Brevet FR2267596A1 — publié le 19751107

L'étude de la thermodynamique est, comme on le sait, au programme de la plupart des établissements d'enseignement scientifique (classes préparatoires aux grandes écoles, facultés, écoles d'ingénieurs). Pour cet enseignement, il est utile de mettre en évidence les états des fluides au voisinage du point critique. Pour réaliser cette étude, il est nécessaire de disposer d'un appareillage permettant de comprimer le fluide choisi au-dessus de sa pression critique, de faire varier le volume, ainsi que la température. Pour cela, on utilise la machine de Cailleret qui permet de réaliser la liquéfaction et le contour du point critique d'un fluide. te fluide utilisé est l'snhydride carbonique co2. Cet appareil est dérivé de la pompe réalisée par Paul Louis CAILLETET qui, en 1882, permit pour la première fois la liquéfaction des gaz réputés non liquéfiables. Malheureusement, ces appareils sont lourds et encombrants et leur prix de revient est très élevé; c'est pour cette raison qu'ils ne sont plus fabriqués depuis de nombreuses années. la présente invention est relative à un appareil de ce genre, d'une conception nouvelle et simplifiée, pouvant facilement être utilisé en travaux pratiques pour le tracé d'un réseau d'isothermes dans le diagramme Pression/Volume appelé "représentation de Clapeyron". Cet appareil, peu encombrant et d'un poids relativement faible, peut être muni d'un dispositif de projection qui permet de montrer à un auditoire nombreux la liquéfaction d'un gaz, de suivre l'évolution du volume et la pression, au cours de la compression, ainsi que de montrer la continuité des états gazeux et liquide au-dessus du point critique. En dehors de sa conception mécanique qui utilise l'action d'un piston sur du mercure, par l'intermédiaire d'une membrane, pour provoquer la compression du gaz, l'originalité de l'aprareil consiste aussi dans le choix du fluide utilisé qui doit répondre à plusieurs critères 1 - Ne pas être toxique; 20- Etre gazeux > la température ambiante; 30- Avoir une température critique supérieure à la tempé rature ambiante et inférieure à 1000 C, pour permettre la régulation de la temtérature par un thermostat à eau; 4 - Avoir une pression critique peu élevée; 5 - Etre rr produit facile à se procurer;; te fluide utilisé jusqu'à ce Jour pour l'étude du point critique a toujours été l'anhydride carbonique C02, dont la température critique égale 31,20C et la pression critique est de 73,8 bars. Une étude systématique des différents fluides a conduit la deranderesse à choisir l'hexafluorure de soufre F6S qui répond aux deux premiers criteres, qui a une température critique de 46 et une pression critique de 37 bars, ce nui est particulièrement intéressant car le choix de ce fluide a permis de limiter à 50 bars la pression maximale.à réaliser dans cet appareil. Toutes les caractéristiques et particularités de l'appareil didactique seront mises en évidence dans le cours de la description suivante qui donne un exemple de réalisation, nullement limitatif, en se référant au dessin annexé, dans lequel ta fig. 1 montre schématiquement l'appareil dans sa position de repos; La fig. 2 est sa vue partielle, en cours d'utilisation; La fig. 3 représente l'appareil en perspective. Conformément à l'invention, l'appareil didactique est constitué par un socle 1 (fig. 1 surmonté par un plateau 2 sur lequel est adapté un corps creux 3 réalisé en deux parties 4 et 5 séparées, d'une manière étanche, par une membrane 6 souple et déformable, s'appuyant sur la partie supérieure d'un piston 7 disposé à coulissement dans l'alésage de la partie 5 du corps de l'appareil. Une ou plusieurs bagues 8 assurent l'étanchéité du piston. Un volant 9, situé sous le plateau 2, solidaire d'une vis 10 introduite dans le piston, permet la montée ou la descente de ce dernier, pour diminuer ou augmenter le volume d'une chambre de compression Il pratiquée dans la partie 4 du corps, en poussant ou en-attirant la membrane 6 dans ladite chambre Il (f i. . La partie supérieure du piston 7 présente un diamètre plus faible pour forner une cavité cylindrique 12 destinée à recevoir le repli circulaire de la membrane 6. La chambre de compression 11 est en communication, à sa partie supérieure-, par un canal 13, avec une éprouvette 14, en verre épais gradué, fermée à sa partie supérieure, pouvant résis ter à la pression. Cette éprouvette, fixée d'une manière étanche sur le corps de l'appareil, est disposée dans l'axe d'une cuve transparente 15 destinée à recevoir de l'eau chaude pour servir de thermostat. Un thermomètre 16 est disrosé à la partie haute de la cuve 15. La cuve 15 est reliée, à sa partie inférieure, à une tuyauterie 17, pourvue d'un robinet 18, destinée au remplissage ou à la vidange ae ladite cuve. Le canal 13 est relié à une tuyauterie 19, pourvue d'un robinet 20. De plus, la chambre de compression 11 et la cavité cylindrique 12 sont en communication, respectivement, avec les branches d'une tubuure 21, reliée elle-même avec une tuyauterie 22. Un robinet 23 permet de fermer la branche de tubulure reliée à la chambre de compression 11. Enfin, un manomètre 24 est adap- té à la chambre de compression 11. L'appareil fonctionne de la manière suivante Le Fiston 7 étant descendu au maximum, le thermostat 15 étant rempli d'eau chaude, la chambre de compression Il étant pourvue de mercure dans sa partie basse, on branche la tuyauterie 22 sur une pompe àvide (non représentée) après avoir ouvert le robinet 23, puis on fait-le vide dans l'éprouvette 14 mais, pour éviter une déformation de la membrane 6 sous l'effet de la pression etmosphérique appliquée en-dessous, on fait également le vide sous la membrane, rar la tubulure 21. L'éprouvette 14 étant vidée ae son air, on introduit l'hexafluorure de soufre par la tuyauterie 19; celui-ci étant présenté commercialement sous une pression de 10 à 15 bars dans des bouteilles métalliques, le gaz est donc introduit sous pression. Après ce remplissage, on ferme le robinet 20. A ce moment, le manomètre 24 indice la pression dans l'éprouvette; cette pression peut être ajustée en laissapt échapper un peu de gaz par le robinet 20. On comprimera le gaz en faisant monter le mercure dans l'érrouvette, en actionnant le volant 9. A chaque instant on pourra lire le volume du fluide à l'aide des graduations gravées sur l'éprouvette 14, ainsi que la pression sur le manomètre 24, et la température sur le thermomètre 16. Enfin, on pourra avantageusement adjoindre à l'appareil une lanterne de projection 25 pouvant être déplacée le long de 19 cuve thermostatique, ce qui permettra d'obtenir une image agrandie de l'éprouvette et des phases au fluide. L'image du thermomètre sera également projetée pour permettre la lecture agrandie de la température. Il est bien entendu que l'on pourra modifier, de toute façon convenable, la forme et la disposition de tous les éléments qui constituent l'appareil, sans pour cela se départir de l'esprit de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Appareil didactique destiné à l'étude ae la thermodyna moque, permettant de comprimer et faire varier la température d'un gaz et de mesurer simultanement volume, pression et température; d'observer la liquéfaction et les variations de volume des deux phases ainsi que la disparition de la phase liquide au-dessus de la température critique, pour montrer ainsi la continuité des états gazeux et liquides, caractérisé par le fait qu'il comporte un corps creux réalisé en deux parties superposées, séparées par une membrane d'étanchéité, souple et déformable; la partie supérieure du corps, contenant une masse de mercure, sert de chambre de compression, en communication par un canal, avec une éprouvette en verre gradué résistant, disposée dans l'axe d'un thermostat, également transparent; la partie inférieure du corps est pourvue d'un piston, sur lequel s'applique la membrane d'étanchéité; le piston, que l'on actionne au moyen d'un volant à vis, a pour but de comprimer, par l'intermédiaire du mercure, le fluide gazeux jusqu'à sa liquéfaction; des tuyauteries appropriées permettent l'introduction de l'eau chaude dans le thermostat, l'introduction du fluide gazeux à comprimer, et la réalisation du vide dans la chambre de compression ainsi que sous la membrane d'étanchéité; un manomètre et un thermomètre permettent de mesurer à tout instant la pression du fluide et sa température. 2.- Appareil didactique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que, pour éviter la déformation de la membrane, on fait le vide sous cette dernière en même temps que dans l'éprouvette et dans la partie supérieure de la chambre de com- pression. 3.- Appareil didactique selon les revendications I et 2, caractérisé par le fait que le fluide gazeux utilisé pour l'étude du point criti -e est de lthexafluom re oufre (B6S). 4.- Appareil didactique selon 1G revendication 1, caractérisé par le fait qu'une lanterne de projection peut entre adaptée à coulissement sur le thermostat pour obtenir, sur un écran, l'image agrandie des différentes phases du fluide en cours ae compression ou de détente.