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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 où 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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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 où plonge l’aréomètre. Un voile
invisible de matière grasse s’étend à la surface de l’eau, oû sa pré-
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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 où
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 où 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
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,
.
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.
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
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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
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.
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
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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~ :
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