TENSION SUPERFICIELLE

Les phénomènes capillaires (gouttes, ménisques, ascension capillaire ...) ont pour origine l'existence de forces intermoléculaires (Van der Waals).

On peut définir une constante de tension superficielle g , à partir de la force d'intensité dF agissant sur un élément de longueur dl du "film mince" de la surface de séparation liquide-air :

dF = g dl

1. Méthode d'arrachement

Dynamomètre et anneau métallique

Un anneau métallique de rayon R = 3 cm accroché à un dynamomètre est immergé dans un liquide qui le mouille parfaitement. Pour l'arracher du liquide, il faut vaincre, au voisinage de la surface libre, une force d'intensité F = 4 p R g .

Mode opératoire

Remarque : La couche circulaire autour de l'anneau forme une surface rétrécie, appelée caténoïde, plus ou moins étirée suivant le liquide. On observe bien ce phénomène en ajoutant un détergent, en faible quantité, dans l'eau.

Influence de la température

Courbe

Tensiomètre à lecture directe ("KRÜSS K6")

Mode opératoire

Mesures

c (%)

0

1

2

5

7

10

15

g (mN.m-1)
             
c (%)
20
30
40
50
60
80
100

g (mN.m-1)

             

Remarque : Faire 2 ou 3 mesures pour chaque solution et prendre la valeur moyenne de g .

g = go - a . c

Courbe

2. Loi de Jurin : tubes capillaires

La hauteur d'ascension h d'un liquide parfaitement mouillant, de masse volumique r , dans un tube fin de rayon intérieur r, s'exprime par la loi de Jurin :

Mesures

ð faire une première visée sur la surface libre du liquide dans la cuve;

ð faire une seconde visée tangentiellement au ménisque supérieur;

ð en déduire h par différence entre les deux niveaux.

Remarque : la détermination de la surface libre dans la cuve peut être remplacée par un choix arbitraire de l'origine de l'axe vertical. Dans ce ca, on relèvera la "cote" z des ménisques dans chaque tube.

Voir projection

Résultats

tubes

1

2

3

4

5

r (mm)

0,5

0,75

1,0

1,5

2,0

x = 1/r (mm-1)






h (mm)






Remarque : pour une origine arbitraire, montrer que l'équation de la droite est de la forme z = a x + zo. Justifier l'existence du terme constant zo.

3. Loi de Jurin : coin

Un liquide placé entre deux lames de verre formant un coin d'angle a faible s'élève plus ou moins suivant l'écartement des lames.

La hauteur d'ascension h , mesurée à la distance x du sommet du coin est fonction de l'épaisseur e entre les plaques pour cette abscisse :

 avec e = a x

L'intersection de la surface de séparation liquide/air et l'une des plaques du coin peut être assimilée à une hyperbole.

Mesures

Voir projection

 

Résultats

x (cm)
 
y (cm)
 

Courbe

 

3. Loi de TATE

Le stalagmomètre de Traube est un compte-gouttes terminé par un capillaire et un large rodage plat de rayon R afin de réaliser un "mouillage parfait" avec un angle de raccordement pratiquement nul. Le stalagmomètre droit, destiné aux liquides visqueux, délivre 40 gouttes d'eau environ à 20 °C.

stalagmomètres

Lorsque le liquide s'écoule lentement et verticalement, une goutte se forme puis se détache. L'arrachement se fait suivant une section de rayon r < R, lorsque le poids de la goutte est pratiquement égal à la force capillaire. On admet que le poids de la goutte est proportionnel à R et à la constante de tension superficielle g du liquide qui s'écoule  :

mg = k R g

Mode opératoire

Mesures

Tension superficielle de l'eau en fonction de la température :

q (°C)

0

5

10

15

20

25

go (mN.m-1)

75,6

74,9

74,2

73,5

72,8

72

Remarque : évaluation des fractions de gouttes

On utilise les graduations placées de part et d'autre de chaque repère.

ð la goutte 0 se détache à la graduation g0 au-dessus du trait supérieur a,

ð la goutte 1 se détache à la graduation g1 au-dessous du trait supérieur a,

ð la goutte n se détache à la graduation g2 au-dessus du trait inférieur b,

ð la goutte n+1 se détache à la graduation g3 au-dessous du trait inférieur b.

Le nombre de gouttes s'exprime par la relation :

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André Méraud
BTS1
- 20/04/07