène exige, pour son inflammation , une très-forte chaleur.
Dans la pratique, on compte qu'un demipied cube de gaz par heure suffit pour alimenter un bec qui donnerait une lumière égale à celle fournie par une chandelle des six à la livre. ”

“ Il reste des parcelles de carbone non unis à l'oxygène, qui sont entraînés par des gaz chauds: le gaz carbonique, la vapeur d'eau et un peu d'hydrogène. Ces parcelles sont à une température de 1.5000 comme les gaz, et brillent. C'est ce mélange de gaz et de carbone incandescent qui constitue la flamme. On s'aperçoit de la présence du charbon dans la flamme en y mettant une soucoupe froide qui se couvre de noir de fumée. Il y a aussi, sur la soucoupe,
des gouttelettes d'eau qui décèlent la présence de vapeur d'eau dans la flamme. ”