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De l'influence de la tension superficielle des liquides sur les mesures aréométriques

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HAL Id: jpa-00236776

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00236776

Submitted on 1 Jan 1872

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De l’influence de la tension superficielle des liquides sur les mesures aréométriques

Duclaux

To cite this version:

Duclaux. De l’influence de la tension superficielle des liquides sur les mesures aréométriques. J. Phys.

Theor. Appl., 1872, 1 (1), pp.197-207. �10.1051/jphystap:018720010019700�. �jpa-00236776�

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DE L’INFLUENCE DE LA TENSION SUPERFICIELLE DES LIQUIDES SUR LES MESURES ARÉOMÉTRIQUES ;

PAR M. DUCLAUX,

Professeur à la Faculté des Sciences de Clermont-Ferrand.

Dans l’étude des conditions d’équilibre des corps flottants, on ne

fait en général intervenir dans l’enscignement que le principe d’Arcliiinède, et l’on ne tient aucun compte des actions capillaires qui s’exercent sur la ligne de contact du solide et du liquide. Il y a pourtant des cas celles-ci sont assez puissantcs pour mettre en contradiction les faits avec la théorie. Tel est, par exemple, le cas

d’une aiguille graissée nageant sur l’eau, supportée qu’elle est par la membrane élastique que forme à li surface de l’eau la couclie douée de la tension superficiel] c (~). Dans d’autres expériences, les phénomènes

de capillarité, sans être de l’ordre de grandeur du phénomène principal, ne peuvent pourtant être négligés, et nous allons voir

que, pour les densinlètrcs ou aréomètres, ils ne sont pas sans influence sur l’cxactitude des mesures. Si jusqu’ici cette influence

a été négligée, c’est que la façon théorique et trop abstraite dont

on étudie les actions capillaires rend difficiles à saisir leur origine et

leur mode d’action. Cela est si vrai que quelques-uns des résultats

expérimentaux de mon travail ont été devinés théoriquement par Langberg (2) cn partant de la formule, de Laplace et de l’imterpré-

tation hypothétique qu’en avait donnée Hagen (3). S’ils m’ont pas

davantage frappé l’attention, c’est sans doute à cause de l’obscurité

qui en-tourait leur origine. Nous allons voir avec quelle netteté ils

se présentent à l’esprit quand on fait intervenir la notion expéri-

mentale de la tension superficielle.

Lorsqu’un aréoiiiètre quelconque est plongé dans l’eau, on sait

~ ‘) Ce phénomène est bien connu, et l’explication en est donnée dans les cours sous une forme, qui est différente de celle que nous allons exposer en partant des travaux

sur la tension superficielle des liquides déjà mentionnés page 98 de ce volume,.

(2) Le~cB~~c, Influence de l’attraction capillaire sur les mesures aréométriques.

(Annales de Poggendorif’, t. CVI, p. 299.)

ca) DCCLACX, Sur la tension superficielle des liquides. (Annales de Chimie et de

Physique.)

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphystap:018720010019700

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198

que la première condition de son usage régulier est qu’il soit bien

mouillé par le liquide, et qu’il y ait au-dessus de son point d’af- fleurement, et jusqu’à une certaine distance, une couche liquide

collée à ses parois. C’est à cette couche adhérente au verre qu’est à

son tour suspendu le ménisque, et en se rapportant aux résultats

déjà connus sur la tension superficielle, on voit que sur toute la

ligne de contact entre le ménisque et la couche adhérente s’exerce

une force verticale qui tend à enfoncer l’arlomètre plus qu’il ne le

ferait si le principe d’~rchimède était seul en jeu.

Si donc, l’aréomètre étant cii équilibre, on venait à annuler, ou

seulement à dianinuer beaucoup la tension superficielle du liquide

dans lequel il plonge, et sans changer la densité, l’aréomètrc devrait s élever. (;’est ce que l’expérience montre avec la plus grande

netteté.

Prenons par exemple un alcoomètre sensible que nous plongerons

dans l’eau en prenant soin que ce liquide, qui est à forte tenson

.

superficielle, en mouillc bien la tige. L’instrument étant en équi-

libre et affleurant à peu près au zéro, faisons couler à la surface de l’eau un peu de vapeur d’éther provenant d’un flacon qu’on tient

incliné au-dessus. Cette vapeur; en se dissolvant dans la couche

superficielle, en diminue la tension, et l’aréomètre se relève subite-

ment d’une quantité très-sensible. Une goutte d’éther versée à la surface produit le même effet et le rend encore plus apparent.

L’expérience suivante n’est pas moins concluante. L’alcoomètre étant en équilibre dans l’eau pure, faisons tomber à la surface de celle-ci une raclure imperceptible de savon qui se dissout rapide-

ment dans toute la couche superficielle. L’instrument se relève en- core et de plusieurs divisions. Même effets avec l’alcool, les essences volatiles, l’acide butyrique, les divers éthers, enfin avec toutes les

substances qui, ayant un équiv alent organique élevé et une tension superficielle faible, sont capables de diininuer beaucoup la tension superficielle de l’eau; et il suffit quelquefois de traces infiniment petites de matière pour produire un effet très-sensible.

Par exemple, l’aréomètre étant en équilibre dans l’eau purè, je dépose entre le pouce et l’index une goutte imperceptible d’huile,

que j’étends en frottant les deux doigts l’un contre l’autre, et je

trempe l’un d’eux dans le liquide plonge l’aréomètre. Un voile

invisible de matière grasse s’étend à la surface de l’eau, sa pré-

(4)

199

sence est accusée par un soulèvement subit qui, avec 111011 alcoomètre, dépasse un centimètre. Ce voile reste adhérent aux parois de l’é-

prouvette et à la tige de l’instruiment lorsqu’on enlève le liquide, se

reforme à la même place lorsqu’on ajoute de nouvelle eau, et pro- duit un effet à peine diminué. Il est tellement difficile à éliminer que ce n’est qu’après un lavage à l’alcool et un frottement énergique

que j’ai réussi à rctrouver l’affleurement normal.

On voit toute l’influence que peut avoir, sur l’établissement du zéro dans un densimètrc quelconque, la présence d’une quantité impon-

dérable de matière grasse sur les doigts de l’opérateur, le vase

l’on met le liquide ou la tige de l’instrument. Les difficultés prati-

ques que présente cette opération ont été depuis longtemps recon-

nues par les constructeurs, et c’est pour les éliminer autant que

possible qu’ils ont adopté la pratique d’ajouter à l’eau distillée dont ils se servent pour prendre le zéro de leurs instruments quelques

gouttes d’alcool qui ne font pas varier sensiblement sa densité, mais qui, diminuant dans une proportion beaucoup plus forte sa tension superficielle, lui permettent d’abord de lnouiller beaucoup mieux les

corps que l’on y plonge, ensuite d’être moins influencée par les causes

de variation de cette tension. L’effet produit par une trace de matière grasse ; par exemple, doit être en effet d’autant moins marqué

que la tension superficielle du liquide plonge l’alcoomètre est

originairement plus voisine de celle de la matière grasse. Toutefois la difficulté d’obtenir un affleurement régulier ne laisse pas que d’être grande pour les liquides aqueux ou les liqueurs alcooliques

d’un titre inférieur à 1 o degrés.

Voyons maintenant d’une manière générale quel est l’effet des

variations de la tension superficielle sur les mesures prises au moyen des aréomètres. Considérons pour cela un de ces instruments enfoncé d’un volume v dans un liquide de densité 4à. La poussée du liquide

sera exprimée par v4à. D’un autre côté, l’aréomètre est tiré de haut

en bas d’abord par son poids P, puis par la tension superficielle sur

toute la longueur de la ligne de contact du ménisque et de la couche

adhérente à la tige ; et si freprésente en milligrammes la valeur de

cette force par millimètre de longueur, et r le rayon de la tige de

l’instrument supposée cylindrique, on a

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200

‘ De même pour un autre liquidc de tension superficielle ~’~ et de

densité Ô’

On tire de ces deux équations

Le rapport des densités sera donc encore ég ~.l au rapport inverse

des volumes, même en tenant compte de la tension superficielle, si

~ f’= f ~. Mais comne cela n’a pas lieu en général, la construction d’un dcnsinètre, c’est-à-dire d’un instrument destiné à donner par

simple immersion la densité d’un liquide quelconque, est une impos-

sibilité physique, cet instrument s’y enfonçant plus ou moins sui-

vant que ce liquide sera à tension superficielle forte ou faible.

Le produit ~, ~r 3~f’ est en effet loin d’être négligeable par rapport

~ P. Dans un dcnsilnètrc de Gay-Lussac, j’ai trouv é 7" ~- 0,005. Si

on le suppose plongé dans l’eauf == 7,5. Lc produit 2 ~t y’ est donc égal à 2,~3 ~ milligrammes, et commc l’instruClnt pE’SC 27gr, 220, on voit que l’effet de la capillarité est à peu près les 1 OR050 0 du poids total.

Il est plus grand environ des i â ~ o dans un pèse-acide. Dans un

alcoomètre sensible à tige aplatie, le même rapport est voisin de 1 0"0 0’*

Pour ce dernier instrument, si la tension superficielles de l’eau

v enait à disparaître, la longueur de la tige qui sortirait du liquidc

serait de 18 millimètres. On a en effet., d’une manière générale,

Or comme, en appelant a h la hauteur dont F instrument émerge,

on a

on y oit qu’on a en définitive

La hauteur d’émersion pour une variation déterminée ô fde la ten-

sinon superficielle est donc d’autant plus grande que 1 est plus petit,

c’est-à-dire que l’instrument est plus sensible.

Supposons, pour en revenir à l’alcoomètre dont je viens de parler,

.

(6)

201

que la tension supcrficielle varie de l’eau à un autre liquide de

même densité, des 1 de sa valeur, ce qui est possible, la variation

de hauteur dans la ligne de flottaison sera des -1 de 18 r 2 mini-

mètres. Le volume de la tige correspondant à cette hauteur est de

60 millimètres cubes, environ des 1 ô 050 o du volume total. Les effet de capillarité rendent donc illusoire avec cet instrument la troisiéme décimalc pour les liquides ayant à peu près même densité que l’eau.

Dans le pèse-acide cité plus haut, la variation est encore plus sen- sible, et atteint le chiffre des centièmes.

Il n’y a donc de procédé exact pour la recherche des densités que la méthode du flacon, et les seuls aréomètres précis sont ceux dont

la graduation est empirique et l’usage restreint à une seule sorte de

liquides, par exemple l’alcoomètre dc Gay-Lussac (1).

( 1 ~ On sait que dans cet alcoomètre la distance de deux divisions consécutives ne va pas régulièrement en croissant du point o au point 100. Elle diminue de o à 20;

reste presque stationnaire de 20 à 30, pour augmenter de nouveau de 30 à 100. On a

attribué ce fait à l’influence de la contraction qui intervient dans les mélanges d’eau

et d’alcool et qui est maximum pour l’alcool à 5!~ degrés environ. Cette explication,

outre qu’elle est vague, n’est pas exacte.

Normalement, s’il n’y avait pas contraction et si les densités des divers mélanges alcooliques décroissaient régulièrement de celle de l’eau à celle de l’alcool, les divi- sions qui correspondraient à ces densités devraient aller en s’écartant sur la tige de l’alcoomètre du point o au point 100. Si en effet P est le poids de l’instrument et V son

volume plongé dans un liquide de densité D, l’équation VD = P donne d’où

La variation Ó’V, pour une variation déterminée ~D de la densité, est donc d’au-

tant plus grande que le volume plongé est plus grand, ou la densité du liquide plus faible.

La contraction intervient pour rendre la variation de densité môins sensible de o à

~4 degrés environ, et par suite plus sensible, de 54 à 100 degrés, qu’elle ne le serait d’après l’hypothèse précédente. Mais la densité des divers mélanges alcooliques n’en

est pas moins constamment décroissante, et par suite les divisions de la tige de l’al-

coomètre devraient aller constamment en s’écartant les unes des autres.

Si elles se rapprochent dans l’intervalle indiqué, c’est par suite de la variation de tension superficielle des divers mélanges. Cette force varie beaucoup quand on passe de l’eau aux alcools faibles. L’alcoomètre se relève d’abord plus qu’il ne le ferait seu- ement en vertu de la variation de la densité. Les degrés inférieurs de son échelle sont donc tous un peu trop haut. Par contre, les degrés supérieurs occupent à peu près leurs places relatives, la variation de tension étant faible pour les alcools concentrés.

Il faut donc qu’il y ait entre ces deux extrêmes des échelons plus rapprochés les uns

des autres qu’ils ne le seraient s’il n’y avait pas de tension superficielle.

(7)

202

Plonge en ciliit dans deux liquides de même composition et ne

renfermant pas autre chose que de l’eau et de l’alcool, un même

alcoomètre s’y enfoncera toujours de la même quantité.

Toutefois il importe de remarqucr que le procédé de graduation

usité pour ces sortes d’instruments n’est théoriquement exact que dans certaines conditions spéciales. On sait que ce procédé consiste

ordinairement à détcrminer, au moy en d’un alcoomètre étalon, deux points de la tige du 11o1,1VC1 alcoomètre, et en supposant celle-ci

cylindrique, à diviser l’intervalle en parties proportionnelles aux

divisions de l’intervalle correspondant dans l’alcoomètre type. C’est la détermination de ces points intermédiaires qui laisse quelque

chose à désirer.

Soient en efl’et P Ie poids de l’alcoomètre étalon et p celui de 1’autre,

R et r les rayons de leurs tiges, V, v les volumes de ces deux instru-

.

ments plongés dans un liquide alcoolique de densité a et de tension superficielle t f’, V’ et v’les -volumes plongés dans un alcool de densité a’ et de tension superficielle, on a les quatre équations suivantes

d’oii l’on tire

Le mode de graduation adopté exige évidemment que l’on ait

or, pour que cette relation existe, il faut que l’on ait aussi

équation qui revient à

(8)

203

et qui n’est satisfaite, en dehors de la solution f que si P p ,

R J’

c’est-à--dire si l es deux alcoomètres supposés cylindriques et avec le

diamètre de leurs tiges sont semblables entre eux.

Cette conclusion est évidemment applicable aux alcoomètres ordinaires enprenant le mot semblables dans un sens plutôt physique

que géométrique. Elle conduit a cette conséquence que si, au moyen d’un alcoomètre étalon donné, on veut en fabriquer un autre plus sensible, ce ne sera théoriquement qu’en agrandissant les dimensions de l’étalon qu’on pourra y arriver. Si l’on se contente de diminuer la dimension de la tige du nouvel instrument, on sort des conditions

°

où le procédé usuel est rigoureusement applicable, et l’on devra s’as- treindre à déterminer directement plusieurs points de repère. Si

ceux-ci sont suffisanmnent rapprochés, les divisions intermédiaires

seront aussi exactes qu’on peut le désirer.

Pratiquement, c’est en effet ainsi que l’on opère lorsqu’on veut

avoir un alcoomètre exact, etl’on arrive, en prenant ces précautions,

à avoir des instruments dont les indications différent à peine de

celles que fournit l’étude de la densité du mélange alcoolique qu’ils

servent à analyser.

NARR. 2013Ueber die Erkaltung undWârmeleitung in Gazen ( Sur le refroidissement dans

les =- ’1Z et sur la conductibilité des difiérents gaz); Pob~ . 4nn., CXLIII, 1 a3 ; 187 1.

Un corps chaud placé dans l’air se refroidit, et ce refroidissement

est un effet complexe provenant et du rayonnement propre du corps

et de l’action refroidissante de l’air environnant. Quand la tempé-

rature du corps ne dépasse pas beaucoup la température de l’en-

ceinte dans laquelle il est placé, l’etl’et total se résume en la loi de Newton : la vitesse de refroidissement v est à chaque instant pro-

portionnelle à l’excès T de température du corps

Mais quand l’excès T dépasse 20 ou 3o degrés, la loi de Newton

n’est pas applicable. Le grand travail de Dulong et Petit, publié en

18 i ~, et les importantes recherches de MM. de la Provostaye et

(9)

204

IJesains ( 1 846 ) ont montré toute la complication du phénomène du refroidissement, lorsqu’on ne s’astreint plus à se placer dans les

conditions voulues pour que la loi de Newton soit applicable. L’au-

teur du Mémoire a repris l’étude du refroidissement dans le but

spécial de déterminer les pouvoirs refroidissants des di1’férents gaz.

La méthode expérimentalc qu’il a suivie ne se distingue pas es- sentiellenlent de celle qu’avaient suivie ses devanciers : la seule dif- férence importante, c’est que l’appareil tlicrmométrique, qui con-

stitue comme d’habitude le corps se refroidissant, est échauffé au

début de chaque expérience par un courant électrique. A cet effet,,

le réservoir du thermomètre est entouré d’une enveloppe de verre pleine d’huile de lin ; cette enveloppe est traversée par un fil de pla-

tine contourné en spirale et dans lequel on peut lancer le courant de deux grands éléments de Bunsen. Lc système entier est placé

dans une enceinte dont la capacité n’est que vingt-sept fois celle

du système se refroidissant, ce qui peut sembler insu~sant si l’on

se rappelle les anomalies signalées par lB1~1. de la Provostaye et

Desains dans le cas des enceintes aussi petites.

Les expériences ont été faites en déterminant, suivant la méthode

ordinairc, d’abord la vitesse de refroidissement dans le vide (une

pompe pneumatique à mercure permettait d’obtenir un vide de

moins de omm, (1), puis la même v itesse dans le gaz sous une pres- sion qui a été dans toutes les expériences de go millimètres. On

a pris la différence des vitesses comme représentant la vitesse du

refroidissement dû uniquement au contact du gaz. Les tableaux sui-

vants renferment les résultats ainsi obtenus; dans ces tableaux, la première colonne contient les excès T de la température de l’appa-

reil se refroidissant sur la température de l’enceinte (laquelle a été

constamment maintenue à zéro) ; la deuxième colonne donne les - vitesses observ ées V du refroidissement dû au gaz; la troisième, les

mêmes vitesses calculées d’après la formule

la quatrième, la difl’érence entre les vitesses calculées et les vitesses

observées.

(10)

205

On voit que les résultats de Inexpérience sont assez exactement représentés par la forn-itlle

dans laquelle n2 est une constante qui, pour un appareil, ne dépend

que de la nature du gaz employé.

-

Toutefois, l’auteur remarque que cette formule ne donne pas l’enet exact de la nature, puisque tous les gaz s’en éloignent dans le

même sens, à l’exception de l’hydrogène, qui s’en écarte en sens in-

verse. C’est une anomalie de plus à ajouter à celles que présentait déjà l’hydrogène.

L’auteur a cherché encore dans la théorie dynamique des gaz une

(11)

206

confirmation des résultats qu’il avait obtenus pour les valeurs rcla-~

"

tives de nz. En partant de l’hypothèse de Bernoulli et en profitant

du travail de M. Clausius sur la conductibilité des gaz, on trouve

pour lit

-

C es t une constante la inènie pour tous les gaz;

~~ est la chaleur spécifique du gaz rapportée à l’unité de volume;

(j est le poids spécifique du gaz ,

e est le chemin parcouru par une molécule entre deux rencon- tres successives, dans l’hypothèse de l’état normal.

Si donc l’on admet que e est le même pour les dif1ërel1ts gaz, on

pourra calculer à l’aide de cette formule les rapports de m pour deux gaz quelconques.

Le tableau suivant donne ces valeurs comparées à celles trouvées expérimentalement par l’auteur. On y a joint les valeurs de m que l’on déduirait des expériences de Dulong et Pc~i~ :

_

VIOLLE.

WEINHOLD. - Inversion of the sodium-line (Renversement de la raie du sodium Pogg. Ann., février 187 1, et Philosophical AIagaziiie, t. XLI , p. 404; i S~ I.

En plaçant une lampe à alcool salé devant la fente d’un spec- troscope, éclairée par la lumière vive d’une lampe à pétrole, le

spectre continu présente la raie brillante de la soude; mais si l’on interpose la lampe à alcool entre l’oeil et le prisme (la lunette étant écartée), de façon à voir le spectre à travers la flamme sodée, la ra ie

de la soude apparaît noire, c’est-à-dire renversée.

(12)

207 Comme il y a quelque difficulté à accommoder sa vue à la distance infinie où le collimateur présente l’image virtuelle du spectre, il

vaut mieux, comme l’indique l’auteur, supprimer l’objectif du colli-

mateur, qui se trouve ainsi réduit à un tube muni d’une tenté ; on

rend l’expérience à la fois plus précise et plus nette en conservant,

au contraire, le spectroscope dans son état ordinaire, à la condition de pouvoir ôter l’oculaire de la lunette; on interpose alors la flamme d’alcool salé entre une loupe à long foyer servant d’oculaire et le

rentrant de la lunette enfoncé aussi loin que possible : -. on met au point sur la raie brillante de la soude. L’explication de ce phéno- mènes, en apparence paradoxal, permet de bien faire comprendre le phénomène du renversement des raies spectrales.

Considérons la région du spectre continu aux environs de la raie

sodique : -. l’intensité I, variant d’une façon continue, est sensible-

ment la même de part et d’autre de cette lignc; en plaçant devant la

fente la lampe à alcool salé, on modifie, suivant la ligne de la soude,

l’intensité de la radiation, laquelle se compose de l’intensité de la flamme d’alcool F et de l’intensité primitive 1 diminuée de la quan- tité absorbée A ; en somme, à gauche et à droite de la raie, l’inten-

sité est I, mais sur la raie même elle est 1 -I- F - A.

Lorsque l’on regarde à travers laflamme de la soude, l’oeil perçoit

la même intensité 1 -~ F - A sur la raie ménie mais, à droite et à gauche, l’intensité est 1 -1- F, car l’oeil est impressionné par la

son me des deux intensités sans aucune absorption, la flamme sodi- que n’absorbant que les radiations qu’elle émet : il y aura donc un

efiet de contraste par lequel la raie de la soude paraîtra sombre sur

un fond clair. La différence des intensités sera

On aura pour ainsi dire la mesure de l’absorption due à la flamme.

Remarque. -L’intel1sité relative (I + F - ~.~ ~ = F - A de

la soude lorsque la lampe est devant la fente peut être négative., et

alors la raie noire apparaît. En effets, en augmentant indéfiniment

l’épaisseur de la flamme, son éclat tend vers une limite ~, tandis que la quantité absorbée A n’a point de limite, et peut devenir égale à

telle quantité qu’on voudra, car l’absorption, suivant une loi loga- rithmique, croit dans des proportions énormes avec l’épaisseur.

L’expérience vérifie aisément cette conclusion. A. connu

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