HENRY CAVENDISH (1731 – 1810) PHYSICIEN ET CHIMISTE BRITANNIQUE Membre de la ROYAL SOCIETY

CONTEXTE HISTORIQUE Cadet d’une famille fortunée 1753 : Il sort du Peterhouse College sans diplôme 1773 : Il hérite de son oncle  il devient subitement le savant le plus riche  Cabinet de physique  Bibliothèque  Inspiré de son père qui lui aussi était membre de la Royal Society  Concordance avec le syndrôme d’Asperger

SES PREMIERS TRAVAUX Ses premiers travaux traitaient de la chaleur  Définition de chaleur latente et massique o Chaleur latente : énergie nécessaire pour passer d’un état à un autre o Chaleur massique : énergie nécessaire pour augmenter d’un degré une unité de masse d’une substance  Il réduisait la chaleur à une modalité du mouvement

SES PREMIERS TRAVAUX En 1760, il travaille sur une théorie générale de la chaleur, mais sa théorie n’est que manuscrite en 1780 Sa théorie est mathématique et mécanique  Conservation de la chaleur (aujourd’hui connue sous le nom de conservation de l’énergie)  Équivalence mécanique de la chaleur Ses papiers inédits laissent croire qu’il était tout près d’énoncer la loi de la conservation de l’énergie !

CAVENDISH : UN DES FONDATEURS DE LA CHIMIE 1766 : Mémoire «On Factitious Airs» (sur les airs factices)  Il existe d’autres gaz que l’air  L’hydrogène (air inflammable) pèse dix fois moins que l’air «commune»  Le gaz carbonique (air lié / fixe) pèse la moitié plus que l’air «commune»

L’AIR INFLAMMABLE En faisant réagir de l’acide sur du fer, du zinc et de l’étain, il obtient l’air inflammable Premier élément gazeux à avoir été isolé Son expérience : Il mesure la perte de poids du mélange de zinc et d’acide durant la réaction Il recueille tout le gaz produit dans une fiole qu’il s’empresse de peser pleine, puis vide. Il calcule alors la densité de l’air inflammable!

AUJOURD’HUI CONNU SOUS LE NOM D’HYDROGÈNE … En raison de son inflammabilité et de sa légèreté, il identifie cet « air » au phlogistique Pour lui, la production de l’« hydrogène » répond à l’équation suivante : Phlogistique : fluide particulier qu'on supposait inhérent à tout corps et qui était censé produire la combustion en abandonnant ce corps. (infirmé par Lavoisier qui prouva que la combustion est une réaction chimique)

DES EXPÉRIENCES NOMBREUSES… Il recueille toutes sortes de gaz sur la cuve à eau ou sur la cuve à mercure. Il en étudie les propriétés dans le cadre de la théorie du phlogistique. La légèreté de l'hydrogène lui fait supposer qu'il s'agit de phlogistique pur.

DENSITÉ DE L’AIR FIXE L’air fixe, plus dense que l’air, se concentre dans les parties basses des enceintes où il est produit. Il constate que l’air ordinaire est 800 fois moins dense que l’eau et il trouve que l’air fixe ne l’est que 511 fois moins. Il en déduit que l’air fixe a une densité de 1,56 par rapport à l’air ordinaire (à comparer à la valeur de 1,52 actuellement admise).

PROPRIÉTÉS DE L’AIR FIXE Il traite de l’air fixe (gaz carbonique) comme Joseph Black le définit :  «cette espèce particulière d’air factice qui est extrait des substances alcalines par dissolution dans les acides ou par calcination» Solubilité dans l’eau  L’aire fixe se dissous plus facilement dans l’eau froide  Aujourd’hui : l’augmentation de la température des océans limite leur rôle de « pièges à carbone »

CAVENDISH ET L’ÉLECTRICITÉ 1771 : Essai sur l’électricité  Le fluide électrique est dans un corps comme un gaz comprimé dans un récipient  Loi de l'attraction et de la répulsion entre les particules électriques (ne la publie pas) Les hémisphères de Cavendish Le surplus de charges électriques se trouve sur le contour de la sphère

3 PRINCIPES SUPPOSÉS PAR CAVENDISH Quand un corps surchargé d’électricité est porté près d’un autre corps, il le rend moins apte à contenir l’électricité qu’avant Quand un corps déchargé est porté près d’un autre, il le rend plus apte à contenir l’électricité Quand le fluide électrique dans un corps est plus comprimé que dans l’air environnant, il s’écoulera hors de ce corps, et quand il sera moins comprimé que dans l’air, il s’écoulera de l’air vers ce corps  Sans étincelle, un conducteur peut se charger par l’influence d’un corps électrisé

UNE COLLABORATION AVEC COULOMB L’électrostatique quantitative  L’action électrique est nulle à l'intérieur d'un conducteur chargé  Introduit la notion de potentiel  Pressentit l'existence des résistances et l'expression de la loi d'Ohm ( 1773 : première vérification expérimentale)  Utilise son propre corps comme galvanomètre

CAVENDISH ET L’ÉLECTRICITÉ 1776 : Fabrication d’une bouteille de Leyde en forme de torpille artificielle pour montrer que les chocs de la raie torpille sont de nature électrique.  Bouteille de Leyde : ancêtre du condensateur o Deux conducteurs séparés par la vitre  Raie torpille : Poisson qui possède un organe électrique qui agit comme une batterie qui peut donc décharger des chocs électriques sous formes d'impulsions.

L’EUDIOMÉTRIE (PRIESTLEY) 1783 : Analyse de l’air très précise Principe de l’eudiométrie : méthode d’analyse des mélanges gazeux à l aide de l’eudiomètre L'eudiomètre est un tube en verre gradué qui mesure la variation de volume d'un mélange gazeux suite à une réaction chimique.

CAVENDISH : UN DES FONDATEURS DE LA CHIMIE 1784 : L’eau est le produit de la combinaison de deux parts d’hydrogène et d’une part d’oxygène  L'air inflammable (hydrogène) constitué de « phlogistique » et d'eau s'unit à l'air déphlogistiqué formé d'eau sans « phlogistique ».  Autrement dit, on fait bruler de l’air inflammable (hydrogène) dans de l’air déphlogistiqué (oxygène)  L'eau est donc libérée lors de la combustion.

CAVENDISH : UN DES FONDATEURS DE LA CHIMIE 1785 : Combine l’azote et l’oxygène en faisant passer des étincelles électriques à travers un mélange des deux gaz Il a analysé l’air «commune» - que nous respirons  Il a déterminé la quantité d’air phlogistiqué (azote) et d’air déphlogistiqué (oxygène) et réalisa que sans ces deux airs, il ne restait que 1/120 de l’air commune de départ

L’EXPÉRIENCE DÉTERMINANTE 1798 : La densité de la Terre  Calcul à partir de mesures effectuées à l'aide d'une balance de torsion.  Deux boules placées aux extrémités d'une tige mobile suspendue à un fil de torsion sont attirées par deux boules fixes. Un mouvement d'oscillation s'amorce lorsque la tige est libérée.

L’EXPÉRIENCE DÉTERMINANTE Fil de torsion  fil de quartz fixé à son extrémité supérieur et muni à la partie inférieure d’un fléau de balance qui se tenait à l’horizontal au repos. Si on applique deux forces égales et opposées aux extrémités de la tige, l’angle dont elle tourne est directement proportionnelle à la valeur des forces Coefficient de proportionnalité

L’EXPÉRIENCE DÉTERMINANTE  La détermination expérimentale de la période d'oscillation permet de calculer la force d'attraction entre les boules et d'en déduire la densité de la Terre.  Il la trouve égale à 5,48, résultat très proche de la valeur admise aujourd'hui (5,52).  Cavendish a été le premier à observer des mouvements d'origine gravitationnelle induits par de petites masses de matière.

LA CONSTANTE GRAVITATIONNELLE (G) Cavendish aimait dire qu’il «pesait» la Terre Il trouva d’abord G = 7 X m 3 Kg -1 s -2 avec la formule F = Gm 1 m 2 /r 2 L’accélération g étant connue et le rayon R de la Terre aussi, il déduisit de son expérience la masse M de la Terre.  Par la formule g = GM / R 2, il trouva M = 6 X Kg.

UN POINT TOURNANT DANS L’HISTOIRE… «En découvrant la composition élémentaire de l'eau, et en précisant celle de l'air, Cavendish a rompu de façon décisive le cercle dans lequel sensation et représentation étaient enfermées depuis l'Antiquité.» Laboratoire Cavendish à l’Université de Cambridge en son nom!

PERTINENCE POUR L’ENSEIGNEMENT SECONDAIRE Premier cycleDeuxième cycle 1 e et 2 e secondaire4 e secondaire Propriétés caractéristiques de la matière Charge électrique SolubilitéLoi d’Ohm CombustionLoi de Coulomb (F=kq 1 q 2 /r 2 ) Force d’attraction et de répulsion Démonstration : Les hémisphères de Cavendish

RÉFÉRENCES consulté le 17 mars DIU Bernard, La physique mot à mot, consulté en ligne le 16 mars CAVENDISH Henry, Mémoire sur les aires factices, consulté en ligne le 16 mars 2016, consulté le 17 mars consulté le 16 mars consulté le 20 mars HERZ Cornelius, La lumière électrique : revue universelle d’électricité, Paris, consulté le 20 mars MASSICOT Jean, Notions fondamentales de physique, Éditions de l’Argens, BÉCHERRAWY Tamer, Électrostatique et magnétostatique, Paris, consulté le 20 mars IMAGES : consulté le 17 mars consulté le 17 mars consulté le 16mars consulté le 20 mars consulté le 17 mars consulté le 17 mars consulté le 17 mars consulté le 17 mars consulté le 17 mars