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La mesure des températures élevées par le thermomètre à gaz

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HAL Id: jpa-00241804

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00241804

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�

(2)

formule très curieuse; elle n’est qu’approximative, mais suffisante

en pratique. Pour un gaz dans les conditions de ces expériences, la quantité 2c est proportionnelle à la 1 re puissance de l’intensité, le coefficient de proportionnalité étant indépendant de la fréquence.

Pour une même intensité de courant alternatif, le dégagement de

chaleur est plus grand dans l’air que dans 1 ’hydrogène; mais, avec l’air, les résultats n’ont quelque régularité que pour les très grandes

tensions parce que le gaz prend alors rapidement une composition

déterminée. Le rapport des chaleurs dégagées dans ces deux gaz est, dans ce cas, 1,80 environ, ce nombre n’étant retenu que pour l’idée qu’il donne de la grandeur du phénomène. Il faut remarquer que, l’air étant moins conducteur, un mèrne courant ne se produit qu’à l’aide d’une plus 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 en mélangeant 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 de potasse dans 600 grammes d’eau. Le gaz ayant barboté dans un mélange de bichromate de potasse et d’acide sulfurique était

conservé 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 de pyrogal-

late de potassium, sur de l’acide sulfurique, du chlorure de calcium

est de l’acide phosphorique anhydre. Le réservoir avait été préalable-

ment évacué et porté à une Ilaute température. Le remplissage défi-

nitif ne fut effectué qu’après avoir introduit à plusieurs reprises du

gaz 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

(3)

832

Avant de relier le réservoir au manomètre pour effectuer le rem-

plissage, on a eu soin de déterminer la constante de départ du ma-

nomètre. On procédait à cette mesure en mettant les deux branches

du manomètre en communication avec l’atmosphère et en y faisant

monter le mercure jusqu’à ce que, dans la branche courte, le mé-

nisque vînt au contact de la pointe fixe qui limite le volume cons-

tant. La lecture du manomètre correspondant à cette position consti-

tue la constante de départ.

Marche des mesures.

-

Nous avons procédé de la manière suivante à nos premières mesures effectuées avec le réservoir de platine

iridié.

Le corps du four étant abaissé de manière à dégager le réservoir thermométrique, on entourait celui-ci d’un vase rempli de glace fine-

ment râpée et bien trempée d’eau. Toute la partie du tube capillaire comprise dans le four était également entourée de glace. On faisait

alors alternativement plusieurs lectures du manomètre et des deux baromètres pour en déduire la pression initiale. Cette détermina- tion était suivie d’une mesure de la pression du gaz à 1001. On rem-

plaçait alors la glace par un appareil à ébullition à double circula- tion. La détermination du coefficient de l’azote ainsi obtenu n’a d’ailleurs servi que de contrôle, le coefficient de l’azote ayant été dé- terminé par M. Chappuis et par d’autres physiciens avec une préci-

sion supérieure à celle que comportaient nos mesures.

La pression initiale étant bien déterminée, on disposait les trois couples tliermoélectriques aux points qu’ils devaient occuper, soit au haut du réservoir, au milieu et à la base, et après avoir fermé her-

métiquement le four, on en réglait le chauffage. Dans nos premières expériences, nous prenions la précaution de remplacer par de l’azote l’air qui remplissait la bombe avant chaque série d’observa- tions. L’azote préparé par la méthode de liutton et Petavel était con-

servé sous pression dans des cylindres reliés au four par des tuyaux

métalliques munis de robinets. Nous avons reconnu dans la suite qne l’on peut employer sans inconvénient pour charger la bombe, l’air atmosphérique bien séché. Un manomètre disposé sur la conduite per-

.

mettait de lire à tout instant la pression régnant dans le four, et l’ob-

servateur avait sous la main les robinets de réglage nécessaires pour rendre cette pression égale à la pression du gaz dans le réservoir-

thermométrique. Ce réglage est facile à obtenir lorsque le four est

bien étanche, car, par l’échauffement du four la pression augmente-

(4)

graduellement de quantités à peu près égales dans le four et dans le

réservoir thermométrique.

Lorsque la température choisie pour l’observation était atteinte,

on procédait au réglage des résistances des fils de chauffe, de ma-

nière à obtenir une uniformité suffisante. Cette opération exigeait

environ trois quarts d’heure, ce qui réduisait à six ou sept le nombre des mesures de la journée. Pour couvrir chaque jour un intervalle

considérable de température, nous espacions les observations de 50

en 50 degrés ou de 100 en 100 degrés, en choisissant les jours sui-

vants des points intermédiaires, de manière à avoir une comparaison

tous les 25 degrés environ. On commençait chaque journée par l’ob- servation de la pression initiale, afin d’avoir un contrôle rigoureux

de l’invariabilité du point de départ.

La température du four éta’nt bien constante dans toute l’étendue

du réservoir, un des observateurs se plaçait à la lunette du mano-

mètre, l’autre au galvanomètre; ils procédaient simultanément à la lecture des couples thermoélectriques et de la pression du gaz.

Chaque mesure du manomètre était précédée et suivie de lectures de la pression barométrique.

Les observations étaient disposées par groupes symétriques afin

d’éliminer de la moyenne des résultats les effets des variations de

température pendant le cours des mesures.

Capacité du réservoir de platine iridié.

-

On a déterminé la capa- cité du réservoir thermométrique et du tube capillaire en pesant le

réservoir vide et plein d’eau avant et après les mesures.

Les capacités trouvées sont :

Va = 195,79 centimètres cubes en septembre 1905, et

Vo

=

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 différentes

pressions initiales :

(5)

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 à 0°)

p = pression à la teinpérature t° ;

v~ == capacité de la partie du tube capillaire incluse dans le four (la tem- pérature de cette partie varie depuis t° à la température de la salle)

=

0,161 centimètres cubes ;

V2 _-__ capacité de la partie du tube capillaire située hors du four=

tl = température moyenne de vi le réservoir étant à t° ;

t’, _-_ température moyenne de 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 usage plus commode.

(6)

dans laquelle 33t représente la correction pour la dilatation du réser- voir et A 2013 --- B la correction relative à l’espace nuisible. Les pres-

Po

sions p sont réduites à zéro et rapportées à l’intensité normale de la pesanteur (1).

Résultats des efecliiées ecvee le ther;/lornètre « ?.éservoir de

platine iridié.

-

Nous ne reproduirons pas les résultats des pre- mières séries d’observation exécutées avec un four dont la disposi-

tion ne permettait pas d’atteindre une uniformité satisfaisante. Après

avoir perfectionné notre four, nous fîmes, du 6 mars au ~3 mai ~90 i,

une série de 76 comparaisons des couples thermoélectriques avec le

thermomètre à gaz à des températures comprises entre 4001 et 1 080°.

Les pressions initiales observées dans le cours de ces mesures ont

donné les valeurs suivantes :

Nous avons réuni dans le tableau suivant les résultats des 76 com-

paraisons en les rangeant par groupes dans l’ordre des températures

croissantes et en indiquant dans la première colonne les numéros d’ordre des observations constituant un même groupe. Les obser- vations des couples sont rapportées au couple normal ic. La méthode

des moindres carrés appliquée au calcul de la force électromotrice.

en fonction de la température a fourni l’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.

(7)

836

I .

Aprés l’exécution des observations ci-dessus, le réservoir fut

évacué et rempli d’azote sous une pression initiale un peu plus forte

que la précédente pour servir à une nouvelle série de mesures dont

nous ne reproduirons pas les résultats.

Points fixes.

-

Dans le cours des comparaisons dont nous venons

de donner quelques résultats, nous avons déterminé à plusieurs reprises les points de fusion du zinc, de l’argent et du cuivre à

l’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 nous disposions alors.

(8)

Dans les mesures effectuées avec le réservoir de platine iridié, le

réservoir thermométrique se trouvait placé dans un four électrique

dont la température avait été rendue sensiblement uniforme dans toute son étendue; les différences maxima entre la température du

centre et celles des bouts ne dépassaient guère 0,3 dans les mesures

aux températures les plus élevées.

Nous avons déjà fait remarquer (p. î32j que dans un four tubu- laire réalisant une uniformité parfaite de température, le réservoir thermométrique placé en son centre subit, par l’effet du rayonne- ment vers les deux extrémités du tube,

J

des pertes de chaleur qui

abaissent sensiblement sa température. Cet,te source d’erreur, dont

nous n’avons reconnu l’importance qu’après la conclusion des me- sures précédentes, affecte les comparaisons effectuées entre le ther- momètre à gaz et les couples thermo-électriques. Il ne nous a pas été possible de déterminer la correction relative au rayonnement dans des conditions identiques à celles des mesures précédentes;

mais dans les recherches faites ultérieurement avec le réservoir de

platine rhodié, qui a sensiblement les mêmes dimensions et ne s’en

distingue que par le tube rentrant, nous avons reproduit des condi-

tions aussi rapprochées que possible des conditions antérieures.

A la température de fusion du cuivre (1 082,6), ayant disposé à une petite distance du bout supérieur du réservoir un écran recouvert d’une feuille mince de platine destiné à réfléchir les radiations émanant du réservoir thermométrique, nous avons constaté que l’introduction de l’écran relevait de 0,9 la température du thermomètre à gaz.

L’expérience ne put être faite pour l’autre extrémité du réservoir,

t

mais on peut admettre une perte de même ordre, de sorte que la

perte totale par rayonnement des bouts peut être évaluée à 2° envi-

ron à la température de fusion du cuivre. Cette correction quelque

peu incertaine a été ajoutée aux résultats obtenus à l’aide du ther- momètre à réservoir de platine iridié pour le point de l’argent et du

cuivre.

Ces premières séries de mesures ont donné les valeurs suivantes des points de fusiun :

MESURES EFFECTUÉES AVEC LE THERMOIÈTRE A RÉSERVOIR DE PLA-

(9)

838

TINE HHODÏÉ.

-

Etudes sur la disti-ibutio;î de la dans le -Dans les comparaisons du thermomètre à gaz avec les couples thermo-électriques que nous avons poursuivies avec le réservoir de platine rhodié, nous nous sommes tout d’abord appliqués à réduire

autant que possible les pertes par le rayonnement des extrémités.

Notre premier soin fut de supprimer le tube de magnésie à parois épaisses qui servait de support am réservoir d’3 platine iridié et qui

refroidissait par conductibilité la partie inférieure du réservoir. Ce tube fut remplacé par un tube mince de porcelaine Marquard, sur lequel on avait disposé un creuset de même matière, écliancré de

manière à ne reposer que sur trois points. Le fond de ce creuset

agissant comme écran réfléchissait les radiations émanant du réser-

°

voir. Les pertes par conductibilité étaient également fort réduites

par suite de la faible épaisseur de paroi du tube. Dans la suite nous

ajoutâmes un second écran, mais sans améliorer sensiblement la dis- tribution de la température.

Aux trois couples thermoélectriques placés aux extrémités et au

milieu du réservoir, nous en ajoutàmes un quatrième dont la soudure

fut placée au fond du tube rentrant, dans la position 8 (fig. 8). Des

(10)

expériences faites dans des conditions variées nous permirent de

constater que, lorsque la température .du four était réglée de manière

à égaliser les lectures des conples extérieurs, le couple intérieur indiquait une température de 2 ou 3 degrés plus élevée. Cette consta-

tation nous engagea à entreprendre une étude approfondie de la

distribution de la température à la surface du réservoir.

Comme le nombre des fils conducteurs pouvant être admis dans la bombe par des joints étanches est forcément limité, nous avons tiré

parti du fait que le réservoir est constitué de platine rhodié à 20 0/0

de rhodium. Des fils de platine pur furent mis en contact avec la surface du réservoir aux points dont on voulait déterminer la tem-

pérature. Chacun de ces fils, relié par son autre extrémité au fil de

platine d’un couple normal, en contact avec un point de la région

centrale du réservoir, constitue un couple différentiel qui donne

directement la différence de température existant entre les points de

contact choisis. En reliant successivement les fils de platine corres- pondant à différentes régions du réservoir, on obtenait la répartition

de la température à sa surface. Les points de contact choisis sont indiqués sur le diagramme’/îy. 8, la section longitudinale du ré-

servoir en donne la position en hauteurs, la section transversale l’orientation.

La disposition adoptée nous a permis de constater qu’à 1 082°, le

four étant réglé de telle manière que les couples 9, 4 et 1 indiquaient

la même température, le point 6, à la base du réservoir, présentait

un excès de 6 à 8 degrés, et le point 7 un excès de 4 degrés environ

sur cette température.

Cet excès provient de ce que le couple 9, n’étant pas en contact

avec le réservoir, perd par conduction et par rayonnement une quantité de chaleur assez grande pour maintenir sa température

sensiblement au-dessous de celle des parois métalliques voisines. Le

point 8, par contre, étant dans un espace à peu près fermé, indique

une température sensiblement supérieure à celle du coupe 4 situé

extérieurement au même niveau.

Instruits par ces expériences, nous excluâmes les observations du

couple 9 et nous procédâmes au réglage de la température par l’ob- servation des couples aux points 1 , fi est 7 ou 2, 4 et G.

Nous constatâmes également des différences de température

entre le milieu et le point 2 situé au haut du réservoir, enfin des

expériences particulières nous firent reconnaître qu’à ces variations

(11)

840

à différents niveaux s’ajoutaient aussi des variations azimutales qui s’élevaient, au maximum à 1,3 degré par rapport à la moyenne, à la

température de 1 4500 et qui unt évidemment pour cause des irrégu-

larités locales du revêtement du fil de chauffe.

Pour éliminer l’effet de ces variations locales, nous adoptâmes

pour la température du milieu du réservoir la moyenne des lectures faites aux quatre points 1.1, 4.3, ~.3 et 4.7, situés en des azimuts différents du réservoir. Pour nous assurer en outre qu’aucune erreur

FIG. 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 par l’emploi du four à fil de chauffe placé intérieurement (fig. 9), nous fîmes un certain nombre de mesures avec un four dont le fil de chauffe en platine était enroulé extérieu-

rement sur un tube de porcelaine. Dans ce four (fig. 10), une grande

masse se trouvant placée entre le fil de chauffe et le réservoir, on peut obtenir une distribution plus uniforme de la température

9 et 10).

(12)

Une mesure du point du cuivre effectuée dans ces conditions donna la température 1 082°,6, valeur identique à la moyenne des résultats obtenus avecl’autre disposition du four électrique. Ce résultat prouve que les mesures effectuées avec l’enroulement intérieur dn fil de chauffe ne sont pas affectées d’erreurs systématiques. Le four à

enroulement extérieur donne évidemment une uniformité de tempé-

rature plus parfaite, mais il n’est pas applicable à un intervalle de

température aussi étendu, et son réglage présente de plus grandes

difficultés.

lté glage du four.

-

Pour obtenir une température bien uniforme,

il est nécessaire de surveiller continuellement le courant des trois fils de chauffe, à cause des changements de régime qui résultent de

l’élévation de la température des parties extérieures. Il faut environ

une demi-heure pour obtenir l’équilibre à une température donnée.

On ne commençait les observations que quinze à trente minutes après avoir obtenu cet équilibre. Dans ces conditions, les variations de température du four pendant les lectures ne dépassaient pas 0°,1

à 0,3.

Au-dessus de 1 ~00°. nous constatâmes fréquemment des pertes de courant provenant de défauts d’isolation des fils de chauffe et des couples. Pour éviter les perturbations causées par ces pertes,

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 la première série. Dans les nouvelles séries, nous

avons donné un soin particulier aux mesures thermoélectriques.

Les forces électromotrices des couples, mesurées à l’aide d’un

potentiomètre de Wolff, ont été, toutes corrections faites, réduites

en unités normales par comparaison avec un élément de Clarls, dont

la valeur était 1,4328 volt à 15" et avec un élément saturé au cad- mium donnant 1,01835 volt à 250. La constance de ces éléments était vérifiée chaque jour par comparaison avec un élément normal Wes-

ton du Bureau of Standards. Les petites corrections que compor- taient les lectures sont de peu d’importance auprès des variations

provenant de l’altération des fils par les vapeurs métalliques déve- loppées dans le four aux températures elevées. Des traces d’iridium

se rencontrent toujours dans le platine, même lorsqu’il a été purifié

avec soin en vue de son emploi comme fil de chauffe.

C’est pourquoi nous avons jugé indispensable de sortir tous les

(13)

842

couples pour les soumettre à un contrôle après chaque exposition

assez prolongée pour en compromettre l’homogénéité. Les parties

contaminées étaient supprimées. On évitait ainsi toute erreur qui

eût influencé soit les comparaisons avec le thermomètre à gaz, soit les mesures des points de fusion.

Essai de.s des couples,

-

Le contrôle de l’altération des fils peut être fait très simplement en reliant à la fois au potentiomètre

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 le long du fil à exa- miner, on cliauffe le point de contact au chalumeau. La variation de la f. é. m. qui se produit à ce contact donne une mesure de l’al- tération du fil. Dans les régions homogènes, les variations obser- vées ne dépassent pas 3 microvolts. La température de la flamme

du chalumeau, comprise entre 1460 et 1 500°, est suffisamment constante pour cet essai. Il suffit de quelques minutes pour exami-

ner 50 centimètres de fil.

Evaluation de la 1noyenne dit réservoir.

°

trique.

-

Le couple tiieriiioélectrique situé dans le tube rentrant

du réservoir étant moins influencé que les autres par le rayonnement

et par les causes d’altération des couples extérieurs, il convient

d’attribuer un plus grand poids aux observations faites sur ce couple.

Quant aux couples extérieurs, des considérations appuyées de divers

essais nous ont fait adopter les poids suivants pour les observations des couples situés dans les différentes sections :

Les couples situés dans l’axe, au sommet et à la base du réservoir,

ont un poids faible, parce qu’ils ne concernent qu’une faihle portion

du réservoir thermométrique. On a attribué au couple placé au bas

du réservoir (pos 6) un poids un peu moindre qu’à celui du haut (pos 2), parce que la capacité de la partie 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 corrections qui affectent

nos observations.

,

(14)

TABLE¿Bl’ 1B".

-

ÉVALl’ATIO.:B DES ERREL’RS ET DE LEUR INFLUENCE

SUR LA DETERMINATION DE LI TE’IPÉRA l’l’RE.

(15)

844

11 ressort de l’examen de ce tableau que la source d’erreur la plus importante des mesures aux hautes températures réside dans le défaut d’uniformité du bain d’air. L’incertitude qui en résulte affectes sensiblement la détermination des points fixes. L’erreur la plus con-

sidérable après celle-ci provient de l’état de pureté des métaux et

des 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 été publiées 1>1 extenso Il), nous nous bornerons

à reproduire ici comme exemple la série du 4 juin 1909, exécutée après le troisième remplissage d’azote. La situation des couples thermoélectriques autour du réservoir est indiquée 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 de platine

pur en contact avec la paroi du réservoir de platine rhodié aux points correspondant à la position 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).

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