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Contribution à l'etude de l'etat liquide. II

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Contribution à l’etude de l’etat liquide. II

M. Surdin

To cite this version:

(2)

CONTRIBUTION

A L’ETUDE DE L’ETAT

LIQUIDE.

II.

Par M. SURDIN.

Sommaire - Dans un travail récent, MM. E. Bauer, M. Magat et M. Surdin (1) ont montré, que si l’on utilise la température réduite 03B8

= T-Tf/Tc-Tf

(Tc température critique,

Tf

point triple), la variation de chacune des propriétés statiques des liquides pris sous leur pression de vapeur saturante, peut s’exprimer

en fonction de 03B8 par une loi simple, de même forme pour un grand nombre des liquides et dépendant de trois paramètres individuels : Tf, Tc, d’une part et de

l’autre vf

(volume au point triple),

ou 03B2f

(compres-siblilité au point triple), etc. Cette réduction est particulièrement commode dans le cas des chaleurs

spécifiques.

Dans le présent travail, l’auteur montre que la « loi des températures correspondantes » au sens de Van der Waals, s’applique avec une grande approximation aux propriétés des liquides sous leur pression de vapeur saturante. En particulier, si pour étudier les volumes moléculaires, la compressibilité, la tension

superficielle des liquides, leurs chaleurs latentes de vaporisation totale et interne, on prend pour grandeurs

de référence, non pas les grandeurs critiques, mais celtes qui correspondent à une température réduite de Van der Waals biea déterminée, par exemple

03981w = T1/Tc

= 0,6, la même pour tous les liquides étudiés, on

constate que, pour chacune des propriétés statiques, on peut tracer une « courbe unique » indépendante

de la nature du liquide.

Plus généralement, si l’on adopte comme température réduite l’expression 0398

= T-T0/Tc-T0,

To étant une

température arbitraire inférieure à une limite Tm, la coïncidence entre les

courbes v/v0

= f(0398) (et de même

pour les autres propriétés) aubsiste avec une approximation qui dépend de Tm. La raison de ce fait est la forme algébrique particulière des courbes réduites.

1. Introduction. - Dans un travail

récent,

MM. E.

Bauer,

M.

Magat

et M. Surdin

(1)

ont montré

qu’il

est

possible d’exprimer

sous forme réduite les varia-tions avec la

température

des

propriétés statiques

d’un

_

grand

nombre de

liquides

sous

pression

de vapeur

saturante. Plus

précisément,

en

portant

en ordonnées

les

(v,

volume moléculaire à la

température T,

v f

le volume moléculaire au

point

triple, 5

compressibilité, (j

tension

superficielle),

et en abscisses une «

température

réduite » définie par

0 -

(Tc, température critique.

Tf,

point

c

2013

/

triple),

on

trouve,

pour

représenter

l’ensemble des résultats relatifs à un

grand

nombre de corps, une courbe

unique,

avec des écarts à

partir

de la courbe moyenne ne

dépassant pas 2 pour 100,

sauf au

voi-sinage

du

point critique.

Par

contre,

dans les cas de la

viscosité,

de la

pression

de vapeur saturante et de la

différence

d’entropie

entre

liquide

et vapeur

saturante,

une telle réduction semble

impossible.

D’autre

part,

il était

généralement

admis que la réduction de Van der Waals ne

pouvait

arriver à un tel résultat

(2).

Or,

si l’on considère en se bornant à (~) E. BAUER, 31. MAGAT et M. SURDIN, Contribution à l’étude de l’état liquide. I. J. de Physique, 1936, fi, p. 441. Les renvois à cet article seront indiqués par le chiffre romain 1 suivi du numéro du paragraphe.

(2) Voir par exemple l’article de Van der Waals Jr, dans le H andbuch der Physik T. X, en particulier pour les volumes molécu-laires sous pression de vapeur saturante la figure 9, p. iTi.

l’étude des

liquides

sous

pression

de vapeur

saturante,

la courbe des volumes moléculaires en fonction de la

température

au

voisinage

de

1TC

~,

(où

la

tangente

est

verticale),

on voit

qu’une petite

incertitude sur

T~

entraîne une

grande

indétermination sur vc. Pour

toutes les

propriétés

des

liquides,

le

point critique

est un

point «

sensible ».

Donc,

si l’on veut utiliser la

température

réduite de

r

,

Van der Waals

paraît

plus judicieux

1

,

P

de

rapporter

les volumes moléculaires à un volume de référence Vi différent

de v~

et

qui

peut

être mesuré directement avec

précision.

Il faudra

prendre

ce

volume à une

température

réduite de Van der Waals

8~

bien

déterminée,

la même pour tous les

liquides

et différente de l’unité. Ainsi sur la

figure 2

bis nous

, v 1 1

]"’1

avons tracé les courbes

v’

=

f

(8,v)

avec

0

r = I’

Tc

=

0,6,

pour tous les corps étudiés dans l’article 1.

On voit que l’ensemble des résultats se groupe en

une « courbe

unique

» avec une

approximation

com-parable

à celle de la

figure

1,1.

En

procédant

de la même manière pour les autres

propriétés

des

liquides :

compressibilité,

tension

superficielle,

chaleurs latentes

d’évaporation

totale et

interne,

différence

d’entropie

entre

liquide

et vapeur

saturante,

on obtient

chaque

fois une ccurbe

unique

(voir

les

fig. 2

bis,

3

bis,

etc.).

On a donc le droit

d’appliquer

aux

liquides

la loi des

températures

correspondantes,

tout au moins en ce

qui

concerne les

liquides

pris

sous

pression

de vapeur saturante.

(3)

295

Les deux

températures

réduites :

peuvent

être considérées comme des cas

particuliers

d’une

température

réduite

plus

générale :

(on

a 0 == 6 pour

To

= et 0 =

8w

pour

To

-

0.)

Si l’on trace pour un des

liquides

étudiés les courbes

définies chacune par un

paramètre

Ta

choisi au hasard dans un intervalle 0 -

1"", (vo

étant le volume molé-culaire à la

température

7’o, v

le volume à la

tempé-rature

l’,)

on trouve

qu’elles

s’inscrivent toutes en

une courbe

unique

avec un écart de la courbe moyenne

ne

dépassant

pas

2,5

pour 100 environ

(pour 0

0,8)

quelle

que soit la valeur de

To,

pourvu que l’on ait

0 ~

1’0

variant de

7’o

à

T~ ;

est une limite

supérieure

de

l’o.

Le

rapport

ne

dépend

que de

l’écart maximum admis à

partir

de la courbe moyenne:

ainsi,

pour que cet écart soit inférieur à 3 pour 100 à

.

r

0

= 0,8,

on doit

prendre

2013

== 0,6. p

T

Puisque,

pour

Ta =

0

(réduction

de Van der Waals

modifiée),

on trouve une courbe

unique

pour tous les

liquides

étudiés,

il s’ensuit que pour tous ces

liquides

les

fonctions U

sont

représentées

éga-0

Bc

20132013

7", )

g lement par une courbe

unique,

quel

que soit le

liquide

étudié et

quelle

que soit la valeur de

To,

choisie au

hasard,

pourvu que l’on ait pour

chaque liquide

TC) L

Tm,

T variant de

To

à

T,.

Cette

possibilité

de réduction

générale

est évidem-ment liée à une forme assez

particulière

des courbes

expérimentales ;

un calcul

simple

permet

de le montrer

et d’établir en même

temps

la forme

générale

des

équa-tions

approchées

de ces courbes.

Discutons de

plus près

le cas des volumes :

l’expé-rience montre que, si l’on pose pour un

liquide

donné

la courbe réduite des volumes

liquides

satisfait aux conditions

(dictées

par

l’expérience) :

(a) f ._.~

1 pour x ~

0, quel

que soit

(~) f est

une fonction croissante

de x, qui

tend vers

une limite finie

(1) avec

une

tangente

infinie

quel

que soit

To.

Pour toute valeur donnée

de x,

f

diminue

quand

(1) Cette condition ne joue pas dans le cas de 1%

compressibi-lité qui devient infinie au point critique.

To augmente,

mais sa variation

relative,

insensible

quand

x est

petit,

reste

toujours

faible,

c’est-à-dire : -.

est nul pour x ==

0,

négatif

et

toujours petit, quel

que soit x, tant que

~"o

n’est pas

frop

voisin de

1’c-En

exprimant x

en fonction

de y et

To,

à l’aide de

(2),

on

peut

encore écrire

(3)

et

(3 a)

sont deux formes

équivalentes

de

l’équa-tion différentielle de nos courbes.

De

(1)

et

(1 a)

on

déduit,

pour x restant

constant,

(3)

prend

la forme

coefficient

angulaire

de la courbe réduite pour x ~

0,

est

toujours

positif.

L’intégrale

de

(4) correspondant à

une valeur donnée de

To

et satisfaisant à la condition

(a)

s’écrit

Si la réduction était

parfaite

(~~ (x.

To)

m

0),

on aurait

a étant

positif; (6)

ne satisfait pas aux conditions

(~}.

Le choix des

fonctions §(x)

et

K~/)

est dicté par

l’expé-rience.

Si,

par

exemple,

on

développe

~~ (~x)

en série de

Taylor,

en

remarquant

que cette fonction s’annule pour ~x = 0 et reste

toujours

négative

et

petite,

on trouve

y -

(1

exp

+

+

... l .

(7)

Les fonctions

(7)

qui

satisfont aux conditions

(~),

sont assez

compliquées.

Néanmoins cette formule est

com-, mode

quand

on se borne aux faibles valeurs de x,

(4)

et que l’on

développe l’exponentielle

en s’arrêtant aux deux

premiers

termes, on retrouve la formule des

com-pressibilités

de

(I, 3).

Si l’on utilise la formule

(5 a) en développant la fonction

c~1

(y, l’o)

en série de la variable et se bornant aux deux

premiers

termes,

de sorte que la

condition

(pi

(y,

To)

= 0 soit satisfaite pour

ona:

m (y)

- b

(1

- y), b

>

o

et

l’intégrale

de

(5 a)

s’écrit : y b - a

(1

-

X)b-a.

Posons

b

= c ; c, valeur de y b-a

=

pour x

= § ,

est

toujours

supé-0

rieure à l’unité

quand

To

l,;

(8)

s’écrit alors

(8)

ou

(8 a)

est la seule

intégrale

de

(5 a)

satisfaisant aux conditions

(x)

et

()

et

s’exprimant

sous forme

fi-)

nie. Si au lieu de s’arrêter aux deux

~

premiers

termes du

développement

de ~1

(y,

To)

on

prend

d’autres

termes,

l’intégrale

de

(5 a)

satis-faisant aux conditions

(~)

n’existe pas sous forme

finie,

car, comme pour

la

fonction (7), il

faut introduire tous

les coefficients du

développement.

(8a)

revient en somme à soustraire d’une constante c une « courbe

idéale» de la forme de

(6),

avec la

condition que les

tangentes

à

l’ori-gine

de

(6)

et

(8 a)

soient les mêmes. Un calcul

simple

montre que, pour cc

donné,

y devient

pratiquement

in-dépendant

de c, sauf au

voisinage

immédiat du

point

critique (x

-

1),

dès que c devient

supérieur

à un

certain

minimum ;

par

exemple

pour a -

0,3

on a cumin - 3.

O.

V’

~

On sait que c

= U‘

4 pour tous

VO

les

liquides,

et l’on

comprend

la

possibilité

d’une

dispersion

des volumes

critiques,

sans que la

cor-respondance

cesse dans le reste du domaine

liquide.

La seule condition suffisante de cette

correspondance

est que

soit

indépendant

de la nature

liquide,

comme on le vérifie sur la

figure 2

bis.

La formule

empirique représentant la courbe moyenne

v

-

T-

Tf

B

v

= dans

(1. 2),

est de la forme

B/c2013/jF/

Les résultats que nous venons d’obtenir

s’appliquent

évidemment à la tension

superficielle, qui

par l’inter-Fig. 1.

(5)

297

médiaire de la formule

d’Eütv«s,

dépend

des volumes moléculaires.

L’expérience

montre

qu’ils

sont en-core valables pour les chaleurs la-tentes

d’évaporation

et,

au moins dans un certain

domaine,

pour la

compressibilité.

Pour illustrer ces résultats nous donnons les courbes de variation des

propiiétés

liquides

en fonction des deux

températures

réduites :

Pour les

figures, ra

et n bis se

rap-porteront toujours, respectivement,

aux variables 0 et

Uyy

(1).

2. Chaleurs moléculaires.

-Les

premiers

essais

qui

ont conduit à la

température

réduite 0 ont

porté

sur les chaleurs moléculaires à vo-lume constant des

liquides

mono-atomiques.

Les courbes des

figures

1 et 1 bis sont relatives aux chaleurs moléculaires de

quelques liquides

mono ou

diatomiques

et de

l’éthy-lène. Les ordonnées

représentent

dans les deux cas

les c,,

telles

qu’elles

résul-tent des mesures directes pour les

mono-atomiques

et pour l’air

(2).

Dans le cas

de

Br2, cv

a été calculé à

partir

de

Cp

expérimental

à l’aide de la formule li

thermodynamique

bien connue

Cp-

c,

KT V a2 ,

p

-

P

et l’on a

corrigé

le résultat

obtenu en

soustrayant

la chaleur pro-venant des vibrations internes de la molécule

(3).

Pour

CIH6

les c, ont été calculés à

partir

des mesures direc-tes

(1),

en retranchant de la chaleur moléculaire totale les contributions des

rotations libres de radicaux

CH3

et des vibrations internes. Nous avons admis que ces contributions dans le

liquide

sont les mêmes que dans le gaz

(’"), (6) .

Nous avons

essayé

de calculer c, pour d’autres

liquides polyatomiques

dont on connaît

expérimentalement

Ç,

en

nous]

servant de la formule

Cp - CU

K TV .2 2

. _

.

p

, -

2013201320132013.

. Mais les corrections sont

À

(1) Nous avons emprunté les données numériques aux fables,

en particulier à celles de Landolt-Bôrnstein, où l’on trouvera la

bibliographie complète.

(2) Nous n’avons pas porté sur la courbe des c7, les points

correspondants au Cs comme il a été fait sur (I, fig 5) car la

température critique n’a pas été mesurée mais calculée à l’aide des formules empiriques.

(3) Celle-ci est négligeable dans le cas de l’air.

() A. EucKEN et HAUCK. Z. 1fJ28, 134, 161.

(~) A. IJucxErr et K. WIFGERT. Z. Chern., 1933, 235, 23.

Ct) Dans la note (1) de (I p. 444) nous avons écrit que Cp - r,, -+- 00 pour T ~ y’c; on doit lire : « Cp -

c, ~ 0 ponr

T ~ ce qui est absurde, car on sait que pour T -~- 7~,

Cp 2013~- oo et que Cv reste fini pour cette température. n

Fig. 2.

(6)

multiples

et souvent peu

sûres ;

ni le coefficient de instructif d’étendre la courbe des volumes aux

dilatation à

pression

constante ~, ni la

compressi-

vapeurs saturantes sous la

pression

d’équilibre.

Les

bilité P

ne se déduisent directement des mesures abscisses des

figures 2

et 2 bis sont

respectivement

6 et

pour 0

>

0,4, et,

d’autre

part, les

vibrations internes

0- Il,-.

Pour la

figure 2

bis,

la réduction est celle de Van des molécules sont

compliquées

et souvent mal der

Waals,

avec, comme volume de

référence,

le débrouillées. C’est

pourquoi

nous avons

préféré

volume moléculaire à une

température 8lV

~

0,6.

réserver la

question.

(Nous

avons d’ailleurs

essayé

d’autres

températures

3. Volumes moléculaires. - Il nous a paru avec un résultat

comparable) (1).

On constatera que, sur la branche

liquide,

les écarts entre les

points

individuels et la courbe moyenne sont du même ordre pour les deux modes de réduction

(1).

On retrouve sur les deux courbes l’anomalie de

l’hydrogène

(1, §

3).

Il

est intéressant de noter que si l’on trace le diamètre

rectiligne

moyen sur la

figure

2,

on trouve un volume

critique

moyen

triple

du volume à la fusion

(1).

L’accord est médiocre sur les bran-ches de la « vapeur saturante » des

fi-gures 2

et 2 bis. Ceci tient au fait que, pour les vapeurs, il faut tenir

compte

de la

pression

et que les

pressions

de

va-peur saturante ne sont des

grandeurs

réductibles ni avec la variable 0 ni

avec

a~,.

4.

Compressibilités

(~).

- Sur la

figure

3

bis,

les ordonnées

représentent

2013’2013 ; 6

étant la

compressibilité

et

l’in-0,3,î

dice

0,35

la

température

réduite de

réfé-rence

OW

=

0,35.

Pour les deux

réduc-tions l’accord est

comparable

(5).

5. Tension

superficielle.

-~- Le raisonnement de

l’article

(1, § 5)

fondé sur la loi d’Eôtvôs

peut

s’étendre à la variable Les résultats

expérimentaux

peuvent

donc se

représenter

avec des

approximations

équiva-lentes dans les deux réductions. C’est ce que vérifie la

figure 4

bis où l’on retrouve les deux mèmes groupes de corps que sur 1

fig.

3.

6. Viscosité. - Dans le cas de la réduction de

Van der Waals

modifiée,

nous avons pu

dégager

quel-ques

analogies

entre certains

liquides

(ce

qui

parais-sait difficile dans la réduction 6

(1, §

6)).

On a en gros trois groupes de

liquides :

-. les uns sui-vent la courbe

1,

les autres la courbe

II,

le troisième groupe est constitué par les alcools dont les

points

se

dispersent

(voir fig. 5 bis).

Cette classification des

liquides

est en assez bon accord avec celle de E. N. da C. Andrade

(Phil.

Mag.,

[7], 17,

p. 490 et

698).

7. Chaleur latente

d’évaporation. -

Les or-données des

figures

6 et 6 bis sont

respectivement

les

L L

rapports

des chaleurs latentes totales et

-2013,

et

/~.

Ot55

(i) Le choix de la température ~ 0,6 a été fait pour éviter les extrapolations au cas des liquides pour lesquels on a

peu de mesures au-dessous de cette température. La comparaison des deux modes de réduction est assez complexe, car le domaine

liquide des différents corps n’est pas le même dans l’échelle des

et quand nous disons que les deux réductions sont

com-parables, nous entendons par là que les écarts en ordonnées pour les points individuels à partir de la courbe moyenne sont du même ordre de

grandeur.

(z) Sur les figures 2 et 2 bis nous n’avons pas porté les

points

relatifs à tous les liquides déjà étudiés (1, fig. 1) ni d’autres que

nous avons étudiés depuis, ceci simplement afin de ne pas

sur-charger les graphiques. Néamoins l’accord sur la branche

« liquide » est du même ordre que pour les points déjà portés.

(3) Mais la dispersion des volumes critiques, déterminés en général pour la loi du diamètre rectiligne, conduit à se demander s’il est légitime d’extrapoler cette loi jusqu’au point critique.

L’expérience paraît mettre en évidence des écarts à cette loi

(petits il est vrai). (Cf. par exemple Mathias,

Kammerlingh-Onnes et Crommelin, Ann. de Physique [9], 17 (1922), 460.

($) Les figures 3, 4 et 5 n’ont pas été reproduites ici; elles se

trouvent dans l’article 1 aux figures 2, 3 et 4 respectivement.

(5) Dans le cas de la compressibilité l’abondance des mesures de ~ aux basses 0w nous a permis de prendre pour température

de référence ~hv == 0, 35.

(7)

299

Fig. 3 bis.

(8)

Fig. 6.

..-Fig. 6 bis.

sur les

figures

7 et 7

bis,

ce sont les mêmes

rapports

pour les chaleurs latentes internes On a : i

L ~

Li + p

2013

V,)

où L est la chaleur latente

totale,

Ll

la chaleur

latente

interne, p

Ja

pression

de vapeur

(9)

301

0 .0

Fig. 7.

Fig. ’ï bis.

vi celui du

liquide

en

équilibre

avec sa vapeur

(1).

(1) On retrouve l’anomalie de l’hydrogène, mais l’eau ~e

place sur la courbe moyenne.

(10)

l’on vérifie en

comparant

les courbes obtenues en

H F

portant

les

rapports

et

W ,

avec

r

0,55

" les indices

f et

0,55

correspondent respectivement

au

point triple,

et à

Ow

_-_

0,55.

L’accord est meilleur

pour la réduction de Van der

Waals,

ce

qui

est

naturel,

car ces travaux

dépendent

surtout des

pro-priétés

des gaz ; mais comme le travail W n’est que le

dixième de

L,

l’accord sur la

figure

7 est encore

assez bon.

Si S

représente

la différence

d’entropie

entre vapeur

saturante et

liquide

à la même

température

on a :

S

= ~ ;

on voit que dans la réduction de Van der est une

grandeur

réductible avec la même

approximation que L,

ce

qui

n’est pas le cas dans la

réduction

0,

où T n’est pas une

grandeur

réductible. 8. Pression de vapeur saturante. - Il est dif-ficile de tracer une courbe bien définie du

rapport

mais la réduction de Van der Waals

paraît

donner un

groupement

des

points

un peu meilleur

(’).

9. Conclusion. - De ce

qui précède,

nous pou-vons conclure que la « loi des

températures

correspon-dantes »

(température

réduite de Van der

Wals),

s’ap-plique

avec une bonne

précision,

aux

propriétés

des

liquides pris

sous

pression

de vapeur saturante.

(1) Après la publication du mémoire 1, nous avons retrouvé

un travail de Mme K. MEYFR (Z. Phys. Chem., 1910, 71, 325), dans

lequel, en partant de la réduction de Van der Waals, 31me Meyer a cherché à améliorer l’accord entre les courbes des différents 1..d h ..

t 1 .

bl ’d. L

T - T,

liquides, en choisissant les variables réduites :

== 2013201320132013.

Tc

Tc est la température critique, To une correction de quelques

degrés, positive ou négative suivant le corps étudié, et ’9 ==

ve -

VO

où p est le volume réduit, r, le volume à la température T,

VC le volume critique, v,, une correction positive ou négative

de l’ordre de quelques pour 100. L’accord qu’a obtenu Meyer

On

peut

considérer cette loi comme une

première

approximation, quitte,

pour une étude

plus

appro-fondie,

à introduire la structure

particulière

à

chaque

liquide,

ce dont on ne tient pas

compte

en

portant

les

rapports

-, -, -,

etc.,

en fonction de

T

vo cro

po

7~.

D’au-tre

part,

la

possibilité

d’avoir d’autres

températures

réduites de la forme

est liée à la forme

algébrique

des courbes.

Néanmoins,

étant donnée

l’importance énergétique

des chaleurs

moléculaires,

le fait que le tracé des courbes des c~

paraît

mieux se réduire en fonction de

(dans

la limite des résultats

expérimentaux actuels),

donne une

signification particulière

à cette

tempéra-ture réduite. Mais il ne nous semble pas

que 7)

soit

uniquement

déterminée par les

propriétés

des

liquides.

C’est la

température

où les deux

potentiels

thermo-dynamiques

du solide et du

liquide

sont

égaux,

T f

est donc déterminée à la lois par les courbes du

potentiel

du

liquide

et du solide.

Nous ne voudrions pas terminer sans remercier M. Bauer pour sa constante bienveillance et pour ses

critiques

judicieuses, qui

nous ont

permis

de mener à

bien ce travail.

entre les points des différents liquides est meilleur que celui que l’on obtient avec les variables de Van der Waals. Sa réduction des températures rentre dans le cadre général du § 1. Il n’en est

pas de même des volumes, mais étant donnée la forme des courbes il est évident qu’en choisissant convenablement les constantes

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justement ceuxdont les points s’alignent àpeuprès sur une courbe de Van der Waals avec la température 0~,.

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