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Submitted on 1 Jan 1882

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Étude sur la combustion des mélanges gazeux explosifsAllard M, Le Chatelier

To cite this version:Allard M, Le Chatelier. Étude sur la combustion des mélanges gazeux explosifs. J. Phys. Theor.Appl., 1882, 1 (1), pp.173-183. �10.1051/jphystap:018820010017301�. �jpa-00237905�

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terne C. G. S . Les nombres correspondant au maximum sont sou-lignés (1).

ÉTUDE SUR LA COMBUSTION DES MÉLANGES GAZEUX EXPLOSIFS;

PAR MM. MALLARD ET LE CHATELIER.

1. - TEMPÉRATURES D’INFLAMMATION.

Nous avons employé, pour mesurer les températures d’inflam-ination, un pyromètre en porcelaine, chauffé dans un four à gazPerrot ; nous le faisions fonctionner alternativement comme ther-momètre à air et comme chambre de combustion. Un robinet enverre à deux voies permettait de le mettre en communication,d’une part, avec une machine pneumati que ; d’autre part, avec destubes mesureurs remplis soit d’air, soit du mélange gazeux expé-rimenté.

Pour mesurer la température du pyromètre, on y faisait le vide,puis on le laissait se remplir d’air, en mesurant le volume qui yrentrait ainsi. La connaissance de ce volume permettait d’obtenir,par un calcul très simple, la température. Cette détermination faite,on faisait de nouveau le vide et on laissait rentrer le mélange ga-zeux, en s’assurant si la combustion se produisait ou non à cettetempérature. On reconnaissait que la combustion s’était produitesoit par le bruit de l’explosion, soit par le changement de volumequi accompagne la combinaison de la plupart des gaz entre eux.On répétait sur un même mélange gazeux un grand nombre

d’expériences semblables, à des températures différant l’une del’autre de quantités aussi petites que possible. On arrivait ainsi àtrouver deux températures voisines, l’une supérieure, l’autre infé-rieure à la température d’inflammation. Les résultats obtenus parce procédé sont très concordants.Le tableau suivant donne le résultat de nos expériences :

(1) Le Mémoire complet paraîtra prochainement dans les Annales de Claintieet de Physique.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:018820010017301

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Le résultat le plus saillant de ces expériences est que la tempé-rature d’inflammation des mélanges tonnants d’hydrogène, d’oxydede carbone et de formène est peu modifiée par l’addition d’une

proportion même considérable de gaz étrangers. Les écarts les

hlus grands ont été obtenus avec l’addition d’acide carbonique auxmélanges d’oxyde de carbone. L’action de ce gaz sur les mélangesd hydrogène a été beaucoup plus faible. Ce résultat conduirait

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donc à supposer que la température d’inilammation d’un mélangegazeux est influencée d’une façon particulière par les produits desa combustion .

II. - ViTESSE DE PROPAGATION DE LA FLAMME.

Quand on enflamme un mélange explosif en un de ses points, laflamme se propage avec une vitesse très variable, suivant les cir-constances. Les conditions qui paraissent exercer la plus grandeinfluence sur cette vitesse sont la nature et la proportion des gazentrant dans le mélange, la température et surtout l’agitation mé-canique du mélange gazeux. La dernière de ces conditions, n’étantsusceptible d’aucune mesure, doit être éliminée ; mais il est impos-sible d’obtenir ce résultat d’une façon complète.Nous avons essayé d’aborder cette question au moyen de procé-

dés très différents les uns des autres. Le premier que nous avonsessayé, et qui avait déjà été employé par l’un de nous, consiste àfaire écouler le mélange gazeux par un orifice en mince paroi,allumer le jet ainsi produit, et en diminuer progressivement la vi-tesse jusqu’au moment où la flamme rentre par l’orifice. On admetqu’à ce moment il y a égalité entre la vitesse de propagation de laflamme et la vitesse d’écoulement du gaz. Ce mode de procéder nesupprime pas l’agitation du mélange gazeux, mais la maintient tou-jours identique à elle-même d’un moment à l’autre. On obtientainsi des résultats très concordants ; mais les conditions de l’expé-rience ne sont pas suffisamment définies, car on ne peut mesurercette agitation intérieure du gaz, qui a certainement une influencesur les résultats observés. Cependant, la principale cause d’incerti-tude vient de ce que la vitesse n’est pas uniforme dans toute la sec-

tion, qu’elle est moindre sur les bords de l’orifice. Il n’y a doncpas égalité absolue entre la vitesse de propagation et la vitesse

moyenne d’écoulement du gaz que l’on détermine directement. Si

donc les expériences sont faites dans des conditions comparableet, par suite, donnent des résultats très concordants, il n’est pas

prouvé que les chiffres obtenus ne sont pas affectés d’erré ai s sys-tématiques considérables.Nous avons obtenu les résultats suivants avec les mélanges de

formène et d’air :

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Le deuxième procédé que nous avons cherché à appliquer à lamesure des vitesses de propagation, le seul possible pour les mé-langes rapides, consiste à introduire le mélange dans un tube ferméà une extrémité, ouvert à l’autre, l’allumer à l’extrémité libre, etmesurer le temps que la flamme met à parcourir la longueur du.tube.

Enregistrement mécanique de la vitesse de la flamine.Nous avons obtenu ce résultat en utilisant, pour donner les si-

gnaux, la pression même produite par l’explosion des mélanges ga-zeux. Nous avons fixé deux petites chambres sur la paroi extérieuredu tube, et nous les avons fait communiquer, par un tube étroit,avec l’intérieur de celui-ci. Quand la flamme arrive dans le tube,devant un de ces orifices, elle le traverse et pénètre dans la cham-bre, oû elle produit une pression intérieure d’autant plus forte, quela v i tesse de propagation est plus grande et l’orifice plus étroit. Onutilise cette pression pour actionner un tambour enregistreur Ma-rey. La durée de propagation de l’onde comprimée dans le tube encaoutchouc qui reliait la chambre au tambour était due de se-conde. Les tubes des deux tambours étaient égaux; on peut, dansces conditions, compter, dans la mesure des temps, sur une ap-proximation supérieure à i 0"00 de seconde. Ce procédé ne suppliquepas aux mélanges lents, car on est obligé d’élargir les orifices decommunication pour permettre à la flamme de les traverser, et alorsla pression est insuffisante pour faire fonctionner les tambours.Après le procédé d’enregistrement, la seconde difficulté à ré-

soudre était d’éliminer autant que possible les mouvements vibra-toires. Nous avons obtenu les meillèurs résultats, ou plutôt lesmoins mauvais, en prenant un tube de grande longueur et mesu-

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rant la vitesse, à l’origine de la combustion, sur la longueur la plusfaible possible. Le mouvement vibratoire, en effet, est faible audébut de la combustion. Il n’augmente qu’au fur et à mesure de laprogression de la flamme ; mais il augmente d’autant moins vite,qu’il faut plus de temps aux ondes formées à l’extrémité ouvertedu tube pour aller se réfléchir à l’extrémité fermée et revenir.Nous avons obtenu les résultats suivants, en mesurant la vitesse

sur les 5o premiers centimèti-es d’un tube de 20m de long. Les in-certitudes sur ces chiffres ne sont que de 1 o pour i oo :

On voit que, pour les mélanges d’hydrogène et d’air, le maxi-

mum de vitesse correspond à la proportion de 40 pour ioo d’hy-drogène ; la proportion du mélange tonnant serait d’environ 30pour 100. Ce résultat est analogue à celui que nous avons déjà ob-servé pour le grisou ; il résulte vraisemblablement de la conduc-

tibilité calorifique considérable de l’hydrogène.Pour les mélanges dont la vitesse est supérieure à 5m par se-

conde, les résultats ont été complètement discordants. Une nou-velle cause d’agitation vient se joindre aux mouvements vibratoires.La pression motrice nécessaire pour faire écouler les gaz brûlésdevient assez importan te pour produire, en arrière, une compres-sion de la colonne de gaz non encore brûlée, et la mettre tout

entière en mouvement. La vitesse s’accélère très rapidement, à

mesure que la flamme avance dans le tube.

III. - PRESSION PRODUITE PAR LA COMBUSTION DES MÉLANGES

GAZEUX.

L’appareil que nous avons employé pour cette deuxième séried’expériences se compose essentiellement d’une chambre cle com-bllstion et d’un manoùètre enreg’istreur.

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La chambre de combustion est formée par un cylindre en fer de4lit de capacité, dont le diamètre égale la hauteur ; l’inflammationest centrale.

Le manomètre enregistreur que nous avons emploie est du à

M. Bourdon. Il consiste en un tube en laiton de section elliptique,tordu en forme de vi s autour de son axe. Une aiguille, soudée per-pendiculairement à l’axe de l’instrumenta inscrivait ses déplace-ments sur un cylindre tournant avec une vitesse de 1m par seconde.Au moment de l’explosion, le manomètre était lancé avec une

grande vitesse, et prenait un mouvement vibratoire très intense,

qui s’éteignait ensuite graduellement. Pour diminuer l’amplitudede ces oscillations, on a rempli le corps du manomètre et le bas ducylindre d’eau, et en étranglant plus ou moins, au moyen d’un

robinet, la communication de ces deux parties de l’appareil, onréglait le robinet de façon que l’amplitude maxima des oscilla-tions ne dépassât pas 0mm, 5. On dessinait après coup les courbestangentes aux deux sommets de ces oscillations, et on mesurait

leurs ordonnées moyennes.La graduation du manomètre fut faite, à différentes reprises, par

comparaison avec un manomètre à mercure à air libre, formé parun tube en acier flexible de 2mm de diamètre intérieur.

Vitesse de refroidissenlent. - Les courbes enregisurées sur

notre cylindre tournant nous permettaient de déterminer immédia-tement la loi des refroidissements des gaz depuis la température decombustion jusqu’à la température ambiante.Nous avons trouvé, pour les gaz perlllanents, que, depuis 2700°

jusque vers 6ooo, la variation de pression à chaque instant estexactement proportionnelle au carré de l’excès de la pression ac-tuelle sur la pression finale

k est une constante dépendant de la densité des gaz; elle est pro-

portionnelle à une puissance fr actionnaire de la pression finale

Pour les températures inférieures à Goo°, la loi du refroidisse-ment se modifie progressivement ; la vitesse devient proportion-

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nelle à des puissances de moins en moins grandes de l’excès dipression. Ce résultat est d’accord avec les expériences antérieure-ment faites. MM. Witz, Jamin et Richard avaient trouvé des expo-sants compris entre l,let 1, 3 pour les températures inférieuresà 200°.

L’acide carbonique donne, entre 600 et 1800°, la méme loi queles gaz permanents ; le coefficient de refroidissement l’ seul est

différent.

Au-dessus de 1800° jusqu’à 3000°, la loi du refroidissement esttoute différente ; la variation de pression est simplement propor-tionnelle à la première puissance des excès de pression

La chute de pression est beaucoup moins brusque qu’elle ne leserait pour la loi des carrés se prolongeant jusqu’à 3000°.

Ces différences accusent bien nettement l’existence d’une disso-ciation commençant vers 1800°. Le ralentissement de la chute de

pression provient des quantités de chaleur cédées progressivementau mélange gazeux par la combinaison de la fraction dissociée.Pour la vapeur d’eau, la loi du refroidissement est, à toute

température, différente de celle des gaz permanents et de l’acidecarbonique. La variation de pression est proportionnelle, depuis3000° jusqu’à la température ambiante, à l’excès de la pression ac-tuelle de la vapeur d’eau sur la tension de vapeur de l’eau à la tem-

pérature de l’enceinte

tÕ est la pression absolue de la vapeur à un moment quelconque,p est la tension de la vapeur à la température de l’enceinte, mo estla pression qu’aurait la vapeur d’eau à la température de l’enceintesi elle conservait l’état gazeux. Toutes ces pressions sont expri-mées en mètres de mercure. La chute de pression est extrêmementrapide, car dans notre cylindre, dont le diamètre et la hauteur sontde om, 17, la pression tombai t, en un quart de seconde, de 5ln de

mercure à la pression atmosphérique.La continuité de la même loi, depuis 3ooo’ jusqu’à la tempéra-

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ture ambiante, semble indiquer que la condensation de l’eau sur lesparois commence à se produire aux températures les plus élevées,et que la vapeur d’eau n’éprouve pas de dissociation notable, mêmeà 3000°.

Quand la vapeur d’eau est mêlée à des gaz permanents dont laprésence s’oppose à la condensation, la loi de refroidissement se

rapproche peu à peu de celle de ces gaz. On retombe sur la loi ducarré des excès de pression quand, à 1vol de vapeur, on ajoute2vol d’oxygèn e ou 3v°1 d’hydrogène.La connaissance de la loi des chutes de pression permet de cal-

culer, quand il n’y a ni condensation, ni dissociation, la loi deschutes de température, c’est-à-dire la loi du refroidissement pro-prement dite. On trouve ainsi, pour les gaz non condensables à

la température de l’enceinte,

Ces formules ne s’appliquent qu’au-dessus de 600° ; on peut, enajoutant un ierme du premier degré (B - 60), représenter nosexpériences jusque vers 100° . Nous avons trouvé ainsi la formulesuivante pour l’acide carbonique

Ces formules donnent, aux températures inférieures à 100°, desrésultats un peu différents de ceux que donnent les expériencesde M. Witz; mais on pourrait les mettre d’accord au moyen d’untroisième terme correctif (1 ).

Pression et température de comhzcstiom. - Les courbes denotre manomètre enregistreur ne donnent pas immédiatement lapression que produirait la combustion si l’on pouvait éviter toutesles pertes de chaleur, pression qui seule est intéressante à connai-tre. L’ordonnée maxima des courbes a déjà été influencée par lerefroidissement pendant le temps que la combustion met à se pro-

(1) Nous rappellerons que ces expériences n’avaient pas été spécialement entre-prises en vue d’étudier les lois du refroidissement; il eût été préférable, en effets,de ne pas employer un cylindre dont les parois étaient humides.

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pager dans tout le cylindre, et pendant le temps que le manomètreemploie à se mettre en équilibre de pression avec l’intérieur du

cylindre. Il y a donc une double correction à faire subir à la pres-sion maxima donnée par les courbes. Nous avons admis qu’en pre-nant, pour la loi des pertes de pression, celle qu’on observe aprèsla fin de la combustion pendant la durée du refroidissement, nousferions une correction trop forte. D’autre part, l’ordonnée maximade nos courbes donnant certainement une pression trop faible,nous avions deux limites extrêmes de la quantité que nous cher-chions ; en prenant la moyenne de ces deux limites, nous avions lachance de nous écarter le moins possible de la valeur exacte.

Connaissant ainsi la pression due à la combustion, et admettantqu’aux températures élevées le coefficient de dilatation de tous lesgaz est le même, on peut facilement calculer la température decombustion.On a, en effet, par défini tion,

Lorsque les gaz sont dissociables, on ne connaît plus w0, et, parsuite, le calcul basé sur Je mo final, observé par refroidissement, nedonne plus rien.Le tableau suivant donne les pressions et les températures dé-

duites de nos expériences ; deux colonnes spéciales donnent lesdemi-écarts des limites extrêmes. Les points d’interrogation indi-quent les températures que nous considérons comme inexactes, duf’ai t de la dissociation :

Chaleurs spécifiques. - La connaissance des températures decombustion permet de calculer les chaleurs spécifiques moyennes àvolume constant au moyens de la formule

en limitant, bien entendu, ce calcul aux températures pour les-quelles il n’y a pas de dissociation.La première conséquence qui se déduit d’une façon évidente de

nos expériences est que les chaleurs spécifiques des gaz permanents :·hydrogène, oxygène, azote, oxyde de carbone, égales entre elles àla température ordinaire, sont encore égales entre elles à 2000°.

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En effet, des volumes égaux d’oxy de de carbone, d’oxygène, cra-

zote, aj outés au mélange tonnant d’oxyde de carbone, donnent lamême température. On a les mêmes résultats pour les mélangescontenant de rhydrogène.Acide carbonique. 2013 La température de combustion du nié-

lange tonnant d’oxyde de carbone et d’oxygène permettait de cal-culer immédiatement la chaleur spécifique de l’acide carbonique,s’il n’y avai t pas de dissociation. L’étude de nos courbes de refi.oi-dissement montre que la dissociation de l’acide carbonique com-inence à devenir perceptible vers 18000, et est encore très faible’vers 2000°. Nous estimons qu’à cette température sa valeur ne s’é-lève pas encore à 5 pour 100. On peut obtenir des températuresinférieures à 2000° en ajoutant des quantités convenables d’acide

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carbonique au mélange tonnant d’oxyde de carbone. La discussiondu groupe d expériences (1), ( 2 ) et (3) du tableau précédent nousa conduit à admettre, comme valeur la plus probable de la chaleurspécifique moyenne de l’acide carbonique rapportée au volume n10-léculaire 2.21it, 22, entre zéro et 2000°, le nombre i3, 2.

Vapellr d’eau. 2013 Connaissant la chaleur spécifique de l’acidecarbonique, on peut s’en servir pour déterminer celle de la vapeurd’eau à la même température. Il suffit pour cela de comparer les

températures de combustion de l’hydrogène et de l’oxyde de car-bone, mêlés chacun avec un excès de gaz permanent tel, que lestempératures de combustion soient les mêmes. Nous avons trouvéainsi, en comparant les expériences (6) et (12), le nombre 12,8pour la chaleur spécifique moléculaire moyenne de la vapeur d’eauà 2000°.

Gaz permanents. - On peut, par le même procédé, déduire lachaleur spécifique des gaz permanents de celle de l’acide carboni-que. En comparant les expériences dans lesquelles un même gazcombustible est mêlé soit à un excès d’acide carbonique, soit à unexcès de gaz permanent, on trouve, pour la chaleur spécificluemoléculaire moyenne des gaz permanents à 2000°, le nombre 7,5.La chaleur spécifique des gaz permanents augmente donc consi-

dérablement avec la température; sa valeur est 5 à zéro. L’ac-

croissement à 2000° serait donc de 2,5, soit 5o pour 100 de savaleur initiale. Il est vrai que ce nombre, ne se déduisant qu’in- directement de la détermination de deux autres chaleurs spécifi-ques, présente moins de garanties d’exactitude.

NOUVEAU THERMOMÈTRE TRÈS SENSIBLE;

PAR M. A. MICHELSON.

Cet instrument, encore imparfait n’a servi qu.1à quelques essais,mais sa sensibilité est telle que je crois devoir en publier dès main-tenant la description.

Je crois que c’est Edison qui, le premier, a profité du grandcoefficient de dilatation du caoutchouc durci, pour accuser depetites variations de température, et l’admirable instrument qu’il