To Arthur-Auguste de la Rive¹

Lettre de M. John Tyndall à M. le prof. Auguste de la Rive.

Mon cher Monsieur,

Je viens d‘envoyer à la Société royale une note sur des recherches relatives à l‘influence d‘enveloppes diathermanes pareilles à notre atmosphère sur le passage de la chaleur rayonnante; elles seront, je crois, de nature à vous intéresser. Vous n‘ignorez pas que M. Pouillet, dans son travail remarquable sur le rayonnement solaire, attribue la température proportionnellement plus élevée des couches inférieures de l‘atmosphère à l‘absorption par ces couches d‘une portion de la chaleur obscure émise par la terre. M. Hopkins a fait aussi un bon travail sur le même sujet, mais il manquait aux recherches théoriques de l‘un et l‘autre de ces savants une base expérimentale : savoir des données exactes sur la manière dont la chaleur rayonnante se comporte dans son passage à travers un milieu gazeux. C‘est l‘espoir de combler cette lacune qui m‘a conduit à étudier sous un point de vue général la transmission de la chaleur rayonnante à travers les différents gaz.

Melloni a démontré que la loi de l‘inverse des carrés était applicable au passage de la chaleur rayonnante à travers l‘air, et il conclut de ses expériences à ce sujet "qu‘entre les limites de ses observations, c‘est-à-dire pour un intervalle de cinq ou six mètres, l‘air n‘exerce aucune absorption sensible sur le rayonnement des corps chauds." Vous aurez probablement répété plus d‘une fois l‘expérience du célèbre physicien italien, et vous l‘aurez trouvée, comme moi, parfaitement exacte.

Le pouvoir absorbant extraordinaire des composés d‘hydrogène dont j‘ai déjà eu l‘occasion de vous entretenir, m‘a suggéré l‘idée atmosphère de ce gaz agirait peut-être plus énergiquement que l‘air pour arrêter le calorique rayonnant. Pour m‘en assurer, je me suis servi d‘un tube long de quatre pieds et large de trois pouces, fermé à chacune de ses extrémités par un disque de sel gemme. Ce tube est muni à l‘une de ses extrémités d‘un robinet au moyen duquel il peut être visse à la machine pneumatique, de manière à y faire ou un autre gaz quelconque. La propriété bien connue du sel gemme de transmettre également tous les rayons calorifiques, quelle que soit leur qualité, m‘a permis de faire passer à travers mon tube des rayons calorifiques de toutes les espèces, sans crainte de les altérer.

Le tube étant dispose horizontalement et plein d‘air, une source de chaleur fut placée à l‘une de ses extrémités, et à l‘autre extrémité une pile thermoélectrique. Le calorique rayonnant, qui passait alors à travers l‘air renfermé dans le tube, produisait sur la pile un effet qu‘accusait aussitôt un galvanomètre était revenue au repos, j‘ai fait le vide dans le tube pour constater si l‘absence de l‘air exerçait une influence sensible sur la quantité de chaleur transmise. Je n‘en aperçus aucune. Il en a été de même lorsque, à la place de l‘air, j‘ai introduit dans le tube du gaz hydrogène. Ces résultats sont de nature à confirmer pleinement les conclusions de Melloni déjà citées.

L‘expérience ci-dessus me suggéra pourtant quelques réflexions sur la méthode employée. Je m‘étais aperçu que lorsque la source de chaleur était passablement intense, tel qu‘un boulet de cuivre chauffé presque au rouge, la déviation de l‘aiguille devenait très-considérable. Or, chacun sait que les degrés élevés du galvanomètre représentent une force beaucoup plus considérable que les degrés inférieurs. Il en résulte que, pour produire une diminution sensible sur une forte déviation de l‘aiguille, il devient nécessaire d‘opérer une réduction comparativement beaucoup plus considérable dans la force du courant. De là l‘inconvénient de se servir d‘une source calorifique intense; d‘autre part, si cette source est trop faible, la quantité de chaleur rayonnante qui passe à travers le tube, devient assez minime pour que la fraction absorbée par la colonne gazeuse doit naturellement être insensible.

J’ai donc cherche à appliquer une source de chaleur assez forte pour que la portion de cette chaleur absorbée restât une quantité appréciable, et en même temps à faire en sorte que la chaleur rayonnante, émise par la source, put agir sur l’aiguille du galvanomètre dans la position la plus sensible de celle-ci. Voici le procédé que j’ai employé. Les deux fils d’un galvanomètre différentiel furent mis en communication avec deux piles thermoélectriques, de telle sorte que les courants provenant de l’une et de l’autre pile dussent faire le tour de l’aiguille dans des directions opposées. Une source de chaleur étant placée en face de l’une des extrémités du tube, l’aiguille se trouva promptement déviée par l’action du courant provenant de la pile située à l’extrémité opposée. Je rapprochai alors la seconde pile de la source calorifique, jusqu’à ce que son courant neutralisât complétement celui de la première, et aussitôt on vit l’aiguille redescendre au zéro. Voilà donc que, par cette disposition, nous avons obtenu deux forces puissantes en état d’équilibre parfait; il ne s’agit plus que de s’assurer si un changement dans la nature du milieu traversé par la chaleur rayonnante aura pour effet de déranger cet équilibre. Or, voici le résultat général que j’ai obtenu dans le cas de l’air atmosphérique. Je suppose que l’aiguille soit au zéro lorsque le tube est plein d’air; dès qu’on a fait le vide, on voit l’aiguille se mettre en mouvement, indiquant ainsi que le courant provenant de la pile située à l’extrémité du tube l’emporte sur l’autre; ou en d’autres termes, que, par suite du déplacement de l’air, une plus grande quantité de chaleur rayonnante a pu passer à travers le tube. En laissant rentrer l’air dans le tube, on voit l’aiguille revenir aussitôt au zéro. J’ai obtenu dans quelques cas des résultats tout à fait inattendus; l’épuisement de l’air de tube ayant plus d’une fois fait descendre l’aiguille du galvanomètre de 40 à zéro, pour remonter à 40 du côté opposé, tandis que la réadmission de l’air parfaitement pur et sec; je me bornerai à vous assurer qu’elles étaient telles que vous pouvez regarder le fait ci-dessus comme parfaitement établi.

J’ai opéré de la même manière sur plusieurs autres gaz, tels que l’oxygène, l’hydrogène, l’azote, l’acide carbonique, le gaz oléfiant, le gaz d’éclairage, l’ammoniaque, etc., et aussi sur les vapeurs d’éther, d’alcool, d’eau, de sulfure de carbone, etc., et j’ai obtenu pout résultat, que le pouvoir diathermane des différentes substances gazeuses varie probablement tout autant que celui des corps solides et liquides. Prenons pour exemple le gaz d’éclairage; le pouvoir diathermane de ce gaz, compare à celui de l’oxygène ou de l’azote, est à peu près dans le même rapport que le pouvoir diathermane de l’alun est à celui d’un des corps solides qui se laissant le plus facilement traverser par la chaleur rayonnante. L’introduction, dans le tube vide, d’une quantité du gaz d’éclairage équivalente à un pouce de mercure seulement, produit une forte déviation dans l’aiguille du galvanomètre, et je ne doute pas de pouvoir arriver à apprécier l’effet absorbant de ce gaz à la tension d’un millimètre. J’ai aussi remarqué que le pouvoir absorbant de la vapeur de sulfure de carbone.

En poursuivant ces recherches, j’ai aussi réussi à démontrer que le même gaz est plus ou moins perméable à des rayons de chaleur de qualité différente, et même que tel rayon de chaleur peut passer à travers le tube sans être sensiblement affecte par la présence du gaz qui s’y trouve. Je dois ajouter que ces recherches doivent être regardées comme seulement à leur début, et qu’il me faudra beaucoup de temps pour les compléter; mais j’ai cru que, même au point où elles en sont, la méthode employée et les résultats déjà obtenus seraient de nature à vous intéresser.

Recevez, etc. | John Tyndall

PS. Je me sers maintenant d’un galvanomètre à un seul fil, de deux sources de chaleur et des deux faces de la même pile.

Letter from Mr. John Tyndall to Prof. Auguste de la Rive.

My dear sir,

I have just sent to the Royal Society a note² on researches into the influence of diathermal envelopes³ similar to our atmosphere on the passage of radiant heat; they will, I think, be of interest to you. You do know that M. Pouillet, in his remarkable work on solar radiation,⁴ attributes the proportionately higher temperature of the lower layers of the atmosphere to the absorption by these layers of some dark heat emitted by the earth. Mr. Hopkins has also done good work on the same subject,⁵ but the theoretical researches of both scientists lacked an experimental basis: to know the exact manner in which radiant heat behaves in its passage through a gaseous medium. It is the hope of filling this gap which led me to study from a general point of view the transmission of radiant heat through the different gases.

Melloni has demonstrated that the law of inverse squares⁶ was applicable to the passage of radiant heat through the air, and he concludes from his experiments on this subject “that between the limits of its observations, that is to say, for an interval of five or six meters, the air does not exert any sensible absorptive force on the radiation of hot bodies.” You will probably have repeated more than once the experiment of the celebrated Italian physicist, and you will find it, like me,⁷ perfectly exact.

The extraordinary absorptive power of the hydrogen compounds, of which I have already spoken, has suggested to me that an atmosphere of this gas would perhaps act more energetically than the air to stop the caloric radiation. In order to ascertain this, I have employed a tube four feet long and three inches wide, closed at each end by a disk of rock salt. This tube is fitted at one of its ends with a tap by means of which it can be screwed to the pneumatic machine, so as to empty it; a second tap makes it possible to introduce air or any other gas into it. The well-known property of rock-salt to transmit all calorific rays, whatever their quality, has permitted my calorific rays of all types to pass through my tube, without fear of altering them.

An air filled tube was horizontally arranged, a source of heat placed at one end, and at the other end a thermoelectric cell. The calorific ray, which was then passed through the air enclosed in the tube, caused the battery cell to produce an immediate effect on a very sensitive galvanometer⁸ placed in the circuit. As soon as the galvanometer's needle had returned to rest, I emptied the tube to ascertain whether the absence of the air exerted a sensible influence on the quantity of heat transmitted. I did not notice any. It was the same when, in instead of air, I introduced into the tube hydrogen gas. These results are such as to fully confirm the conclusions Melloni already cited.

The above experiment made me reflect on the methods employed. I realized that when the source of heat was quite intense, such as a ball of copper heated almost to red, the deflection of the needle became very considerable. Everyone knows that the higher degrees of the galvanometer represent a force much greater than the lower degrees. As a result, in order to decrease the deflection of the needle, it is necessary to reduce the force of the current. Hence the disadvantage of using an intense heat source; on the other hand, if this source is too weak, the quantity of radiating heat passing through the tube becomes small enough that the fraction absorbed by the gaseous column must naturally be negligent.

I have, therefore, endeavored to apply a sufficiently strong source of heat for the portion of this absorbed heat to remain in substantial quantity, and at the same time to cause the radiant heat emitted by the source to act upon the needle of the galvanometer in its most sensitive position. This is the procedure I used. The two wires of a differential galvanometer were connected to two thermoelectric cells,⁹ so that the currents coming from one and the other would have to go around the needle in opposite directions. A heat source was placed opposite one of the ends of the tube, the needle was promptly diverted by the action of the current from the battery at the opposite end. I then brought the second battery cell closer to the calorific source until its current completely neutralized that of the first, and at once the needle was seen to fall back to zero. Here, therefore, by this arrangement we have obtained two powerful forces in a state of perfect equilibrium; it is only a question of ascertaining whether a change in the nature of the medium passed through by radiant heat will have the effect of disturbing this equilibrium. Now, here is the general result I obtained in the case of atmospheric air. I suppose the needle is at zero when the tube is full of air; as soon as the vacuum has been emptied, the needle is seen to move, indicating that the current from the battery at the end of the tube carries it over the other; or in other words, that as a result of the displacement of the air a greater quantity of radiant heat may have passed through the tube. By allowing the air to enter the tube, the needle is immediately returned to zero. In some cases, I have obtained quite unexpected results; the exhaustion of the air of the tube having more than once made the needle of the galvanometer descend from 40 ° to zero, to rise to 100 ° on the opposite side, while the readmission of the air made it immediately return to its first position. I shall not here enter into the details of the precautions taken to obtain perfectly pure and dry air; I will confine myself to assuring you that they were such that you can look at the fact above as perfectly established.

I have experimented in the same manner on several other gases, such as oxygen, hydrogen, nitrogen, carbonic acid, olefin gas, lighting gas, ammonia, etc., and also on the vapors of ether, alcohol, water, carbon disulphide, etc., and I have concluded,¹⁰ as a result, that the diathermic power of the different gaseous substances probably varies as well as that of the solid bodies, and liquids. Take for example the lighting gas; the diathermic power of this gas, when compared with that of oxygen or nitrogen, is nearly in the same ratio as the diathermanal power of alum is to one of the solid bodies which are more easily passed through by radiant heat. The introduction, into the empty tube, of a quantity of the lighting gas equivalent to one inch of mercury alone produces a great deflection in the needle of the galvanometer, and I have no doubt, absorbing the effect of this gas at the voltage of one millimeter. I have also observed that the absorbing power of ether vapor is infinitely greater than that of carbon disulfide vapor.

In continuing these researches, I have also succeeded in demonstrating that the same gas is more or less permeable to heat rays of different quality, and even that such a heat ray may pass through the tube without being sensibly affected by the presence of the gas therein. I must add that these investigations must be regarded as being at their beginning, and that it will take me a long time to complete them; but I have thought that, even at the point where they are, the method employed and the results already obtained would be of interest to you.

Yours sincerely, etc. | John TYNDALL.

PS. I now use a single-wire galvanometer, two heat sources and two sides of the same cell.

Bibliothèque Universelle revue suisse et étrangère, 5 (1859), pp. 232-6.