HAL Id: jpa-00212616
https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00212616
Submitted on 1 Jan 1954
HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of
sci-entific research documents, whether they are
pub-lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.
L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d’enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.
Équation d’état des gaz. Méthodes de mesure des
variations de volume des fluides jusqu’à 10000 kg/cm2
de pression et 200°, et méthode de mesure pour
températures jusqu’a 1200.° I. Description de
l’appareillage
James Basset, Jacques Basset
To cite this version:
47
ÉQUATION
D’ÉTAT DES GAZ.
MÉTHODES
DE MESURE DES VARIATIONS DE VOLUME DES FLUIDESJUSQU’A
10000kg/cm2
DE PRESSION ET200°,
ET MÉTHODE DE MESUREPOUR TEMPÉRATURES JUSQU’A 1200°
I. DESCRIPTION DE L’APPAREILLAGE
Par JAMES et JACQUES
BASSET,
Laboratoire James Basset, Paris et Prouais (Eure-et-Loir).
Sommaire. - Un mécanisme électrifié
permet de manipuler sous pression, sur un bain de mercure
isolé des parois, une ampoule mesureuse à plusieurs compartiments. Les variations de volume sont définies électriquement. L’opération peut être répétée plusieurs fois avec la même charge de gaz sans
nécessiter de démontage et aussi souvent qu’il peut être nécessaire, soit à la même pression, soit à des
pressions différentes et à toutes températures jusqu’à 200° et 10000 kg/cm2. Les volumes peuvent
être connus à moins de 1/1000e près.
Un second dispositif permet de mesurer, dans les mêmes conditions, les variations de volume des gaz sous très hautes pressions jusqu’à 1200°. A ces températures les volumes peuvent être connus à
moins. de 1/100e près.
Un montage avait été réalisé antérieurement pour permettre de mesurer directement les densités par pesée sous pression.
LE JOURNAL DE. PHYSIQUE ET LE RADIUM.
PHYSIQUE APPLIQUÉE.
SUPPLÉMENT AU NO 1.
TOME
15,
JANVIERi9D4,
Nous avons réalisé de
1937
à I94o
diversdispo-sitifs pour des recherches que le Service des Poudres avait bien voulu nous
confier.
Cesdispositifs
néces-sitaient undémontage après
la détermination de deux ou troispoints
des courbesP, V,
T des gaz étu-diés soit à destempératures
voisines de l’ambiante soit à destempératures pouvant
atteindre 1200°.Nous
rappelons
que de nombreuxexpérimenta-teurs ont
utilisé,
après Amagat,
desampoules
piézovolumétriques
à contactsélectriques
[1].
Nous avons cherché à obtenir une commoditéd’emploi
aussigrande
quepossible
avec descapacités
de mesure maxima.Dans une Note récente M. Saurel
(1)
apublié
une méthodeayant
certainspoints
communsappli-quée
pour despressions
inférieures à100 kg /cm2
etet
jusqu’à
5ooo.Nous avons
pensé
qu’il pouvait
être intéressant pour lesexpérimentateurs
étudiant leséquations
d’état,
de connaître lesperfectionnements apportés
aux moyens anciensemployés
par nous deI937
àI939,
etpermettant
dedéterminer,
sansdémon-tage
et avec une mêmecharge
de gaz, ungrand
nombre depoints
des courbesP,
V,
T d’un fluide sous de hautespressions
etjusqu’à 1200°.
Dans ces
dispositifs
le volume du gaz souspression
surlequel
on effectue les mesures est relativementimportant (avec
notreappareillage
actuel 120 cm3jus-qu’à
6 00okg jcm2,
et 15 cm3jusqu’à 10
oookg/cm2).
Il
pourrait
êtreaugmenté,
laprécision
des mesuress’en
trouvant améliorée.PREMIER DISPOSITIF
POUR
TEMPÉRATURES
JUSQU’A
2000. Pour lestempératures
nedépassant
pas 2ooole
principe
consiste àisoler,
souspression,
un(1) SAUREL, J. Physique Rad., I953, 14, 215.
volume de gaz connu avec
précision
et à mesurer les variations de ce volume en fonction de lapres-sion ;
l’isolement du volume’ initial étant obtenueFig. J.
par les moyens décrits
ci-après
permettant
larépé-tition des
expériences
et ungrand
nombre de mesuresavec la même
charge
de gaz dans tout le domainedes hautes
pressions permis
par le matériel.La
figure
I montre ladisposition générale
d’ungroupe à
ultra-pression
utilisé enI938
relié à une chambre àexpériences
avant lemontage
d’unther-mostat autour de cette dernière. Le fonctionnement
général
du groupe a été décrit antérieurement par l’un de nous(2).
Jusqu’à
2000 la totalité de la chambre àexpé-riences
peut
être chauffée et toute la masse de laFi g. 2.
chambre
(environ
10okg)
sert derégulateur
detempérature.
La
figure
2 montrel’agencement
de l’intérieur de la chambre àexpériences
1 danslaquelle
est introduitun
support
cylindrique
2 formant cuve à mercureà sa
partie
inférieure5,
le contact du mercure estainsi évité avec les
parois
de lachambre,
ceci étanttrès
important
aux très hautespressions.
L’ampoule
mesureuse en pyrex 3comporte
descontacts en fil de
tungstène
H et G dans sesétran-(2) J. BASSET, C. R. Acad. Sc., 1930, 191, 928.
glements capillaires
successifs,
elle estsuspendue
à une faible distance de la surface du mercure par
un fil 7 s’enroulant sur un tambour 8.
La
figure
3 montre une réalisation de cesam-poules
dont on choisit lerapport
des divers volumesle mieux
adapté
à larégion
despressions
à étudier.Les volumes de
l’ampoule
sont étalonnés commenous le verrons
ci-après.
Un
petit
moteurélectrique
9 commande par vissans fin un
disque
d’entraînement 10qui
est rendu solidaire de lapoulie
8 au moyen de deuxergots
fixés à undisque
13 mobilelongitudinalement
sur son axe, etqu’un petit
ressort 14 repousse constam-ment contre 10. Un électroaimant 12peut
attirer ledisque
13 et libérer ainsi lapoulie
8qui
tournelibre-Fig. 3.
ment sur son axe. Tout cet ensemble très
ramassé,
est contenu à la
partie supérieure
dusupport
2.Le fonctionnement est le suivant :
Le gaz dont on veut étudier les
propriétés
estcomprimé
dans la chambre àexpérience, portée
à latempérature
choisie,
jusqu’à
lapression
de base initiale des mesures, parexemple
4
oookg/cm2.
On laissel’équilibre thermique
de tout l’ensembles’établir,
et l’on mesure avecprécision
lapression
de base
régnant
à ce moment(3).
Si l’on excitel’électro-aimant 12 en abaissant le commutateur à
retour
automatique
M sur laposition
0,
lapoulie
8 estlibérée et
l’ampoule
tombe dans le bain de mercureenfermant ainsi un volume connu de gaz à la pres-sion et à la
température régnant
dans la chambre.Si l’on
augmente
lapression
du gaz dans lachambre,
le mercure est refoulé dans
l’ampoule
et atteint à un moment donné le contactG, pour
unepression Pl
qu’on
mesure avecprécision.
(3) James et Jacques BASSET, lVlém. des Poudres, ig5o,
49
Le contact H sera atteint à une
pression P2.
Si latempérature
est restée constante on connaîtra le volumeoccupé
par le gaz auxpressions
P,
P,
etP2
avecprécision,
les mesurespouvant
être recom-mencées autant de foisqu’on
le désire. Si latempé-rature a varié des corrections seront
apportées
aux indications recueillies. Avec uneampoule
à deux
étranglements
on obtient ainsi troispoints
de courbes.Si l’on ramène la
pression
à sa valeurinitiale,
cequi
neprésente
aucune difficulté avec le matérielapproprié
de lafigure
i, on se retouve dans les conditions initiales avecl’ampoule
dans le bain de mercure.L’ampoule
en tombant a fermé le contactDE,
qui
était ouvert par lacoupelle
11,
et arenvoyé
l’arrivée de courant A duplot
B sur leplot
C.On voit sur le schéma
électrique
que l’excitation de l’électro12,
en abaissant le commutateur M sur leplot
0,
a court-circuité legalvanomètre
Jpendant
le court instant de cette manoeuvre., Dès quel’ampoule
est tombée dans le mercure, le circuit, de
l’électro 12 se trouvecoupé
et se trouverenvoyé
su,r le circuit des contacts
H,
G actuellement ouvert. Il ne passe aucun courant dans legalvanomètre
J.Lorsque
M revient à saposition
médiane de repos legalvanomètre
se trouveprêt
àenregistrer
lescontacts G et H nettement
séparés
par lesrésis-tances de
garde
R et F. Au moment des mèsuresles contacts
peuvent
être établis ou rompus autantde fois
qu’il
peut
être nécessaire par lejeu
de lapression
dans lachambre,
et la même mesurepeut
être faite
plusieurs
fois de suite.Après
une série de mesures et retour à lapression
initiale,
lapointe
del’ampoule
étant dans le mercure,le circuit du moteur 9 se trouve fermé par DE. Si
le commutateur M est
poussé
sur laposition
P lemoteur se met en
marche,
lesergots
15embrayent
lapoulie
8 etl’ampoule
est remontée vers saposition
initiale.
Lorsque
celle-ci est atteinte le circuit dumoteur est
coupé
en DEautomatiquement
évitanttoute fausse maneeuvre, et l’arrivée du courant A
est
renvoyée
sur l’électro. Tout ledispositif
se trouveprêt
pour une nouvelle série de mesures àpartir
d’une nouvelle
pression
dedépart.
Il est
important après
une série de mesures detoujours
redescendre lapression
à une valeurlégè-rement inférieure à celle de
départ
de manière à ce que tout le mercure soit chassé del’ampoule
etqu’il
n’en reste pas à lapartie
inférieure ducapil-laire.
Ce
dispositif
nécessite lapénétration
de deux élec-trodes isolées dans la chambre àexpériences
mais il provoque le minimum deperturbations
ther-miques
par son fonctionnement. Nous verrons dans lemontage
ci-après
lapossibilité
de n’avoirqu’une
seule électrode. La seconde électrodepeut
être affectée à un thermomètre à fil deplatine
étalonné souspression
pour le contrôle de latempérature
du gaz.Variante du
dispositif
pour les très hautespressions.
- Pour lesmesures sous très hautes
pressions
on nedispose
qued’appareillage
de dimen-sion assezréduite,
et de peu deplace
pour le passagedes électrodes isolées.
La variante du
dispositif représentée
sur lafigure
4
permet
de ne fonctionnerqu’avec
une seule électrode dans un espace restreint.Le
principe général
est le même que ci-dessus.Les organes, dont les
repères
sont lesmêmes,
ontune
disposition plus
ramassée pour tenir dans des chambres àexpériences
de diamètre voisin de 20 mm.Fig. 4.
Le commutateur à retour
automatique
Mpermet
d’alimenter l’électrode isolée A sous deux tensionsdifférentes
(2
et 20 V parexemple).
L’ampoule
étantsuspendue
dans saposition
initiale hors du bain de mercure, comme sur lafigure,
l’électrode. A estrenvoyée
sur le contact Bcommandant l’électroaimant 12.
Si l’on pousse le commutateur M sur le
plot
0;
le
galvanomètre
J est court-circuité et l’électro 12est excité
rappelant
lesergots
15 et libérant lapoulie
8,
comme dans ledispositif précédent.
L’am-poule
3 tombe dans le bain de mercure 5. B se trouvecoupé
et le contact A se trouverenvoyé
sur le circuit C du moteurayant
en dérivation les contactsde
l’ampoule.
Mais la tension suffisante pour fairefonctionner l’électro 12 est insuffisante pour entraîner
le
moteur
9. Le circuit des contacts del’ampoule
est à ce moment ouvert.
trouve parcouru par un faible courant
(i
mA parexemple)
limité par la résistance R en série avec lemoteur..
Lorsque
le mercure atteint les contacts del’am-poule,
la résistance F introduit une dérivationqui
produit
unebrusque
variation de courant dansJ,
de mêmelorsque
le second contact est atteint.Après
une série de mesures et retour à lapression
initiale,
le circuit JF estcoupé.
Si M est alors
poussé
sur laposition
P ou il estmaintenu par l’électro-aimant
S,
le moteur se trouve alimenté sous la hautetension,
le circuit J est inter-rompu, lapoulie
8 est entraînée par lesergots
15,
et
l’ampoule
est remontée.Lorsqu’elle
atteint saposition
initiale le circuit C du moteur estcoupé,
B estrétabli,
et tout l’ensemble estprêt
à fonctionnerà nouveau.
(Au
moment où C se trouvecoupé
lecommutateur M est lâché par l’électro
S,
en série dans le circuitP,
et revient à saposition
médiane).
Pendant tout letemps
d’une série de mesures un faible courant circule dans le circuit moteur(i
mA)
d’où unelégère
perturbation thermique
dans la chambre.Précision des mesures. - Dans ces
dispositifs
laprécision
des mesuresdépend
de la connaissance des volumesde
l’ampoule
souspression.
Ces volumespeuvent
être connus, à lapression
atmosphérique,
à
1 /10 ooüe
près après
stabilisation du pyrex souspression.
On remarquera que lapression
dansl’am-poule
esttoujours
égale
à lapression
dans lachambre,
ses
parois
ne travaillentqu’à
unecompression
isobaresans contrainte
mécanique supplémentaire.
Ses variations de volume nedépendent
que de soncoefficient de
compressibilité
et de son coefficientde dilatation
thermique
souspression.
Étalonnage
des volumes desampoules
La mesure initiale des volumes se fait parpesée.
Après
unnettoyage
parfait
del’ampoule.
Pour faire
pénétrer
lesliquides
nécessaires soit aunettoyage,
soit àl’étalonnage
on se sert d’uneseringue
àinjection
munie d’unelongue
aiguille
passant
dans lesétranglements capillaires. L’aiguille
sert
également
auséchage
à l’air chaudcomprimé.
L’ajustage précis
du niveau de l’eau dejaugeage
se fait au moyen d’un fil de cotonporté
par uneaiguille
sèche. On affleure ainsi exactement le niveaudes contacts
électriques.
Les
opérations
deremplissage
et depesée
s’effec-tuant la
pointe
del’ampoule
enhaut,
leménisque
de l’eau(4)
se trouve être de même forme que leménisque
du mercure en ascension.Pour une
ampoule
de 20 cm3 aveccapillaires
de 1,21 mm et une
appréciation
de l’affleurementà mm
près
soit 1mm3,
le volumepeut
être connuà 1
/20
oooeprès.
(4) Nous avons abandonné l’étalonnage au mercure qui
présente de nombreux inconvénients.
Le
principal
facteur de correction du volume souspression
dépend
du coefficient decompressibilité
du pyrex celui-ci est connu à i pour I ooprès d’après
les travaux de
Bridgman
(5).
Limites
d’emploi
de la méthode. -L’utilisa-tion de cette méthode est limitée aux
pressions
produisant
lechangement
d’état du mercure soitenviron 7 ooo kg/cm2
à 0° et 11000kgjcm2
à 20°, lespressions
dechangement
d’état étant à cestem-pératures
due 7 350
etI I4OO
kg
/cm2.
Par ailleurs les
ampoules
de pyrex se fissurentaisé-ment sous des
pressions
de l’ordre de 10 oookg/cm2,
le taux de travail à la
compression
de la matièreétant alors
de I00 kg /mm2.
Cettepression
est donc une limitepratique d’emploi.
La
température
influeégalement
sur la tenuemécanique
du matériel : acier ou verre.Tout
l’ensemble
d’une chambrepeut
êtreporté
à 2ooo mais desdispositions spéciales
doivent êtreadoptées
pour assurer la tenue desjoints
aux hautespressions
et les isolements étanches desélectrodes,
au delà de 2ooo les aciers subissent un abaissementnotable de leur résistance et ils
présentent
desphé-nomènes de
fluage
accéléré auxpressions
limitesd’emploi
de cesdispositifs.
Influence des
parois
desampoules
sur lesmesures. -- Nous attirons l’attention des
cher-cheurs,
étudiantexpérimentalement
leséquations
d’état,
sur l’influence de la nature et de l’état desurface des
dispositifs
mesureurs de volume.A l’échelle
moléculaire, toutes
lesparois
sont dans un étatphysique
extraordinairementcahotique
etvacuolaire. Les couches de contact entre un solide
et un gaz ne
peuvent
être assimilées à des tranches minces de fluide dans le même étatqu’une
tranche de mêmeépaisseur éloignée
de touteparoi.
Lescouches de contact sont dans un état
moléculaire
anormal,
et une masse relativementimportante
degaz
peut
être fixée sous une forme adsorbée ou dans un étatphysique
différent de l’état gazeux normalà la
pression
del’expérience.
Cet élément
peut
être une cause d’erreur nonnégligeable,
et d’autantplus
importante
que lerapport
de la surface au volume estplus
grand.
La
présente
méthodepermet
d’étudier aisément cette causeperturbatrice
éventuelle en variant ladimension des
ampoules
ou en introduisant à leur intérieur des bandes laminées trèsminces,
et d’étatde surface divers des matériaux ou métaux dont on veut étudier l’action de ce genre.
Pression exacte dans les
ampoules. -
En raison de l’ascension du mercure dansl’ampoule
la
pression
à l’intérieur de celle-ci estlégèrement
51
différence d’environ
IlIOe
dekilogramme
par centimètre carré. Ilpeut
être nécessaire d’en tenircompte
pour les corrections à apporter auxpressions
au-dessousde Iooo kg/cm2.
Corrections de volumes dues à la
température
et à lapression.
- La différence detempérature
existant entre la
température d’étalonnage
et latempérature
d’expérimentation
nécessite unecorrec-tion
qui
dépend
du coefficient de dilatation du verre del’ampoule
souspression.
Ilpeut
être nécessaire de déterminer ce coefficient par des mesuresprécises
pour la
qualité
de verreemployé.
A la
pression atmosphérique
le pyrex a un coeffi-cientcubique
de9,6.
0-6. Un écart de Ioo° donne une correction de l’ordre du millième du volume. Une correction de sensinverse,
due à lacompressi-bilité,
estégalement
nécessaire.D’après Bridgman
le coefficient decompressibilité
cubique
du pyrex est de30,12.10-7 P + 6,1.10-12P2.
Sous
10 000 kg /cm2
la correction de volumecorrespondante
atteint
3 pour Ioo.Il est donc
important
de connaître le mieuxpossible
ce coefficient et sa variation éventuelle avec la pres-sion et latempérature.
Température
absolueexpérimentale.
- Enraison du coefficient élevé de dilatation des gaz il
est nécessaire de connaître avec la
plus grande
précision
latempérature
absolue au moment dechaque
mesure si l’on veutpouvoir
confronter ces résultats avec ceux d’autresexpérimentateurs.
Laméthode
permet
de déterminer aisément lescoeffi-cients de dilatation des fluides étudiés à toutes
’pressions.
Tableau’donnant l’ordre de
grandeur
desprincipales
erreurs relatives
possibles
sur les volumes sous 100o et10 ooo
kg/cm2.
DISPOSITIF POUR HAUTES
TEMPÉRATURES JUSQU’A
1200-. Cedispositif
est basé sur la mesure directe de la dilatation d’un fluide contenu dans uneenceinte de volume connu, chauffée
graduellement
jusqu’à
latempérature
limited’emploi
dudispositif.
Cette limite nedépend
que de la nature des maté-riauxqu’il
estpossible d’employer.
Avant
d’employer
cedispositif
nous en avionsconstruit un autre basé sur le
principe
d ’Archimède.Il consistait à mesurer sous
pression
la variation depoids
d’un bloc d’alumine fondueplongé
dans le gaz chaud souspression.
Tout d’abord nous décrirons cet
agencement
qui
peut
servir pour des recherches d’une autre naturenécessitant des mesures de
poids
souspression.
Fig. 5.
Une chambre à
expériences
à hautepression
1(fig. 5), placée
verticalement,
contient un fourélec-trique
biencalorifugé
2. L’enroulement chauffant 3(platine, tungstène,
molybdène
ou tantale suivant la nature dugaz)
estdisposé
demanière
àproduire
unetempérature
aussi uniformémentrépartie
quepossible
de toutl’espace
utile chauffé(ceci
est obtenu par tâtonnements successifs endisposant
desdisques
deplatine
à différents niveaux et en mesurant leurtempérature
aupyromètre optique
au cours des essais derépartitions
del’enroulement).
Un bloc d’alumine fondue 4 occupe presque tout
l’espace
uniformémentchauffé
disponible,
tout en laissant unjeu
suffisant pour que le bloc soit libreet ne
puisse
pas toucher lesparois.
du fléau. Une fenêtre étanche 12
permet
d’éclairerla chambre de la balance et de lire par 11 les
positions
du fléau.Une cavité 5
pratiquée
dans le bloc d’aluminepermet
de mesurer satempérature,
et parconsé-quent
celle du fluide danslequel
il estplongé,
au moyen dupyromètre optique
6 à travers la fenêtre dequartz
fonduqui
lui est réservée.La visée des
températures
estgênée
par lescou-rants de convection et condensations sur les
sur-Fig. 6.
Fig. 6 bis.
faces des fenêtres étanches. On facilite cette visée en munissant les
glaces
deprolongateurs
enquartz
fondu arrivant à unepetite
distance de la bouteille. Les faces terminales sont dresséesoptiquement.
Les indications dupyromètre optique
doivent êtrecorrigées
en tenantcompte
del’absorption,
de toutle
système
de visée.Le four est isolé et
calorifugé
par les blocs 9qui
ne laissent libres que les orifices strictement néces-saires à la mesure de la
température
et au passage du fil desuspension
du bloc d’alumine.Un enroulement
thermométrique
20permet
deconnaître la
température
dans la chambre de labalance. La
température
du four est connue par lepyromètre
optique
6 pour lestempératures
au delà de85oo,
ou par un enroulementthermométrique
à fil deplatine
tel que 21réparti
dans le four ouconcentré dans la cavité 5 du
bloc,
sans en toucher lesparois,
comme en 22.Si l’on
comprime
un gaz dans lachambre,
le blocd’alumine subit une
poussée
de bas en hautpropor-tionnelle à la densité du gaz,
qui
sera mesurée par laposition
du fléau si celui-ci a été étalonné comme nous le verronsplus
loin.Si l’on chauffe le four on pourra connaître la densité
du gaz à toutes
températures
et à toutespressions
en faisant varier ces
paramètres,
le volume du bloc d’alumine étant déterminé à lapression
atmosphé-rique,
et connu souspression
et à chaud par correc-tion decompressibilité
et de dilatation.La
précision
dudispositif
est affectée par les courants de convectionqui
s’établissent dans lefour,
et
qui,
en raison de lagrande
densité des gaz sous hautespressions,
entraînent le bloc d’alumine nécessitant des corrections difficiles àdéterminer ;
cequi
nous a fait abandonner cedispositif
pour les gaz. Lesfigures
6 et 6 bis montrent la balancequi
a été réalisée pour cemontage
dans une chambrede 4 o mm
de diamètreutile,
sa sensibilité est de i mgpour une division du
voyant
10,
ellepeut porter 1 o g.
Remarque
sur le fonctionnement d’une balance dans un milieu degrande
densité. -- Lasensi-bilité d’une balance est minimum dans le
vide,
ou la
charge
dupoids
du fléau et desplateaux
sur les couteaux est maximum. Cette sensibilité devien-draitthéoriquement
infinie si la balance étaitplongée
dans un milieu dont la densité serait
égale
à la densitémoyenne de tout le
dispositif
oscillant,
celui-ciayant
alors unpoids
nul.S étant la sensibilité dans le vide pour une densité moyenne D du
système
oscillant,
la sensibilité Si dans un milieu de densité Di sera deC’est une fonction
hyperbolique qui
croît’ trèsrapidement lorsque
Di serapproche
de D.D’autre
part
dans une balance àcontrepoids
lepoids
de celui-ci varie linéairement en fonction. de la densité du milieu danslequel
il estplongé.
Il est donc nécessaire de dresser le réseau des courbes traduisant en
poids
les indications lues sur levoyant.
On établit ce réseau en étalonnant la balanceplongée
dans des milieux de densitéconnue avec des
poids corrigés
enconséquence.
L’équilibrage
d’une telle balancedissymétrique
doit être réalisé non seulement enpoids
mais encoreen densités moyennes des matières du
système
53
Cette
méthode,
qui
a dû être abandonnée pour les gaz,peut
êtreappliquée
pour d’autres recherchesmesurant des
poids plus importants
et nécessitant moins deprécision.
Seconde méthode. - Cette méthode est basée sur la mesure directe de la dilatation du gaz contenu
dans une bouteille de
platine
decapacité
connue. Lafigure 7
montre ladisposition générale adoptée.
La chambre à
expérience
1,
refroidie par circulationd’eau,
contient un fourélectrique
2soigneusement
calorifugé
par desgarnitures
9(magnésie
au contactdes circuits chauffants et ponce à très
petites
alvéoles).
L’enroulement chauffant 3 est
réparti
de manière à assurer unchauffage
uniforme de toutl’espace
utile du four en
réglant
cechauffage
commeprécé-demment.
Dans le four se trouve contenue une bouteille de
platine
4 àparois
minces dont lafigure
8 donneFig. 7.
Fig. 8.
les détails de construction. Une
gaine
tubulaire 5pénètre
jusqu’àu
centre de la bouteille etpermet
d’en mesurer la
température
par visée aupyromètre
optique
6. La bouteille estprolongée
par un tubecapillaire
enplatine
7,
ce tube est raccordé à labouteille en 7 bis
(fig. 8) après
que la bouteille a été stabilisée par recuit souspression
et sacapacité
intérieure
jaugée.
Le tube
capillaire
aboutit à undispositif
mesureur 8 contenu dans un espace bien isoléthermiquement
de larégion
dufour,
soit à lapartie supérieure
de lachambre,
soit depréférence
à lapartie
inférieure,
ce
qui
réduit l’échauffement.Le mesureur est constitué par une cuve à mercure
en acier 8
complètement
closecomportant
à sapartie supérieure
10 un raccord pour le tubecapil-laire venant de la bouteille et un orifice
conique
rodé obturé par unpointeau
11 constammentappuyé
sur sonsiège
par le ressort 12. Un électro-aimant 13permet
de relever lepointeau
et de maintenir l’orifice ouvert en communication avec la chambre àexpériences.
Un tube mesureur 14
pénètre
dans la cuve àmercure, ce tube
peut
recevoir des tubes de réduction de son diamètre.Un flotteur 15 est
suspendu
à un fil fin s’enroulant sur unepoulie portée
par l’axe16,
rappelé
par lecontrepoids
17.Un
disque
demica,
gradué photographiquement,
permet
de mesurer lesdéplacements
de la colonnede mercure dans le tube 14 à travers la
glace
étanche18,
la chambre dujaugeur
étant éclairée par 19.permettent
de connaître latempérature
dujaugeur
et de sa chambre pour les corrections àapporter
aux mesures.La
température
de la bouteille 4 est connue soitoptiquement
par lepyromètre
6 au-dessus de8ooo,
Fig.9.
ou
bien,
pour lestempératures
inférieures,
par un thermomètre à fil deplatine
22placé
dans lapartie
tubulaire 5 de la bouteille.Le fonctionnement est le suivant :
Le
pointeau
11 étant maintenulevé,
onremplit
toute lachambre à
expérience
du gaz à étudier à unepression
choisie,
parexemple
6 oookg fcm2.
On laisse
l’équilibre
thermique
s’établir et on laisseretomber le
pointeau
d’obturation 11. On a ainsienfermé dans la bouteille et le
jaugeur
un volume degaz connu à la
pression
P existant à ce moment dans lachambre,
et à latempérature
amb:ante.Si l’on chauffe le
four,
à unetempérature
0,
legaz contenu dans la bouteille se dilate et passe dans le
jaugeur
où il se met à latempérature
de cet organe. Un volume de mercureégal
est refoulé dans le tube 14et ce volume est mesuré sur le
disque gradué.
On connaît par différence laquantité
de gaz contenu dans la bouteille à lapression
P,
maintenuecons-tante, ou
ajustée
à cettevaleur,
si elle alégèrement
variée. La
figure
9 montre lapresse
accouplée
à la chambre àexpériences
et lemontage
général
desappareils.
On
peut
donc enpartant
de diversespressions
de base tracer les courbesP,
V,
T du gaz étudié.A
chaque changement
depression, après
une série de mesures àpression
constante, il faut avoir soin de relever lepointeau
11jusqu’à
stabilisation de lapression
de base de laprochaine
série de mesurespour éviter un refoulement accidentel du mercure
dans la bouteille de
platine.
La
pression
dans la bouteille esttoujours égale
à lapression
dans lachambre,
sesparois
ne tra-vaillent pasmécaniquement,
elle ne subit aucune déformation à chaud autres que les déformationsdues à la
compressibilité
ou à la dilatation duplatine.
Précision des mesures. -Températures.
--La
température
moyenne de la bouteille au fond du tube5,
et parconséquent
celle du gazqu’elle
contient,
peut
être connue à i/ i oooe
près
pour lestempératures
mesurables
optiquement
de l’ordre de i oooo, età
2 /IOOOe
près
pour lestempératures
mesurées au thermomètre à fil deplatine,
celui-ciayant
été étalonné dansles
conditions de sonemploi.
Les visées
pyrométriques
sont effectuées avec lesprécautions indiquées
pour ledispositif précédent.
Volumes. - Le
système
dejaugeage
permet
demesurer des variations du niveau du mercure dans
le tube 14 inférieures au
1 /1oe
demillimètre,
soitFig.io.
un volume dé
o,3o
mm3 avec tube de 6 mm et0,13
mm3 avec tube de4
mm. Dans une chambre àexpériences
de4o
mm de diamètre et 200 mm delongueur
onpeut
chauffer à 12000 une bouteille deplatine
de 9 mm de diamètre et45
mm delongueur
d’un volume intérieur de
2,5
cm3. Onpeut
donc55
avec tube de 6 mm ou
1 /20
oooe avec tube de4
mm. Pour destempératures
nedépassant
pas 10000 levolume de la bouteille
peut
êtreporté
à 4 cm3,
leFig. ri.
Fig.12.
calorifugeage
pouvant
être moinsépais.
Les varia-tions de volumeappréciables
sont alors dei/i3
oooeou 1
/3o
oooe du volume du gaz.Fig. 13.
On connaît avec
précision,
enjaugeant
parpesée,
le volume de la cuve à mercure, et laquantité
de mercurequ’elle
contient;
par différence on a, le volume de gaz dans lejaugeur
après
fermeture de la soupape 11. Onpeut
doncapporter
toutes les.correc-tions nécessaires decompressibilité
ou dilatation des différentesparties
intervenant dans les mesures.Toutefois les coefficients de
compressibilité
et de dilatation souspression
et à chaud ne sont connusqu’avec
uneprécision plus
ou moinsgrande.
L’exemple
ci-dessous donne les erreurs de volumepossibles
pour une bouteille de2,5 cm3,
5 00okg /cm2
et 1000°,
jaugeur
avec 5 cm3 de mercure ettempéra-ture de 5oo au-dessus de sa
température
initiale.Pour
2,5 cm3,
l’erreur totale. relative est donc de l’ordre de3/IOOOe
sous5 00o kg /cm2
et 1000°, àceci
s’ajoutent
les erreurs sur la mesure de latempérature
et celle de lapression,
si cette erreurest de
1 /1 oooe
pour chacune d’elles l’erreur totale sera environ de5 j 1 oooe
sur le volumeoccupé
par le gaz dans la bouteille. Soito,5
pour 1oo.Avec un
appareillage
deplus grande
dimensionla
précision
pourrait
êtreplus grande.
Avec une bouteille de 8 cm3 elle atteindrait 1/oooe.
La
figure 1o
montre la réalisation d’une bouteille deplatine
de 2,5 cm3.Les
figures
11, 12 et 13 undispositif
jaugeur
pourchambre de
4o
mm.La
figure
i4
lemontage
général
de l’ensemble(dans
cemontage
lejaugeur
est à lapartie
supé-rieure).
;;
La
figure
9 montre l’ensemble de la chambre àexpériences
et de la presse àultra-pression
ayant
servi àproduire
et à maintenir lapression
du gaz dans la chambre au cours de nos travauxen1938-1939.
Nous remercions le Service des Poudres et le Centre National de la Recherche
scientifique qui
nous ont
permis
de réaliser unepartie
desdispositifs
décrits dans cette Note.BIBLIOGRAPHIE.
Prir2cipaux travaux relatifs à la mesure des volumes gazeux pour des pressions comprises entre 3 ooo et 15 00o kg/cm2.
-Au-dessous de la pression de 3 ooo kg/cm2 il existe une très abondante littérature relative à la mesure des volumes gazeux à des températures comprises en général entre - 80
et + 3ooo C. Dans cette littérature figurent principalement
les travaux de E. H. Amagat. en France, de A. Michels, aux
Pays-Bas, et de F.
G.’Keyes,
aux U. S. A. Une très grande précision dans les mesures caractérise tous ces .travaux. Nous citerons pour les principes des méthodesemployées
et la rigueur des mesures le principal Mémoire d’Amagatet trois des premières publications de Michels bien que le domaine des pressions n’ait pas dépassé 3 ooo atm.
[1] AMAGAT E. H. - Mémoires
sur l’élasticité et la dila-tabilité des fluides jusqu’aux très hautes pressions.
Ann. Chim. Phys., 1893, 29, 68 à 136.
[2] BRIDGMAN P. W. - The compressibility of five gases to high Pressures. Proc. Amer. Acad., 1923, 59,
173-211.
[3] BRIDGMAN P. W. - The volume changes of five gases under high pressures. Proc. Nat. Acad. Sc., 1923,
9, 370-372.
[4] BRIDGMAN P. W. - The compressibility of hydrogen
to high pressures. Schreinemaker’s Feestbundel. Rec. Trav. Chim., 1923, 1-4.
[5] BASSET J. et DUPINAY R. - Compressibilité de l’azote
et de l’hydrogène aux ultra-pressions de 5 000 atm. C. R. Acad. Sc., 1930, 191, 1295-1298.
[6] BRIDGMAN P. W. - The melting parameter of Nitrogen and Argon under pressure and the nature of the
melting curve. Phys. Rev., 1934, 46, 930.
[7] OTTO J., MICHELS A. et WOUTERS H. - Uber
Iso-thermen des Sticktoffes zwischen 0 und 150° bei Drucken bis zu 400 atm. Physik Z., 1934, 35, 97.
[8] BRIDGMAN P. W. - Melting curves and compressibities of Nitrogen and Argon. Proc. Amer. Acad. Arts Sc.,
1935, 70, 1.
[9] MICHELS A., MICHELS C. et WOUTERS H. - Isotherms
of CO2 between 70 and 3 000 atm. Proc. Roy Soc.,
1935, 153, 201.
[10] MICHELS A., WOUTERS H. et DE BOER J. - Isotherms
of Nitrogen between 200 and 3 000 atm, between 25 and 150° C. Physica, 1936, 3, 585.
[11] BENEDICT Manson. -
Pressure, volume, temperature properties of Nitrogen at high density. I. Results obtained with a wieght piezometer. II. Results obtained
by a
