De l'influence de la pesanteur sur les dissolutions

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De l’influence de la pesanteur sur les dissolutions

P. Duhem

To cite this version:

P. Duhem. De l’influence de la pesanteur sur les dissolutions. J. Phys. Theor. Appl., 1888, 7 (1),

pp.391-419. �10.1051/jphystap:018880070039100�. �jpa-00238854�

DE L’INFLUENCE DE LA PESANTEUR SUR LES DISSOLUTIONS;

PAR M. P. DUHEM.

"

Introduction.

Si l’on plonge ^{dans l’eau} pure ^un osmomètre rempli ^{d’une dis-}

solution saline et fermé par ^une membrane semi-perméable, ^c’est-

à-dire _par une membrane qui ^{se laisse traverser par l’eau, mais}

non par le sel, la distance entre le niveau de l’eau pure dans la

cuve et le niveau de la dissolution dans le tube de l’osmomètre

atteint, lorsque l’équilibre ^est établi, ^{une certaine} valeur, qui ^se

nomme la hauteur osmotique, ^et qui dépend ^de la concentration de la dissolution, ^de la forme de l’osmomètre et de la profondeur

à laquelle ^{il est} immergé.

Tel est le résultat auquel ^nous avait conduit l’application ^des principes ^{de la} Thermodynamique ^{dans un travail} 1 ’ ) entrepris ^à

propos ^des recherches fécondes de M. J.-H. van t’Hoff sur les

phénomènes ^d’osmose.

Ce résultat conduit à une conséquence paradoxale.

Imaginons l’équilibre osmotique ^établi comme nous venons de le dire. Si la vapeur d’eau qui environne l’osmomètre n’a pas, ^au niveau de la _cuve, la tension de vapeur ^saturée de l’eau pure et ^au niveau de la dissolution dans l’osmomètre la tension de vapeur saturée qui ^{convient à} la dissolution renfermée dans l’osmomètre,

une distillation continuelle va se produire, ^{soit de} l’osmomètre dans la _cuve, soit de la cuve dans l’osmomètre. On peut, ^{en raison-}

nant comme l’a fait Sir W. Thomson pour ^{mettre en} évidence l’action de la courbure des surfaces liquides ^{sur la tension de la}

vapeur qu’elles ^{émettent, conclure à} l’impossibilité d’un semblable résultat.

Connaissant, par la formule que nous avons donnée, ^{la hauteur} osmotique pour ^une dissolution déterminée, ^on peut, ^en suppo-

sant que la vapeur d’eau ait, ^au niveau de la _cuve, la tension de vapeur qui ^{convient à} l’eau pure, calculer la tension qu’elle prend

(’ ) Sur la hauteur osmotique (Journal ^de Physique pure ^et appliquée,

2e série, ^t. VI, p. I 34 ; 1887).

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:018880070039100

392

à une distance de la c uve égale ^{à la hau te ur} osmotique; ^{on trouve}

que ^cette tension n’est point ^{du tout, comme} l’exigerait ^la propo- sition précédente, égale ^à la tension de la vapeur émise par la dis- solution saline. Ce résultat contradictoire peut ^{même être obtenu}

sans aucun calcul ; ^{il suffit} de remarquer que ^la différence entre la tension de vapeur ^de l’eau _pure et la tension de vapeur d’une dis- solution saline ne dépend que de la concentration de cette dernière,

tandis que ^la hauteur osmotique dépend ^{en outre,} d’après ^{la for-}

mule que nous avons donnée, de la forme de l’osmomètre et de la

profondeur ^à laquelle ^{il est} immergé.

C’est à M. Gouy ^et Chaperon (1 ) que l’on doit d’avoir ^non seulement signalé ^cette contradiction, ^{mais encore d’avoir mis en}

évidence la circonstance dont l’omission dans ^nos formules rendait

ces dernières inacceptables.

Nous avions, ^{dans nos} raisonnements, supposé que la dissolu- tion contenue dans l’osinoinètre était homogène ^{dans toutes ses} parties. ^MM. Gouy ^et Chaperon ^ont supposé ^au contraire que l’effet de la pesanteur ^{était de donner à cette} dissolution une con-

centration plus grande ^{vers le bas} de l’osmomètre que ^{vers le} haut.

Cette idée n’est pas nouvelle. On la ^trouve déjà ^énoncée par Berthollet.

Dans les dissolutions, ^dit Berthollet (2), qui ^ne

sont produites que par ^une faible action chimique, ^la pesanteur

spécifique ^de la substance qui ^{est dissoute} produit ^{un effet sen-} sible, soit dans la proportion ^de la substance dissoute qui ^{est la} plus grande, soit dans la partie inférieure du liquide ^{que dans la} supérieure, soit dans le dépôt ^des parties ^salines qui ^viennent

s’unir à celles qui ^sont déjà ^{solides, et dans ce} dernier effet elle

concourt avec l’action du solide.

Le mérite de M. Gouy ^et Chaperon ^{n’est donc} pas d’avoir (1) ^{GOUY et G.} CHAPERON, L’équilibre osmotique ^et la concentration des dis- solutions par la pesanteur (Comptes rendus de l’Académie des Sciences,

t. CV, p. I 1 7 ; 88~ ) . ^{Sur la} concentration des dissolutions par la pesanteur (Annales ^{de Chimie et de} Physique, ^6e série, ^t. XII, p. 384; 1887). ^Sur l’équi-

libre osmotique (Annales de Chimie et de Ph y sique, ^6e série, ^t. XIII, p. i2o;

~888 ).

(2) Statique chimique, ^Ire Partie, p. 19.

393

imaginé ^{cette idée.} Mais, ^les premiers, ^{ils ont} appliqué ^{à l’étude}

de la concentration produite par ^la pesanteur ^les principes ^de Thermodynamique. ^{Ils ont obtenu alors une relation} qui permet de calculer cet effet, ^en général ^fort petit, lorsqu’on connaît les lois suivant lesquelles varient la tension de _vapeur et la densité de la dissolution. Puis, ^{en faisant} usage de la formule qu’ils ^avaient trouvée, ^{ils ont} pu faire disparaître le résultat inacceptable auquel conduisait notre formule ^sur la hauteur osmotique.

MM. Gouy ^et Chaperon ^{se sont contentés de} mentionner en ces termes les recherches que ^nous avions tentées sur la hauteur os-

motique :

^Cette question ^a déjà ^été l’objet ^{d’un Mémoire de}

M. P. Duhem. Les conclusions de l’auteur ne concordent pas ^avec celles du présent travail, ^son point ^de départ ^étant différent.

Dans ce qui ^va suivre, ^{nous allons chercher à} compléter ^ce jugement, peut-être ^un peu sommaire, ^en reprenant l’étude de la hauteur osmotique par la méthode que nous avons suivie dans

notre premier ^{travail, mais en tenant} compte, conformément à l’idée de MM. Gouy ^et Chaperon, de l’influence de la pesanteur

sur la concentration des dissolutions. On verra que le désaccord

entre nos résultats et les leurs est peut-être plus apparent que réel.

CHAPITRE I.

Action de la pesanteur ^sur la concentration des dissolutions salines.

Nous commencerons par étudier ^comment varie aux différents niveaux la concentration d’une dissolution saline soumise à l’ac- tion de la pesanteur. ^{Comme il} s’agit ^de déterminer des quantités

fort petites, ^{nous ne ferons aucune} approximation ; par exemple,

nous tiendrons compte ^{de la} compressibilité ^des liquides, ^que

~Z1VI. Gouy ^et Chaperon ^ont négligée dans leur travail. C’est seule-

ment après ^{avoir obtenu} les formules définitives que ^nous discu-

terons l’importance ^{relative des termes} qui y figurent ^et que ^nous laisserons de côté ceux d’entre eux qui ^sont négligeables.

Nous examinerons, ^en premier ^{lieu, le cas où le vase} qui ^ren-

ferme la dissolution est un cylindre ^{droit à} génératrices ^verticales

de section égale ^{à l’unité} ( fig. 1). ^{Nous verrons} après ^{que les ré-}

sultats obtenus sont indépendants de la forme du vase.

394

La surface libre du liquide, ^seule déformable, supporte ^une pression ^{normale, uniforme et constante P. Il en} résulte que ^le

système ^admet

potentiel thermodynamique ^{sous la} pression

constante P, potentiel déterminé par l’égalité

dans laquelle

E est l’équivalent mécanique ^{de la chaleur;}

T la température absolue du systèmes, ^{maintenue uniforme, et}

constante ;

U l’énergie ^{interne du} système;

S son entropie ;

V son volume ;

dm le poids de l’un de ses éléments de volume;

~ la distance d’un point ^{de cet élément à un} plan horizontal arbi-

traire, par exemple ^{au fond du vase.}

Fig.

C’est cette expression de (D que ^nous allons tout d’abord trans-

former.

Considérons, ^{dans le} vase, la tranche horizontale comprise

entre deux plans AB, Cd, ^dont les distances au fond du vase sont z et z -~- dz.

Cette tranche renferme un poids ^{m, d’eau et un} poids ^{m2 de sel;}

est la concentration de cette tranche et la loi qu’il s’agit de ^trouver exprimera comment s est lié à z.

Soit ~ ^la pression ^en

point ^du plan ^AB.

Pour l’unité de poids d’une dissolution de concentration _s, de

température rh, uniformément soumise à la pression ~, l’expres- sion ~ ( U - TS) prendrait ^une certaine valeur j(s, p, T). ^{Si l’on} désigne par p (s, p, T) ^le poids spécifique ^{de cette même dissolu-}

tion, ^la tranche ABCD fournira au premier ^{terme de} l’équation (1)

la quantité

Si donc on désigne par Z la hauteur à laquelle ^le liquide ^s’élève

dans le _vase, om aura

On aura d’ailleurs évidemment

On a donc, ^{em vertu des} équations (1), (3), (4) ^et (5),

Soit v (s, p, T) ^{le volume} occupé par l’unité de poids ^{d’une dis-}

solution de concentrations ^de température ^{T, soumise à} la pres-

sion. ^{On a} par définition

L’égalité précédente peut donc s’écrire

ou bien, ^en posant.

396

Telle est l’expression ^du potentiel thermodynamique qui ^va

nous servir de point ^de départ.

Nous allons supposer qu’un poids ^{de sel} dn~~ quitte ^{la tranche} comprise ^{entre les} plans ^{AB et} CD, ^{situés aux distances} zo et Zo + d,~ du fond du vase pour ^se rendre dans la tranche comprises

entre les plans ^{CD et FG situés aux distances} zo+dz ^{et zo+2 d~}

du fond du _vase, et nous allons étudier la variation que ^{cetle mo-} dification fait subir à la quantité ^m.

Pour cela, ^nous partagerons l’intégrale qui ^{donne 1) en} quatre

parties.

Une première ^{sera relative à la masse du} liquide située au-des-

sous du plan ^{AB. Elle sera donnée} par l’expression

Une seconde partie ^{sera relative à} la tranche ABCD. Si l’on

désigne par so la concentration de cette tranche, par po la pression

en un point ^du plan AB, ^{elle aura} pour valeur

Une troisième partie ^{sera relative à la} tranche CDFG. Si l’on

désigne par s~ ^la concentration de cette tranche, par pj ^la pres- sion en

point ^du plan CD, ^{si l’on} pose ^{en outre} z,o -~- d, ~ = z,,

cette troisième partie ^aura pour valeur

La quatrième partie ^se rapporte ^{à la masse du} liquide ^{située au-}

dessus du plan ^{FG. Cette} quatrième partie ^a pour valeur

On a alors

Dans la modification considérée, (D éprouve ^{une variation}

Calculons séparément ^les quatre variations qui figurent ^au

second membre de cette égalité.

Considérons une tranche située au-dessous du plan ^{AB. Sa col-} centration s, ^{la hauteur z de sa base} au-dessus du fond du _vase,

son épaisseur d,~; ^la pression/? ^en

point ^{de sa base, demeurent}

invariables. On a donc, d’après l’égalité (10),

Considérons la tranche ABCD. La distance z;, ^{de son} plan ^de

base au fond du vase demeure invariable. Il en est de même de la

pression ^{wo en un} poin t ^du plan AB, pression qui ^{est inesurée} par le poids ^{total du} liquide situé au-dessus de AB.

La concentration s. ^{de cette} couche varie. D’après l’égalité ( 2 ),

cette variation a pour valeur

Mais on a d’ailleurs

ou bien, ^{en vertu de} l’équation (2),

On a donc

La hauteur dz de la couche ABCD varie également. ^{On avait,}

en effet,

On a donc

ou bien, ^{en vertu des} égalités (16) ^et (18),

Enfin l’égalité (16) ^{nous donne encore}

Les égalités (18), (ig) ^et, (20) ^nous permettent ^{de d~ter~}

miner ÓI>2.

398

En effeu, diaprés l’égalité (i 1 ), ^{nous avons}

ou bien, ^{en vertu des} équations (18), (19) ^et (20),

Considérons la tranche CDFG.

La hauteur z, ^du plan CD varie. Elle augmente ^{de la} quantité

â dz que nous avons calculée et exprimée par l’égalité ( 1 g ) .

On _a, d’après ^cette égalité

La pression pt ^{en un} point ^du plan ^CD, pression mesurée par le poids ^du liquide qui ^{se trouve} au-dessus de ce plan, varie. Elle augmente ^de

Comme dans l’égalité (20), ^{on a}

La conèentration varie de

Enfin l’épaisseur ^{dz de la} couche varie. Il est aisé de voir que l’on

.

ou bien, ^{en vertu des} équa tions (16), (2-/t), (25),

ou bien, ^{en vertu des} égalités

Formons de suite la quantité ^{Ú~2 + ÚCP3 en} remarquant :

3° Que ^{l’on a,} d’après ^les propriétés fondamentales du potentiel thermodynamique,

et que l’on ^a d’ailleurs

conservons seulement les termes de l’ordre de d2 dm2 ^et point

ceux d’ordre supérieur, ^{et nous} trouverons le résultat suivant :

400

Il ne nous reste plus qu’à ^{évaluer le terme} 01>4.

Considérons ^une tranche située au-dessus du plan ,~1-~- ^{dz. La}

concen tration ^{de cette} tranche, ^son épaisseur, ^la pression ^{en un} point ^{de sa base,} demeurent invariables.

Seule, ^{la distance} de la base au fond du vase varie; ^{sa variation}

~z est la somme des accroissements d’épaisseur ^{des tranches}

ABCD et CDFG. On a donc, d’après l’équation (19),

ou bien, ^en négligeant ^{les termes d’ordre} supérieur ^{à c~~ ~7~2,}

En vertu des égalités (13) ^et (29), ^{on a}

Mais, ^{aux termes} près de l’ordre de dz, ^{on a}

On a donc finalement

Les égalités ( ~ ~ ), ( 15 ), (28) ^{et t} ( 30 ~ ^{donnent alors ce résultat}

très simple

La condition d’équilibre cherchée s’obtiendra en exprimant ^que

cette variation est égale ^{à o. Si donc nous} remarquons que

et si nous suppriinons ^{l’indice o devenu désormais} inutile, ^nous

trouverons la condition d’équilibre que voici :

Le premier ^{membre de cette} égalité peut ^{se mettre sous une}

autre forme.

Considérons ^une solution de concentration s renfermant ^un

poids ^{M, d’eau et un} poids ^{~f2 de} sel, ^{en sorte} que l’on ait

Supposons-la ^{soumise en tous ses} points ^{à la} pression ^normale

et uniforme p. ^Son potentiel thermodynamique ^{sous la} pression

constante p ^{est une} fonction homogène ^{et du} premier degré ^de IVI, ^et Ma donnée par l’égali té

Si nous posons

le théorème d’~uler ^nous donnera les relations

Enfin, ^on aura, ^{en vertu} d’inégalités constamment en1ployées

402

dans la théorie du potentiel Thermodynamique,

Ces principes rappelés, envisageons l’égalité (33). ^{Elle nous}

donne

Mais on a

et, par conséquent,

en sorte que les égalités précédentes deviennent, ^{en tenant} compte des égalités (34),

En vertu de ces égalités (38), l’égalité ( 32 ) ^devient

D’après ^la seconde des inégali tés ~ 3 ~ ~, le coefficient de ~s ^est

toujours positif; 7î.- _dz ^{a donc le signe} du second membre qui ^lui-

même a le signe d ~~~)~" ^T) On arrive donc de suite à la conclu- sion que voici : s

Si la solution devient plus ^{dense en même} temps qu’elle ^se

concentre, la concentration croît lorsqu’on étudie des couches

deplus ^en plus profondes ^du liquide; ^{L’inverse a} lieu si la so-

littion, ^{en se} concentrant) devient moins dense.

On peut ^{encore donner à} l’égalité (39) ^{une autre} forme. Cette

autre forme aura l’avantage de conduire à des formules approchées

permettant ^{de relier} ‘~s ^{à des} quantités directement accessibles à iz-

l’expérience.

Soit m la tension de vapeur ^saturée d’une dissolution de con-

centration s ^{à la} température ^{T. Nous} pourrons écrire

En vertu de la seconde égalité (38), ^nous pouvons écrire

Mais, d’après ^les propriétés fondamentales du potentiel ^ther- modynamique, ^{on a}

L’égalité précédente devient donc

D’autre part, ^{en vertu de} l’égalité (36), ^{on a}

Soit ~(~y T) ^le potentiel thermodynamique ^{sous la} pression

constante m et à la température ^{T de} l’mi té de poids de vapeur d’eau. La tension m est déterminée par ^la relation

De cette relation, ^{on déduit,}

Soit V(m, T) le volume de l’unité de poids de la vapeur d’eau

404

sous la pression ^{~, à la} température ^{T. On a}

D’après ^la première égalité (38), ^{on a}

ou bien, ^{à cause} de la relation

Les égalités ( 42 ~, (44), (45), ( 4~ ~ ^donnent

En vertu des égalités (4o), (4i) ^et (47). Inégalité (39) ^devient

Cette égalité ^est rigoureusement ^{exacte. On en} peut ^déduire des formules approchées intéressantes.

Supposons, ^en premier lieu, que l’on néglige ^la compressibilité

de la dissolution; v(s, ^w, T) ^{deviendra une} quantité indépendante

de T, que ^nous désignerons par v ( s, T ~, ^et la formule précédente

deviendra

Si de plus ^{le volume du} liquide ^est négligeable ^{devant celui de}

la vapeur ^{et si} (/~2013~?) ^n’est point trop considérable, ^{cette formule}

pourra ^{à son tour être} remplacée par

Cette formule (5o) permet de calculer approximativement _z ds ~

Elle met en évidence ce fait que ‘~s dz ^{est une} quantité qui échappe,

par ^{son extrême} petitesse, ^{à toute} détermination expérimentale.

Les formules (49) ^et (5o) ^sont analogues, ^à la notation près,

aux formules ( 2 ) ^et (3) ^du Mémoire de ÎVIl~I. Gouy ^et Chaperon

~M~ ~ coj2cent~°cztzo~2 des ~~o~M~’o~~ par Lzz ~esm2t,ezcr~ (’ ),

mais elles ne leur sont pas identiques. Ainsi la formule (3) ^de

MM. Gouy ^et Chaperon s’écrirait avec nos notations

Si l’on compare ^les deux égali tés (5o) ^et (5 1), ^{on voit} qu’elles

ne sont identiques que ^si l’on a ce qui ^entraîne

égalité qui exprime que la vapeur considérée suit la loi de ^Ma-

4

riotte .

Or MM. Gouy ^et Chaperon ^{ont obtenu} l’égalité (5t) ^{sans faire}

aucune hypothèse ^{sur la loi de} compressibilité ^{de la} vapeur.

L’égalité obtenue par ^eux n’étant ^au contraire exacte que moyen-

nant l’hypothèse que la vapeur suit la loi de Marotte, ^{il faut en} conclure que le raisonnement employé par ^eux présente quelque point ^inexact.

Ce point n’est pas malaisé ^à découvrir.

La méthode suivie par MM. Gouy ^et Chaperon ^{consiste à}

(1) ^{GOUY et} CHAPERON, Sur la concentration des dissolutions par la pesan-

teur (Annales ^{de Chimie et de} Phrsique, ^6e série, ^t. XII, p. 38c~; i88~ ).

406

appliquer ^le principe ^de Carnot-Clausius à un cycle ^{fermé re~/’-}

sible. Pour former ^ce cycle, ^on enlève de l’eau par vaporisation ^à

une portion ^{de la} dissolution à

certain niveau, ^on comprime ^la

vapeur ^de manière à lui donner la tension de vapeur ^saturée qui correspond ^{à un autre niveau, on} condense la vapeur ^en présence

d’une autre portion ^{de la} dissolution située à ce dernier niveau ;

«

la diffusion, disent MM. Gouy ^et Chaperon, agira ^{ensuite et}

fermera le cycle.

Cette dernière proposition renferme le point ^{erroné que nous}

voulions signaler. L’opération ^{dont elle} parle n’est pas ^une opé-

ration réversible.

Lorsque, ^{dans la} dissolution, ^{toutes les couches ont exactement}

la concentration qui correspond ^à l’équilibre, le passage par dif- fusion d’une quantité infiniment petite d’eau de l’une à l’autre est un phénomène réversible; ^{mais il n’en est} pas de ^même lorsque ^la

dissolution n’est point ^en équilibre. ^{Or, dans} l’opération ^de

MM. Gouy ^et Chaperon, les conditions de l’équilibre ^{ne sont} plus satisfaites; ^la portion ^{de la} dissolution à laquelle ^{on a enlevé}

de l’eau par distillation ^est trop saturée; ^la portion ^{où l’on a con-}

densé la vapeur ^est trop ^{diluée. On nous} objectera, ^{il est vrai,}

que, si la quantité d’eau enlevée par distillation est infiniment

petite, les conditions d’équilibre ^sont infiniment près ^{d’être réa-}

lisées. Toutes les quantités qui ^{mesurent l’écart entre l’état du} système ^{et l’état} d’équilibre ^{sont alors du même ordre} que ^la

quantité ^{d’eau enlevée;} par conséquent, ^{dans le} cycle isothermique imaginé par MM. Gouy ^et Chaperon, ^{la somme des travaux ex-}

ternes doit être un infiniment petit du même ordre que ^la quantité

d’eau enlevée. Mais, chacun des termes qui composent ^cette

somme est lui-même ^un infiniment petit ^{de cet ordre. On n’a}

donc pas le droit d’écrire que ^{cette somme est} égale ^{à o.}

L’erreur sur laquelle ^{nous venons} d’appeler l’attention ne se

rencontre point pour la première ^{fois dans le Mémoire de}

MM. Gouy ^et Chaperon : ^{on la trouve} déjà ^{dans le} premier ^tra-

vail où ait été employé ^un cycle analogue ^{à celui} qu’ont ^étudié

MM. Gouy ^et Chaperon; ^et l’importance ^{de la} question théorique

traitée dans ce Mémoire, ^{le nom} illustre de l’auteur lui donnent

une gravité particulière. ^Il s’agit ^du Mémoire de G. Kirchhoff

sur la Théorie mécanique de la chaleur (1). ^Kirchhoff applique

dans ce Mémoire des équations, démontrées seulement _pour les

phénomènes réversibles ^au mélange ^{d’une certaine} quantité ^d’eau

pure ^{avec une} dissolution, phénomène essentiellement non ré- versible.

Cette erreur se retrouve également ^{dans le Mémoire de M. Helm-}

holtz sur les courants produits par des différences de ^concentra-

tion, Mémoire dont l’importance ^{a été si} grande pour l’avancement de la théorie de la pile voltaïque ( 2 ).

Nous nous contentons de citer ces deux exemples, ^{mais nous} pourrions ^{aisément déceler la} présence ^{du même défaut dans}

presque ^toutes les applications qui ^{ont été faites du} principe ^de

Carnot aux dissolutions.

Nous avons montré comment la méthode du potentiel ^thermo- dynamique permettait ^{d’étudier ces} questions ^en évitant le point

défectueux qui ^nous occupe. Nous ^avons appliqué ^{cette méthode}

à la chaleur de dilution, ^à la chaleur de dissolution, ^{aux courants} produits par des différences de concentration (3). ^Cette applica-

tion met en évidence ^un fait qui explique ^comment l’erreur que

nous signalons ^{est demeurée} jusqu’ici inaperçue. ^{L’écart entre}

les formules exactes données par ^la méthode du potentiel ^thermo- dynamique ^{et les formules erronées} que ^donne l’application ^du principe ^de Carnot-Clausius à un cycle ^non réversible du _{genre de} celui qu’ont étudié MM. Gouy ^et Chaperon ^devient égale ^{à o si}

l’on néglige le volume spécifique ^du liquide devant celui de la vapeur ^et si l’on applique ^{à la vapeur d’eau la} loi de Mariotte.

Grâce à cette circonstance, ^la méthode erronée dont il s’agit ^a

conduit à des formules fort utiles. Mais une erreur de principe ^est-

elle négligeable parce que, dans ^{un cas} particulier, ^son importance numérique ^{est faible?}

(~) ^G. KiRCHHOFF, C/e&er e~e/~ 6x~ ~e/* 7?zecA~~McAe/~ H~7~efAeo/’~e M/~

(1) ^G. KIRCHHOFF, Ueber einen Satz der lnechanischen Wizrmetlzeor~ie und

einige Anwendungen ^desselben (PoggendorffJs Annalen der Pliysik ^{und Clae-} mie, ^t. CIII; ^{1858. G.} Ifirchho~’’s gesammelte Abhandlungen) p. 45!t }.

(~ ) ^H. HELM~IOLTZ, ^Ueber galvarazsclae ,S’tr~~n2e verursacht durch Concentra- tionsunterschiede (Wiedemann’s ^{Annalen der} Physik ^und Chen’de, ^t. III,

p. 2oI ; 1877’ HeZmIzoltz wissenschaftliche. Abhandlungen, ^t. 1, p. 81~0 }.

(3) Le Potentiel tlaermodynamique (1886). ^Sur quel~ues~’ornzules ^relatives

aux

dissolutions salines (Annales ^de lécole Normale supérieure) ^3e se;rie, ^t. I~r,

IJ. 3SI ; 1887).

408

Nous avons établi les conditions d’équilibre précédentes ^en sup- posant ^la dissolution enfermée en un vase cylindrique. ^{Il nous}

reste à prouver qu’elle ^est indépendante ^{de la forme du vase. Pour}

le démontrer, envisageons ^{un vase} cylindrique ^aussi grand que

nous le voudrons ( ftg . 2). ^{Il renferme une} dissolution en équi-

Fig.

libre. Traçons ^{une surface de forme} quelconque ^{S, fermée ou}

ouverte à la surface de niveau de la solution. Solidifions les parties

du liquide situées hors de la surface S. L’équilibre ^{ne sera} pas troublé. La dissolution, qui vérifiait les conditions d’équilibre

dans un vase cylindrique, les vérifiera ^encore dans le vase de forme

quelconque ^ainsi produit.

CHAPITRE Il.

Influence de la pesanteur

^{la hauteur} osmotique.

Abordons maintenant l’étude de la hauteur osmotique ^{en tenant}

compte ^{de la} variation que présente ^à différents niveaux la con-

centration de la dissolution.

Imaginons ^{un osmomètre OAB,} rempli de dissolution jusqu’au

niveau PQ ( fig’. 3) ^et plongeant ^{dans une cuve} remplie ^d’eau jusqu’au ^niveau oefi. ^{Soit P la} pression qui ^{s’exerce en un} point ^de

la surface libre de l’eau dans la cuve. Soit P’ la pression qui

s’exerce en un point ^{de la surface libre} PQ ^de la dissolution dans l’osmomètre.

Les forces extérieures qui agissent ^{sur le} système ^{admettent un} potentiel, si les deux pressions ^{P et P’ sont} maintenues constantes.

Si l’on désigne par V le volume de l’eau renfermée dans la _cuve, par V’ ^le volume du liquide ^dans l’osmomètre, par z ^la hauteur d’un poids ^{dm du} liquide au-dessus d’un plan horizontal arbi-

traire, ^ce potentiel ^{aura pour valeur}

Le système admet alors un potentiel thermodynamique ^donné

par l’égalité

Nous allons supposer qLi’un poids ^{d’eau dm,} passe de la cuve

dans l’osmomètre au travers de la membrane _pour se mélanger ^à

la dissolution contenue dans l’osmomètre; ^nous chercherons la variation la subie _{par la} quantité ^{~, et nous} écrirons que, pour

l’équilibre, ^la quantité ^{Óep doit être} égale ^{à o.}

1~ i~. ^3.

L’enlèvement de la cuve d’un poids ^{d’eau dm, ferait varier la} quantité m ^de Õ t cI>, Õ t P ^{é tan t facile à calculer.}

Soit ~’~P’, T) ^le potentiel thermodynamique de l’unité de poids

d’eau sous la pression ^{constante P’ à la} température ^{T. Soit Z’ la}

hauteur de la surface «~3 ^{au-dessus du} plan origine ^{des z. Nous}

aurons

Le mélange ^à la dissolution ^contenue dans l’osmomètre d’un

poids ^{d’eau dm ~}

fait varier de Ô2 CP ^la quantité (D ^donnée par l’éga-

lité ~52) ^{et la} variation 14Y que ^nous cherchons à calculer a pour valeur

La propriété fondainen tale de la quantité ⁰² (D, ^sur laquelle ^nous

insisterons tout d’abord, ^{est la suivante :}

4I0

Lorsque ^la dissolution contenue dans l’osmomètre remplit ^les

conditions d’équilibre indiquées ^au Chapitre précédent, ^la quan- tité 02 «P ^ne dépend pas ^de la manière dont le poids ^{d’eau dm, se}

distribue à l’intérieur de l’osmomètre.

Divisons l’osmomètre ^{en n} couches infiniment minces que ^nous numérotons à partir ^{du bas,} c’est-à-dire de la membrane. Dans

une première distribution, ^{la couche} d’ordre q ^{reçoit une} quantité

d’eau ),q dm, ; ^{dans la seconde, la même couche reçoit une quan-}

tité d’eau l’ q ^{dm, .}

On peut passer de la première distribution à la seconde de la manière suivante : la première couche cède à la deuxième une

quantité ^d’eau

la deuxième cède à la troisième un poids ^d’eau

la tranche d’ordre ~c~

i) ^{cède à} la tranche d’ordre q

’

enfin l’avant-dernière cède à la dernière

Or chacune des modifications en question ^{est une} modification d u _{genre de} celle que ^{nous avons} étudiée au précédent Chapitre.

Elle laisse invariable, ^si l’équilibre ^{est établi, le} potentiel ^ther- modynamique ^{de la} dissolution renfermée dans l’osmomètre et

soumise à la pesanteur ^{et à la} pression ^{constante P. La} proposition

°

que ^nous voulions démontrer est donc établie.

La quantité ^{82 P étant} indépendante ^{de la} manière dont nous

mélangeons ^le poids ^{d’eau dm~ à} la dissolution que renferme

l’osmomètre, ^nous allons effectuer ce mélange ^{de la manière} qui

nous conduira le plus rapidement ^aux relations que ^{nous nous} proposons d’obtenir.

Nous mélangerons exclusivement le poids ^{d’eau dm~ avec la}

dernière tranche de l’osmomètre. Si nous désignons par S ^la concentration au sommet de l’osmomètre, par Z la distance du

plan PQ ^au plan origine ^des Z, ^nous aurons, ^en conservant les

notations définies par ^les égalités ( 34 ~,

Moyennant ^les égalités ( ~3 ) ^et (55), l’égalité (5z{) ^devient

et la condition d’équilibre ^devient

Telle est la îormule qui détermine la hauteur osmotique ^en fonction de la concentration de la dissolution ^au sommet de

l’osmomètre.

Cette formule est rigoureuse. ^{Si l’on} néglige les dérivées par- tielles de f, ^{et W} par rapport ^{à la} pression, ^dérivées qui ^{sont de}

l’ordre des volumes spécifiques ^des liquides, ^on obtient la formule

approchée

On en déduit aisément que la hauteur osmotique dépend ^uni-

quement de la concentration de la dissolution au sommet de l’os-

momètre, ^et point ^{de la nature de la membrane,} de la forme de l’osmomètre et de la profondeur ^à laquelle ^{il est} immergé; que

cette hauteur est toujours positive ^{et croît avec la} concentration de la dissolution; ^{ces résultats} généraux ^sont pleinement ^d’accord

avec ceux obtenus par MM. Gouy ^et Chaperon.

Reprenons l’équation (56) ^et transformons-la.

Soit z~ ( S, T) la tension de vapeur ^saturée d’une dissolution de concentration S à la température ^{T; soit} II(T) ^{la tension} de vapeur saturée de l’eau pure ^à la même température. ^{Nous avons}

D’après ^une propriété ^{connue du} potentiel thermodynamique,

on a

4I2

it (p, T) ^{étant le volume de} l’unité de poids d’eau pure ^{sous la}

pression ^{p à la} température ^T.

D’après l’égalité (46), ^{on a}

Enfin on a, d’après l’égalité (l~3 ~,

En vertu des égali tés (5 ), ( ~ 8 ), (59), (60) e t (61 ), l’ égalité (56)

devient

Cette formule va nous conduire à une importante conséquence.

Supposons que l’atmosphère qui ^entoure l’osmomètre soit formée uniquement de vapeur d’eau; qu’au ^niveau a~3 ^cette

vapeur ^{ait la} tension de vapeur ^saturée de l’eau pure ^{à la} tempé-

rature T, ^ce qui s’exprime ^par l’ébalité

Supposons ^{en outre que} l’équilibre hydrostatique soit établi dans la masse de vapeur. Quelle ^{sera la} pression ^{P de cette vapeur}

en un point ^du plan PQ?

Si p ^{est la} pression ^{dans la masse} de vapeur ^{en un} point ^de

hauteur _z, si D (~, T) ^{est le} poids spécifique ^{de la} vapeur ^{sous la}

pression ~, ^à la température ~h, ^{on aura}

On en déduit

En ^vertu des égalités (G3) ^et (64), l’égalité (62) ^donne

L’élément sons le signe f étant certainement positif, ^cette égalité ^entraîne

Ainsi, ^{au niveau} PQ, ^Cc vapeur ^et ~W cis~nze~2t la tension de la vapeur saturée de la dzssalzction qui ^{se trouve au sommet de}

l’osmomètre. C’est l’une des propositions fondamentales de MM. Gouy ^et Chaperon. ^{Elle se trouve} ainsi démontrée en toute

rigueur.

Les égalités (GI~) ^et (6~) donnent aussi en toute rigueur ^cette

relation très sim pl e

Les résultats que ^{nous venons de trouver} jusqu’ici ^ne diffèrent ’ pas de ^ceux obtenus par ^MM. Gouy ^et Chaperon lorsqu’on ^ap- plique ^{à la} vapeur d’eau la loi de Mariotte ^et due l’on néglige ^le

volume spécifique ^du liquide devant celui de la vapeur. Ils ^en dif- fèrent dans tout autre cas, conformément à ce qui ^{a été} indiqué

dans ce qui précède.

Les résultats que nous avons obtenus jusqu’ici ^{semblent en} complète contradiction ’avec ceux que nous avons obtenus dans

notre travail précédent ^{sur la hauteur} osmotique, ^en supposant

homogène la dissolution ^contenue dans l’osmomètre. Il semble donc que ^cette hypothèse ^{conduise non} pas ^{à des} résultats appro-

chés, ^{mais à des résultats} absurdes, conformément à l’idée qui

domine les travaux de 3IM. Gouy ^et Chaperon. Nous allons voir

qu’il ^{n’en est rien.}

Les formules précédentes relient la hauteur osmotique ^{à la}

coticenti-ation de la couche la plus ^élevée dans l’osmomètre. Or

cette concentrati on serait difficilement accessible à l’expérience.

Ce que l’expérience peut déterminer le plus aisément, ^{c’est la}

concentration moyenne de la dissolution renfermée dans l’osmo-

mètre, c’est-à-dire le rapport ^{cr du} poids ^{LotallBf2 de sel au} poids

4I4

total M1

d’eau qu’elle renferme. Les seules formules vraiment utiles sont celles qui relieraient la hauteur osmotique ^{à cette}

concentration _moyenne.

Cherchons ces formules.

Soit dx dy dz

élément de volume de la dissolution, ^{de con-} centration s, ^{soumis à la} pression p. Cet élément a un poids

Il renferme un poids ^d’eau

et ^un poids ^{de sel}

On a donc

et, par conséquent,

En remplaçant s par la valeur obtenue ^en intégrant l’égalité (48~,

on aurait la relation qui ^{lie 7 à S.}

Supposons ^la concentration assez peu variable ^avec la hauteur pour que, dans ^le développement ^{en série de} (s

S~, ^on puisse ^se

limiter au premier ^terme.

Nous aurons

A même degré d’approximation, ^‘~S peut ^A regardé ^comuie

An même degré d~approximadon~ y-peut ^être regarde ^comme

indépendant ^{de z .}

En vertu de ces approximations, nous aurons

Moyennant ^cette égalité, l’égalité (66) ^devient

On a d’ailleurs, ^en négligean t ^{le carré de} ds ^{d.~ ou le produit de}

ds _{par la} compressibilité ^du liquide,

dz

~ désignant ^{la cote du centre de} gravité ^{du volume} que le liquide

occupe dans l’osmomètre.

Moyennant l’égalité ( 6g ), l’égalité (68) ^devient

Cette égalité (7o), comparée ^à l’égalité (67), ^nous apprend ^en premier ^lieu qu’au degré d’approximation ^{employé ici, le}

niveau où le liquide ^{a la} concentration _moyenne

^{est le niveau} du centre de gravité ^{du volume} qu’il occupe.

Reprenons maintenant l’égalité ( ~6), qui ^{peut s’écrire}

ou bien, ^{en vertu de} l’égalité (36),

4I6

L’égalité (3~) ^donne

et l’équation ( ~ o ) ^donne

Inégalité (71) devient donc

La quantité s(i -~- .s) ‘~ ~°’v(~, P, T) a _ôs ^un signe ^constant pour

toute valeur de s. Il existe donc une valeur 7’, comprise ^{entre cr et} S, ^et telle que l’on ait

Moyennant cet te égalité, l’égalité (72) ^devient

Cette équation ^a exactement la forme que ^nous avions obtenue

en supposant la dissolu tion homogène. ^{Elle se réduirait} rigoureu-

sement à cette forme si l’on remplaçait cr, qui ^est compris ^entre

et S, par y; il est aisé de s’assurer que, dans la plupart ^{des cas,}

cette modification n’altère les divers ^termes de l’égalité (73) ^que

d’une quantité insignifiante. On arrive donc à cette conséquence

que l’égalité

exacte si l’on suppose la dissolution homogène, ^{est encore très} approchée ^si,

la dissolution n’étant plus homogène,

désigne ^la

concentration moyenne. Cette formule demeure ^donc bien la

formule vraiment utile dans l’étude de l’équilibre osmotique, ^et

les idées nouvelles introduites ^en cette question par ^MM. Gouy ^et Chaperon ^ne d iminu en t point la valeur de nos recherches anté- rieures.

CHAPITRE III.

Sur la pression osmotique.

MM. Gouy ^et Chaperon ^{ont étudié} ( ’ ) ^un problème ^un peu ^dit- férent d’équilibre osmotique. ^Ce problème ^{consiste en} l’établisse-

ment de l’écluation d’équilibre ^{de deux} dissolutions du même sel, séparées ^{par une cloison} perméable ^{seulement à l’eau,} ayant ^des concentrations différentes et soumises à des pressions différentes.

Ce problème ^{ne diffère de} celui que nous avons traité presque ^en même temps ^{dans notre travail sur} la pressioyt osmotique (2 ) que

par la substitution d’une dissolution à l’eau pure que ^nous suppo- sions occuper ^l’un des côtés de la cloison semi perméable ; ^auss-i

n’avons-nous pas besoin de reprendre ici les raisonnements que

nous avons déjà développés ^et pouvons-nous ^{nous contenter} de

reprendre les résultats auxquels ils conduiraient dansle cas examiné par MM. Gouy ^et Chaperon.

Ce résultat s’exprime par l’égalité ^suivante

s et s’ étant les concentrations de la dissolution de part ^{et d’autre} de la cloison, ^{P et P’ les} pressions ^de part ^{et d’autre de cette} cloison.

Cette formule ( 7~ ~ peut ^se transformer.

Soient m et m’ les tensions de vapeur saturée, ^{à la} température T, de deux dissolutions de concentrations s ^et s’. Nous aurons

( 1) ^{GouY et} CHAPERON, L’équilibre osmotique ^et la concentration des dissolu- tions par la pesanteur ( Comptes rendus de l’Académie des Sciences, ^t. CV, p. 1 y ; ~ 1887). ^Sur l’équilibre osmotique (Annales ^{de Chimie et de} Physique,

6* série, ^t. XIII, p. i 20; i 88$ ).

(2) ^{Sur la} pression osmotique (Journal ^de Physique pure ^et appliquée,

2e

série, ^t. VI; septembre 88~ j.

1

4I8

ou bien, ^{en vertu de} l’égalité (56),

D’autre part, ^{on a}

D’ailleurs, d’après ^les égalités (44 ~ et (4~ ~, ^{on a}

en sorte que l’égalité précédente ^devient

Moyennant ^les égalités (76) ^et (77), l’égalité (75) ^devient

Cette formule (78) ^{ne renferme aucune} approximation. ^{Il en}

est de même de la suivante, _que l’on obtient en intégrant par par- ties le premier ^{membre de} l’égalité (~5~,

Cette dernière formule coïnciderait, ^{à la notation} près, ^{avec la}

formule donnée par MM. Gouy ^et Chaperon, ^{si elle ne renfermait}

au premier ^{membre le terme}

qui ^ne disparaît point ^{si l’on} n’applique ^{à la} vapeur d’eau la loi de Mariotte. La raison de ce désaccord est celle _que nous avons indi-

quée ^au Chapitre ^I.

On voit, par l’exposé que ^{nous venons} de donner, que ^{la mé-} thode du potentiel thermodynamique ^convient parfaitement ^à

l’étude de l’influence que ^la pesanteur ^{exerce sur les} dissolutions salines. Non seulement elle permet ^{de retrouver les résultats} obtenus _{par MM.} Gouy ^et Chaperon ^{en ce} qu’ils ont d’exact, ^mais

encore elle permet ^de s’affranchir des restrictions qu’avaient ^faites

ces physiciens ^et d’éviter les inexactitudes auxquelles les condui- sait l’application ^{à un} cycle ^non réversible d’une égalité accep- table seulement pour les cycles réversibles. Quant ^{aux résultats} auxquels ^{cette même méthode nous avait conduits dans le cas où}

la dissolution est supposée homogène, ^ils gardent ^{encore leur va-} leur, ^{même si l’on tient} _compte de la variation de composition ^due

à l’action de la pesanteur.

RECHERCHES SUR LE THERMOMÈTRE A MERCURE (1);

PAR M. CH.-ED. GUILLAUME.

Les recherches clue j’ai entreprises, ^au Bureau international des Poids et Mesures, ^se rapportent ^en particulier ^aux variations que peuvent subir les thermomètres dans diverses circonstances;

d’autres expériences ^{ont été} faites dans le but de déterminer les

divergences des thermomètres construits avec des verres de diffé-

rentes compositions.

( 1 ) ^{Résumé de} la seconde Partie du Mémoire de l’auteur : Études therlno-

métriques ( Travaux ^et Mémoires du Bureau international des Poids et Me-

sures, ^t. V; Paris, Gauthier-Villars, 1886); voir, pour la première Partie, ^le

Journal de Pjaysique, ^année 1887, ^2e série, ^t. VI, p. 228.