The2-2 - Deux étuves
Fonction
Pour mesurer la chaleur « spécifique » (massique) d’un solide par la méthode de Regnault.
Description
Le solide est suspendu par un fil à l’intérieur d’un cylindre de laiton (éventuellement dans une nacelle), qui peut être tenu par une manche isolant thermique. Le réservoir d’un thermomètre dont la tige traverse la section supérieure du cylindre est placé près du solide. Le cylindre est ouvert à sa partie inférieure ce qui permettra ultérieurement, en relâchant le fil, de descendre le solide dans un calorimètre. Le cylindre est introduit (à frottement doux pour contact thermique) dans l’étuve à double paroi, parcourue par un courant de vapeur d’eau (voir les deux ajutages à la partie inférieure de l’étuve). On attend l’équilibre thermique. Soit t1 la température du solide, m sa masse. On retire le cylindre et le solide qu’il contient et on transporte le tout au-dessus du calorimètre. Le cylindre sert à protéger le solide des pertes thermiques pendant ce transport qui doit être cependant rapide. Puis, à l’aide du fil, on descend le solide dans l’eau du calorimètre dont la température passe de t2 à t3 température finale d’équilibre du solide et du calorimètre. Soit M la masse d’eau, M’ l’équivalent en eau du vase calorimétrique et de ses accessoires, c la chaleur massique (à déterminer) du solide, c0 celle de l’eau (connue). La chaleur massique c se déduit de l’équation calorimétrique :
M c (t1-t3) = (M+M') c0 (t3 -t2)
Regnault utilisait une étuve plus sophistiquée : une trappe située à la partie inférieure de l’étuve permettait de faire descendre le solide directement dans le calorimètre, mais il fallait protéger soigneusement le calorimètre de l’apport de chaleur par rayonnement et conduction en provenance de l’étuve (voir Jamin p. 144).
Histoire
Pierre Louis Dulong (1785-1838) et Alexis Petit (1791-1820) mesurèrent de nombreuses chaleurs massiques de solides et établirent la loi : « le produit de la chaleur massique d’un corps simple solide par sa masse atomique est le même pour tous les corps simples » (1819).
Henri Victor Regnault (1810-1878) entreprit avec beaucoup plus de précision et une grande rigueur de nombreuses mesures : de chaleurs massiques, de chaleurs latentes, de coefficients de dilatation… et vérifia la loi de Dulong et Petit. Citons quelques autres travaux de ces savants.
Dulong découvrit le chlorure d’azote (ce qui lui coûta un oeil et deux doigts), l’acide hypophosphoreux… avec Arago, en 1825, il mesura la pression de vapeur saturante de l’eau avec, pour manomètre, un tube rempli de mercure haut de 25m logé dans la tour Clovis du lycée Henri IV. L’« entreprise fut périlleuse, car l’art de la chaudronnerie était à ses débuts et à 27 atmosphères la chaudière fuyait de tous côtés » (Pierre Rousseau, Histoire de la Science). À cette occasion il imagina (ou redécouvrit ?) le calorimètre et le « thermomètre à poids » (inventé avec Petit) ; il mesura le rapport des chaleurs massiques Cp/Cv des gaz par la vitesse du son (1829). Dulong et Petit mesurèrent le coefficient de dilatation du mercure et des coefficients de dilatation cubique de divers métaux. Regnault a fourni une formule liant la chaleur latente de vaporisation de l’eau à la température.