La découverte du dioxyde de carbone par Joseph Black (1728-1799) a marqué une nouvelle ère de la recherche sur les gaz respiratoires. Son intérêt initial portait sur les alcalis tels que l’eau de chaux que l’on pensait utiles dans le traitement des calculs rénaux. Lorsqu’il a étudié le carbonate de magnésium, il a découvert que lorsque celui-ci était chauffé ou exposé à de l’acide, un gaz se dégageait qu’il a appelé « air fixe » parce qu’il avait été combiné avec un matériau solide. Il a montré que le nouveau gaz éteignait une flamme, qu’il ne pouvait pas supporter la vie et qu’il était présent dans le gaz expiré par les poumons. Quelques années après sa découverte, l’hydrogène, l’azote et l’oxygène ont également été isolés. C’est ainsi que l’on peut soutenir que les travaux de Black ont déclenché l’avalanche de recherches sur les gaz respiratoires menées par Priestley, Scheele, Lavoisier et Cavendish. Black s’est alors intéressé à la chaleur et il a été le premier à décrire la chaleur latente, c’est-à-dire la chaleur ajoutée ou perdue lorsqu’un liquide change d’état, par exemple lorsque l’eau se transforme en glace ou en vapeur. La chaleur latente est un concept clé de la physiologie thermique en raison de la chaleur perdue lorsque la sueur s’évapore. Black était un ami du jeune James Watt (1736-1819), à qui l’on devait le développement des premières machines à vapeur. Watt était perplexe quant à la raison pour laquelle tant de refroidissement était nécessaire pour condenser la vapeur en eau, et Black réalisa que la réponse était la chaleur latente. Les améliorations apportées aux machines à vapeur qui en ont résulté ont marqué le début de la révolution industrielle.
Joseph Black (1728-1799) occupe une place particulière dans l’histoire de la physiologie respiratoire parce que ses recherches sur la nature du dioxyde de carbone ont marqué le début de l’avancée rapide de la connaissance des gaz respiratoires (Fig. 1). Le dioxyde de carbone avait en fait été brièvement décrit environ 100 ans auparavant par van Helmont (1580-1644), mais Black était le premier à élucider ses propriétés. Ses travaux ont influencé des chercheurs ultérieurs tels que Cavendish (1731-1810), Priestley (1733-1804), Scheele (1742-1786) et Lavoisier (1743-1794), et au cours des 20 années qui ont suivi la publication de Black, tous les gaz respiratoires, y compris l’oxygène, l’hydrogène, l’azote et l’eau, ont été caractérisés.
Les travaux pionniers de Black sur le dioxyde de carbone lui assurent une place majeure dans l’histoire de la physiologie. Cependant, il a fait beaucoup plus. En fait, les historiens des sciences ignorent parfois ses travaux sur le dioxyde de carbone et mettent plutôt l’accent sur ses avancées majeures dans le domaine de la chaleur. Il a été la première personne à reconnaître la chaleur latente, c’est-à-dire la chaleur ajoutée ou perdue lors du changement d’état d’une substance. Un exemple est l’eau lorsqu’elle est convertie en vapeur ou en glace. Il a également décrit les chaleurs spécifiques de diverses substances. Son travail a influencé son ami James Watt (1736-1819), qui a fait des progrès critiques dans la conception de la machine à vapeur. Celui-ci avait été inventé par Thomas Newcomen (1664-1729) mais était inefficace. La modification de Watt a considérablement amélioré ses performances et a été un facteur majeur dans le développement de la révolution industrielle, qui a eu une énorme influence dans l’histoire.
Brève biographie
Joseph Black est né à Bordeaux, en France, où son père était un marchand de vin lui-même né à Belfast mais d’origine écossaise. La mère de Joseph était également originaire d’Écosse et c’est elle qui a appris à ses enfants à lire l’anglais. À l’âge de 12 ans, Joseph fut envoyé dans une école privée à Belfast. On a dit qu’il y était un excellent érudit (7). Quatre ans plus tard, en 1744, il entra à l’université de Glasgow où il suivit le programme d’arts. Cependant, il est à noter qu’en quatrième année, il a étudié la physique et a été l’élève préféré du professeur de philosophie naturelle (7).
À la fin de ses études d’art, il étudie la médecine sous la direction du Dr William Cullen (1710-1790). Cet homme était l’un des plus illustres professeurs de médecine du monde anglophone de l’époque et une figure importante des Lumières écossaises. Lorsqu’il s’installa à Édimbourg, il était le médecin de David Hume (1711-1776), l’éminent philosophe, et avait un large cercle d’amis, dont Adam Smith (1723-1790), l’économiste. Cullen croyait fermement à la méthode expérimentale et il employa Joseph Black comme son assistant dans le laboratoire, qui rapporta plus tard que Cullen le traitait « avec la même confiance et la même amitié […] comme si j’avais été l’un de ses propres enfants » (13).
En 1752, Black passa à la University d’Édimbourg pour poursuivre ses études de médecine. À l’époque, cette institution disposait de la meilleure formation médicale du Royaume-Uni. On ne se rend pas toujours compte du fait que les universités écossaises de l’époque étaient bien en avance sur les universités anglaises plus connues telles qu’Oxford et Cambridge dans le domaine de la médecine.
Black a dû rédiger une thèse pour son diplôme de médecine à Édimbourg et il s’est intéressé aux propriétés de l’eau de chaux, qui était considérée comme précieuse dans la guérison des calculs rénaux, une maladie courante à l’époque. Cependant, il s’est avéré que l’action de l’eau de chaux était un sujet de controverse entre deux des principaux professeurs et Black a donc décidé de travailler sur un sujet connexe, les propriétés de la « magnesia alba » (carbonate de magnésium). L’une des caractéristiques de cette recherche était l’utilisation par Black de balances précises, et en fait, on lui attribue l’invention de la première balance analytique précise. Ses travaux expérimentaux sur Magnesia alba et son élucidation ultérieure des propriétés du dioxyde de carbone sont décrits ci-dessous.
En 1756, Black retourna à Glasgow où il fut nommé chargé de cours et devint plus tard professeur. Remarquablement, ses intérêts de recherche ont considérablement changé. Il s’est intéressé au transfert de chaleur qui se produit notamment lors d’un changement d’état, par exemple le passage de l’eau à la glace ou de l’eau à la vapeur. Il avait remarqué que le changement d’état peut se produire sur une période prolongée lorsqu’une substance est chauffée ou refroidie sans changement de température. Par exemple, la neige près du point de congélation fond progressivement pour former de l’eau sur une période de temps sans changement de température. Il a introduit le terme « chaleur latente » pour désigner ce phénomène. Il a également découvert que différents liquides ont des capacités différentes à absorber la chaleur, et il a introduit le concept de « chaleur spécifique ».
James Watt (1736-1819), qui était l’un des ingénieurs les plus célèbres d’Écosse, est arrivé à Glasgow à l’âge de 18 ans et est devenu un facteur d’instruments pour Black. Ce dernier remarqua : « J’eus bientôt l’occasion de l’employer à faire des choses […] et il découvrit qu’il était un jeune homme possédant des talents hors du commun pour la connaissance et la pratique de la mécanique… ce qui m’a souvent surpris et ravi dans nos fréquentes conversations ensemble » (4). Watt a été influencé par les travaux de Black sur la chaleur latente et a appliqué ces connaissances pour améliorer la machine à vapeur. Celui-ci avait été inventé par Thomas Newcomen (1663-1729) et était largement utilisé pour pomper l’eau des mines, mais était très inefficace. Les améliorations développées par Watt ont joué un rôle essentiel dans la révolution industrielle qui a fait de la Grande-Bretagne un leader de l’industrie.
En 1766, Black retourna à Édimbourg où il se consacra à l’enseignement. Ses conférences sont devenues célèbres et ont été lues pendant de nombreuses années. Plus tard dans sa vie, il eut des épisodes d’hémoptysie, probablement causées par la tuberculose pulmonaire, et il mourut à Édimbourg en 1799. À la surprise de beaucoup de gens, son testament indiquait qu’il était assez riche.
Pour les lecteurs qui veulent des informations supplémentaires, Ramsay a écrit une biographie précoce et lisible de Black (13), et des comptes plus détaillés avec des corrections sont de Guerlac (8, 9) et Donovan (7). Une collection de conférences de Black a été compilée par Robison (15) et une longue série de lettres entre Black et Watt est disponible (14).
La chimie des alcalis et du dioxyde de carbone
Les circonstances qui ont conduit aux travaux de Black sur les produits chimiques alcalins étaient bizarres. Les calculs rénaux étaient apparemment plus fréquents au 18ème siècle qu’ils ne le sont aujourd’hui, et ils constituaient un défi thérapeutique. La « coupe pour la pierre », c’est-à-dire l’opération visant à retirer un calcul rénal ou du gravier de la vessie, était fréquemment décrite et, dans la période précédant l’anesthésie, elle était une opération très douloureuse et dangereuse. En conséquence, il y avait beaucoup d’intérêt pour d’éventuels traitements médicaux. En 1739, une certaine Mme Joanna Stephens a inventé une concoction qui semblait être utile, et le parlement anglais lui a voté la somme de 5 000 £ (une somme énorme à l’époque) pour la recette. Il s’est avéré qu’il s’agissait d’un étrange méli-mélo de coquilles d’œufs, d’escargots, de savon et de divers autres constituants improbables, et en conséquence, divers médecins de l’Université d’Édimbourg se sont intéressés aux propriétés de l’eau de chaux, qui était censée jouer un rôle. Une dispute s’éleva entre deux professeurs et, bien que l’eau de chaux intéressât Black, il pensa qu’il valait mieux rester à l’écart de la controverse. Il explique dans une lettre à son père : « J’ai jugé opportun de mettre de côté l’eau de chaux que j’avais choisie pour le sujet de ma thèse. Il était difficile et il m’aurait semblé présomptueux d’essayer de régler certains points sur lesquels deux des professeurs eux-mêmes se disputent » (8). Il a donc choisi d’étudier une substance similaire, la magnésia alba (carbonate de magnésium MgCO3) et pour sa thèse de médecine, il a rédigé une thèse intitulée De humore acido a cibis orto, et magnesia alba (Sur l’humour acide provenant de l’alimentation, et sur la magnésie alba). Un an plus tard, il lut une version modifiée de sa thèse sous la forme d’un article intitulé « Expériences sur la magnésie alba, la chaux vive et quelques autres substances alcalines » à la Société philosophique d’Édimbourg, et en 1756, cela parut dans le deuxième volume de la revue « Essays and Observations ; physique et littéraire » de la Société (2), qui devint plus tard la Royal Society d’Édimbourg. L’article original est aujourd’hui très difficile à obtenir, mais il a été réimprimé par l’Alembic Club en 1944 (3).
Dans les premières expériences, Black a ajouté de l’acide à la magnésie alba et a montré qu’elle bouillonnait et perdait du poids. Il utilisait à la fois du vinaigre distillé et de l’huile de vitriol (acide sulfurique). Dans la nomenclature moderne, la réaction était
MgCO3 + H2AINSI4 = MgSO4 + H2O + CO2
Il a également constaté que lorsque la magnésie alba était chauffée dans un four, elle perdait également du poids, mais que le matériau résultant, qu’il appelait « magnésie usta », ne perdait pas de poids lorsque des acides étaient ajoutés. Ici, la réaction a été
MgCO3 → MgO + CO2
Il s’est rendu compte que l’action de la chaleur sur la magnésie alba était la même que celle du chauffage du calcaire, qui est le carbonate de calcium CaCO3. Encore une fois, la réaction a été
CaCO3 → CaO + CO2
Black a ensuite examiné les propriétés de « l’air » dégagé lorsque la magnésie alba était traitée à l’acide ou chauffée. Il a découvert que ce n’était pas la même chose que l’air atmosphérique. Par exemple, il rapporte dans une lettre à Cullen : « J’ai mélangé de la craie [CaCO3] et l’acide vitriolique. . . La forte effervescence produisait un air ou une vapeur qui, s’écoulant par le haut du verre, éteignait une bougie qui se trouvait près d’elle ; et un morceau de papier brûlant, immergé dedans, fut sorti aussi efficacement que s’il avait été plongé dans l’eau. Il a également montré qu’il était toxique pour les animaux qui le respiraient. Par exemple, les moineaux « y mouraient en dix ou onze secondes », bien qu’« ils y vivaient pendant trois ou quatre minutes lorsque les narines étaient fermées par du suif fondu » (p. 231). Il a en outre découvert que lorsqu’il faisait bouillonner son nouveau gaz dans l’eau de chaux, il formait un précipité blanc. Il s’agissait de carbonate de calcium et la réaction était
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O
Lorsque Black a utilisé ce test dans une brasserie, il a constaté que le même gaz était dégagé dans le processus de fermentation alcoolique. Il a appelé le gaz « air fixe » parce que dans ses expériences sur les alcalis, le gaz avait été combiné avec un matériau solide. C’était la première démonstration que le gaz était un constituant pesable d’un corps solide. Comme nous l’avons noté précédemment, Black avait mis au point des équilibres chimiques très précis et ceux-ci lui ont permis de montrer que lorsque le carbonate de magnésium était chauffé et que « l’air fixe » était libéré, il y avait une perte de poids. Il s’est également rendu compte qu’il s’agissait du même gaz que celui décrit environ 100 ans plus tôt par Jan Baptist van Helmont qui l’appelait « gaz sylvestre » et qui le produisait en ajoutant de l’acide au calcaire. Il a également rappelé que Stephen Hales (1677-1761) avait suggéré que la perte de poids du tartre sal (carbonate de potassium) lors du chauffage était due à la perte de « fluide élastique », qu’il appelait air fixe (10). Black pensait également qu’il pourrait s’agir du même gaz produit dans la Grotte du Cano en Italie où l’on savait que les gens pouvaient survivre s’ils étaient debout, mais les chiens périssaient parce que le gaz nocif, étant lourd, restait près du sol.
Black a également montré que le gaz expiré par les poumons contenait de l’air fixe. Il l’a fait en faisant bouillonner du gaz expiré dans de l’eau de chaux et en notant le précipité blanc de carbonate de calcium. Dans ses « Lectures on the Elements of Chemistry » (15), qui ont été rassemblées après sa mort (Fig. 3), il a déclaré : « Et je me suis convaincu que le changement produit sur l’air sain en le respirant, consistait principalement, sinon uniquement, dans la conversion d’une partie de celui-ci en air fixe. Car j’ai découvert qu’en soufflant à travers un tuyau dans de l’eau de chaux, ou une solution d’alcali caustique, la chaux était précipitée, et l’alcali était rendu doux » (15) (p. 231). Il a mené une expérience particulièrement colorée à Glasgow au cours de l’hiver 1764-1765 lorsqu’il a placé une solution d’eau de chaux qui coulait sur des chiffons dans un conduit d’aération au plafond d’une église, où l’on dit que 1 500 personnes sont restées à leurs dévotions pendant 10 heures. Apparemment, le résultat a été la formation d’une quantité substantielle de carbonate de calcium, bien que d’autres détails de cette étude ne soient pas disponibles (15) (p. 231).
La découverte du dioxyde de carbone par Black a été la première avancée majeure dans la découverte des gaz respiratoires. À l’époque, le sujet était connu sous le nom de « chimie pneumatique ». La publication critique de Black date de 1757 et ce n’est que neuf ans plus tard que Henry Cavendish (1731-1810) rapporte la découverte de l’hydrogène. Six ans plus tard, en 1772, un élève de Black, Daniel Rutherford (1749-1819), isola l’azote. Priestley a produit de l’oxygène en 1774, bien que Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) l’ait fait auparavant, mais l’a signalé plusieurs années plus tard. Finalement, Lavoisier, en 1777, dans un mémoire à l’Académie des sciences, a pu faire cette déclaration dramatique : « L’air éminemment respirable [l’oxygène] qui pénètre dans le poumon, en sort sous forme d’acides aéroformes crayeux [dioxyde de carbone] […] en volume presque égal. La respiration n’agit que sur la portion d’air pur qui est éminemment respirable. L’excès, c’est-à-dire la partie méphitique [l’azote] est un milieu purement passif qui entre et sort du poumon . . . sans changement ni altération » (12).
Les recherches de Lavoisier ont été le coup de grâce de la théorie erronée du phlogistique défendue à l’origine par George Ernst Stahl (1659-1734). Cependant, il a été souligné qu’un premier coup porté à la théorie du phlogistique a en fait été porté par Black parce que ses expériences avec du carbonate de magnésium et du calcaire, dans lesquelles du dioxyde de carbone a été libéré, étaient incompatibles avec la théorie du phlogistique. Plus tard dans sa vie, en 1796, il admit avoir changé de croyance lorsqu’il fut capable de déclarer : « Après avoir, pendant 30 à 40 ans, cru et enseigné les doctrines chimiques de Stahl, je suis devenu un convertisseur aux nouvelles vues de l’action chimique ; et souscrivent à presque toutes les doctrines de Lavoisier… (6).
L’article de Black qui parut dans le deuxième volume des « Essays and Observations : Physical and Literary » de la Philosophical Society of Edinburgh était l’un des trois seuls en anglais que Black écrivit (2). Cependant, il avait la réputation d’être un orateur inspirant, et ses conférences attiraient un grand nombre d’étudiants. Une compilation de ses conférences a été publiée en 1803 (15) et est disponible sur Internet.
Après son déménagement à Édimbourg en 1766, Black ne poursuivit apparemment pas ses travaux sur les alcalis et le dioxyde de carbone. Cependant, il a continué à passer des périodes dans son laboratoire et a été consultant sur divers problèmes chimiques, principalement sur les processus industriels. Par exemple, il a travaillé sur des méthodes d’amélioration du blanchiment dans l’industrie de la laine, et il a étudié les moyens de convertir les algues en potasse caustique. Avec d’autres, il travailla également à la nouvelle conception de fours pour la production de fer et à des matériaux pour revêtir les coques des navires afin de les préserver. Il s’intéressait également au raffinage du sucre, au brassage et à l’analyse de l’eau.
Comme nous l’avons indiqué précédemment, l’intérêt de Black pour les alcalis a été stimulé par le problème médical des calculs rénaux, et ses deux principales publications, l’une en latin et l’autre en anglais, découlent de ses travaux sur ce sujet et lui valent un diplôme de médecine. Il pratiqua la médecine, bien qu’à petite échelle, à Glasgow et à Édimbourg. Bien qu’il ait présenté ses travaux sur les alcalis dans sa thèse de médecine en 1754, il a apparemment vu son premier patient en 1753. Parmi ses patients se trouvait le célèbre philosophe David Hume (1711-1776), et il a également informé le père de Walter Scott (1771-1832), l’auteur bien connu, que son fils risquait de développer la tuberculose parce que son infirmière était atteinte de la maladie.
Black avait aussi un certain nombre de responsabilités administratives en lien avec les établissements médicaux. Il a été directeur de l’infirmerie royale d’Édimbourg, qui est toujours un grand hôpital, et il a été président du Collège royal des médecins d’Édimbourg. Parmi ses honneurs, citons sa nomination en tant que médecin de « Sa Majesté pour l’Écosse » (George III, qui n’a en fait jamais visité le pays) et son élection en tant que membre de l’Académie impériale de Saint-Pétersbourg. En fait, Catherine la Grande l’a invité à y enseigner à un moment donné (1).
Black avait quelques amis intéressants à Édimbourg de 1766 à 1797. Ces 30 années s’inscrivaient dans la période parfois connue sous le nom de Lumières écossaises, qui se caractérisait par un ferment de réalisations intellectuelles et scientifiques. L’enseignement supérieur était particulièrement fort en Écosse au début du XVIIe siècle, lorsque le pays pouvait se vanter de cinq universités contre deux pour l’Angleterre. Parmi les amis de Black figuraient le philosophe David Hume et l’économiste Adam Smith. Différents clubs existaient pour faciliter l’échange d’idées.
L’un des plus colorés était le Poker Club, qui tirait son nom non pas du jeu de cartes familier, mais d’un tisonnier dans une cheminée qui attise une flamme. Un grand nombre des esprits les plus vifs d’Édimbourg y ont assisté. Une grande partie de la discussion eut lieu au cours du dîner, qui commença « peu après deux heures, à un shilling par tête, le vin se limitant au xérès et au bordeaux, et le calcul devait être annoncé à six heures » (5). Adam Smith (1723-1790) en était membre et son traité d’économie « La richesse des nations » (16) a eu une énorme influence. David Hume, le philosophe qui a écrit « Un traité de la nature humaine », a trouvé que le Poker Club était un moyen de dissiper la dépression qui se développait apparemment lorsqu’il réfléchissait à la nature humaine. Il écrit : « Fort bonheur, il arrive que, puisque la raison est incapable de dissiper ces nuages… Je dîne… Je converse et je m’amuse avec mes amis » (11). Black a eu la chance de pouvoir passer du temps avec ces esprits curieux.
Chaleur latente
Comme nous l’avons indiqué précédemment, lorsque Black retourna à Glasgow en 1756 pour être chargé de cours puis professeur, ses intérêts de recherche se tournèrent vers le sujet de la chaleur. Bien que cela nous semble maintenant être un changement de direction majeur, il ne l’a peut-être pas vu de cette façon. Après tout, ses travaux précédents avaient porté sur les effets de la chaleur sur les substances, et en particulier sur l’élimination ultérieure de l’air fixe avec une perte de poids correspondante. Son nouvel intérêt pour la chaleur a peut-être été suscité par les observations de Cullen, qui travaillait à Glasgow. Cullen avait remarqué que lorsque l’éther ordinaire, un liquide volatil à bas point d’ébullition, était exposé à un vide partiel au moyen d’une pompe à air, il commençait à bouillir et le liquide restant se refroidissait considérablement. Cullen publia un compte rendu de cette expérience en 1748, soit huit ans avant que Black ne s’installe à Glasgow. Cependant, comme nous l’avons déjà indiqué, Cullen avait une haute opinion de Black et ils ont probablement discuté de ces sujets.
Black était conscient du fait bien connu que la neige fond très lentement après que la température de l’air a dépassé le point de congélation de l’eau. Cela suggérait que la chaleur était nécessaire pour le changement d’état de la glace à l’eau, car l’eau qui s’est formée après la décongélation avait une température à peine supérieure au point de congélation. Black a donc mené quelques expériences pour étudier cela. Dans l’un d’eux, deux conteneurs ont été installés dans une grande pièce où la température est restée à 47 ° F. Black a utilisé l’échelle décrite en 1724 par Daniel Fahrenheit (1686-1736) dans toute son œuvre.] Les conteneurs étaient situés à 18 pouces l’un de l’autre, et l’un d’eux contenait cinq onces de glace à 32 ° F tandis que l’autre contenait le même poids d’eau à 33 °. Black a constaté que l’eau s’est réchauffée à 40° en une demi-heure. Cependant, il a fallu dix heures et demie à la glace pour obtenir la même température, soit 21 fois plus longtemps que l’eau. Black a donc soutenu que la chaleur absorbée par la glace était de (40 à 33) × 21, soit 147 unités de chaleur. En revanche, l’eau n’avait absorbé que 8 unités de chaleur. Par conséquent, 147 à 8 ou 139 unités de chaleur avaient été absorbées par la glace fondante et étaient cachées, pour ainsi dire, dans l’eau (13).
Dans une autre expérience, Black a pris un morceau de glace à une température de 32 ° F, l’a pesé et l’a ajouté à un poids connu d’eau de température connue. Cela lui a permis de calculer la quantité de chaleur nécessaire pour faire fondre la glace, et cela s’est avéré être celle qui aurait chauffé une quantité égale d’eau de 143 ° F. Dans une troisième expérience, un morceau de glace à 32 ° F a été placé dans un volume égal d’eau qui avait été chauffé à 176 ° F et il a été constaté que l’eau se refroidissait à 32 ° F. Par conséquent, la chaleur nécessaire pour faire fondre la glace était de 176 − 32 = 44 ° F de chaleur. Cela signifie que la chaleur latente de fusion est d’environ 144 °F, ce qui correspond à 80 °C. C’est très proche de la valeur actuellement acceptée, bien que les unités de chaleur latente dans le système SI soient maintenant des kilojoules par kilogramme.
Les calculs de Black cités ci-dessus se réfèrent à la chaleur latente de l’eau glacée. Il a également mesuré la chaleur latente nécessaire pour transformer l’eau en vapeur. Pour ce faire, il a comparé le temps nécessaire à un poids connu d’eau pour passer d’une température donnée au point d’ébullition d’une part, et le temps nécessaire pour convertir le même poids d’eau en vapeur. Le nombre qu’il a obtenu était de 830 unités sur l’échelle Fahrenheit et le chiffre accepté aujourd’hui est de 967.
Curieusement, Black n’a jamais publié son travail sur la chaleur latente. Au lieu de cela, il a été communiqué à un groupe de professeurs de l’Université de Glasgow en 1762, et il a fait partie des conférences qui étaient données à ses étudiants et qui sont maintenant disponibles (15).
Black a également étudié les chaleurs spécifiques de divers liquides. Ce terme fait référence à la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d’une substance particulière d’une quantité connue. Par exemple, Black a décrit une expérience dans laquelle un poids connu de mercure à 150 ° F a été mélangé à un poids égal d’eau à une température de 100 ° F. Il a constaté que la température du mélange à l’équilibre n’était pas de 125° comme on pourrait s’y attendre, mais de 120°. En d’autres termes, le mercure a été refroidi de 30° alors que l’eau n’a été réchauffée que de 20°, malgré le fait que la quantité de chaleur gagnée par l’eau était la même que celle perdue par le mercure. Par conséquent, a-t-il dit, la même quantité de chaleur a plus d’effet pour chauffer le mercure que pour chauffer un poids égal d’eau. Ainsi, Black a fait une distinction claire entre ce que nous pourrions appeler l’intensité de la chaleur d’une part et la quantité de chaleur d’autre part. L’intensité, ou température, peut être mesurée à l’aide d’un thermomètre. Cependant, la quantité de chaleur transférée à une substance nécessite à la fois une mesure du changement de température et de la durée du transfert de chaleur.
Incidemment, il est intéressant de noter le grand contraste dans le nombre de publications entre Black et son proche contemporain, Joseph Priestley, qui venait de Leeds, à quelques centaines de kilomètres au sud. Le taciturne Scot n’a publié que trois articles en anglais (13), tandis que l’exubérant Priestley est crédité de quelque 150 publications, dont une cinquantaine de livres.
Joseph Black et James Watt
Comme nous l’avons mentionné précédemment, Black était ami avec le jeune James Watt (Fig. 4) qu’il a rencontré à Glasgow, et leur amitié a apparemment été en partie responsable de l’une des innovations les plus importantes de la révolution industrielle.
Watt est né à Greenock sur le Firth of Clyde, non loin de Glasgow. Son père était charpentier de marine et Greenock avait une longue tradition de construction navale. James a montré un intérêt pour l’ingénierie dès son plus jeune âge et, à l’âge de 18 ans, il est allé à Londres pendant un an pour étudier la lutherie. À son retour à Glasgow, il trouva une place à l’université où il se qualifia de fabricant d’instruments mathématiques. C’est là qu’il rencontra John Robison, qui s’intéressait à l’astronomie, et les deux hommes aimèrent travailler sur des problèmes d’ingénierie. Robison devait publier plus tard un recueil des conférences de Black (15). Lorsque Black revint d’Édimbourg à Glasgow en 1756, il rencontra Watt et Robison, et les trois devinrent de solides amis qui s’intéressaient à l’ingénierie.
Apparemment, c’est Robison qui a d’abord intéressé Watt aux premières machines à vapeur. Ceux-ci avaient été utilisés pendant de nombreuses années pour pomper l’eau des mines, mais étaient inefficaces. Le plus important était le moteur Newcomen illustré à la figure 5. En bas à droite, il y a une fournaise qui chauffe de l’eau dans une chaudière pour produire de la vapeur. Au-dessus se trouve un cylindre avec un piston. La poutre en haut est équilibrée de telle sorte que le poids de la pompe de mine (en bas à gauche) tire le piston vers le haut, remplissant le cylindre de vapeur. Ensuite, une vanne est ouverte, permettant à l’eau froide de la citerne d’entrer dans le cylindre sous forme de pulvérisation, condensant ainsi la vapeur. Le résultat est un vide partiel dans le cylindre et le piston se déplace vers le bas en raison de la pression atmosphérique agissant sur lui par le haut. Lorsque le piston est près du bas du cylindre, l’injection d’eau est arrêtée et le piston remonte à nouveau, remplissant le cylindre de vapeur. Notez que la course de puissance est la descente du piston en raison du vide partiel, et non la montée du piston à la suite de l’injection de vapeur comme on pourrait s’y attendre. Étant donné que le mouvement vers le bas du piston qui active la pompe est causé par la pression atmosphérique, on l’appelait souvent un moteur atmosphérique. Cette conception a été utilisée pendant une période de plus de 50 ans sans presque aucun changement depuis qu’elle a été proposée pour la première fois par Thomas Newcomen pour pomper l’eau des mines. L’intérêt de Watt s’est aiguisé lorsqu’on lui a demandé de réparer un moteur Newcomen appartenant à l’Université et qu’il s’est rendu compte qu’il était très inefficace.
En enquêtant sur la pompe, Watt s’est rendu compte que l’un des problèmes était que le cylindre était refroidi à chaque descente du piston lorsque la vapeur se condensait. Par conséquent, sa température changeait considérablement à chaque cycle, ce qui entraînait une perte de chaleur. De plus, il a été surpris de la quantité d’eau nécessaire pour condenser la vapeur. Il a ensuite demandé à Black si la quantité de chaleur nécessaire pour produire de la vapeur était beaucoup plus grande que la chaleur nécessaire pour élever l’eau à son point d’ébullition. Black s’est rendu compte que la clé de cette question était la chaleur latente de la vaporisation, dont il avait montré qu’elle était très importante. Le résultat est que Watt a décidé de choisir une autre conception qui n’impliquait pas de chauffage et de refroidissement du cylindre de puissance. Watt écrivit plus tard que Black « m’a dit que [la doctrine de la chaleur latente] était depuis longtemps un de ses principes et [il] m’a expliqué ses pensées sur le sujet » (14).
La solution imaginée par Watt était d’avoir une chambre séparée du piston dans laquelle la vapeur pourrait être condensée. Le résultat était que la température du cylindre principal était maintenue et que cela était aidé en l’entourant d’une chemise de vapeur. Les lecteurs d’aujourd’hui peuvent se demander pourquoi la vapeur de la chaudière n’a pas été utilisée pour la course de puissance comme ce fut le cas dans les conceptions ultérieures. La raison en était qu’à cette époque, il était impossible de fabriquer un cylindre avec les tolérances étroites requises par le piston, et qui puisse tolérer les pressions élevées sans être endommagé. Plus tard, Watt rejoignit Matthew Boulton (1728-1809) à Birmingham, où l’ingénierie de précision était disponible et où des machines à vapeur « expansives » (c’est-à-dire alimentées par de la vapeur au-dessus de la pression atmosphérique) furent développées.
Le moteur modifié de Watt est devenu extrêmement populaire et a été utilisé pendant de nombreuses années. C’était l’une des inventions responsables de la révolution industrielle, avec une augmentation prodigieuse de l’industrie en Angleterre et finalement dans le reste du monde. On pourrait donc soutenir que les premiers travaux de Black sur la chaleur latente ont eu une influence importante sur le développement de l’industrie manufacturière et l’augmentation de la richesse de nombreux pays qui en a résulté.
En conclusion, Black mérite clairement une place importante dans l’histoire de la physiologie respiratoire. Sa découverte, ou plus strictement sa redécouverte, du dioxyde de carbone a déclenché une avalanche d’investigations sur d’autres gaz d’importance respiratoire. Curieusement, certains historiens ignorent ses travaux sur le dioxyde de carbone, mais mettent beaucoup l’accent sur sa découverte de la chaleur latente et de la chaleur spécifique. On peut dire que cela a influencé son ami James Watt et a finalement été un facteur dans le développement de la machine à vapeur qui a inauguré la révolution industrielle et a eu un effet énorme sur la richesse de la Grande-Bretagne et d’autres nations. Pourtant, d’une certaine manière, le noir est une énigme. Il n’a publié qu’un seul article majeur en anglais, et bien que ses conférences aient été lues pendant de nombreuses années, elles sont rapidement devenues obsolètes. Il est devenu plus tard consultant sur une série de projets en chimie industrielle et était étonnamment riche à sa mort (13). Il forme un contraste frappant avec son proche contemporain, Joseph Priestley, qui a publié prodigieusement et découvert l’oxygène, l’autre gaz respiratoire majeur.