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L’École normale de l’an III. Vol. 3, Leçons de physique, de chimie, d’histoire naturelle

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Étienne Guyon

Leçons de physique d'Haüy

Huitième leçon

1er germinal/21 mars

Texte intégral

1La mécanique pendant longtemps n’avait employé l’eau comme force motrice qu’en profitant du cours naturel de ce liquide, ou en lui ménageant une chute pour lui soumettre le jeu des machines qu’il dirigerait par une impulsion toujours renaissante. Les expériences entreprises sur la force de l’eau réduite en vapeurs firent naître l’idée de l’appliquer avec d’autant plus d’avantage au même objet qu’indépendamment de sa grande énergie, elle peut être transportée partout où l’appelleront les besoins du commerce et des arts.

  • 1 Voir le livre de G.-C. de Prony, Nouvelle architecture hydraulique, 2 vol., Paris, 1790.

2L’exécution des machines à vapeur a eu, comme celle de toutes les autres machines, ses différentes époques, auxquelles répondent successivement de nouveaux degrés de perfection. Diminuer autant qu’il est possible la quantité de la vaporisation nécessaire à l’effet qu’on a en vue, et par-là ménager le combustible ; joindre à cette première économie celle de la matière et de la main-d’œuvre, en resserrant les dimensions des pièces, sans nuire aux résultats ; prévenir les explosions, par de sages précautions prises contre un agent dont la puissance devient destructive, quand elle n’est pas limitée : tels sont en général les objets qui ont fixé l’attention des constructeurs, et excité entre eux une sorte de rivalité pour les remplir plus complètement. Nous nous bornerons aux moyens de perfection qui marquent le plus, et nous n’entrerons dans la description des machines qu’autant qu’elle sera nécessaire pour l’intelligence de l’effet principal. Ceux qui voudront avoir sur ce sujet intéressant tous les détails que l’on peut désirer les trouveront exposés avec beaucoup de méthode et de clarté dans l’architecture hydraulique du citoyen Prony, et surtout dans le second volume qui est sur le point de paraître1.

3Tous les mouvements de la machine à vapeur tirent leur origine du jeu d’un piston qui s’élève et s’abaisse alternativement dans un tuyau cylindrique, en communication avec une chaudière où la vapeur se forme par l’action du feu que l’on entretient en dessous. La manière dont la vapeur contribue au jeu du piston varie suivant les différentes méthodes ; et notre objet est surtout de comparer ces méthodes, et de faire voir les nouveaux avantages qu’elles amenaient avec elles, à mesure qu’elles se succédaient l’une à l’autre.

  • 2 Voir le livre de J. Payen, Capital et machine à vapeur au xviiie siècle, Paris, Mouton, 1969, nota (...)

4La première méthode dont le succès se soit annoncé par un empressement général à l’imiter, est celle qu’on attribue communément à un Anglais nommé Savery, mais dont l’invention est due à deux autres Anglais, dont l’un s’appelait Newcomen, et l’autre Jean Cawley. La machine qui appartient réellement à Savery, n’était qu’une espèce de fontaine de compression, dans laquelle l’auteur substituait l’action de l’eau en vapeur à celle de l’air comprimé. Savery, en s’associant Newcomen, s’empara de sa découverte, et son ambition éclipsa bientôt l’homme simple et modeste qui bornait la sienne à bien faire2.

5Pour concevoir le jeu de la machine dont il s’agit ici, supposons que le piston soit descendu au point le plus bas de sa course ; à l’instant la communication s’ouvre entre la chaudière et le fond du cylindre par un mouvement de côté qui fait un cercle nommé régulateur, qui auparavant fermait cette communication ; la vapeur s’introduit en dessous du piston, et le pousse de bas en haut, par la force expansive : lorsqu’il a fini de monter, le régulateur se remet à sa place ; et au moyen d’un robinet qui s’ouvre à l’instant, un jet d’eau froide sort d’un tuyau abouché au cylindre, et va frapper la base inférieure du piston, d’où retombant sous la forme d’une pluie, il condense la vapeur, et en détruit l’effet. Alors l’air atmosphérique qui agit par progression sur la base supérieure du piston, le détermine à descendre ; après quoi l’émission de la vapeur et les autres effets se succèdent de nouveau, de manière à perpétuer les mouvements alternatifs du piston.

6Le haut de la tige du piston est attaché à l’une des extrémités d’un balancier, dont l’extrémité opposée fait mouvoir, en sens contraire, la tige d’un second piston adapté à une véritable pompe, dans laquelle l’eau s’élève à l’ordinaire.

7Cette machine avait surtout deux inconvénients, dont on ne tarda pas à s’apercevoir. D’une part, l’injection d’eau froide, en se faisant dans le cylindre même en refroidissait les parois ; d’une autre part, on était obligé de tenir la base supérieure du cylindre toujours couverte d’eau, tant pour empêcher le dessèchement des cuirs, que pour fermer tout accès à l’air, dans la partie inférieure du cylindre, où s’introduisait la vapeur ; d’où il arrivait que le piston, pendant sa descente, humectait à son tour les parois du cylindre. Pour compenser l’effet du refroidissement produit par les deux causes dont nous venons de parler, il fallait fournir une plus grande quantité de vapeurs ; d’où résultait un double défaut d’économie, et dans l’emploi d’un métal dont on faisait la chaudière qui devait avoir une plus grande capacité et dans la consommation de combustible.

8Ces inconvénients disparaissent dans la machine imaginée par un artiste anglais, nommé Watt, et qui a servi de modèle à celle que les citoyens Perrier ont exécutée à Chaillot. Ce qui distingue principalement celle-ci est le double emploi de la vapeur dont une partie s’introduit en dessous du piston, comme dans la machine attribuée à Savery, et l’autre en dessus du même piston : en sorte que l’intérieur du cylindre n’a aucune communication avec l’air atmosphérique, qui n’entre pour rien dans le jeu de la machine. De plus, l’extrémité du balancier, opposée à celle qui conduit le piston du cylindre à vapeur, est chargée d’un contrepoids, dont nous verrons l’usage dans un instant. Enfin, le bas du cylindre communique avec un tuyau nommé condenseur, qui est placé de côté, et dans lequel s’opère la condensation.

9Supposons maintenant le piston arrivé au point le plus haut de sa course, en sorte qu’il y ait un vide dans toute la partie du cylindre situé en dessous, et que le piston ne soit retenu dans sa position que par l’action du contrepoids dont nous avons parlé. Dans cet état de choses, la vapeur entre par-dessus le piston, et sa force prépondérante à l’égard de celle du contrepoids détermine le piston à descendre jusqu’à ce qu’il ait terminé son jeu. À l’instant une nouvelle vapeur s’introduit sous la base inférieure du piston, et le force de monter jusqu’à ce qu’il se trouve en équilibre entre les deux vapeurs. Alors il continue de s’élever, par l’action du contrepoids que rien n’empêche plus d’obéir à la pesanteur. À mesure que le piston monte, il refoule la vapeur qui est en dessus, et qui va se répandre sous sa base inférieure, pour remplir l’espace qu’il laisse vide par son ascension. Ce mouvement terminé, le condenseur s’ouvre, et permet à la vapeur de s’introduire dans sa cavité, où elle est condensée par une injection d’eau froide. Le piston redescend ensuite, et remonte alternativement, en vertu d’une combinaison semblable des différentes actions produites par les deux vapeurs et par le contrepoids.

10On voit aisément que cette construction est beaucoup mieux ordonnée que la précédente pour prévenir la dépense superflue de vapeur et de combustible, occasionnée par le refroidissement du cylindre. La machine de Chaillot, dans laquelle on l’a employée, a pour objet, comme l’on sait, d’élever l’eau d’un puisard qui communique avec la Seine, pour la distribuer ensuite en différents quartiers de Paris. Suivant le prospectus publié par les citoyens Perrier, cette machine peut fournir environ 400 000 pieds cubes d’eau en 24 heures.

11On ne connaissait encore ici rien de plus parfait en ce genre, lorsqu’en 1788, le citoyen Bétancourt ayant fait un voyage à Londres, y vit une nouvelle machine à feu, imaginée par Watt et Bolton. On se contenta de lui dire que cette machine avait beaucoup d’avantages sur les autres ; mais du reste on lui fit mystère du mécanisme, et le secret était bien gardé par la machine elle-même, pour un observateur qui ne faisait guère que passer devant un ensemble de pièces, les unes tout à fait intérieures, les autres masquées en partie par la disposition du bâtiment. Cependant Bétancourt devina le principe ; et de retour à Paris, il construisit un modèle, où il fit l’application de ce principe par des moyens si ingénieux et si simples, qu’il paraissait à souhaiter pour les inventeurs eux-mêmes qu’il eût tout deviné.

12Dans cette nouvelle machine, la vapeur s’introduit aussi en dessous et en dessus du piston. Mais la perfection du mécanisme consiste en ce que l’injection d’eau froide se répète des deux côtés, en sorte qu’elle condense tour à tour la vapeur supérieure, en laissant à celle qui agit par-dessous toute sa force pour élever le piston, et la vapeur inférieure, pour donner lieu à celle qui passe dans le haut du cylindre d’exercer de même tout son effort sur la base supérieure du piston. Il en résulte que le piston est poussé avec la même force en montant et en descendant, et de là naissent plusieurs avantages très marqués.

13D’abord le contrepoids se trouve supprimé, et c’est une surcharge de moins pour la machine. Ensuite l’égalité d’impulsion qui a lieu dans quelque sens que se meuve le piston permet de l’appliquer comme une puissance uniforme à un mouvement de rotation qui agit sans interruption pour produire l’effet que l’on a en vue. Ainsi, au lieu que dans la première machine, le piston ne contribue à l’effet principal que quand il s’abaisse, ici le piston, soit en montant, soit en descendant, agit toujours efficacement. Supposons que celui de la première machine ait une base double de celle du piston de la seconde. La colonne de vapeur, qui presse sur la base de celui-là, exercera, toutes choses égales d’ailleurs, une pression double de celle qu’éprouve la base de l’autre. Mais dans les deux mouvements du premier, il y en a un qui n’est que de renvoi ; d’où il suit que si le second piston, qui travaille sans cesse utilement, agit sur un levier double, il fera en deux temps ce que l’autre ne produit que pendant sa descente.

14De là résulte d’abord une épargne sur la matière du cylindre, et ensuite sur celle des pièces qui en dépendent. De plus on peut diminuer la capacité et l’épaisseur de la chaudière, parce que la vapeur n’a pas besoin de s’y accumuler comme dans l’autre, d’où elle ne sort que par intervalles. Enfin, la surface de l’eau, encore liquide dans la chaudière, y étant moins comprimée par la vapeur qui se forme au-dessus, cette eau se vaporise à son tour par un moindre degré de chaleur ; ce qui, joint aux autres causes, procure une grande économie de combustible.

15On voit à Paris, dans l’île des Cygnes, une machine construite d’après le principe que nous venons d’exposer, et qui est employée à faire mouvoir des moulins à blé.

16Nous n’avons pu qu’ébaucher la description de cette machine, ainsi que des précédentes. Nous passerions les bornes que nous sommes obligés de nous prescrire, si nous entreprenions de parcourir tous les différents accessoires employés à introduire ou à condenser la vapeur, et de faire connaître les moyens qui ont été pris pour entretenir l’uniformité du mouvement, pour prévenir les accidents que pourrait occasionner une trop forte condensation, etc. Nous devons observer, à ce sujet, que dans les premiers essais de la machine à feu, il fallait des hommes spécialement chargés de tourner à chaque instant les robinets qui donnent passage à la vapeur ou à l’injection d’eau froide. Aujourd’hui tout se réduit à la surveillance de celui qui entretient le feu. Le reste marche de soi-même. La force de la vapeur, qui anime le corps de la machine, se transmet aux différentes pièces qui lui tiennent lieu de bras et de mains ; et le même génie qui a su convertir un peu d’eau, pénétrée de chaleur, en un agent capable de produire les mouvements qui exigent de puissants efforts, est parvenu encore à pouvoir s’en reposer sur cette cause aveugle, de ceux mêmes qui semblent demander une attention vigilante et des soins assidus.

17Le retour ou le passage de certains corps à l’état de solidité présente des phénomènes qui vont maintenant fixer notre attention.

  • 3 Voir les cinq premières leçons.

18Un de ces phénomènes est la cristallisation des métaux par le refroidissement. Le calorique agit ici par rapport à un métal fondu, comme les liquides ordinaires à l’égard d’un sel qu’ils tiennent à l’état de solution. Dans l’un et l’autre cas, c’est la retraite de la substance d’abord interposée entre les molécules métalliques ou salines qui leur permet de se rapprocher et de s’unir sous des formes régulières, lorsqu’elle se fait assez lentement pour leur donner le loisir de prendre l’arrangement qui s’accorde avec les lois de la cristallisation3.

  • 4 Haüy évoque les dendrites qui se forment par refroidissement rapide des liquides, ici l’antimoine (...)
  • 5 Haüy réduit l’alchimie à une superstition, ce qu’elle n’a jamais été. Depuis le xviiie siècle, ell (...)

19Les premiers indices que l’on a observés de ces phénomènes paraissent avoir été ces espèces d’étoiles branchues qui se forment sur la surface de l’antimoine4. Ce fut aux yeux des alchimistes qu’elles se présentèrent d’abord, et ils expliquèrent le fait en alchimistes. C’était une étoile d’heureux présage, qui leur promettait la métamorphose de l’antimoine en or5.

  • 6 C’est une géode artificielle qui est ainsi produite.

20On est parvenu depuis à obtenir l’antimoine, et une grande partie des métaux, sous la forme de cristaux saillants, par un procédé semblable à celui que Rouelle avait employé par rapport au soufre, et qui consiste à laisser d’abord figer la surface du métal, puis à percer cette espèce de croûte et à survider le creuset. Lorsqu’on brise ensuite ce creuset, après l’entier refroidissement, on en trouve la cavité toute tapissée de cristaux, qui présentent, suivant les circonstances, des groupes d’octaèdres ou de cubes disposés sur des lignes perpendiculaires entre elles, et rentrantes comme les contours d’une volute6.

21On a cru que le vide laissé par le métal qui était sorti du creuset, en donnant accès à l’air, favorisait la production des cristaux. La vérité est que ces cristaux se forment au milieu même du métal encore en fusion, par le rapprochement des parties qui se refroidissent les premières. Il en est de ce métal, à peu près comme de l’eau qui se congèle au milieu de l’eau même encore fluide. On ne fait autre chose, en survidant le creuset, que mettre à nu les cristaux déjà formés, et les dégager de la matière métallique enveloppante, avec laquelle ils ne feraient bientôt plus qu’une même masse solide après le refroidissement. C’est ce dont on peut d’assurer en cernant, avec la pointe d’un canif, la croûte qui s’est formée à la surface ; on retirera cette croûte couverte en dessous de cristallisations semblables à celles que nous avons décrites. La fonte du bismuth est une de celles qui se prête le plus facilement à cette observation.

22Un autre phénomène d’une existence plus générale, et plus faite pour nous intéresser, est la conversion de l’eau en glace. Lorsqu’une masse de ce liquide, exposée dans un vase à une température convenable, passe à ce nouvel état, et que la congélation n’est pas trop hâtée, on voit d’abord se former à la surface de petites aiguilles triangulaires, dont une des faces est de niveau avec l’eau. À mesure que ces aiguilles se multiplient, elles s’insèrent les unes sur les autres et les interstices qu’elles laissent, se trouvant occupés successivement par de nouvelles aiguilles, tout cet assemblage finit par ne plus former qu’un même corps.

  • 7 Ce sont encore des dendrites.

23Dans le cas d’une congélation très lente, les aiguilles ont des espèces de dentelures, et imitent par leur assortiment les cristallisations ébauchées que le refroidissement qui succède à la fusion fait naître sur la surface de la plupart des métaux, et que l’on a comparées à des rameaux de fougère. On observe aussi de ces congélations ramifiées à la surface des vitres, pendant les temps de gelée7.

24Une circonstance remarquable de ces mêmes assortiments est la tendance des aiguilles à se réunir sous l’angle de 120 degrés, ou de 60 degrés. Cette disposition se montre avec un caractère particulier de symétrie, dans la neige qui tombe assez souvent en forme de petites étoiles à six rayons, exactement situés comme ceux d’un hexagone régulier.

  • 8 Johann Kepler, dans la Strena.... (1609), et Robert Hooke, dans la Micrographia... (1665) avaient (...)

25Descartes, pour expliquer ce phénomène, pensait que les molécules de l’eau étant sphériques, six globules de cette eau s’arrangeaient d’abord autour d’un septième, et serviraient ensuite comme autant de points d’attache à des files de globules semblables, dirigées suivant des lignes qui passaient par les centres des premiers et par celui du globule du milieu, mais cette explication ressemblait à beaucoup d’autres, qui amènent le fait à elles, au lieu d’être amenées par le fait lui-même8.

  • 9 La Dissertation sur la glace de Dortous de Mairan a été analysée à l’Académie des sciences en 1749 (...)
  • 10 C’est Haüy lui-même qui à émis cette théorie.

26Mairan, dans sa dissertation sur la glace, où l’on trouve une suite d’observations très soignées, réunies à ce que la théorie pouvait alors dire de mieux, se borne à regarder la disposition angulaire dont il s’agit, comme l’effet d’une certaine tendance qui dépend de la figure des molécules, qu’il présume être de petites aiguilles, et il cite entre autres exemples qui viennent à l’appui de son opinion, celui de la pyrite cubique, dont les faces sont situées alternativement dans trois directions perpendiculaires l’une à l’autre9. Cette pyrite n’est, selon lui, qu’un assemblage d’aiguilles déterminées par elles-mêmes, à affecter constamment ces directions croisées ; mais on a prouvé depuis que la pyrite striée était, comme les autres, un assemblage de molécules cubiques, et devait être regardée comme une cristallisation ébranchée du dodécaèdre à plans pentagones10.

  • 11 Dans ce passage un peu confus, Haüy fait d’une hypothèse une certitude (« nous savons »). Aujourd’ (...)

27On pourrait plutôt présumer que les molécules de la glace sont des tétraèdres réguliers, composant des octaèdres, par un assortiment semblable à celui qui a lieu pour le fluate calcaire ou spath fluor, puisque les congélations qui offrent des indices de formes régulières ont un rapport régulier avec les dendrites métalliques, que nous savons être des assemblages d’octaèdres implantés, dont la structure ressemble à celle du spath dont il s’agit11. Ce sont les mêmes traits de part et d’autre, les mêmes dentelures, les mêmes apparences de triangles équilatéraux aux extrémités.

  • 12 Nous disons aujourd’hui que la cinétique de croissance est supérieure dans certaines directions. N (...)

28Or telle est la structure de l’octaèdre régulier, que si on le coupe parallèlement à deux de ses faces opposées, et à égale distance entre l’une et l’autre, on mettra à découvert un hexagone régulier, et que, de plus, six des tétraèdres qui le composent auront chacun une de leurs faces situées sur le plan de cet hexagone. Si donc on suppose des files de petits cristaux implantés, qui, en partant des différents côtés de l’hexagone, aient leurs faces analogues de niveau avec lui, ce qui n’est autre chose qu’une continuation d’un effet qui est dans le sens de la structure, ces files formeront nécessairement entre elles des angles de 60 degrés ou de 120 degrés, suivant qu’elles naîtront des côtés adjacents de l’hexagone ou des côtés pris de deux en deux12. On peut même supposer que le cristal situé à l’origine de ces différentes files soit une portion d’octaèdre terminée par un hexagone. Il n’est pas rare de rencontrer de ces portions d’octaèdre, même parmi les cristaux isolés. Au reste, ce n’est ici qu’une hypothèse, à laquelle nous n’attachons que le degré de valeur qu’elle nous paraît avoir, comme étant puisée dans l’analogie et indiquée par l’observation.

  • 13 C’est le phénomène de surfusion.

29Nous avons parlé plusieurs fois du degré de la congélation, et nous avons désigné par là le terme où, soit que la glace commence à se fondre, soit que l’eau liquide commence à se glacer, la liqueur du thermomètre répond à zéro ; c’est effectivement ce qui a toujours lieu. Mais il ne s’en suit pas que la température de l’eau ne puisse descendre au-dessous de zéro, sans que cette eau ne se congèle13. Fahrenheit observa le premier, et ce ne fut pas sans surprise, que l’eau contenue dans un matras de verre, dont le tube était fermé par le haut, conservait encore sa fluidité, après avoir été exposée pendant un jour et une nuit à un froid de 15 degrés de son thermomètre, qui répond environ à 11 degrés du nôtre. Ayant cassé la pointe du tube, il vit à l’instant une multitude de petits glaçons se former au milieu de l’eau, et il attribua d’abord cet effet au contact de l’air. Mais une autre fois qu’il portait un semblable matras, où l’eau était encore liquide, il fut tiré d’erreur par un accident assez singulier, en faisant un faux pas, qui produisit dans l’eau une agitation suivie d’une congélation subite.

30Cet effet est analogue à ce qui se passe dans la cristallisation des sels. Un mouvement léger imprimé au vase, dans lequel est contenue une dissolution saline, où l’on ne voyait encore rien paraître, quoiqu’elle eût déjà passé le point de saturation, suffit pour déterminer tout à coup la naissance d’une multitude de petits cristaux.

  • 14 Cette explication est bien évidemment très mécaniste. Nous disons qu’un liquide surfondu est métas (...)

31On peut concevoir que dans ce cas, l’agitation du liquide, en même temps qu’elle aide les molécules salines à se dégager d’entre les molécules aqueuses, qui opposent encore un petit obstacle à leur réunion, occasionne dans les premières une multitude de mouvements divers, d’où résultent pour un certain nombre d’entre elles, les positions qui donnent le plus d’avantage à l’affinité14.

32On a remarqué aussi qu’un petit cristal de sel, placé dans une dissolution du même sel, favorisait la cristallisation, parce que les molécules qui composent ce cristal ayant déjà les positions respectives qu’exige l’affinité pour être satisfaite, sollicitent ensuite leurs voisines aux mouvements les plus favorables à l’action de la même force, et cette disposition se communique de proche en proche à toutes celles qui n’attendent que l’instant de cristalliser. La présence d’un petit glaçon que l’on place de même dans une eau qui est déjà au-dessous du degré de congélation devient comme le signe de ralliement de toutes les molécules qui ont une tendance prochaine à se réunir.

33Pour compléter le tableau de toutes les circonstances relatives à cet objet, nous remarquerons qu’il y a ici deux effets distincts qui dépendent du calorique. D’abord la température du liquide s’abaisse au-dessous de zéro, parce que les corps environnants, qui sont plus froids que l’eau, lui enlèvent le calorique, par leur affinité prépondérante pour ce fluide ; mais dès qu’une fois l’eau est déterminée à se congeler, en vertu d’une cause quelconque, il se fait un dégagement particulier de la quantité de calorique qui doit se développer, pour que la congélation ait lieu.

  • 15 Lors d’un changement d’état, la température reste constante pendant la transformation d’une phase (...)

34On sait que l’eau congelée absorbe, en se fondant, 60 degrés de chaleur et c’est pour cette raison que si l’on mêle ensemble une livre d’eau à 60 degrés, et une livre de glace à zéro, toute la chaleur de l’eau sera employée à fondre la glace ; par un effet contraire, une masse d’eau qui se congèle, développe 60 degrés de chaleur15.

35D’après cela, on peut expliquer pourquoi l’eau dont la température descend au-dessous de zéro reste liquide. Car le calorique qui se développerait par la congélation, ne pouvant se communiquer que lentement aux corps environnants, cette lenteur est une difficulté qui s’oppose à la congélation, parce que plus la portion du calorique développé, qui tend à rester dans la masse, est considérable, et plus elle contrarie une des conditions nécessaires à la congélation, savoir que la température ne s’élève pas au-dessus de zéro, puisque à ce terme la glace commence à se fondre.

  • 16 Le raisonnement et la preuve « par le calcul » paraissent peu argumentés.

36Cet obstacle que la transmission lente du calorique forme à la congélation est tel que si l’on suppose l’eau exactement renfermée dans un vase non conducteur du calorique, elle ne pourra se congeler tout entière, dans cette hypothèse mathématique, qu’à une température au moins de 66 degrés deux tiers au-dessous de zéro, ainsi qu’on le prouve par le calcul, d’après le rapport entre les capacités de chaleur de la glace et de l’eau, qui est celui de 9 à 1016.

37Si dans la même hypothèse, la température était plus voisine de zéro, une partie de l’eau pourrait encore se congeler, et l’on aurait une infinité de cas possibles d’équilibre, en supposant que tout ce qui serait susceptible de congélation se congelât en effet : en sorte que l’on pourrait déterminer, à l’aide d’un calcul simple, la partie qui se congèlerait par chaque degré de température. Mais ces circonstances n’ont point lieu dans la nature, parce que les corps environnants prennent toujours leur part du calorique développé. On peut consulter sur ce sujet intéressant un mémoire des citoyens Laplace et Lavoisier, faisant partie de ceux de l’Académie des sciences pour l’année 1780, et dont l’objet principal est la description et l’usage du calorimètre.

38Pendant que l’eau passe à l’état de glace, son volume subit différentes variations, dont la marche mérite d’être suivie avec attention. Si on expose à la gelée un matras rempli d’eau médiocrement froide, jusque vers le milieu de sa hauteur, on verra cette eau descendre d’abord à mesure qu’elle se refroidira. Arrivée à un certain terme, elle y restera stationnaire pendant quelques instants, puis elle commencera à remonter ; en sorte qu’au moment de sa congélation, elle se trouvera au-dessus de son premier niveau.

39On voit par là que le volume de l’eau congelée est plus grand que n’était celui de la même eau à l’état de liquidité. Il en résulte que la pesanteur spécifique de l’eau diminue par la congélation, ce qui est d’ailleurs prouvé par la propriété qu’ont les glaçons de surnager l’eau qui les charrie.

40Mais il paraît de plus que l’instant où l’eau passe du degré de sa plus grande contraction à cette dilatation de volume est antérieur à celui de sa congélation.

41On pourrait croire cependant qu’il y a ici un effet qui n’est qu’apparent, et qui provient de ce que le verre se condensant en même temps que l’eau, à mesure qu’il se refroidit, éprouve, aux approches du terme où l’eau se congèle, une contraction qui est plus grande à proportion que celle de ce liquide. C’est ainsi que le fait est expliqué par plusieurs physiciens qui pensent que dans ce cas l’extension de volume que l’eau semble acquérir, est due à l’excès de la contraction du verre sur celle de l’eau elle-même.

42Mais les expériences qui ont été faites avec le cylindre que vous avez vu, et dont on s’était déjà servi pour déterminer l’unité des poids républicains, tendent à prouver que la dilatation dont il s’agit est réelle.

  • 17 On perçoit par cette description combien l’étude de la congélation est précise, comment la méthode (...)

43On a vissé au milieu de la base supérieure de ce cylindre un tube de cuivre, qui communiquait avec sa cavité ; puis on a plongé le cylindre dans l’eau par une température élevée seulement de quelques degrés au-dessus de celle de la congélation ; et en le lestant avec des grains de plomb, que l’on insérait à travers le tube, on l’a fait descendre jusqu’à ce qu’une petite marque, tracée vers le milieu de ce tube, se trouvât à fleur d’eau. On était alors dans l’hiver ; et la température ayant varié au-dessus et au-dessous de zéro, on a observé les degrés d’enfoncement du tube qui répondaient à ceux de la température, en tenant compte du changement de volume que subissait en même temps le cylindre. Cette observation faite en grand, devait rendre presque insensible l’effet de la contraction du vase qui renfermait l’eau ; et le résultat est que le terme où l’eau cesse de se contracter, répond à la température d’environ 2 degrés et demi au-dessus de zéro, dans le thermomètre de Réaumur17.

44À l’égard de la contraction du verre, on peut la rendre très visible en plongeant la boule d’un thermomètre dans la neige. À ce premier instant où l’effet du refroidissement se porte d’abord tout entier sur le verre, la boule en se resserrant fait monter sensiblement la liqueur. Le contraire a lieu, lorsque l’on plonge dans l’eau bouillante un tube de verre occupé par un liquide. La dilatation du tube saisi par la chaleur produit dans le liquide un abaissement instantané.

45La marche ordinaire du thermomètre est toujours un peu compliquée du double effet de la température, pour dilater ou resserrer en même temps le liquide et le verre qui le contient ; en sorte que la variation du mercure paraît moindre qu’elle n’est réellement : mais cette différence n’influe pas sur les résultats des observations ordinaires, parce qu’on suppose qu’entre les deux termes fixes, auxquels se rapporte la construction du thermomètre, les degrés de dilatation ou de contraction du mercure et du verre suivent sensiblement le même rapport.

46Une circonstance remarquable, qui accompagne la formation de la glace, est le dégagement de l’air renfermé dans l’eau. Cet air s’échappe sous la forme de petites bulles qui se réunissent plusieurs ensemble, pour former des bulles plus considérables, dont le diamètre a quelquefois jusqu’à 6 lignes ou même un pouce de longueur.

47Quelquefois les bulles ont la forme de petits tubes plus ou moins inclinés par rapport à l’axe du vase où s’opère la congélation : c’est ce qu’on observe en particulier dans l’eau distillée qui passe à l’état de glace.

48L’augmentation de volume que subit cette glace, peut être attribuée en partie au dégagement de l’air. Il en serait ici de l’eau et de l’air, comme de certaines substances qui paraissent se pénétrer en se mêlant ; de manière que la somme de leurs volumes, prise séparément, était plus grande avant le mélange.

49Mais l’eau que l’on a purgée d’air le plus exactement qu’il a été possible, avant de la faire congeler, ne laisse pas d’augmenter sensiblement de volume ; et cet effet dépend en grande partie du nouvel arrangement que prennent entre elles les molécules intégrantes du liquide, en se réunissant par leur force d’affinité. On sait qu’il n’est point particulier à l’eau. Réaumur a observé que le fer acquérait un volume plus considérable, par le refroidissement qui suit la fusion de ce métal et qui le congèle, tandis qu’au contraire le mercure, dans le même cas, se contracte d’une quantité très sensible.

50Mairan attribue la dilatation de l’eau congelée à une espèce de désordre produit par le mouvement plus ou moins rapide qui agite les molécules, tandis qu’elles se réunissent. Il en résulte, selon lui, qu’elles se croisent et s’embarrassent mutuellement, par une infinité de positions différentes, en laissant de petits vides entre elles ; ce qui tend à leur faire occuper un plus grand espace, que dans l’état de simple liquidité.

  • 18 Les théories mécanistes ne parviendront jamais à bien expliquer le volume plus grand occupé par la (...)

51On conçoit effectivement que, toutes choses égales d’ailleurs, une cristallisation confuse, en donnant lieu à une multitude de petits interstices qui auraient été remplis dans le cas d’une cristallisation plus lente et mieux graduée, puisse tendre à augmenter le volume de la masse solide produite par cette opération. Mais il paraît que l’acte seul de la cristallisation est par lui-même, au moins relativement à certaines substances, et en particulier à l’égard de l’eau, une cause immédiate d’augmentation de volume. Telle est, dans ces sortes de cas, la figure des molécules, jointe aux autres circonstances, qu’un arrangement déterminé et pour ainsi dire plus compassé que celui qu’elles avaient dans l’état de liquidité, donne à toute la masse une configuration générale qui répond à un espace plus étendu18.

52Mairan, ayant cherché la pesanteur spécifique de la glace, au moyen de la balance hydrostatique, a trouvé que le volume de l’eau augmentait d’environ 1/14, par la congélation. Mais cet effet varie suivant les circonstances ; et comme il provient en général d’un arrangement particulier que prennent tout à coup les molécules de l’eau, en vertu de l’affinité qui dans ce cas agit très puissamment, pour les fixer dans leurs nouvelles positions respectives, on entrevoit comment il peut en résulter dans la glace une force expansive considérable. De là les efforts qu’elle exerce contre les parois des différents corps qui la contiennent, en brisant tous ces vases dont le dégel présente de toutes parts les nombreux débris.

  • 19 Jacques Buot (v. 1675-?), ingénieur du Roi et membre de l’Académie des sciences.

53Plusieurs physiciens ont désiré éprouver jusqu’où pourrait aller cette force d’expansion. Un canon de fer, épais d’un doigt, rempli d’eau et fermé exactement, ayant été exposé par Buot19 à une forte gelée, se trouva cassé en deux endroits au bout de douze heures. Les philosophes de Florence firent crever par la même cause une sphère de cuivre très épaisse ; et Musschenbroeck ayant calculé l’effort qui avait dû occasionner la rupture, a trouvé qu’il aurait été capable de soulever un poids de 27,72 livres. La gelée fait périr les plantes, surtout lorsqu’elle les a saisies à la suite d’un dégel, où leurs racines se sont imbibées d’eau, en détruisant l’organisation de ces parties, par l’écartement qu’elle produit entre leurs fibres. Les pierres qui ont été mouillées avant la gelée s’exfolient ; les marbres que l’on a fait sauter au moyen de la poudre à canon, et où il s’est formé des gerçures, par l’ébranlement qu’ils ont éprouvé, sont sujets dans le même cas à éclater en divers endroits. Il est bon que les artistes connaissent la cause de ces accidents, pour être à portée de les prévenir.

54Ainsi en comparant les effets de l’eau dans ses deux états extrêmes, on voit avec une double surprise, la grande énergie qu’elle déploie pour rompre ses barrières, soit lorsque ses molécules sont comme lancées par la force qui tend à les séparer, soit lorsqu’elles restent abandonnées à la force qui agit pour les enchaîner.

Notes

1 Voir le livre de G.-C. de Prony, Nouvelle architecture hydraulique, 2 vol., Paris, 1790.

2 Voir le livre de J. Payen, Capital et machine à vapeur au xviiie siècle, Paris, Mouton, 1969, notamment les chapitres III et IV.

3 Voir les cinq premières leçons.

4 Haüy évoque les dendrites qui se forment par refroidissement rapide des liquides, ici l’antimoine en fusion.

5 Haüy réduit l’alchimie à une superstition, ce qu’elle n’a jamais été. Depuis le xviiie siècle, elle était devenue science rationnelle en perdant peu à peu son aspect hermétique.

6 C’est une géode artificielle qui est ainsi produite.

7 Ce sont encore des dendrites.

8 Johann Kepler, dans la Strena.... (1609), et Robert Hooke, dans la Micrographia... (1665) avaient étudié ce phénomène et en avaient rendu compte par des raisons mécaniques d’assemblages réguliers de petites masses. L’explication de Descartes citée ici, qui semble tirée des Météores (1637), n’est pas aussi complète que celle de ces prédécesseurs. Elle ne peut pourtant être qualifiée d’« amener le fait à elle ».

9 La Dissertation sur la glace de Dortous de Mairan a été analysée à l’Académie des sciences en 1749. Les faits qui y sont décrits conduisent à une conception générale de l’Univers.

10 C’est Haüy lui-même qui à émis cette théorie.

11 Dans ce passage un peu confus, Haüy fait d’une hypothèse une certitude (« nous savons »). Aujourd’hui, nous dirions que les métaux et la fluorite (« spath fluor ») cristallisent dans le système cubique. La glace est hexagonale. Ce n’est que dans certains plans (faces des tétraèdres et des octaèdres) que les symétries de ces deux systèmes coïncident.

12 Nous disons aujourd’hui que la cinétique de croissance est supérieure dans certaines directions. Nous ne parlons plus de « files de petits cristaux », mais d’un cristal inégalement développé.

13 C’est le phénomène de surfusion.

14 Cette explication est bien évidemment très mécaniste. Nous disons qu’un liquide surfondu est métastable. Une petite perturbation favorise son passage immédiat à l’état stable correspondant à la température à laquelle il est placé.

15 Lors d’un changement d’état, la température reste constante pendant la transformation d’une phase en une autre.

16 Le raisonnement et la preuve « par le calcul » paraissent peu argumentés.

17 On perçoit par cette description combien l’étude de la congélation est précise, comment la méthode expérimentale est utilisée pour éliminer successivement différents facteurs qui peuvent agir sur le phénomène étudié.

18 Les théories mécanistes ne parviendront jamais à bien expliquer le volume plus grand occupé par la glace, donc sa densité plus faible que celle de l’eau. Il faudra attendre l’introduction des forces de liaisons intermoléculaires pour mieux approcher le phénomène.

19 Jacques Buot (v. 1675-?), ingénieur du Roi et membre de l’Académie des sciences.

© Éditions Rue d’Ulm, 2006

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