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Capillarité
La capillarité désigne le mouvement d’un liquide dans des espaces étroits sous l’effet combiné de la tension superficielle, de l’adhésion aux parois et de la cohésion du liquide.
Pourquoi l’eau monte-t-elle dans un tube très fin ?
Plongez un tube de verre très fin dans de l’eau : le niveau d’eau peut être plus élevé dans le tube que dans le récipient. Les molécules d’eau interagissent avec la paroi du verre, tandis que la cohésion maintient le liquide lié. La tension superficielle transmet ces effets le long de l’interface courbe.
Adhésion contre cohésion
Si l’adhésion du liquide à la paroi est suffisamment forte par rapport à sa cohésion, le liquide mouille la paroi et forme un ménisque concave, comme l’eau dans du verre propre. Pour d’autres couples liquide–surface, le comportement peut être inversé et le niveau peut être abaissé dans le capillaire.
Pourquoi le diamètre compte-t-il ?
Dans le modèle simple d’un tube cylindrique, la hauteur de montée capillaire augmente lorsque le rayon du tube diminue. La gravité s’oppose à cette montée : l’équilibre est atteint lorsque le poids de la colonne de liquide compense l’effet des forces de surface.
Le papier absorbant contient un réseau de petits espaces entre les fibres. L’eau peut y progresser par capillarité, même contre la gravité sur une certaine distance. La structure poreuse multiplie les interfaces où les phénomènes d’adhésion et de tension superficielle interviennent.
Le ménisque
La surface d’un liquide dans un récipient étroit n’est pas toujours plane. Pour l’eau dans un tube de verre propre, elle se courbe vers le haut près des parois : c’est un ménisque concave. Avec le mercure dans le verre, le ménisque est au contraire convexe, signe d’un autre équilibre entre cohésion et adhésion.
Les plantes aspirent-elles toute leur eau uniquement par capillarité ?
La capillarité participe au comportement de l’eau dans de très petits conduits et dans les parois végétales, mais elle ne suffit pas à expliquer à elle seule la montée de l’eau jusqu’au sommet des grands arbres. La transpiration des feuilles, la cohésion de la colonne d’eau et les propriétés du xylème jouent un rôle essentiel.
Quel lien avec la tension superficielle ?
Sans tension superficielle et sans interactions entre le liquide et la paroi, il n’y aurait pas la même action capillaire. La capillarité est donc un excellent exemple de phénomène macroscopique qui révèle des interactions à l’échelle moléculaire.
Une relation quantitative
Pour un tube cylindrique idéal, la hauteur capillaire dépend de la tension superficielle du liquide, de l’angle de contact, de sa masse volumique, de la gravité et du rayon du tube. La formule détaillée est utile dans un cours de physique des fluides ; pour une première approche, retenez surtout que des tubes plus fins peuvent produire des effets capillaires plus marqués.
Dans le tube capillaire idéal, la montée ne continue pas indéfiniment. Plus la colonne d’eau s’élève, plus son poids augmente. Un équilibre finit par être atteint. Cette opposition explique pourquoi la hauteur dépend à la fois des propriétés de l’interface et de la masse volumique du liquide ainsi que de la gravité.
Un équilibre entre surface et gravité
Entre les fibres d’une serviette ou d’un papier se trouvent de nombreux passages étroits. Lorsque le matériau est mouillable par l’eau, celle-ci progresse dans ce réseau. Le liquide ne se déplace pas nécessairement uniquement vers le haut : il suit les pores disponibles. La gravité devient surtout importante lorsque la distance parcourue et la quantité d’eau augmentent.
Pourquoi une serviette absorbe-t-elle une goutte ?
L’essentiel
La capillarité résulte de la combinaison entre tension superficielle, cohésion et adhésion. Elle peut faire monter ou descendre un liquide dans un tube étroit et contribue au transport de liquides dans les matériaux poreux. Son importance augmente généralement lorsque les dimensions des passages deviennent petites.