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Travaux Pratiques de Physique

Fluide 1 : Masse Volumique – Tension superficielle

Service de Physique Biomédicale

Université de Mons

Plan

Rappel Théorique Masse volumique et principe d’Archimède Tension superficielle

Manipulation Partie 1 :

Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique

Partie 2 : Capillarimétrie Précaution d’emploi

Résumé

Rappels Théorique : Masse volumique

La masse volumique est définie pour un corps de masse m et de volume V comme

V

mV,m

[g/cm³]

[kg/m³] (unités MKS)

V, s

z

Rappels Théorique : Principe d’Archimède

« Tout corps plongé dans un fluide (liquide ou gaz) subit de la part du fluide une force verticale, dirigée vers le haut et ressort mouillé… En grandeur, la poussée d’Archimède est égale au poids du volume de liquide déplacé.»

P | | fluide ImmP V g��

| | sol solG mg V g ��

G

Si , Fres < 0 et le solide coule

Si , Fres > 0 et le solide remonte

Re

Re

( )s

s fluide sol sol sol fluide sol sol

F P G

F P G V g V g V g

fluidesol

fluidesol



V, s

Reliée à une balance hydrostatique, un corps plongé dans le fluide aura une masse apparente plus petite que sa masse réelle.

V, s

Mréelle MApp

V, s



| | fluide ImmP V g��

| | sol solG mg V g ��

resF��

App Re Re et ( )App App s s sol fluide solP M g P F F V g Si le solide coule ( )fluidesol

Re ( )s fluide sol solF V g

App Réel

A p

p

le

p

A p

( )

sol fluide sol

sol s

fluide sol

ol fluide sol

M

M V

M V

V

V

M

Plan





Résumé

Rappels Théorique : Forces de surface

Certains phénomènes concernant les liquides ne peuvent être correctement compris si l’on ne tient compte que de la seule force de pesanteur.

(1) Par exemple, certains insectes, comme le gerris, sont capables de marcher sur l’eau, alors que leur densité est supérieure à celle de l’eau ; d’après le principe d’Archimède, ils devraient donc couler !


(2) Du mercure répandu sur un plan de verre horizontal forme des gouttes : les plus petites sont presque rigoureusement sphériques ; les plus grosses sont aplaties. Le même phénomène s'observe avec les gouttes de rosée sur les feuilles.

(3) Si l’on plonge verticalement un tube de verre bien propre, de diamètre intérieur de 1 mm, dans une cuve contenant de l'eau, l'eau monte à environ 3 cm au-dessus du niveau général de l’eau dans la cuve.


Ces phénomènes nous amènent à postuler l’existence d’autres forces que la pesanteur, les forces de cohésion (forces d’attraction internes du liquide) et d’adhésion (forces d’attraction entre le liquide et une surface solide).

Les molécules interagissent entre elles et ont tendance à avoir le plus de molécules voisines possibles.

Les molécules à la surface ont moins de voisines → situation non préférée.

→ minimisation de la surface du fluide

→ Dès que la surface d’un fluide se déforme, des forces de surface apparaissent.


Ces phénomènes nous amènent à postuler l’existence d’autres forces que la pesanteur, les forces de cohésion (forces d’attraction internes du liquide) et d’adhésion (forces d’attraction entre le liquide et une surface solide).

Illustration : En l’absence de force de pesanteur, un volume d’eau va prendre naturellement une forme sphérique.

Forme sphérique… Surface minimale pour un volume donné.

Les forces de cohésions tendent donc à minimiser la surface du fluide.

Rappels Théorique : Tension superficielle

Application : Flottabilité d’objets légers mais plus denses que l’eau (insecte…)

Forces de tension superficielle : résultante verticale non nulle qui équilibre le poids de l’objet

F��

G

Rappels Théorique : Tension superficielle

Donc, surface d’un liquide → Membrane tendue soumise à des forces qui tendent à la faire rétrécir…

ABCD non sphérique… Donc devrait se contracter naturellement. Maintient de ABCD : Force F sur le bord AB.

De plus, l’expérience montre que la force F est proportionnelle à la longueur de contact l (ici 2 AB) sur laquelle elle s'exerce. → Tension superficielle :

2 observations :

Si on agrandit la surface, la force ne varie pas et ne dépend que de la longueur de contact.

F l F l [N/m]

Rappels Théoriques : Tube capillaire

d

h

d

G��

Stabilisation quand équilibre avec le poids de la colonne de liquide

d

Près du point de contact entre un liquide et la paroi du récipient : surface du liquide courbe

Forces d’adhésion > forces de cohésion surface libre concave

Forces de tension superficielle capillarité

Légère dépression montée du liquide

Rappels Théoriques : Tube capillaire

Longueur du bord : d Force de tension sup : d Poids : mg=Vg=g(d/2)²h Equilibre lorsque Force

de tension sup = Poids

44

2 gdhhdgd

h

d Tension superficielle ?

G��

Plan





Résumé

Manipulation : Matériel

Partie 1PycnomètreBalance

Partie 2Tube Capillaire

Manipulation : Utilisation de la balance

Allumage : « On »

Si à vide, elle n’indique pas 0, «Tare»

Stabilisation : ou g

Erreur de mesure : 5 mg

Plan


Manipulation Partie 1 : Densité du méthanol ?


Partie 2 : Tension de surface ? Capillarimétrie Précaution d’emploi

Résumé

Manipulation : Mesure de densité à l’aide du pycnomètre

Pycnomètre : Volume connu précisément

''

mM

mM

m M’ M

Eau, ρ’ Liquide X (Méthanol)

Manipulation : Mesure de densité à l’aide du pycnomètre

Attention :

Remplir complètement d’eau et mettre au trait en enlevant le surplus à l’aide d’une seringue

Vider l’eau dans l’évier. Ne pas jeter le liquide X (méthanol) dans l’évier.

Pour sécher le pycnomètre, demander à Jean-Pierre ou Michel.

Mesurer la température de l’eau distillée et déduire la densité ’ (tableau dans le labo)

Plan





Résumé

Manipulation : Mesure de densité à l’aide de la balance hydrostatique

Basé sur le principe d’Archimède

'''

' MM

MM

M’’M M’

Eau, ρ’ Liquide X (méthanol)

Manipulation : Mesure de densité à l’aide de la balance hydrostatique

Attention :

Vider l’eau dans l’évier. Ne pas jeter le méthanol dans l’évier.

La masse ne doit pas toucher le fond du récipient.

Mesurer la température de l’eau distillée et déduire la densité ’ (tableau dans le labo)

Plan





Résumé

Manipulation : Capillarimetrie

Diamètre du capillaire : (0.500 +/- 0.030) mm

Déposer le capillaire juste à la surface du liquide (à l’aide du support)

Mesurer la hauteur du ménisque A HAUTEUR D’OEIL !

Noter la masse volumique (pour X, vous l’avez mesurée précédemment)

Déduire la tension superficielle du méthanol

h

Précautions d’emploi

Pycnomètre : 50 € !!! QUI CASSE PAYE !!!!

(et pas d’excuses)

Ne JAMAIS souffler dans le capillaire !!!

Ne pas jeter le méthanol à l’égout, le remettre dans un conteneur dans le labo (demander en cas de doute) et ne pas verser l’eau distillée dans ces conteneurs

PAS DE BATAILLE DE PISSETTE !!

Sinon, out et « 0 » pour le groupe !!!

(encore une fois pas d’excuses)

Résumé

Pycnomètre : Volume constant Séchage : demander à Jean-Pierre ou Michel Poser son pycnomètre en attendant la pesée, sinon,

chauffage -> V varie Checker le niveau du trait avant la pesée

Balance hydrostatique : Mapp Essuyer la masse en laiton au changement de liquide Ne pas toucher le fond du bécher

Capillarimétrie : Mesure de hauteur Mesure à hauteur d’œil Séchage : déposer sur du papier absorbant

!! Bon Travail !!

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