H. G. S CHMIDTEN
Mathématiques appliquées. Essai sur les forces qui déterminent les divers états des corps
Annales de Mathématiques pures et appliquées, tome 13 (1822-1823), p. 121-131
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121
MATHÉMATIQUES APPLIQUÉES.
Essai
surles forces qui déterminent les divers états des corps ;
Par M. H. G. SCHMIDTEN.
CHANGEMENT D’ÉTAT DES CORPS.
ON peut regarder
la matière comme unassemblage
depoints
d’où émanent des forces
répulsives
et des forces attractives. Celles- ci sont constantes dans le même corps , mais celles-là sont variables.Faisant l’élément variable
qui
y entre =r, eL la distance laplus
courte entre deux centres de forces =m, on
peut toujours
fairerépondre
la valeur r= o à la valeur m=I.Daignant
par~’m)
la somme de toutes les forces attractives d’un corps sur unpoint
C( fig.
i) ,
dans la directionCD ,
et par03C8(m, r)
la somme des forcesrépulsives
suivant la mêmedirection ,
on a
~(m)-03C8(m , r)
pourl’expression
de la force totalequi
attirele
point
C vers D.Actuellement y
pour déterminer le volume du corps en étatd’équi-
libre,
on doit chercher m en fonction de lélément variable r , par leprincipe des
vitesses virtuelles. Eneffet,
si l’on suppose CD=o :c’est-à-dire,
si l’on suppose que Jepoint C
faitpartie
du corps, l’étatd’équilibre
de cepoint
se déterminera parl’équation
Tom.
XIII,
n.°IV,
I.eroctobre
I822. I8122
CHANGEMENT D’ÉTAT
On a ainsi une relation entre m et r, d’où l’on
peut déduire
le volume et la
quantité ~(m)-03C8(m, r) ,
en fonction de rseule ,
et c’est sur-tout de la forme de cette dernière fonction que
dépend
celle
du
corps.Dans
l’ignorance
ou l’on est sur la nature de cesfonctions ,
onéclaircit
ceci,
autantqu’il
estpermis
de lefaire, par la
considération des courbes où les abscissesreprésentent
lesdiverses valeurs
de m de-puis
ojusqu’à
~ , et où les ordonnées sont les fonctions~(m)- 03C8(m , r) qui
leurrépondent,
pour une valeur constante de r. Si l’ondésigne
les forcesrépulsives
par des ordonnéesnégatives ,
onvoit
qu’a l’origine
des abscisses l’ordonnée doit être 2013~ ; etqu’à
l’abscisse infinie doit
répondre
l’ordonnée o. Deplus ,
si lacourbe
a la forme 03B103B203B3
( fig. 2 ),
on voit que dans l’étatd’équilibre ,
laquantité
m doit avoir la valeurAB;
etBs
étantpositive
lecorps
doit être solide.D’ailleurs ,
il esttrès-possible ,
et même vraisem-blable ,
que la courbecontient plusieurs maximums,
et que parconséquent
ce corpspourrait
avoirplusieurs équilibres stables.’
Telle
paraît
devoir êtrel’explication
deschangemens brusquer qui s’opèrent
dansplusieurs
corps , par un certainchangement
detempérature.
Maintenant ,
si l’onaugmente
Faction duprincipe
dont l’inten-sité est
désignée
par r, il est naturelqu’en général
les ordonnéespositives
deviennent deplus
enplus petites
aupoint
dedevenir
enfin
négatives,
de sorte que le maximumpositif
devient unmi-
nimum
négatif,
et que la courbeprend
la forme03B103B2’03B3
ou03B103B2’’03B3
( fig. 3 ).
Mais le corps n’étantplus solide ,
parce que l’ordonnée n’estplus positive ,
il faut absolumentqu’il,
soitliquide ;
car l’étataériforme ne saurait
répondre
à aucune situation stable.Cependant,
si l’on
augmentait
encore laquantité
r ,jusqu’à
ce que le corps n’eûtplus
aucune situationstable, ou que
la courbe eût la forme03B103B3
( fig. 4 ),
ce corps seraitaériforme ;
et , comme ildoit
cher- cher unvolume
où l’ordonnée devienne unminimum,
on voitqu’il
n’aurajamais
unéquilibre stable ,
parce que leminimum
versDES
CORPS.
I23lequel
il tendrépond
à m=~. Ainsi les gazpeuvent
seulement être enéquilibre
par l’action des forcesextérieures,
et ne com’-portent
aucunrapport
déterminé entre lesquantités
m et r, parce quel’équation
existe seulement pour la valeur m=~.
Le caractère des corps solides et
liquides
est donc de n’admettrequ’une
variableindépendante
r , tandis que les corps aériformesdépendent
des deux variables m et r.La
quantité plus
on moinsgrande
de r se fait remarquer par latempérature qui ,
dans les solides et lesliquides ,
est fonctionde r, tandis que, dans les substances
aénformes,
elle l’est de met de r. Un fait
général
sur cette fonction est que deux corps à destempératures inégales
tendenttoujours
àpartager
leprincipe
rentre eux , de sorte que finalement les
températures
deviennentégales.
Commençons
par les solides et lesliquides ,
endiscutant ,
autant quepossible,
la nature de cette fonction entre r et latempéra-
ture t.
Faisant
ceqni
estpermis,
t= o en mêmetemps
que r=o ,on
prend
pour unité de r unequantité qui
est en état deproduire
un certain
effet,
parexemple,
de fondre une certaine masse deglace.
Si les abscissesreprésentent
les valeurs de n et les ordonnées celles de tqui
leurrépondent respectivement,
on voit que ces ordonnéesdoivent,
engénéral , augmenter
avec lesabscisses; mais ,
pour
cela ,
il n’est pasImpossible
que la courbe ait un ouplusieurs
maximums. Ce
qu’on appelle
chaleurspécifique
n’est que le rap-port
de l’accroissement de t à celui de r oudr dt ;
et cettequantité
doit êtrevariable,
à moins que laligne
ne soit droite ouqu’on
ait124 CHANGEMENT D’ÉTAT
Les
expériences , qui
montrent que la chaleurspécifique augmente
avec r , font voir que la courbe est concave vers l’axe des r ;
mais,
dans les limitesresserrées
de nosexpériences ,
sa courbureest peu considérable.
Un fait
général
pour tons les solides estqu’arrivés à
un certain.
degré
detempérature ,
cettetempérature
n’estplus augmentée
parune
augmentation
de r ,jusqu’à
cequ’un changement
d’état l’aitrendu
susceptible
de recevoir un nouvel accroissement.Si l’on
regarde
cepoint
commerépondant
à un maximum dans la courbe destempératures ,
cequi
convient avec la forme con-cave, on obtient une
explication complète
desphénomènes qui
accom-pagnent
le passage des corps d’un état à un autre.Soit,
parexemple ,
la courbe destempératures
de la forme03B103B203B303B4 ( fig. 5 ) ;
il faut que la
température diminue , lorsque
r devientplus grand
que
AB ; mais , ayant égard à l’impai
faite conductibilité duprin- cipe
r, on voit que cette circonstance doit donner lieu auxphé-
nomènes
qui
seprésentent
dans la nature.En
effet,
l’accroissement de r secommuniquant
d’abord à unetrès-petite partie
du corps doit yopérer
unchangement
consi-dérable,
et y faire passer latempérature
auminimum , jusqu’à
une valeur
égale
à celle de l’autrepartie
de ce corps ; maisalors
il ne pourra monter
plus
haut sans lereperdre,
à cause duprin- cipe
del’égalité
destempératures, jusqu’à
ce que cechangement
se soit
opéré
sur tout le corps ,qui
alors pourra augmenter de tent-pérature
comme à l’ordinaire.Supposant
que latempérature
va endiminuant ,
et qne le corps est parvenu à l’étatqui répond
à latempérature D03B4=B03B2 ,
on verra de mêmequ’en
diminuant leprin- cipe r,
d’abord unepetite partie
du corps , enpassant
par l’étatqui répond
à cettetempérature , doit y
resterjusqu’à
ce que , clanstout le corps , le
principe
r sesoit
diminué dela quantité BD.
DES CORPS. I25
Cependant,
si lechangement
n’était ni très-considérable ni très-Bubit
il sepourrait
que le corps nechangeât
pas encore brus-quement deétat ;
maisqu’il
diminuât detempérature jusqu’au
mi-nimum
Cy,
etqu’y
étantarrivé ,
il dût passer subitement à l’étatqui répond à B,3.
On voit ainsi une difference essentielle entre cesdeux
situations, savoir ,
lepoint
deliquéfaction qui
estfixe ,
et lepoint
de -congélation qui
estsusceptible
de vacations. C’estainsi,
par
exemple qu’on peut
faireacquérir
à l’eau unetempérature
fort inférieure à celle de la
congélation,
sans que pour cela ellecesse d’être
liquide.
Mais unequestion a laquelle
ilparaît impos.
sible de
répondre ,
dansl’ignorance
où nous sommes de la forme desfonctions ~
et 03C8, est celle de savoir si un telchangement brusque
doittoujours produire
un passage de la solidité à laliquidité
et
vice versâ ,
ou , cequi
revient aumème ,
si le maximum de t doittoujours répondre
à une valeur nulle ou à peuprès
nulle de la fonctionqui
constitue la solidité ou laliquidité,
selonqu’elle
estpositive
ounégative.
Eneffet,
il faut biendistinguer
trois fonctions différentes de r ,savoir,
le volumeproportionnel a m3,
latempérature t
etla force
~(m)201303C8(m,r).
Les observations n offrent quetrès-peu
de données pour les
déterminer ,
et les tables de la dilatation des corps pour destempératures
différentes donnent seulement la rela- tion entre les deux fonctions inconnues t et m3. La seule manière de déterminerl’une
de ces fonctions serait de éhercher les chaleursspécifiques dr dt,
pour les diverses valeurs de r, d’où l’on conclu- rait t parl’interpolation
etl’intégration ;
mais il est très-difficile etpresqu’im possible
d’obtenir lesexpériences
nécessaires pour cela.Pour se faire une idée du passage d’un
lifJuide
à l’étataériforme,
on doit se
rappeler
la courbequi répond
à laliquidité , savoir, 03B103B203B3 ( fig. 6),
où les abscisses sont les valeurs de m : et les ordon- nées celles de~(m)201303C8(m, r)
, pour une valeur constante de r.Or,
si un accroissement de r venait àchanger
le minium 03B2 enun
poiut d’inflexion 03B2’ ,
on détruirait nécessairementl’équilibre
I26
CHANGEMENT D’ÉTAT
stable
par
un nouvel accroissementde r, quelque petit qu’il fût,
ci l’on contraindrait le
corps à
en chercher un autrequ’il
n’obtien-drait dans
ce cas que pour une valeur infinie de m ; c’est-a-dire.que le corps
deviendrait
aériforme. On saitqu’il
faut augmenter considérablement laquantité
r pour fairepasser
uncorps à
cetétat ;
mais on verra néanmoinsqu’un changement
très-faible de cettequantité peut
à lalongue
avoir le mêmeeffet, à
cause de l’im-parfaite conductibilité ;
car l’accroissement de r, secommuniquant
d’abord
à unepetite partie
du corps, la transforme avant que de s’êtrecommuniqué
au reste ; et lapartie
transformée absorbe encorede ce
principe, jusqu’à
ce quel’égalité
detempérature
se soitétablie ;
mais la
température
des vapeurs étant fonction de r et duvolume ,
on voit que la
pression extérieure ,
aussi bien que latempérature
du corps
vaporisant,
détermine la durée de la.vaporisation.
Il estd’ailleurs évident que, par
exemple,
la nature de la vapeur de laglace
doit être la même que celle de la vapeur d’eau à la mêmetempérature.
Nous avons
déjà
observé que le caractère des vapeurs est que laquantité
m n’est pas fonction de r, ouqu’il n’y
a pasd’équi-
libre
stable ;
si l’on veut éclaircir cette théorie par la considération descourbes,
il faut choisir d’autres fonctions que celles que nousavons considérées
plus haut.
Pourcela ,
nous tracerons une courbeoù les abscisses
représentent,
pour une valeur constante de r les valeurs de laquantité indépendante
m, tandis que les ordonnéescorrespondantes
sont les forcesqui s’opposent,
danschaque point,
aux forces extérieures
qui
tendent àcomprimer
la vapeur. Il est d’abord facile de voir que,lorsque
m=o, l’ordonnée doit être=2013~ , tandis que pour m=~ cette ordonnée doit être nulle.
Si cette
courbe ,
que nous supposons être 03B103B203B303B4( fig. 7 )
a unmaximum ,
il est facile d’en déduire lesconséquences. Si ,
eneffet,
les forces extérieures
compriment
la vapeurjusqu’à
ceque m=AC,
on voit
qu’elles doivent,
en vertu des forcesintérieures, changea
brusquement
deforme,
enpassant
à un étatqui répond
au rniai-DE S CORPS. I27
mum
B03B2;
mais , dans la nature , cétteopération
esttoujours plus compliquée,
à cause duprincipe de l’égalité
destempératures;
carcelles-ci étant fonctions de in et r , il est facile de voir
que,
pour que t reste constantlorsque
mvarie ,
il faut que r varieaussi;
mais ,
dansl’ignorance
où l’on est sur la forme de cettefonction,
on
peut
seulement savoirqu’en
cette rencontre il sedégage
unepartie
considérable de cettequantité.
Il est d’ailleurs évident que le
point
où lavapeur
se convertiten
liquide
estfixe ;
mais que lavaporisation s’opère
à toutes lestempératures.
L’ordonnéeCy représente
laplus grande
force élas-tique
danschaque point
de la masse. La distinctionqu’on
établitentre les vapeurs et les gaz secs
pourrait bien ,
ausurplus,
con-sister
uniquement
en ce que ceux-ci sont des vapeurstrès-éloignées
du
maximum
ou en cequ’ils
sontreprésentés
par une courbe de la forme 03B103B203B3(fig. 8);
et dans ce cas, il serait absolument itu-possible
de les réduire à l’étatliquide ,
du moins tant que r resteraitconstante.
Dans tout ce
qui précède,
nous avons évité de faire deshypo-
thèses sur la nature de la matière. Dans ce
qui
vasuivre,
nousallons seulement déduire
quelques conséquences mathématiques
dedeux
hypothèses
contraires entrelesquelles
lesphysiciens
sont en-core
aujourd’hui partagés, savoir ,
celle de la continuité et celle de la discontinuité desparties.
Dans lapremière ,
laplus
courte dis-tance entre
deux
centres deforces
est infinimentpetite ;
dans laseconde elle est finie. Les
conséquences
de lapremière peuvent
donc se déduire de celles de la
seconde,
comme on déduit le calcul différentiel du calcul aux différences finies. Nous considérerons donc d’abord lapremière,
comme laplus simple ,
enrappelant
ce faitd’expérience
que l’attraction moléculaire est insensible à une distance sensible du contact.Soit donc un
plan indéfini ,
à une distance s d’unpoint
attiré.Supposons
la matière dans l’étatoù m=1 1
et l’attraction d’unpoint
I28
CHANGEMENT D’ETAT
à une distance x
égale à (x),
alorsl’attraction
totale surle
point
A( fig. 9 ),
exercée par leplan,
dans ladirection per-
pendiculaire AB,
sera203C9s03A0’s),
en faisantd’où l’on conclut pour
19attraction
exercéepar
lecorps entier à
ladistance
s,Pour la valeur s=o ; nous
désignerons
cetteintégrale
par 203C9C’.Maintenant,
si m n’étaitplus égale
à l’unité de sonespèce ,
onvoit qu’à
cause durapport
infini entre s et laplus petite
distanceentre deux centres , il en résulterait seulement que l’attraction totale
deviendrait
alors203C9C’ m3.
Si
aucontraire,
la matière n’estpas continue,
il faudra avoirégard
auxdiverses positions des
centresattirans,
cequi
fera quem entrera sous le
signe ~;
et dans ce cas on ne pourraplus
em-ployer
le calcul différentiel pour trouver la somme des attractions.Toute la théorie de l’action
capillaire
est fondée surl’hypothèse
dela continuité de la
matière ;
et ilparait
en effetpermis
del’adopter,
ou du moins de
supposer
la matière assez voisine de cet état pourqu’on puisse
sepermettre ,
sans erreursensible,
de substituer lesdifférentielles
aux différences finies. Siprésentement
on considèrela force
répulsive ,
ensupposant qu’elle agit
aussi à une distancefinie on
pourrareprésenter par -
la forcequi agit sur ce meme
point,
eu sens contraire de- 1
étant cellequi repon a
m=I,et
DES CORPS. I29
et étant
conséquemment uniquement
fonction de r.Dans
ce cas,pour déterminer les conditions de
l’équilibre ,
il faudrafaire
203C9C’-B m3
maximumpar rapport à m ,
cequi
estimpossible ,
à moinsqu’on
ne fasse m=o. Il faut doncque
la forcerépulsive
ait uneautre forme que la force
attractive ,
relativementà m,
cequi
n’est
possible
quelorsqu’elle n’agit
pas à des distancesfinies ;
desorte que m doit entrer sous le
signe
03C8.Donc,
engénéral ,
203C0C’ m3
201303C8(m , r)=maximum
;cequi
donne lieu à toutes lesrecherches
que nous venons
d’exposer.
L’on voit ainsi
qu’en
admettant la continuité de lamatière,
l’action du corps à distance devient absolument
indépendante
duprincipe répulsif;
de sorte que la force de cohésion doit exister même dans les gaz. Eneffet
l’action d’un corps sur unpoint
Aa la
distance s ( fig. I0 )
étant203C903C8(s) m3,
cellequ’il
exerce sur un,élément de la même nature que le corps
lui-même, parallèle
auplan CD
sera203C903C8(s)ds m6;
et celledu
corps entier situé au-dessous duplan CD ,
sur cellequi
est au-dessus du mêmeplan
seraK m6 ,
où l’on aLa force
répulsive réagissant qu’à
desdistances
infinimentpetites,
onvoit que la force de
cohésion
estK m6 ,
et parconséquent
tou-jours positive.
Les différentes
propriétés qui distinguent
les corps les uns desantres sont encore
l’élasticité ,
ladureté ,
laductilité , qui
de-pendent
de la forme desforcer attractives
etrépulsives ,
et dontTom. XIII. I9
I30
CHANGEMENT D’ÉTAT
la dernière est
parfaite dans
lesliquides.
Lafragilité dépend
duplus
ou moinsrapide
décroissement de la forceattractive , à
rai-son de l’accroissement des distances. La force de la
pesanteur
doitêtre fonction
de quelque
forceélémentaire ;
et c’est de cette fonc-tion que
dépend
lepoids
des atomes.Enfin
les forces élémentaires d’unliquide,
combinées avec celle de lapesanteur , produisent
lesphénomènes capillaires.
Quant
aux substancesaériformes ,
nous observeronsque ,
dans la force203C9C’ m3 201303C8(m , r),
laquantité m
estbeaucoup plus grande que
dans les solides et dans lesliquides
àtempérature égale,
etque
r
augmente
avec m, à unetempérature
constante.Donc,
si l’onvoulait
développer 03C8(m , r)
en une sérieconvergente ,
il faudrait faire en sorte que r n’en détruisît pas la convergence ; observant donc que03C8(m , r)
est nul ouinfini ,
suivant que m est à l’inverse infini ounul,
onpeut
faireles
fonctions 03C8I , 03C82 , 03C83
,... étanttoujours comparables
à unequantité
constante,quelque grand
que soit m. Enconséquence,
la force totale
agissant
sur unpoint quelconque
de la masse seraainsi
et l’on voit que , pour une valeur considérable
de m,
onpeut rejeter,
sans erreursensible,
vis-à-vis dupremier
terme , tousceux
qui
lesuivent ;
admettant deplus
que03C8I(m , r)
est propor- tionnelle à latempérature ,
on obtient la loi de Mariotte. Cette manière de se rendrecompte
de cette loi estloin ,
comme on levoit, d’être rigoureuse ,
et il serait bien difficile deparvenir
àquel-
que chose de
plus satisfaisant ,
dansl’ignorance
où l’on estrelati-
DES CORPS.
I3Ivement à
la formede
lafonction 03C8(m , r) ; toutefois,
elle estpeut-
être aussi
légitime
que cellequ’on
aemployée
dans la théorie du son , pour démontrer que son intensité est en raison inverse duquarré
de la distance au centre del’ébranlement.
Si l’on n’admettait pas la continuité de la
matière, l’expression
de la force attractive aurait en
général
la formeet, pour obtenir la loi de
Mariol te,
il faudrait établir une nouvellehypothèse
propre à fairedisparaître
laquantité
a.J’ai
essayé
de faire voirjusqu’à quel point
il seraitpossible ,
dansl’état actuel de Fanatise
mathématique
et de laphysique expéri-
mentale,
de se rendrecompte
desprincipaux phénomènes qui
ac-compagnent
les dif’érens états des corps.Dans
l’ignorance
où l’on se trouve relativement à la force des di-verses fonctions
qui
doivent êtreenvisagées
dans ce genre de re-cherches,
on se trouve contraint de se borner à des considérationsbeaucoup trop générales;
combien donc les difficultés ne se trou-veraient-elles pas encore accrues, si l’on voulait faire entrer en
considération de nouvelles
forces, telles,
parexemple, que l’élec- tricité ,
d’oùdépendent
les combinaisonschimiques ,
et dont lanature nous est encore
plus
cachée. L’on voit aussi combien mal-gré
lasimplicité
des lois de la combinaison des corps etprincipa-
lement
des
gaz , découvertes parl’expérience ,
il doit être difficile detrouver seulement une relation entre les chaleurs
spécifiques
et lesquantités
de chaleurabsorbées
oudégagées
parles- transformations
et les