Cours de physique – Chaleur et changements d’Etat

Description

Le manuel historique pour maîtriser la thermodynamique classique.

Sommaire

Manuel de physique classique : Thermodynamique et chaleur

Véritable référence historique, l’ouvrage Cours de physique – Chaleur et changements d’état s’adresse spécifiquement aux étudiants préparant les concours des Écoles Nationales d’Arts et Métiers. Ce manuel classique constitue une ressource précieuse pour quiconque étudie la thermodynamique de l’époque ou recherche des documents de préparation aux concours techniques de 1947.

Théorie de la thermométrie et de la dilatation

L’auteur expose avec précision les fondements de la thermométrie et de la dilatation. Au fil des pages, le lecteur découvre les principes de l’équilibre thermique ainsi que les différentes échelles de température. L’ouvrage détaille rigoureusement les lois régissant la dilatation des solides, des liquides et des gaz parfaits, en s’appuyant notamment sur les travaux de Gay-Lussac et Mariotte. Il pose ainsi les jalons indispensables à l’étude des phénomènes thermiques.

Maîtriser la calorimétrie et les changements d’état

Le manuel consacre une section exhaustive à la calorimétrie, où il analyse la chaleur spécifique et l’équivalent mécanique de la chaleur. Il explore ensuite les mécanismes des changements d’état :

• Fusion et solidification ;

• Vaporisation et liquéfaction des gaz ;

• Étude de la température critique.

Le contenu s’enrichit également d’une analyse de l’hygrométrie et du comportement des gaz humides, offrant ainsi une vision globale de la discipline.

Un héritage pédagogique de l’année 1947

Publié par la Librairie Delagrave en 1947, ce volume broché (ASIN B004HPBACG) dépasse la simple fonction technique pour devenir un objet d’histoire. Il illustre les exigences académiques de l’après-guerre et attire, à ce titre, autant les historiens des sciences que les collectionneurs de manuels anciens.

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Caractéristiques

• Titre : Cours de physique – Chaleur et changements d’état à l’usage des candidats aux Ecoles Nationales d’Arts et Métiers

• Auteur : Non spécifié (Manuel de cours)

• Éditeur : Librairie Delagrave

• Format : Broché

• Date de parution : 1947

• ASIN : B004HPBACG

• Thème : Physique Classique, Thermodynamique, Chaleur, Concours Arts et Métiers

Par Quevron (L.) et Rumeau (G.) Fournel (P.)

Envoi soigné et Déposé en 48h (jours ouvrables) Edition Delagrave 13,8 x 18,2 x 1,1 cm 228 pages Dépot légal:1946 Bon état

Résumé

Principes de la thermométrie et mesures de température

L’ouvrage s’ouvre sur une exploration de la chaleur et consacre son premier chapitre à la thermométrie. L’auteur y introduit la notion fondamentale de température à travers l’observation de divers phénomènes physiques, comme la dilatation des solides, des liquides et des gaz. Il y détaille le concept d’équilibre thermique et présente les outils de mesure, du simple thermoscope à la définition des points fixes de température.

La section suivante approfondit l’expression numérique de ces mesures. Elle pose le problème général de la thermométrie en expliquant l’échelle centésimale et, surtout, l’échelle légale. L’auteur introduit ici la température absolue, en utilisant le thermomètre à hydrogène comme référence universelle, tout en analysant le fonctionnement du thermomètre à mercure et ses corrections nécessaires.

La dilatation des matériaux et des gaz

Le deuxième chapitre scrute le comportement des matériaux face à la chaleur. L’étude commence par la dilatation linéaire des solides, mesurée avec précision grâce au comparateur, avant de dériver les dilatations superficielle et cubique. L’analyse s’étend à la variation de la masse spécifique et au cas particulier des liquides, où l’auteur établit la relation entre dilatation absolue et apparente, sans oublier l’anomalie thermique de l’eau.

En abordant les gaz dans le troisième chapitre, l’ouvrage expose les lois de Gay-Lussac et les contraintes de la loi de Mariotte. Ces principes convergent vers la définition du gaz parfait et sa formule générale, où l’invariant $R = PV/T$ joue un rôle clé. L’auteur complète cette étude par la loi d’Avogadro et la loi de Dalton sur les pressions partielles dans les mélanges gazeux.

Propriétés de masse et calorimétrie

Le chapitre quatre se focalise sur les propriétés de masse. On y apprend que la densité relative d’un gaz parfait reste constante. L’auteur lie la masse moléculaire à la densité et enseigne comment calculer la masse spécifique d’un gaz selon sa température et sa pression, en s’appuyant sur des mesures expérimentales de l’air normal.

Le cinquième chapitre entre dans le vif de la calorimétrie. Il définit les unités de quantité de chaleur et la chaleur spécifique, tout en expliquant la capacité calorifique et l’équivalent en eau. Le texte compare deux méthodes majeures de mesure via les calorimètres de Bunsen et de Berthelot, pour finir sur la loi de Dulong et Petit.

Thermodynamique et changements d’état

Le sixième chapitre jette un pont entre la mécanique et la thermique. Il décrit la transformation bidirectionnelle de l’énergie et de la chaleur, posant ainsi les bases de la thermodynamique. L’auteur insiste sur le principe d’équivalence pour les cycles fermés, définit l’énergie interne et précise la valeur numérique de l’équivalent mécanique $J$.

La seconde partie de l’ouvrage analyse les transitions de phase :

• Fusion et solidification : L’auteur énonce les lois de la fusion brusque des corps purs, explique le phénomène de la surfusion et démontre comment la pression influence la température de fusion.

• Vaporisation : Le chapitre huit distingue les vapeurs sèches des vapeurs saturantes et définit leur courbe d’équilibre. On y découvre des méthodes expérimentales comme celle de Victor Meyer pour mesurer la densité des vapeurs.

Humidité, ébullition et gaz liquéfiés

L’étude des mélanges gaz-vapeurs occupe le chapitre neuf, qui applique la loi de Dalton à l’hygrométrie. L’auteur y définit l’état hygrométrique de l’air et présente les hygromètres à condensation à travers des exercices pratiques sur les gaz humides.

Vient ensuite l’analyse de l’ébullition au chapitre dix. L’auteur explique l’influence majeure de la pression, le rôle de l’air et le principe de la paroi froide de Watt. Il illustre ces théories par des applications concrètes comme la distillation ou l’usage des autoclaves.

Enfin, les derniers chapitres mesurent la chaleur de vaporisation, particulièrement pour l’eau, avant de conclure sur la liquéfaction des gaz. L’ouvrage traite des défis de conservation des gaz liquéfiés et s’appuie sur les isothermes d’Andrews pour introduire la température critique, notion fondamentale pour comprendre les limites de l’état gazeux.

Table des matières

I. — CHALEUR

CHAPITRE I. — Thermométrie. … 9

— Observation de phénomènes liés à la température … 9

 1. Notion de température
2. Dilatation des solides.
3. Dilatation des liquides.
4. Dilatation des gaz.
5. Équilibre thermique.
6. Thermoscope.
7. Températures fixes.

II. — Expression numérique des températures. Échelle légale. … 17

 8. Problème général de la thermométrie. — 9. Échelle centésimale de températures. — 10. Cas d’un gaz parfait. Définition de l’échelle légale. — 11. Température absolue. — 12. Échelle du thermomètre à hydrogène. Températures normales. — 13. Thermomètre normal. — 14. Thermomètre à mercure. — 15. Emploi du thermomètre à mercure. Corrections. — 16. Thermomètre à mercure et échelle légale. — 17. Autres échelles. — 18. Divers thermomètres à liquides. — 19. Autres méthodes thermométriques. — 20. Exemples de températures fixes. (Échelle centésimale légale.)

CHAPITRE II. — Dilatation des solides et des liquides. … 39

I. Solides … 39

 1. — Dilatation linéaire. — 2. Mesure des dilatations linéaires au moyen du comparateur. — 3. Résultats. — 4. Dilatation superficielle et cubique. — 5. Cas des solides isotropes. — 6. Variation de la masse spécifique avec la température. — 7. Cas des grandes variations de température. — 8. Application de la dilatation des solides.

II. Liquides … 50

 9. — Coefficients de dilatation des liquides. — 10. Coefficient de dilatation apparente. — 11. Relation entre les coefficients de dilatation absolue et dilatation apparente. — 12. La Mesure directe du coefficient de dilatation absolue du mercure. — 13. Mesurer le coefficient de dilatation absolue d’un autre liquide. — 14. Mesurez le coefficient de dilatation apparente. Dilatomètre. — 15. Détermination du coefficient de dilatation de l’enveloppe. — 16. Résultats. — 17. Cas particulier de l’eau. Anomalie de dilatation. — 18. Eau et kilogramme étalon. — 19. Emploi d’un dilatomètre pour la mesure de la dilatation cubique d’un solide. — 20. Applications de la dilatation des liquides.

CHAPITRE III. — Étude de la dilatation des gaz. … 62

I. Cas d’un seul gaz … 62

 1. Généralités. — 2. Définitions. — 3 Appareillage expérimental utilisé. — 4. Résultats. — 5. Lois de Gay-Lussac. — 6. La loi de Mariotte impose l’identité des coefficients α et β. — 7. Approximation des lois de Gay-Lussac. — 8. Le gaz parfait. — 9. Loi et formule générales d’un gaz parfait. — 10. Introduction de la température absolue. — 11. Valeur de l’invariant R = PV/T. Loi d’Avogadro.

II. Mélange des gaz … 72

 12. Pression partielle d’un gaz dans le mélange gazeux. — 13. Loi de Dalton des mélanges gazeux. — 14. Formule des mélanges. Additivité de l’invariant PV/T. — 15. Gaz réels.

CHAPITRE IV. — Densités et Masses spécifique des gaz. Quelques applications des lois des gaz. … 77

I. Définitions et formules … 77

 1. Définitions. — 2. La densité relative est une constante pour un gaz parfait. — 3. Loi d’Avogadro. Volume moléculaire. — 4. La Masse moléculaire et densité relative. — 5 Masse spécifique d’un gaz à t et p. — 6. Masse spécifique de l’air à t et p. — 7. Masse d’un volume de gaz à t et p.

II. Mesures expérimentales … 83

 8. Mesure de la masse spécifique de l’air normal. — 9. Mesure de la densité d’un gaz. — 10. Intérêt de ces mesures précises. — 11. Droites de Gay-Lussac. — 12. Exercices … 86

CHAPITRE V. — Calorimétrie. … 88

I. Généralités et définitions … 88

 1. Notion de quantité de chaleur. — 2. La chaleur est une quantité mesurable. — 3. Unités de quantité de chaleur. — 4. Chaleur d’échauffement. — 5. Notion de chaleur spécifique. — 6. Capacité calorifique d’un corps. — 7. Équivalent en eau d’une substance. — 8. Chaleurs spécifiques moyennes et chaleur spécifique vraie. — 9. Principes de calorimétrie. — 10. Deux méthodes principales de calorimétrie. — 11. Calorimètre à glace de Bunsen (à température constante). — 12. Calorimètre à température variable (Berthelot).

II. Mesures des chaleurs spécifiques des solides et des liquides … 103

 13. Emploi d’un calorimètre à glace. — 14. Emploi du calorimètre de Berthelot. — 15. Résultats des mesures. — 16. Chaleurs spécifiques des corps simples solides. Loi de Dulong et Petit. — 17. Loi de Kopp ou de Woestyn.

CHAPITRE VI. — Transformation de l’énergie mécanique en chaleur et réciproquement. … 109

 1. Énergie mécanique. — 2. L’énergie mécanique peut se transformer en chaleur. — 3. La chaleur peut se transformer en énergie mécanique. — 4. Les principes de la thermodynamique. — 5. Principe de l’équivalence cycle fermé. — 6. Valeurs numériques de J. — 7. Application à des transformations non fermées. — 8. Notion d’énergie interne. — 9. Autres formes de l’énergie. — 10. Exercices.

II. — CHANGEMENTS D’ÉTAT

CHAPITRE VII. — Fusion et solidification. … 120

I. Lois de la fusion brusque. Surfusion … 120

 1. Fusion d’un corps pur. — 2. Loi de la fusion brusque. — 3. Fusion d’un mélange. — 4. Surfusion. — 5. État vitreux.

II. Chaleur de fusion … 124

 6. Définition. — 7. Chaleur de fusion de la glace. — 8. Cas d’un corps quelconque.

III. Changements de volume par fusion et influence de la pression … 126

 9. Un corps augmente, en général, de volume en fondant. — 10. L’eau diminue de volume en fondant. — 11. La température de fusion dépend de la pression. — 12. Quelques expériences montrant l’influence de la pression. — 13. Courbes de fusion — 14. Équilibre au changement d’état. — 15. Courbe d’équilibre. — 16. Fusion ou solidification par variation de pression. — 17. Détermination de la courbe de fusion.

CHAPITRE VIII. — Vaporisation dans le vide. Propriétés des vapeurs sèches et des vapeurs saturantes. Densités. … 134

I. Vaporisation … 134

 1. Vapeurs sèches et vapeurs saturantes.

 2. Vaporisation dans le vide. — 3. Propriétés des vapeurs sèches. — 4. Propriétés des vapeurs saturantes. — 5. Masse spécifique d’une vapeur saturante. — 6. Équilibre liquide. — Vapeur saturante. — 7. Tension de saturation et température. Courbe d’équilibre. — 8. Détermination expérimentale de la courbe de saturation. — 9. Résultat pour l’eau.

II. Densité des vapeurs par rapport à l’air … 143

 11. Définition. — 12. Densité relative et loi d’Avogadro. — 13. Méthode de Victor Meyer.

CHAPITRE IX. — Mélange de gaz et de vapeurs. Vaporisation dans un gaz. Hygrométrie. … 147

I. Vaporisation en atmosphère limitée … 147

 1. Expérience de vaporisation. — 2. Définitions. — 3. Pressions partielles de l’air et de la vapeur. — 4. Loi des mélanges de gaz et de vapeur (Dalton). — 5. Équation traduisant cette loi.

II. Vaporisation en atmosphère illimitée … 151

 6. Généralités. — 7. Évaporation. — 8. Évaporation en atmosphère limitée.

III. Hygrométrie … 154

 9. Vapeur d’eau dans l’air. — 10. État hygrométrique. — 11. Hygrométrie à condensation. — 12. Hygrométrie chimique. — 13. Hygromètres qualitatifs.

IV. Exercices sur les gaz humides … 157

 14. Masse d’un volume d’air humide. — 15. Masse d’un volume de gaz humide. — 16. Comment, dans un problème, savoir si une vapeur est sèche ou saturante.

CHAPITRE X. — Ébullition. Principe de la paroi froide. Applications. … 161

I. Ébullition … 161

 1. Description du phénomène. — 2. Première loi d’ébullition. Température d’ébullition. — 3. La pression a une influence sur la température d’ébullition. — 4. Deuxième loi de l’ébullition. — 5. Température d’ébullition normale. — 6. L’air est nécessaire à l’ébullition.

II. Principe de Watt, de la paroi froide … 166

 7. Température non uniforme dans un vase. — 8. Principe de Watt de la paroi froide.

III. Applications … 167

 9. Distillation. — 10. Détermination de la température d’ébullition d’un liquide. — 11. Ébullition d’un mélange de deux liquides. — 12. Détermination des pressions de saturation par la méthode dynamique. — 13. Générateurs de vapeur. — 14. Autoclaves. — 15. Expérience du « bouillant » de Franklin. — 16. Condensation. — 17. Vapeur saturante.

CHAPITRE XI. — Chaleur de vaporisation. Sa mesure. … 174

 1. Expériences qualitatives. — 2. Définitions. — 3. Signification de la chaleur de vaporisation. — 4. Chaleur de vaporisation de l’eau à 100°. — 5. Chaleur de vaporisation à une température quelconque. — 6. Méthodes modernes. — 7. Résultats pour l’eau. — 8. Remarques sur les propriétés particulières de l’eau.

CHAPITRE XII. — Liquéfaction des gaz. Température critique. … 183

I. Liquéfaction des gaz usuels, autres que l’air et l’hydrogène. … 183

 1. Définitions. — 2. Procédés théoriques de liquéfaction. — 3. Liquéfaction des principaux gaz industriels. — 4. Conservation des gaz liquéfiés. — 5. Usage des gaz liquéfiés. — 6. Machines à froid industrielles.

II. Notion de point critique … 188

 7. Les gaz permanents de Faraday. — 8. Les travaux d’Andrews. — 9. Réseau d’isothermes. — 10. Notion de température critique. — 11. La pression critique. — 12. La courbe de saturation à un point d’arrêt. — 13. L’état critique. — 14. Coordonnées critiques de l’eau.