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article Quelques portraits     -    publié le 27/04/2006    mis à jour le 23/02/2014

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• Charles Jacques

Jacques Alexandre César CHARLES est un mathématicien, physicien, chimiste et aéronaute français , le premier à faire voler un ballon gonflé à l’hydrogène.
Il est né à Beaugency (Loiret) le 12 novembre 1746. Son père est procureur du roi. Charles suit des études surtout littéraires, et s’installe à Paris quand elles sont terminées : il travaille d’abord au Bureau des Finances. Ayant beaucoup de temps libre, il se passionne pour les sciences. Il devient un expérimentateur très habile, et à partir de 1770, il enseigne l’électricité et la physique. Il reproduit même les expériences du cerf-volant paratonnerre devant Benjamin Franklin 1 qui le complimente, lorsque, en 1779, ce dernier visite Paris comme ambassadeur des tous nouveaux Etats-Unis d’Amérique. Professeur de Physique à la Sorbonne, il devient un vulgarisateur, en France, des découvertes de Franklin. Comme beaucoup de scientifiques de cette époque, il étudie et expérimente dans beaucoup de domaines. Il va tout de même se spécialiser dans les travaux sur les gaz. Il étudie tout particulièrement leur densité et leur pouvoir de dilatation. Charles sait produire de l’hydrogène, découvert en 1766 par Cavendish. Il vérifie, après lui, que ce gaz est 14 fois plus léger que l’air.

L’intérêt de Charles pour la physique des gaz a une explication précise : sa passion pour l’aérostation naissante. Il comprend toute l’opportunité que représente, pour l’étude de l’atmosphère, cette technique nouvelle, qui met à profit la poussée d’Archimède exercée par l’atmosphère sur un ballon rempli d’un gaz moins dense que l’air extérieur, comme l’air chaud ou l’hydrogène. Dés lors, la compétition est lancée entre Charles et les frères Montgolfier, qui ont déjà réalisé, à Annonay, deux expériences de lâcher de ballon gonflé à l’air chaud, en avril 1783, puis le 4 juin. Charles tient à reproduire ces expériences dans les meilleurs délais.
En collaboration avec les frères Anne Jean et Nicolas Louis Robert (mécaniciens et constructeurs d’appareils de mesure), il construit d’abord un petit ballon sphérique de 4 mètres de diamètre, d’environs 33 m3, en soie imperméabilisée par un vernis à base de caoutchouc dissous dans l’essence de térébenthine (découverte des frères Robert), et gonflé pour la première fois à l’hydrogène : Charles a fabriqué pour cela de l’hydrogène en grande quantité en faisant agir de l’acide vitriolique (c’est-à-dire sulfurique) sur de la limaille de fer. Le gonflage du ballon démarre le 24 août 1783, et dure quatre jours. Le ballon s’envole à vide du Champ de Mars, le 27 août 1783, pour venir atterrir à 16 km, près de Gonesse, où il est détruit par des paysans apeurés. L’hydrogène s’avère supérieur à l’air chaud, pour la distance parcourue, et la durée en l’air.

Le 19 septembre 1783, c’est la démonstration d’Étienne Montgolfier, à Versailles avec un canard, un coq et un bélier…, et le 21 novembre, le premier vol humain : Une montgolfière de plus de 2000 m3 décolle avec Jean-François Pilâtre de Rozier 2 et le Marquis d’Arlandes , et vole pendant 28 minutes au-dessus de Paris, du château de la Muette, à la Butte-aux-Cailles. Pendant ce temps, Charles et les frères Robert fabriquent un ballon plus gros que celui de la première expérience, de 9 m de diamètre (380 m³), pour transporter 2 personnes. Charles réalise tous les équipements qu’on trouve encore sur les ballons à gaz actuels : nacelle, soupape, filet, suspentes, nécessaire de pilotage au lest… La "rampe de lancement" est constituée de tonneaux contenant le mélange d’acide sulfurique et de limaille de fer donnant naissance à l’hydrogène qui emplit l’enveloppe du ballon.
Le 1er (ou le 2) décembre 1783, donc une dizaine de jours après l’ascension de Pilâtre de Rozier et du marquis d’Arlandes, le ballon décolle avec Jacques Charles et Nicolas Robert, dans le jardin des Tuileries, à Paris. Le ballon vole pendant deux heures et se pose à Nesles, après avoir parcouru 35 km. Nicolas Robert descend, puis Charles repart seul, avec une vitesse ascensionnelle élevée, et monte à l’altitude de 3 300 m, mesurée avec précision à l’aide d’un baromètre à mercure (utilisé en altimètre). Il redescend à la tombée de la nuit, saisi par un froid glacial, et atterrit dans les environs de Nesles.


Si, par la suite, il n’entreprend pas de nouveaux vols, Jacques Charles ne cesse d’améliorer des instruments de mesure, et de mener des expériences, dans le cabinet de Physique qui lui a été aménagé au Louvre. C’est là qu’il découvre deux lois fondamentales des gaz.
En 1787, il est le premier à formuler la loi de la dilatation des gaz , reliant le volume et la température d’un gaz, à pression constante, mais il ne publie pas ses résultats. Quinze ans plus tard, en 1802, Gay-Lussac 3 confirme cette loi, établie dans des conditions expérimentales plus rigoureuses : elle porte donc le nom de loi de Gay-Lussac (parfois loi de Charles - Gay-Lussac ) : A pression constante, le volume d’une masse donnée de gaz subit, entre 0°C et une température positive θ(°C) , une variation relative proportionnelle à θ  :

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Charles entre à l’Académie des Sciences comme Membre résidant de la 1ère Classe de l’Institut national des sciences et arts (section de physique expérimentale) par arrêté du Directoire, le 20 novembre 1795. Il est ensuite nommé professeur de physique au Conservatoire des Arts et Métiers.

Il est surtout connu par la loi expérimentale, établie en 1798, reliant la pression et la température d’un gaz, à volume constant. Cette loi porte bien, elle, le nom de loi de Charles : A volume constant, la pression d’une masse donnée de gaz subit, entre 0°C et une température positive θ , une variation relative proportionnelle à θ  :

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Un point important émergeant de ces deux "lois de Charles" est donc que les deux coefficients de température à pression constante et à volume constant, α et β, semblent bien prendre des valeurs identiques ! Le physicien et chimiste Victor Régnault 4 établira que les lois de Gay-Lussac et Charles, tout comme celles de Mariotte 5 et Dulong et Petit , sont des lois approchées. C’est donc avec Régnault que la notion de gaz parfait deviendra définitivement une notion limite.
Charles invente encore un hydromètre6 thermométrique, un goniomètre par réflexion, perfectionne l’héliostat7 de s’Gravesande 8, ainsi que l’aréomètre9 de Fahrenheit 10, et approfondit la mécanique des fluides.

Sa femme Julie, née en 1784, rencontre Lamartine en 1816, à Aix-les-Bains, où elle espère soigner sa phtisie. L’écrivain, qui l’aime, célèbre son souvenir dans plusieurs poèmes des Méditations (dont Le Lac), et dans le roman Raphaël. Julie Charles meurt prématurément en 1817.

Il faut ajouter que Jacques Charles est aussi le plus crédule des hommes : collectionneur d’autographes, il va jusqu’à acheter, très cher, une lettre censée avoir été écrite au Christ par Marie-Madeleine… en vieux français !! Il meurt à Paris le 7 Avril 1823.

Documentation :

  • Jules Six et André Rousset : «  Des physiciens de A à Z  ».

(1) Benjamin Franklin  : philosophe, physicien et homme politique américain (1706-1790) : Auteur de recherches en électrostatique, il découvre l’effet de pointe, qui le conduit à l’invention du paratonnerre, et énonce le principe de conservation de l’électricité.

(2) Jean-François Pilâtre de Rozier  : Physicien et aéronaute français (1756-1785) : il est le fondateur du « Musée de Paris », où se rencontrent les savants de l’époque. Il meurt dans l’incendie de son ballon, au cours d’une tentative de traversée de la Manche.

(3) Louis-Joseph Gay-Lussac  : Physicien et chimiste français (1778-1850), qui a notamment fait des ascensions en ballon, au cours desquelles il a battu le record d’altitude, et a vérifié la constance de la composition de l’air. On lui doit aussi plusieurs lois sur les gaz, la construction du baromètre à siphon, des travaux sur le chlore, des composés chlorés, et des procédés d’affinage des métaux précieux.

(4) Victor Régnault  : Physicien et chimiste français (1810-1878) : Il étudie en particulier l’action du chlore sur divers composés organiques, puis se lance dans un programme systématique d’expériences sur les propriétés thermodynamiques de gaz, liquides et solides.

(5) Edme Mariotte  : Physicien français (vers 1620-1684) qui s’attache à donner toute sa place à la démonstration expérimentale en physique. Il établit la loi expérimentale approchée selon laquelle à température constante le volume d’une masse donnée de gaz est inversement proportionnel à la pression : p.V = Cte.

(6) Hydromètre : Nom donné aux appareils permettant de mesurer la marche et la hauteur des marées, de mesurer la hauteur d’un liquide dans un réservoir quelconque, ou encore de régler l’écoulement des eaux dans les canaux d’irrigation.

(7) Héliostat : Instrument qui permet de projeter les rayons solaires en un point fixe, malgré le mouvement de la Terre.

(8) Willem Jacob ‘S Gravesande  : Physicien hollandais (1688-1742) : Il imagine l’anneau qui porte son nom, pour montrer la dilatation des solides, et construit le premier héliostat en 1720.

(9) Aréomètre : Instrument flottant, qui permet de mesurer la concentration d’une solution.

(10) Daniel Gabriel Fahrenheit  : Physicien allemand (1686-1736), qui vécut en Hollande et en Angleterre, où il construisit des aréomètres et des thermomètres à alcool et à mercure, pour lesquels il imagina la graduation qui porte son nom.

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