HAL Id: jpa-00241804
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Submitted on 1 Jan 1912
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La mesure des températures élevées par le thermomètre à gaz
Arthur Day, Robert Sosman
To cite this version:
Arthur Day, Robert Sosman. La mesure des températures élevées par le thermomètre à gaz. J. Phys.
Theor. Appl., 1912, 2 (1), pp.831-844. �10.1051/jphystap:019120020083101�. �jpa-00241804�
formule très
curieuse;
elle n’estqu’approximative,
mais suffisanteen
pratique.
Pour un gaz dans les conditions de cesexpériences,
laquantité 2c
estproportionnelle
à la 1 repuissance
de l’intensité, le coefficient deproportionnalité
étantindépendant
de lafréquence.
Pour une même intensité de courant
alternatif,
ledégagement
dechaleur est
plus grand
dans l’air que dans1 ’hydrogène; mais,
avecl’air,
les résultats n’ontquelque régularité
que pour les trèsgrandes
tensions parce que le gaz
prend
alorsrapidement
unecomposition
déterminée. Le
rapport
des chaleursdégagées
dans ces deux gaz est, dans ce cas, 1,80environ,
ce nombre n’étant retenu que pour l’idéequ’il
donne de lagrandeur
duphénomène.
Il faut remarquer que, l’air étant moinsconducteur,
un mèrne courant ne seproduit qu’à
l’aide d’uneplus
forte tension.LA MESURE DES TEMPÉRATURES ÉLEVÉES PAR LE THERMOMÈTRE A GAZ Par MM. ARTHUR DAY et ROBERT SOSMAN (Institut Carnegie, à Washington).
MESURES
du réservoir. - Le réservoir a été
rempli
d’azote pur,préparé
enmélangeant
à chaud une solution de 200 grammes de nitrite de soude dans 250 grammes d’eau avec une solution de 350 grammes de sulfate d’ammonium et de 200 grammes de chro- mate depotasse
dans 600 grammes d’eau. Le gazayant
barboté dans unmélange
de bichromate depotasse
et d’acidesulfurique
étaitconservé sur de l’eau. Avant de l’introduire dans le
thermomètre,
on le faisait passer sur du chlorure de
calcium,
du cuivre divisé chauffé au rouge,puis
dans deux flacons d’une solution depyrogal-
late de
potassium,
sur de l’acidesulfurique,
du chlorure de calciumest de l’acide
phosphorique anhydre.
Le réservoir avait étépréalable-
ment évacué et
porté
à une Ilautetempérature.
Leremplissage
défi-nitif ne fut effectué
qu’après
avoir introduit àplusieurs reprises
dugaz dans le réservoir et évacué celui-ci afin d’enlever toute trace de gaz
étranger.
(1) Voir ce volume page i27.
Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:019120020083101
832
Avant de relier le réservoir au manomètre pour effectuer le rem-
plissage,
on a eu soin de déterminer la constante dedépart
du ma-nomètre. On
procédait
à cette mesure en mettant les deux branchesdu manomètre en communication avec
l’atmosphère
et en y faisantmonter le mercure
jusqu’à
ce que, dans la branche courte, le mé-nisque
vînt au contact de lapointe
fixequi
limite le volume cons-tant. La lecture du manomètre
correspondant
à cetteposition
consti-tue la constante de
départ.
Marche des mesures. - Nous avons
procédé
de la manière suivante à nospremières
mesures effectuées avec le réservoir deplatine
iridié.
Le corps du four étant abaissé de manière à
dégager
le réservoirthermométrique,
on entourait celui-ci d’un vaserempli
deglace
fine-ment
râpée
et bientrempée
d’eau. Toute lapartie
du tubecapillaire comprise
dans le four étaitégalement
entourée deglace.
On faisaitalors alternativement
plusieurs
lectures du manomètre et des deux baromètres pour en déduire lapression
initiale. Cette détermina- tion était suivie d’une mesure de lapression
du gaz à 1001. On rem-plaçait
alors laglace
par unappareil
à ébullition à double circula- tion. La détermination du coefficient de l’azote ainsi obtenu n’a d’ailleurs servi que decontrôle,
le coefficient de l’azoteayant
été dé- terminé par M.Chappuis
et par d’autresphysiciens
avec unepréci-
sion
supérieure
à celle quecomportaient
nos mesures.La
pression
initiale étant biendéterminée,
ondisposait
les troiscouples tliermoélectriques
auxpoints qu’ils
devaient occuper, soit au haut duréservoir,
au milieu et à labase,
etaprès
avoir fermé her-métiquement
lefour,
on enréglait
lechauffage.
Dans nospremières expériences,
nousprenions
laprécaution
deremplacer
par de l’azote l’airqui remplissait
la bombe avantchaque
série d’observa- tions. L’azotepréparé
par la méthode de liutton et Petavel était con-servé sous
pression
dans descylindres
reliés au four par destuyaux
métalliques
munis de robinets. Nous avons reconnu dans la suite qne l’onpeut employer
sans inconvénient pourcharger
labombe,
l’airatmosphérique
bien séché. Un manomètredisposé
sur la conduite per- . mettait de lire à tout instant lapression régnant
dans lefour,
et l’ob-servateur avait sous la main les robinets de
réglage
nécessaires pour rendre cettepression égale
à lapression
du gaz dans le réservoir-thermométrique.
Ceréglage
est facile à obtenirlorsque
le four estbien étanche, car, par l’échauffement du four la
pression augmente-
graduellement
dequantités
à peuprès égales
dans le four et dans leréservoir
thermométrique.
Lorsque
latempérature
choisie pour l’observation étaitatteinte,
on
procédait
auréglage
des résistances des fils dechauffe,
de ma-nière à obtenir une uniformité suffisante. Cette
opération exigeait
environ trois
quarts d’heure,
cequi
réduisait à six ousept
le nombre des mesures de lajournée.
Pour couvrirchaque jour
un intervalleconsidérable de
température,
nousespacions
les observations de 50en 50
degrés
ou de 100 en 100degrés,
en choisissant lesjours
sui-vants des
points intermédiaires,
de manière à avoir unecomparaison
tous les 25
degrés
environ. Oncommençait chaque journée
par l’ob- servation de lapression initiale,
afin d’avoir un contrôlerigoureux
de l’invariabilité du
point
dedépart.
La
température
du fouréta’nt
bien constante dans toute l’étenduedu
réservoir,
un des observateurs seplaçait
à la lunette du mano-mètre,
l’autre augalvanomètre;
ilsprocédaient
simultanément à la lecture descouples thermoélectriques
et de lapression
du gaz.Chaque
mesure du manomètre étaitprécédée
et suivie de lectures de lapression barométrique.
Les observations étaient
disposées
par groupessymétriques
afind’éliminer de la moyenne des résultats les effets des variations de
température pendant
le cours des mesures.Capacité
du réservoir deplatine
iridié. - On a déterminé la capa- cité du réservoirthermométrique
et du tubecapillaire
enpesant
leréservoir vide et
plein
d’eau avant etaprès
les mesures.Les
capacités
trouvées sont :Va = 195,79 centimètres cubes en
septembre
1905, etVo
= 19~,6~~ centimètres cubes en février 1908.Coefficient
de sous VOht1ne constant. - Les valeurs sui- vantes du coefficient de l’azote ont été obtenues sous différentespressions
initiales :834
Ces valeurs sont en bonne concordance avec les coefficients déter- minés par 1B1.
Chappuis :
Calcul des résultats. - Nous avons fait usage de la formule sui-
vante pour le calcul des
expériences.
Dans cette
expression
on a .= volume du réservoir à 0° = 195 . 5~7 ;
V - volume du réservoir à t° ;
po =
pression
initiale(pression
à0°)
p
= pression
à la teinpérature t° ;v~
== capacité
de lapartie
du tubecapillaire
incluse dans le four(la
tem-pérature
de cette partie variedepuis t° à la
température de lasalle)
= 0,161 centimètres cubes ;
V2
_-__ capacité
de lapartie
du tubecapillaire
située hors du four=tl = température moyenne de vi le réservoir étant à t° ;
t’, _-_ température
moyennede V.
le réservoir étant à 0° ; t2 =température
de V2, le réservoir étant à to ;t;
._-_ température de V2, le réservoir étant à 0° ;x coefficient de l’azote sous volume con stant ; fi = coefficient de dilatation linéaire du
platine
iridié.Posant pour
simplifier :
et
on obtient
l’expression
d’un usageplus
commode.dans
laquelle 33t représente
la correction pour la dilatation du réser- voir etA 2013 ---
B la correction relative àl’espace
nuisible.Les pres-
Po ’
sions p
sont réduites à zéro etrapportées
à l’intensité normale de lapesanteur (1).
Résultats des
efecliiées
ecvee le ther;/lornètre « ?.éservoir deplatine
iridié. - Nous nereproduirons
pas les résultats des pre- mières séries d’observation exécutées avec un four dont ladisposi-
tion ne
permettait
pas d’atteindre une uniformité satisfaisante.Après
avoir
perfectionné
notrefour,
nousfîmes,
du 6 mars au ~3 mai~90 i,
une série de 76
comparaisons
descouples thermoélectriques
avec lethermomètre à gaz à des
températures comprises
entre 4001 et 1 080°.Les
pressions
initiales observées dans le cours de ces mesures ontdonné les valeurs suivantes :
Nous avons réuni dans le tableau suivant les résultats des 76 com-
paraisons
en lesrangeant
par groupes dans l’ordre destempératures
croissantes et en
indiquant
dans lapremière
colonne les numéros d’ordre des observations constituant un même groupe. Les obser- vations descouples
sontrapportées
aucouple
normal ic. La méthodedes moindres carrés
appliquée
au calcul de la force électromotrice.en fonction de la
température
a fournil’expression :
au moyen de
laquelle
les valeurs a calculées » ont été obtenues.(1) Les expressions de 106 b, données p. et î49, se rapportent aux cueffi-
cients moyens de la dilatation entre 0 et l du platine iridié et du platine rhodié.
836
I .
Aprés
l’exécution des observationsci-dessus,
le réservoir futévacué et
rempli
d’azote sous unepression
initiale un peuplus
forteque la
précédente
pour servir à une nouvelle série de mesures dontnous ne
reproduirons
pas les résultats.Points
fixes.
- Dans le cours descomparaisons
dont nous venonsde donner
quelques résultats,
nous avons déterminé àplusieurs reprises
lespoints
de fusion duzinc,
del’argent
et du cuivre àl’aide des
couples thermoélectriques.
Les déterminations du
point
de l’or n’ont pu être renouvelées par suite d’une contamination accidentelle par le fer du seul échantillon d’or dont nousdisposions
alors.Dans les mesures effectuées avec le réservoir de
platine iridié,
leréservoir
thermométrique
se trouvaitplacé
dans un fourélectrique
dont la
température
avait été rendue sensiblement uniforme dans toute sonétendue;
les différences maxima entre latempérature
ducentre et celles des bouts ne
dépassaient guère 0,3
dans les mesuresaux
températures
lesplus
élevées.Nous avons
déjà
fait remarquer(p. î32j
que dans un four tubu- laire réalisant une uniformitéparfaite
detempérature,
le réservoirthermométrique placé
en son centresubit,
par l’effet du rayonne- ment vers les deux extrémités dutube,
J despertes
de chaleurqui
abaissent sensiblement sa
température.
Cet,te sourced’erreur,
dontnous n’avons reconnu
l’importance qu’après
la conclusion des me- suresprécédentes,
affecte lescomparaisons
effectuées entre le ther- momètre à gaz et lescouples thermo-électriques.
Il ne nous a pas étépossible
de déterminer la correction relative aurayonnement
dans des conditionsidentiques
à celles des mesuresprécédentes;
mais dans les recherches faites ultérieurement avec le réservoir de
platine rhodié, qui
a sensiblement les mêmes dimensions et ne s’endistingue
que par le tube rentrant, nous avonsreproduit
des condi-tions aussi
rapprochées
quepossible
des conditions antérieures.A la
température
de fusion du cuivre(1 082,6), ayant disposé
à unepetite
distance du boutsupérieur
du réservoir un écran recouvert d’une feuille mince deplatine
destiné à réfléchir les radiations émanant du réservoirthermométrique,
nous avons constaté que l’introduction de l’écran relevait de0,9
latempérature
du thermomètre à gaz.L’expérience
neput
être faite pour l’autre extrémité duréservoir,
tmais on
peut
admettre uneperte
de mêmeordre,
de sorte que laperte
totale parrayonnement
des boutspeut
être évaluée à 2° envi-ron à la
température
de fusion du cuivre. Cette correctionquelque
peu incertaine a été
ajoutée
aux résultats obtenus à l’aide du ther- momètre à réservoir deplatine
iridié pour lepoint
del’argent
et ducuivre.
Ces
premières
séries de mesures ont donné les valeurs suivantes despoints
de fusiun :MESURES EFFECTUÉES AVEC LE THERMOIÈTRE A RÉSERVOIR DE PLA-
838
TINE HHODÏÉ. - Etudes sur la disti-ibutio;î de la dans le -Dans les
comparaisons
du thermomètre à gaz avec lescouples thermo-électriques
que nous avonspoursuivies
avec le réservoir deplatine rhodié,
nous nous sommes tout d’abordappliqués
à réduireautant que
possible
lespertes
par lerayonnement
des extrémités.Notre
premier
soin fut desupprimer
le tube demagnésie
àparois épaisses qui
servait desupport
am réservoir d’3platine
iridié etqui
refroidissait par conductibilité la
partie
inférieure du réservoir. Ce tube futremplacé
par un tube mince deporcelaine Marquard,
surlequel
on avaitdisposé
un creuset de mêmematière,
écliancré demanière à ne reposer que sur trois
points.
Le fond de ce creusetagissant
comme écran réfléchissait les radiations émanant du réser-°
voir. Les
pertes
par conductibilité étaientégalement
fort réduitespar suite de la faible
épaisseur
deparoi
du tube. Dans la suite nousajoutâmes
un secondécran,
mais sans améliorer sensiblement la dis- tribution de latempérature.
Aux trois
couples thermoélectriques placés
aux extrémités et au milieu duréservoir,
nous enajoutàmes
unquatrième
dont la soudure futplacée
au fond du tube rentrant, dans laposition
8(fig. 8).
Desexpériences
faites dans des conditions variées nouspermirent
deconstater que,
lorsque
latempérature
.du four étaitréglée
de manièreà
égaliser
les lectures desconples
extérieurs, lecouple
intérieurindiquait
unetempérature
de 2 ou 3degrés plus
élevée. Cette consta-tation nous engagea à
entreprendre
une étudeapprofondie
de ladistribution de la
température
à la surface du réservoir.Comme le nombre des fils conducteurs
pouvant
être admis dans la bombe par desjoints
étanches est forcémentlimité,
nous avons tiréparti
du fait que le réservoir est constitué deplatine
rhodié à 200/0
de rhodium. Des fils de
platine
pur furent mis en contact avec la surface du réservoir auxpoints
dont on voulait déterminer la tem-pérature.
Chacun de cesfils,
relié par son autre extrémité au fil deplatine
d’uncouple normal,
en contact avec unpoint
de larégion
centrale du
réservoir,
constitue uncouple
différentielqui
donnedirectement la différence de
température
existant entre lespoints
decontact choisis. En reliant successivement les fils de
platine
corres-pondant
à différentesrégions
duréservoir,
on obtenait larépartition
de la
température
à sa surface. Lespoints
de contact choisis sontindiqués
sur lediagramme’/îy. 8,
la sectionlongitudinale
du ré-servoir en donne la
position
enhauteurs,
la section transversale l’orientation.La
disposition adoptée
nous apermis
de constaterqu’à
1082°,
lefour étant
réglé
de telle manière que lescouples
9, 4 et 1indiquaient
la même
température,
lepoint 6,
à la base duréservoir, présentait
un excès de 6 à 8
degrés,
et lepoint
7 un excès de 4degrés
environsur cette
température.
Cet excès
provient
de ce que lecouple 9,
n’étant pas en contactavec le
réservoir, perd
par conduction et parrayonnement
unequantité
de chaleur assezgrande
pour maintenir satempérature
sensiblement au-dessous de celle des
parois métalliques
voisines. Lepoint
8, par contre, étant dans un espace à peuprès fermé, indique
une
température
sensiblementsupérieure
à celle ducoupe 4
situéextérieurement au même niveau.
Instruits par ces
expériences,
nous excluâmes les observations ducouple
9 et nousprocédâmes
auréglage
de latempérature
par l’ob- servation descouples
auxpoints
1 , fi est 7 ou2, 4
et G.Nous constatâmes
également
des différences detempérature
entre le milieu et le
point 2
situé au haut duréservoir,
enfin desexpériences particulières
nous firent reconnaîtrequ’à
ces variations840
à différents niveaux
s’ajoutaient
aussi des variations azimutalesqui s’élevaient,
au maximum à1,3 degré
parrapport
à la moyenne, à latempérature
de 1 4500 etqui
unt évidemment pour cause desirrégu-
larités locales du revêtement du fil de chauffe.
Pour éliminer l’effet de ces variations
locales,
nousadoptâmes
pour la
température
du milieu du réservoir la moyenne des lectures faites auxquatre points
1.1,4.3,
~.3 et4.7,
situés en des azimuts différents du réservoir. Pour nous assurer en outrequ’aucune
erreurFIG. 9. FIC . ’10.
Firx. 9. - Section d’un four électrique avec ses 3 fils de chauffe indépendants
donnant la distribution la plus uniforme de la température dans tout l’inter- valle des 111esnres. Le réservoir thermométrique est muni de ses écrans.
FIG. 10. - Disposition spéciale du fil de chauffe en vue d’une bonne distribution de la température. A l’intérieur du fil divisé en, trois sections indépendantes
on a placé un bon conducteur, tandis que l’enveloppe extérieure est isolante. Ce four a servi seulement à la détermination du point du cuivre.
systématique
n’était introduite parl’emploi
du four à fil de chauffeplacé
intérieurement(fig. 9),
nous fîmes un certain nombre de mesures avec un four dont le fil de chauffe enplatine
était enroulé extérieu-rement sur un tube de
porcelaine.
Dans ce four(fig. 10),
unegrande
masse se trouvant
placée
entre le fil de chauffe et leréservoir,
onpeut
obtenir une distributionplus
uniforme de latempérature
9 et
10).
Une mesure du
point
du cuivre effectuée dans ces conditions donna latempérature 1 082°,6,
valeuridentique
à la moyenne des résultats obtenus avecl’autredisposition
du fourélectrique.
Ce résultat prouve que les mesures effectuées avec l’enroulement intérieur dn fil de chauffe ne sont pas affectées d’erreurssystématiques.
Le four àenroulement extérieur donne évidemment une uniformité de
tempé-
rature
plus parfaite,
mais il n’est pasapplicable
à un intervalle detempérature
aussiétendu,
et sonréglage présente
deplus grandes
difficultés.
lté glage
dufour.
- Pour obtenir unetempérature
bienuniforme,
il est nécessaire de surveiller continuellement le courant des trois fils de
chauffe,
à cause deschangements
derégime qui
résultent del’élévation de la
température
desparties
extérieures. Il faut environune demi-heure pour obtenir
l’équilibre
à unetempérature
donnée.On ne
commençait
les observations quequinze
à trente minutesaprès
avoir obtenu cetéquilibre.
Dans cesconditions,
les variations detempérature
du fourpendant
les lectures nedépassaient
pas0°,1
à
0,3.
Au-dessus de 1 ~00°. nous constatâmes
fréquemment
despertes
de courantprovenant
de défauts d’isolation des fils de chauffe et descouples.
Pour éviter lesperturbations
causées par cespertes,
nous avons été
obligés
de chauffer le four au delà de 1 1000 à l’aide de courants alternatifs.La marche suivie dans les observations a été décrite à propos des
expériences
de lapremière
série. Dans les nouvellesséries,
nousavons donné un soin
particulier
aux mesuresthermoélectriques.
Les forces électromotrices des
couples,
mesurées à l’aide d’unpotentiomètre
deWolff,
ontété,
toutes correctionsfaites,
réduitesen unités normales par
comparaison
avec un élément deClarls,
dontla valeur était
1,4328
volt à 15" et avec un élément saturé au cad- mium donnant1,01835
volt à 250. La constance de ces éléments était vérifiéechaque jour
parcomparaison
avec un élément normal Wes-ton du Bureau of Standards. Les
petites
corrections que compor- taient les lectures sont de peud’importance auprès
des variationsprovenant
de l’altération des fils par les vapeursmétalliques
déve-loppées
dans le four auxtempératures
elevées. Des traces d’iridiumse rencontrent
toujours
dans leplatine,
mêmelorsqu’il
a étépurifié
avec soin en vue de son
emploi
comme fil de chauffe.C’est
pourquoi
nous avonsjugé indispensable
de sortir tous les842
couples
pour les soumettre à un contrôleaprès chaque exposition
assez
prolongée
pour encompromettre l’homogénéité.
Lesparties
contaminées étaient
supprimées.
On évitait ainsi toute erreurqui
eût influencé soit les
comparaisons
avec le thermomètre à gaz, soit les mesures despoints
de fusion.Essai de.s des
couples,
- Le contrôle de l’altération des filspeut
être fait trèssimplement
en reliant à la fois aupotentiomètre
l’extrémité du fil que l’rJll veut examiner et un fil de
platine
pur.l’romenant l’extrémité libre du fil de
platine
pur lelong
du fil à exa-miner,
on cliauffe lepoint
de contact au chalumeau. La variation de la f. é. m.qui
seproduit
à ce contact donne une mesure de l’al- tération du fil. Dans lesrégions homogènes,
les variations obser- vées nedépassent
pas 3 microvolts. Latempérature
de la flammedu
chalumeau, comprise
entre 1460 et 1500°,
est suffisamment constante pour cet essai. Il suffit dequelques
minutes pour exami-ner 50 centimètres de fil.
Evaluation de la 1noyenne dit réservoir.
°
trique.
- Lecouple tiieriiioélectrique
situé dans le tube rentrantdu réservoir étant moins influencé que les autres par le
rayonnement
et par les causes d’altération des
couples extérieurs,
il convientd’attribuer un
plus grand poids
aux observations faites sur cecouple.
Quant
auxcouples extérieurs,
des considérationsappuyées
de diversessais nous ont fait
adopter
lespoids
suivants pour les observations descouples
situés dans les différentes sections :Les
couples
situés dansl’axe,
au sommet et à la base duréservoir,
ont un
poids faible,
parcequ’ils
ne concernentqu’une
faihleportion
du réservoir
thermométrique.
On a attribué aucouple placé
au basdu réservoir
(pos 6)
unpoids
un peu moindrequ’à
celui du haut(pos 2),
parce que lacapacité
de lapartie
inférieure du réservoir est diminuée par le tube rentrant.Nous avons résumé dans le tableau suivant l’effet sur la mesure
des
températures
des différentes erreurs et correctionsqui
affectentnos observations. ,
TABLE¿Bl’ 1B". - ÉVALl’ATIO.:B DES ERREL’RS ET DE LEUR INFLUENCE SUR LA DETERMINATION DE LI TE’IPÉRA l’l’RE.
844
11 ressort de l’examen de ce tableau que la source d’erreur la
plus importante
des mesures aux hautestempératures
réside dans le défaut d’uniformité du bain d’air. L’incertitudequi
en résulte affectes sensiblement la détermination despoints
fixes. L’erreur laplus
con-sidérable
après
celle-ciprovient
de l’état depureté
des métaux etdes conditions d’observation des
points
de fusion et ne concerne pas le thermomètre à gaz.Les 13~)
comparaisons
effectuées avec le nouveau réservoir ther-mométrique ayant
étépubliées 1>1
extensoIl),
nous nous borneronsà
reproduire
ici commeexemple
la série du 4juin 1909,
exécutéeaprès
le troisièmeremplissage
d’azote. La situation descouples thermoélectriques
autour du réservoir estindiquée par
deux chiffres.dont le
premier
marque le niveau et le second l’azimuth 8 :Les
couples désignés
par a(2,4)
et b(6,4)
sont les fils deplatine
pur en contact avec la
paroi
du réservoir deplatine
rhodié auxpoints correspondant
à laposition indiquée.
(1) lligh lernperatlo’e AUTHL’R L. DAY and RoB. B. SosmAN, with an investigation of the inetals by E. T. Washington, D. C. Carnegie-
Institution of Washington).