HAL Id: jpa-00237277
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Submitted on 1 Jan 1877
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Sur la théorie dynamique des gaz
J. Violle
To cite this version:
J. Violle. Sur la théorie dynamique des gaz. J. Phys. Theor. Appl., 1877, 6 (1), pp.175-186.
�10.1051/jphystap:018770060017501�. �jpa-00237277�
I75
trique
parrapport à
unplan vertical,
depart
et d’autreduquel
sont deux conducteurs A et B
symétriques
parrapport
au mêmeplan,
auxpotentiels V1
etV2,
onpeut
montrer directement que lecouple
des actionsélectriques
a pourexpression ( 1 )
La théorie
qui précède indique
àquelles
conditions lerapport y
est
égal
à1 2.
Il faut pour cela que, par suite d’unpetit déplacement
de
l’aiguille,
l’accroissement decharge
soit d’un côtém(V - V1),
de
l’autre, -l1Z(V-V2),
et que sur les conducteurs A et B les variations decharge
soientégales
en valeurs absolues à celles desportions
del’aiguille correspondantes.
Ces conditions ne sontréalisées que dans des cas
très-particuliers.
SUR LA
THÉORIE
DYNAMIQUE DES GAZ;PAR M. J. VIOLLE.
[SUITE.] J (5:)
II. Le même mécanisme par
lequel
nous avons renducompte
du frottement provoque dans un gaz
inégalemen t
chaud lephéno-
mène de
transport
de la chaleur dit par conductibilité. Si en effetnous considérons un muer gazeux dont l’une des faces soit main-
tenue à une
température
élevée constante et l’autre face sans cesserefroidie ,
unplan quelconque parallèle
aux faces du mur seratraversé à
chaque
instant par desmolécules ,
nonplus
affectéesde vitesses de translation
différentes,
comme dans le casprécédem-
ment
considéré,
maispossédant
une vitessed’agitation
variablesuivant la couche d’oû elles viennent. Le mouvement
d’agitation
amènera donc dans la
région
froide des moléculesayant
une force vive moyennesupérieure à
celle des molécules au milieudesquelles
(1) voir Journal de Physique, t. IV, p. 32;.
(2) Voir Journal de Physique, t. VI, p. 73.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:018770060017501
elles arrivent : de
là,
pour les couchesfroides,
ungain
incessantde force
vive,
c’est-à-dire dechaleur, qu’il
estpossible
d’évaluernumériquement.
Le nombre des molécules
qui
viennent de la couche située à la distance x,, etd’épaisseur dx,
etqui
traversent en une seconde l’u- nité de surface duplan considéré,
dans un sens ou dansl’autre,
estencore
et leur force vive moyenne
Dans cette
expression,
n, 1 et M sont, àproprement parler,
desfonctions de x, par suite de la variabilité des
températures paral-
lèlement à l’axe des .x. La
question
est doncanalytiquement
assezcompliquée.
M.Clausius, qui
l’a abordée lepremier,
en a donnéla solution
complète
dans un de ses Mémoires lesplus impor- tants (1);
mais cette solution est loin d’étresimple.
Onpeut
remarquer toutefois que la variation de1,
avec latempérature,
dansla couche
d’épaisseur 1,
n’affectequ’infiniment peu
le nombre des moléculesenvoyées
parchaque
trancheélémentaire;
et que dans la sommation que l’on aura à faireensuite,
de zéro à1,
cette mémevariation
agira
en sens contraire. Onpeut donc ,
sans erreursensible, regarder,
avec M. ,ïonLang (2),
1 comme constant dansla couche très-mince clue l’on a seule à
considérer;
n devra être alors considéré aussi comme constant dans la mêmecouche, d’après l’équation
fondamentale deClausius,
cc sera donc seul variable. Soit ux la valeur de u dans la couche x, x -f-
dx ;
ux sera lié à lairitesse ii,
dans leplan
deséparation,
(1) CLAUSIUS, Pogg. 4nn., 1862, t. CXV, p. J, et VERDET, Tlléorie mécanique de la chaleur, t. II, p. 58.
(2) VoN L.»G, Einleitung in die theoretische Physik, Braunschweig, 18,3, p. 529.
I77
par la relation
L’expression
de la force vive des molécules considérées seradonc
x étant
toujours très-petit,
onpeut
poseret
On a
donc,
pour la force vive des moléculesenvoyées
dans l’unitésde
temps
par lacouche x,
x -f-dx,
Ces molécules traversent le
plan
et vont au delàjusqu’à
la dis-tance l x :
là,
ellesprennent
la force viveElles ont donc
perdu
et, pour avoir la
perte
de force vive subie en une seconde par les molécules traversant l’unité de surface duplan considéré,
on n’aqu’à
faire la somme desquantités
ainsiperdues
par les couches élémentairescomprises
entre zéro et1,
cequi donne ,
le facteur de dx étant constant dans cetintervalle,
Si la force vive considérée était la force vive totale des
molécules,
pour convertir ce tte somme de forces vives en
chaleur ,
iln’y
aurait
qu’à
lamultiplier
parl’équivalent calorifique
du travail.Mais la force vive moyenne du mouvement
d’agitation
n’estqu’une
fraction
(les ’
environ pour les gazsimples)
de la force vive totalemoyenne
(1);
il faut doncemployer
un autrefacteur, qui peut
s’obtenir comme il suit :D’une manière
générale,
la chaleurpossédée
par lepoids
nmg de gaz à latempérature
T estc étant la chaleur
spécifique
à volume constant. Cettequantité
dechaleur
peut
s’écrirece
qui
montre que le facteur parlequel
il fautmultiplier
la forcevive du mouvement
d/agitation
desmolécules,
pour avoir la quan- tité de chaleurcorrespondante
contenue dans le gaz,est 2gcT u2.
wU2
Il vient donc ici pour la
quantité
de chaleurtransportée,
dansl’unité de
temps, à
travers l’unité de surface duplan des xy,
et le coefficient de condtictibilité u
défini,
commed’habitude,
lefacteur de dx dT dans cette
expression
serail sera donc
indépendant
de lapression,
etproportionnel
à laracine carrée de la
température absolue,
comme le coefficient dee) VERDET, Théorie mécanique de la chaleur, t. II, p. 33.
(2) 1B1. CLAusius trouve pour ce coefficient la valeur
presque identique à celle que nous obtenons par notre calcul approché.
I79
frottement, auquel
il est lié d’ailleurs par la relationtrès-simple
ainsi
qu’il
résulte immédiatement de lacomparaison
des valeursde m et de ’Y1.
De cette dernière relation on tire potiru lesvaleurs suivantes
(1):
à zéro et sous la
pression
de760 millimètres,
la seconde, le cen- timètre et le gramme étantpris
pour unités detemps,
delongueur
et de masse.
D’après
M.Maxwell,
le coefficient de conductibilité d’un gaz,comme le coefficient de
frottement,
seraitindépendant
de la pres-sion,
maisproportionnel
à latempérature
absolue. Les coefficients des différents gazprésenteraient
à peuprès
les mêmes valeurs rela- tives que nous leur avonsassignées :
les coefficientsde l’oxygène,
del’azote et de
l’oxyde
de carbone étant encore sensiblementégaux,
etles coefficients de
l’hydrogène
et de l’acidecarbonique
étant res-pectivement égaux à 7
foiset 7 9
fois la conductibilité del’air ;
niaisles valeurs absolues des
coefficients, auxquelles
arrive M.Maxwell,
sont sensiblement
plus
fortes que celles que nous avons inscritesau tableau
précédent.
Si nous passons maintenant à
l’expérience,
nous trouvons d’abordla conductibilité
indépendante
de lapression :
MM.Stefan (2),
(1) On a admis pour c les nombres
e) STEF,’t-.4, Sitzunbasbcrichte der Wiener Akademie, I872, t. LXV, p. 42, et Journal
de Physiqiie, 1873, t. II, p. 148.
Kundt et
Warburg (’)
et Winkelmann(2)
ont successivementreconnu cette
indépendance,
réclamée par toute théoriedynamique
des
gaz. Relativement
à la variation du coefficient avec latempéra-
ture, les observations récentes et
très-soignées
de M. Winkel-mann
(3) donnent
c’est-à-dire un résultat presque
iden tique
à celuiqu’a
obtenuM.
Mayer (4)
pour le coefficient defrottement,
et intermédiaire aussi parconséquent
entre les deux valeursthéoriques.
La
grandeur
des coefficients de conductibilité a été déterminée par diversphysiciens d’après
la méthode deDulong
etPetit,
enobservant le refroidissement d’un corps
thermométrique
dans uneenceinte déterminée. Narr
(5)
mesura d’abord les valeurs relatives desconstantes ; Stefan
chercha ensuite lagrandeur
absolue de la conductibilité del’air,
pourlaquelle
il trouva rs =0,000056 (6),
nombre
supérieur
à la valeurthéorique
calculéeplus haut,
maiségal aux 2 3
seulement du coefficientexigé
par la théorie de Maux- well(7).
Stefan trouva en outre que la conductibilité del’hydro- gène
é taitégale à 7
fois celle del’air;
Narr n’avait donné que5, 51.
La mesure de
Stefan,
conforme à lathéorie,
a été confirmée parles déterminations de MM. Kundt et
Warburg, qui
ont trouvé pourl’hydrogène
une conductibilité 7, I fois aussigrande
que celle de l’air(8). D’après
les mêmesexpérimentateuirs,
la conductibilité(!) KUNDT et WARBURG, Pogg. Ann., t. CLVI, p. I77, I875, et Journal de Physique, 1876, t. V, p. I2I.
(2) WINKELMANN, Pogg. Ann., I875, t. CLVI, p. 5I4.
(8) WINKELMANN, Pogg. Ann., I876, t. CLIX, p. I77.
(4) Voir aussi OBERMAYER, SitzuTlgsberichte der Wiener Akademie, I875, t. LXXI,
p. 30I, et Journal de Physique, 1876, t. V, p. 32.
(5) NARR, Pogg. Ann., I87I, t. CXLIII, p. I23, et Journal de Physiqw’, I872, t. I ,
p. 203.
( ) 1B1. STEFÀ-.N- négligeait l’influence du rayonnement direct : de là une petite erreur tendant à élever le nombre trouvé pour la conductihilité.
(’ BOLTZMANN, Sitzllllgsberichte der Wiener Ahademie, I872, t. LXVI, p. 332 : la théorie de Maxwell donne ’W o, ocoo55 et non o, 000055, comme il a été publié
d’ahord par suite d’une faut de calcul.
(8) CeLte détermination a été attaquée par lu. Wink-elmann, qui lui a substitué la valeur G, 3.
I8I
relative de l’acide
carbonique,
évaluée à0,8
ipar Narr,
ne seraitque
o,59,
sensiblementplus petite
que ne le veulent l’une etl’autre
théorie, d’après
une valeur toutefois assez incertaine de c.MM. Kundt et
Warburg
n’ont malheureusement pas pu donner d’unefaçon
exacte les valeurs absolues des constantes, parcequ’ils
n’ont pas mesuré avec
précision
la valeur en eau de leur thermo-mètre :
cependant
leur évaluationapproximative
du coefficient de conductibilité del’air , 0,000048,
estremarquablement
concor-dante
avec
la valeur que nous avonsthéoriquement
établie. M. Win- kelmann trouve aussi unnombre , o,aooo52 ,
peu différent. De nouvellesdéterminations,
etparticulièrement
des mesuresabsolues,
sont encore ici nécessaires pour
permettre
dejuger
exactement de l’accord entre la théorie et les faits.III. Le
phénomène
de la diffusion est uneconséquence
immé-diate de
l’agitation
des molécules dans les gaz; et, comme cetteagitation
doit amener unéchange
continuel aussi bien entre deuxportions quelconques
d’une même masse gazeusequ’entre
deuxmasses
différentes,
nous devons admettrequ’il
y a sans cesse dif- fusion d’un gaz danslui-même,
bien que nous nepuissions
alorsconstater le fait directement.
Prenons d’abord ce cas d’un gaz
unique,
et considérons notreplan
deséparation
mené d’une manière absolumentarbitraire ,
horizontalement par
exemple,
dans l’intérieur de la masse gazeuse.La couche
d’épaisseur 1
envoie encore à travers l’unité de surface de ceplan 1 3 nl u - nit
molécules dans l’unité detemps ,
cequi correspond
à un volume de gaztu
entrainé en une seconde de larégion
inférieure à larégion supérieure.
Si nous passons maintenant au cas de deux gaz différents situés de
part
et d’autre duplan
deséparation,
des volumeségaux
desdeux gaz doivent s’écouler dans le même
temps
à travers l’unité de surface duplan,
pour que lapression
reste la même des deux côtés.Nous
admettrons,
avec M. VonLang,
que ces volumeségaux
sontreprésentés
l’un et l’autrepar 1 4 ( U1 + u2).
Cela posé,
arrivons au casgénéral où,
des deux côtés duplan,
estun
mélange
des deux gaz.Soient a,
et a2 lesproportions
actuellesdes deux gaz au niveau du
plan
deséparation ,
la somme ai + a2étant
égale
à l’unité.Menions,
depart
et d’autre duplan considérer
deux
plans
situés à la distance 1. A cettedistance,
laproportion
dupremier gaz est ai +
da,
1 d uncôté,
et a, 2013da1 dz l
de1 autre ;
parconséquent,
dans l’une desrégions
limitées auxplans l,
larégion supérieure
parexemple,
laproportion
moyenne dupremier
gazest dans
l’autre,
larégion inférieure,
laproportion
moyenne du
premier
gaz est Prenons sur leplan
deséparation
une surfaceégale
à l’unité et, poursimplifier,
suppo-sons cette surface
rectangulaire. Partageons-la
en deuxrectangles
de surfaces et
imaginons
dans laT Il-
région supérieure
tout le gaz i au-dessus durectangle a1 + I 2 da1 dz l
et tout le gaz 2 au-dessus du
rectangle
1Inlagi -
nons de même dans la
région
inférieure tout le gaz i au-dessous d’unrectangle a, + I 2 da1 dz l
1 recouvrant presque entièrement le rec-2 dz 1 q
tangle correspondant
au gaz i dans larégion supérieure,
et tout legaz 2 au-dessous d’un
rectangle
Nous auronsalors,
à droite et àgauche,
deuxrectangles n’ayant
chacun sur leursdeux faces
qu’un
même gaz, et entre ces deuxrectangles
une bandede surface
da1 dz l
à traverslaquelle
seulement s’efl’ectuera la diffu- dzsion. Le volume de gaz
passant
à travers cette bande en une se-conde,
dans un sens ou dansl’autre,
sera,d’après
cequi précède,
Mais l n’est ni
1,,
ni/2.
Nousadmettrons,
avec M. Stefan(1),
que 1 aprécisément
la valeurqu’il
aurait dans un gaz dont toutes les molécules seraientégales
entreelles,
etégales
à la moyenne des(1) STEFAN, Ueber die dynamische Theorie der Diffusion der Gase (Sitzllngsberichte
dei- fJ7iener Alrademie der lYissensclzaften, I872).
I83 molécules des gaz i et 2, de sorte que leur
diamètre p
seraitégal
à la moyenne des diamètres 03C11 et p, des molécules des deux gaz
D’après
la relation connueon a alors
Le volume de gaz traversant effectivement l’unité de surface du
plan
deséparation
en uneseconde,
dans un sens ou dansl’autre,
est donc
et le facteur de
-,-’9
dans cetteexpression,
doit êtreappelé
le coef--ficient de
diffusion ,-¥’
si l’onadopte
pour ce coefficient une défi- nitionanalogue
à celle que nous avons admise pour les coefficients de frottement et de conductibilité. On a doncEn divisant le numérateur et le dénominateur par n, on recoiinait facilement que ce coefficient est inversement
proportionnel
à lapression,
et directementproportionnel
à lapuissance 2
de la tem-pérature.
Si l’on compare les valeurs
de 03C8
déduites de cette formule auxnombres obtenus directement par Loschmidt dans ses recherches
sur la diffusion des gaz sans
paroi
poreuse(1),
on a :(’ ) LOSCHMIDT, Sitzungsberichte der Wiener Akademie, 187°, t. LXI et LXII.
Loschmidt a trouvé aussi le coefficient inversement propor- tionnel à la
pression,
mais directementproportionnel
au carré dela
température,
comme le veut la théorie de Maxwell.Si l’on
partait
des nombres de Loschmidt comme données immé-diates,
onpourrait
tirer de la valeur de03C8,
établieplus haut,
lesch emins moyens des molécules dans les trois gaz
hydrogène,
oxy-gène
et acidecarbonique ;
on trouverait ainsi des nombres presqueidentiques
à ceux que nous avons déduits desexpériences
sur lefrottement. Cet accord toutefois est un peu
factice,
car,ici,
lathéorie,
non moins queF expérience,
réclame de sérieuses re-cherches.
IV. La base de la théorie de M.
Maxwell,
c’est-à-direl’hypo-
thèse
qu’il
existe entre les molécules une forcerépulsive
inverse-ment
proportionnelle
à lacinquième puissance
de ladistance,
a étévivement
attaquée
parplusieurs physiciens
comme étant en oppo- sition manifeste avec les faits : les recherches de MM. Thomson etJoule sur le travail intérieur dans les gaz
conduisent,
eneffet,
àadmettre entre les molécules gazeuses une attraction au lieu
d’une
répulsion,
ainsi que le suppose M. Maxwell. Laissant donc decôté,
sans insister
davantage,
lesconséquences
de cettehypothèse
par-ticulière,
nous nous arrêterons seulement aux résultatsqui,
bienque déduits de la théorie de
l’auteur,
sontindépendants
du moded’action suivant
lequel
on suppose que les moléculesagissent
lesunes sur les autres au moment de la rencontre.
Le
premier
résultat consiste en ce que, si l’on a unmélange
demolécules de natures
différentes,
comme le sont, parexemple
dansl’air,
les molécules d’azote etd’oxygène, lorsque,
par un nombre suffisante dechocs,
un état moyen s’est établi(lequel persistera
ensuite
indéfiniment), l’énergie
moyenne du mouvementd’agita-
tion est la même pour
chaque espèce
de gaz : de sorte que, si dans l’un des gaz les molécules sontplus légères,
elles auront enmoyenne une
plus grande
vitessed’agitation.
Cerésultat, qui
n’estI85 autre chose que
l’expression dynamique
de la loide Gay-Lussac
sur les volumes
équivalents,
se déduit immédiatement del’analyse appliquée
au choc d’un nombre infini de molécules. Dans cetteanalyse,
M. Maxwellprocède
un peu autrement que M. Clausius : il neremplace
pas dès l’abord les différentes vitesses des molé- cules par une valeur moyenne ; il suppose, pour lesvitesses,
toutesles
grandeurs comprises
entre zéro etl’infini,
et cherche commentces vitesses se
partagent
entre les molécules. La distribution des moléculesd’après
leurs vitesses est alors exactement la même que la distribution des observationsd’après
lagrandeur
de leurs erreurs,suivant la loi des erreurs
fortuites,
ou, si l’on veut, que la distri- bution des balles sur une cibled’après
leurs distances aupoint
demire, lorsque
ungrand
nombre de balles sontenvoyées
par des tireurs de même force. Le nombre des molécules des groupes extrêmes est excessivementpetit, comparativement
au nombre desmolécules des groupes dont la vitesse est voisine de la vitesse cor-
respondant
àl’énergie
moyenne. Cetteénergie
moyenne est la même dans les gazconstituants, lorsque
lemélange
est arrivé à l’étatd’équilibre.
Le second résultat
auquel
cetteanalyse
conduit M. Maxwell serapporte
àl’équilibre
d’unmélange
soumis à lapesanteur,
etpeut
s’énoncer ainsi : Dans une colonne verticale de gazmélangés,
la -densité de
chaque
gaz, à une hauteurquelconque,
est en définitivela même que si les autres gaz n’existaient pas. C’est la loi formulée
par Dalton
pour unmélange
gazeux enéquilibre. L’agitation
conti-nuelle de notre
atmosphère
rend cette loiinapplicable
aumélange d’oxygène
et d’azote danslequel
nousvivons, mélange qui,
s’ilétait en
équilibre,
devraitprésenter
d’autantplus
d’azote et d’au-tant moins
d’oxygène
que l’on s’élèveplus haut,
maisqui
enréalité,
sans cesse brassé par les vents, offre une
composition
sensiblementconstante à toutes les hauteurs où l’on a pu l’étudier.
Le troisième résultat est relatif à
l’équilibre thermique
d’une co-lonne gazeuse verticale. Le calcul montre que cet
équilibre
consistedans l’uniformisation de la
température
en touspoints,
lagravité
ne tendant nullement à rendre la base de la colonne
plus
froide ouplus
chaude que le sommet. Si l’on trouble momentanément un état de choses devenustationnaire,
si parexemple
onapplique
en unpoint
une source dechaleur,
on rendra bien ainsi momentanémentune
portion
du gazphysiquement plus légère
que le reste de la masse, et sous l’action de lagravité
cetteportion
montera à lapartie supérieure
de lacolonne ;
mais si l’on abandonne les choses à elles-mêmes,
lagravité
n’aura aucune influence pour maintenir une iné-galité
detempérature
contraire àl’équilihre thermique.
Ces conclu-sions ne sont nullement
applicables
à notreatmosphère.
Laissant de côté l’action directe énorme de la radiationsolaire, qui dérange
sans cesse
l’équilibre thermique,
nous avons encore ici l’effet descourants
aériens, qui
tend à amener une distribution destempéra-
tures
complétement
différente. L’extrême lenteur de la conduction de la chaleur dansl’air, comparée
à larapidité
dudéplacement
sousl’action
des vents, rapproche beaucoup plus
la distribution des tem-pératures
dansl’atmosphère
del’équilibre, appelé
par M. William Thomsonéquilibre convectif,
que del’équilibre thermique.
Et en-core cet état
d’équilibre,
danslequel
l’abaissement detempérature
des couches élevées de
l’atmosphère
estsupposé
dûuniquement
àla raréfaction
qu’elles
ontéprouvée
ens’élevant,
sansperte
nigain
de
chaleur, depuis
le niveau du soljusqu’à
la hauteuractuelle,
nereprésente-t-il
quegrossièrement
laréalité,
comme l’a montré der-nièrement M.
Mendeleef (1).
PROCÉDÉ
POUR MESURER L’INDICE DERÉFRACTION
DESLIQUIDES ;
PAR M. DE
WAHA,
Professeur à Luxembourg.
Supposons
que la face AC d’unprisme
ait étéétamée,
et que l’onreçoive
un rayon SI sur son autre faceAB ;
en faisant varierl’angle d’incidence,
onpeut toujours
arriver à donner auprisme
une
position
telle que le rayon réfracte IN soit normal à A.C. Dansce cas le rayon direct et le rayon de retour
coïncident,
tant à l’inté-rieur
qu’à
l’extérieur duprisme,
etl’angle
de réfraction N’IR(1) MENDELEEF, Be la température des couches supérieures de
l’atmosphère
(Archivesde Genève, I876, t. LI, p. 2â3).