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Un calorimètre à glace de Laplace et Lavoisier

Création de l'article : novembre 2017.
Une expertise précieuse

L’Amélycor avait pensé être en possession d’une copie réalisée au 19°siècle jusqu’au jour en 2006 où elle a eu l’honneur de recevoir le professeur Paolo Brenni, directeur de l’ Istituto e Museo di Storia della Scienza de Florence (Musée Galilée) qui est incontestablement un des meilleurs experts en matière d’instruments scientifiques anciens.
Son opinion a ravi l’Amélycor : l’instrument que possède la  Cité scolaire Emile-Zola date incontestablement du 18° !
                                                                Cliquez sur l’image pour l’agrandir et connaître la légende  

Lavoisier1calormini             Lavoisier3brennimini              

Lavoisier2calordessusmini 

Description du calorimètre à glace
L’appareil est formé de trois compartiments concentriques dont celui du centre, appelé capacité intérieure, est une enceinte ou un panier grillagé qui contient la substance ou l’animal à étudier. Voir en f sur la figure n°3 ( celle de gauche) de la planche ci-dessous.

Lavoisier4planchemini

Les deux autres compartiments ou enceintes sont remplis de glace pilée :
- celle dans l’enceinte intérieure (en b) est destinée à être fondue et l’eau recueillie est mesurée,
- celle dans l’enceinte le plus externe (en a) sert d’isolant thermique pour maintenir à 0°C la glace et l’eau résultant de sa fusion, du compartiment (en b).

Il est remarquable de noter que les expériences se font à température constante.
En complément, se reporter au chapitre  ''Chaleur'' des ''Collections de Sc. Physiques''.   Voir les collections de Sc. physiques>>>

L’origine  du calorimètre à glace de la Cité scolaire Emile-Zola
L’Amélycor ne dispose  d’aucune donnée précise sur cet instrument. Il est possible que ce calorimètre ait été confectionné par Naudin, le ferblantier employé par Lavoisier depuis 1774.  Les  appareils utilisés pour les expériences historiques ont fait l’objet de factures ; celle du 31 mai 1783 : « nettoyé et repeint une des machines à glace, avec tous ses accessoires ».

Ce calorimètre ne comporte que les deux enceintes, mais les trois points d’attache qui subsistent pourraient laisser penser qu’il a été complété au centre, à l’image des autres, par un panier dans lequel on pouvait introduire un petit animal ou divers corps dont on mesurait la ‘’chaleur spécifique’’.
Initialement l’appareil était peint en noir, les deux extrémités de la partie cylindrique étaient ornées d’un filet doré. La peinture noire a presque totalement disparu.

 
Lavoisier5calor2mini

Adaptation du calorimètre pour la mesure sur un animal vivant
MM. Lavoisier et Laplace ont aménagé l’appareil par une arrivée et une sortie d’air en essayant de diminuer au mieux  leur influence sur les résultats. Dans l’Encyclopédie Méthodique (1792), Antoine-François Fourcroy (1756-1809) écrit à la page 698 du tome 2 :

Lavoisier6fourcroyminiPour lire le texte, cliquer    Ici >>>    

 Mesure de la production de chaleur d’un  animal à l’aide du calorimètre de Lavoisier et Laplace
Pendant l’hiver 1782-1783, période permettant d’obtenir de la glace et d’effectuer les expériences en ambiance froide, Antoine-Laurent Lavoisier (1743-1794, guillotiné) et Pierre-Simon de Laplace (1749-1827) effectuèrent des mesures calorimétriques et poursuivirent ces études avec des cochons d’Inde et des moineaux pendant l’hiver suivant car l’hiver précédent fut doux. 

Un cochon d’Inde fut placé pendant 10 heures dans un calorimètre à glace. La chaleur dégagée fit fondre un peu plus de 13 onces (402g) de glace. Lavoisier avait antérieurement mesuré la quantité d’anhydride carbonique (CO2) fournie par la respiration de l’animal placé sous une cloche. Dans d’autres expériences Lavoisier put mesurer la quantité de chaleur et le volume de CO2 dégagés par la combustion du carbone.
Tableau comparatif de la quantité de glace fondue récoltée :
Lavoisier7mesuresmini La ‘’calorique’’, chaleur libérée par les fonctions vitales du cochon d’Inde par heure est équivalente à celle de la combustion de 0,41 g de charbon. Au préalable, il avait été déterminé la quantité de chaleur nécessaire pour faire fondre une masse donnée de glace.

Pour la première fois, l’activité physiologique d’un animal (respiration) est assimilée à une réaction chimique (combustion) et mesurée par l’emploi des mêmes critères et avec le même type d’appareil. Par des méthodes expérimentales variées, ils trouvèrent des résultats remarquablement proches.
Lavoisier et de Laplace remarquèrent que pour une même quantité d’anhydride carbonique dégagée, la respiration et la combustion produisaient autant de chaleur; ce qui signifie que la respiration est une production de chaleur continue semblable à une combustion lente.

L’expérience de Lavoisier évoquée en classe de Première série D
1966-1967 fut l’année de la mise en place de la série D (mathématiques et sciences de la nature).
Au chapitre sur les besoins nutritionnels des animaux et de l’homme, le principe du calorimètre à glace pour mesurer les dépenses énergétiques est illustré par un schéma présentant les trois compartiments  mais sans l’entrée ni la sortie d’air.
L’expérience  de Lavoisier est qualifiée d’assez rigoureuse.
 Lavoisier8manuel67mini  
Source : Collection ‘’Classiques Hachette’’ sous la direction de F. Campan et J. Paniel, page 345.
Manuel retenu en 1966-67 par les professeurs de sciences naturelles du Lycée Chateaubriand.
Une petite erreur s’est glissée dans le schéma. Devinez laquelle ?  Connaître la réponse >>>


Conclusion de Lavoisier
Pour Lavoisier, «  la respiration est donc une  combustion à la vérité fort lente, mais d’ailleurs parfaitement semblable à celle du charbon »  
Il  fit faire un pas de géant à la physiologie. Il situa cette combustion – à tort – dans l’intérieur des poumons.
«Les êtres vivants apparaissent aujourd’hui comme le siège d’un triple flux de matière, d’énergie et d’information »  (François Jacob, La logique du vivant, Gallimard, 1970).

Pour en savoir plus, se reporter au dossier consacré à cet appareil dans notre bulletin L’écho des colonnes n°41, pages 6-8. Voir l'EDC n°41 >>>

   

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