Travaux Pratiques de physique Fluide 1 : Masse Volumique – Tension Superficielle Version du 09/10/2017

Rappels Théoriques Manipulation Masse volumique et principe d’Archimède Tension superficielle Manipulation Partie 1 : Masse volumique du méthanol ? Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique Partie 2 : Tension de surface ? Capillarimétrie Précaution d’emploi

Rappels Théoriques Manipulation Masse volumique et principe d’Archimède Tension superficielle Manipulation Partie 1 : Masse volumique du méthanol ? Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique Partie 2 : Tension de surface ? Capillarimétrie Précaution d’emploi

Masse volumique La masse volumique est définie pour un corps de masse m et de volume V comme V,m [g/cm³] [kg/m³] (unités MKS) Plus la masse volumique est grande, plus l’objet est dense.

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

Principe d’Archimède V, rsol z Si le solide est complètement immergé : 1e cas : Si , Fres < 0 et le solide coule 2e cas : Si , Fres > 0 et le solide remonte

Principe d’Archimède Si le solide flotte : V, rsol z 3e cas : Si , Fres = 0 et le solide flotte avec une partie VImm immergée

Principe d’Archimède MRéelle MApp V, rsol Reliée à une balance hydrostatique, un corps plongé dans le fluide aura une masse apparente plus petite que sa masse réelle. V, rsol

Principe d’Archimède Si le solide coule ( ) , z V, rsol

Rappels Théoriques Manipulation Masse volumique et principe d’Archimède Tension superficielle Manipulation Partie 1 : Masse volumique du méthanol ? Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique Partie 2 : Tension de surface ? Capillarimétrie Précaution d’emploi

Tension superficielle 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 masse volumique est supérieure à celle de l’eau ; d’après le principe d’Archimède, ils devraient donc couler !

Tension superficielle (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.

Tension superficielle 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.

Tension superficielle Illustrations : (1) 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.

Tension superficielle (2) Flottabilité d’objets légers mais plus denses que l’eau (insecte…) Dès que la surface d’un fluide se déforme, des forces de surface apparaissent.  Forces de tension superficielle : résultante verticale non nulle qui équilibre le poids de l’objet

Tension superficielle Que vaut l’intensité de cette force ? Expérience : Membrane liquide ABCD non sphérique…soumise à des forces qui tendent à la faire rétrécir → donc devrait se contracter naturellement. Maintien de ABCD : Force F sur le bord AB. 2 observations : Si on agrandit la surface, la force F ne varie pas car la membrane a, en fait, une certaine extension. La force F ne dépend que de la longueur de contact l (ici 2 AB) sur laquelle elle s'exerce. Tension superficielle : [N/m]

Tension superficielle d 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 h d Stabilisation quand équilibre avec le poids de la colonne de liquide Légère dépression  montée du liquide

Tension superficielle d Longueur de contact : Force de tension sup : Poids : h Poids Equilibre :

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Matériel Partie 1 Pycnomètre Balance Partie 2 Tube Capillaire

Allumage : « On » Si à vide, elle n’indique pas 0, «Tare» Stabilisation :  ou g Erreur de mesure : 5 mg

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Mesure de la masse volumique du méthanol à l’aide du pycnomètre Pycnomètre : Volume connu précisément Liquide X, ρ ? (méthanol) Eau, ρ’ m M’ M

Mesure de la masse volumique du méthanol à l’aide du pycnomètre Remplir complètement d’eau et mettre au trait en enlevant le surplus à l’aide d’une seringue. Poser son pycnomètre en attendant la pesée, sinon, chauffage → V varie Vider l’eau dans l’évier. Ne pas jeter le liquide X (méthanol) dans l’évier. Ne pas mélanger l’eau et le liquide X (méthanol). Pour sécher le pycnomètre, demander aux techniciens, Jean-Pierre ou Mathieu, près de l’entrée du labo. Mesurer la température de l’eau distillée et déduire la masse volumique r’ (tableau dans le labo ou dans l’intro)

Rappels Théoriques Manipulation Masse volumique et principe d’Archimède Tension superficielle Manipulation Partie 1 : Masse volumique du méthanol ? Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique Partie 2 : Tension de surface ? Capillarimétrie Précaution d’emploi

M M’’ M’ Basé sur le principe d’Archimède Mesure de la masse volumique du méthanol à l’aide de la balance hydrostatique Basé sur le principe d’Archimède M M’’ M’ Masse en laiton Eau, ρ’ Liquide X, ρ ? (méthanol)

Mesure de la masse volumique du méthanol à l’aide de la balance hydrostatique Attention : La masse doit être complètement immergée dans le liquide → ajuster éventuellement le niveau avec la pissette La masse ne doit pas toucher le fond du bécher. Vider l’eau dans l’évier. Ne pas jeter le liquide X (méthanol) dans l’évier. Ne pas mélanger l’eau et le liquide X (méthanol). Sécher la masse avec du papier absorbant, au changement de liquide. Mesurer la température de l’eau distillée et déduire la masse volumique ρ’ (tableau dans le labo)

Rappels Théoriques Manipulation Masse volumique et principe d’Archimède Tension superficielle Manipulation Partie 1 : Masse volumique du méthanol ? Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique Partie 2 : Tension de surface ? Capillarimétrie Précaution d’emploi

Diamètre du capillaire : (0.500 +/- 0.030) mm Déposer le capillaire juste à la surface du liquide (à l’aide du support) Mesurer (5 x) la hauteur du ménisque A HAUTEUR D’OEIL ! Noter la masse volumique du liquide X (mesurée précédemment) Déduire la tension superficielle du méthanol Attention : Vider le capillaire en le déposant sur du papier absorbant. d 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)