La capillarité, mais comment ?
La capillarité regroupe l'ensemble des phénomènes qui ont lieu à la surface d'un liquide au contact d'une paroi solide, le liquide s’élève au dessus du niveau de l’eau pour la plupart des liquies, ou il descend en dessous pour d'autres. Ceci dans des conditions atmosphériques normales. Tout le phénomène de la capillarité est basé sur une loi : celle de Jurin.
Historique
Bien qu'inexpliqué, le phénomène a déjà été soupçonné il y a plusieurs siècles. Pour la première fois, en 1490, Leonard de Vinci décrit la capillarité, sans connaître son fonctionnement, en observant la montée de liquide dans des tubes capillaires de différents diamètres. James Jurin était un médecin anglais, ayant vécu entre 1684 et 1750. C’est en 1718 qu’il a pu confirmé des travaux réalisés par ses prédécesseurs Francis Hauksbee et Isaac Newton.
Explications
La hauteur à laquelle montera (ou descendra) le liquide peut être calculée grâce a la formule suivante :
- h est la hauteur du liquide au dessus du niveau de l'eau en m ;
- Υ est la tension superficielle du liquide (Voir chapitre suivant) en N.m-1 ;
- θ est l’angle de raccordement entre le liquide et la paroi du tube (Voir chapitre suivant) en ° ;
- ρ est la masse volumique du liquide en g.cm-3 ;
- r est le rayon du tube en mm;
- g est l'accélération de la pesanteur, c'est une constante valant environ 9,81 m.s-2;
Exemple
Prenons l’exemple de l’eau à température ambiante :- sa tension superficielle est de 7,3·10-2 N.m-1
- son angle de raccordement s'approche d'une valeur nulle (on prendra donc 0°)
- sa masse volumique vaut 1 g.cm3
- l'accélération de la pesanteur vaut approximativement 9,81 m.s-2 à la surface de la Terre
On peut en déduire qu'en insérant un tube capillaire d'un rayon de 0.5mm, l'eau montera de 2,9cm dans le tube.
Expériences
Montée du liquide suivant le diamètre du tube
Nous avons voulu expérimenter cette loi par nous-même. Nous avons donc pris 3 tubes capillaires de rayons visiblement différents (mais inconnus).
D’apres cette expérience, nous nous rendons compte que plus le tube est fin et plus l'eau monte. Si on regarde la formule, cela parait logique car plus le rayon est petit et plus on divise par un nombre petit.
Mesure de la montée du liquide
Pour voir si notre calcul par rapport à la hauteur de l'eau dans un tube de 5mm de rayon était correct, nous avons pris 4 tubes de 5 mm de rayon que nous avons trempé dans de l'eau colorée.
Dans chacun des tubes, nous avons constaté que l'eau montait entre 2,7 et 3,1cm au dessus du niveau de l'eau. Nous avons donc conclu que, l'expérience n'étant pas très précise (mesures avec règle graduée), les résultats expérimentaux correspondaient à ce que nous attendions grâce au calcul.
La pression joue t-elle un rôle actif ?
En voyant que la formule n'était valable qu'à température et pression ambiante, nous avons voulu savoir si cette dernière jour un rôle actif dans le dénivelé d'un liquide dans un tube capillaire. Nous avons donc fait la même expérience avec une autre pression.
Ainsi nous avons placé nos tubes capillaires et notre eau colorée sous une cloche à vide.
Entre le moment où l'on place les tubes capillaires dans l'eau et le moment où le vide est fait, nous n'avons pas constaté le moindre changement sur le niveau de l'eau dans les tubes.
Nous avons préféré n'en tirer aucune conclusion hâtive. Nous avons donc consulté un professeur de Physique Chimie qui nous a précisé que la pression ne joue pas un rôle significatif dans la capillarité. Il faudrait un changement de pression considérable pour apercevoir le changement de niveau.
Transfert de liquide d'un recipient dans un autre
Pour mieux comprendre le phénomène nous avons réalisé une expérience mettant en action 2 béchers : l'un contient de l'eau incolore, l'autre de l'eau colorée en vert. Un papier chromatographique relie les 2 récipients.
Nous avons mis les béchers dans diverses situations (l'un plus haut que l'autre, ...)
 Témoin |
 Béchers à la même hauteur |
 Vert en haut, incolore en bas |
 Incolore en haut, vert en bas |
En analysant les résultats nous pouvons constater que c'est le liquide contenu dans le bécher du haut qui a tendance à descendre. Plus ce bécher est haut et plus le liquide va dans l'autre bécher.
Nous pensons que c'est ainsi parce que le poids joue plus quand le bécher est haut et ainsi il permet d'accélerer l'action. En revanche, nous n'avons trouvé aucun élement qui confirme ou dément notre hypothèse.
Nous en avons conclu que l'eau monte dans le papier grâce à la capillarité et redescend de l'autre côté en êtant aidée du poids.