Travaux Pratiques de Physique Fluide 1 : Masse Volumique – Tension superficielle Service de Physique Biomédicale Université de Mons

Plan Rappel Théorique Manipulation Résumé Masse volumique et principe d’Archimède Tension superficielle Manipulation Partie 1 : Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique Partie 2 : Capillarimétrie Précaution d’emploi Résumé

Rappels Théorique : Masse volumique La masse volumique est définie pour un corps de masse m et de volume V comme [g/cm³] [kg/m³] (unités MKS) V,m

Rappels Théorique : Principe d’Archimède « Tout corps plongé dans un fluide (liquide ou gaz) subit de la part du fluide une force verticale, dirigée vers le haut et ressort mouillé… En grandeur, la poussée d’Archimède est égale au poids du volume de liquide déplacé.» V, rs z Si , Fres < 0 et le solide coule Si , Fres > 0 et le solide remonte

Rappels Théorique : Principe d’Archimède « Tout corps plongé dans un fluide (liquide ou gaz) subit de la part du fluide une force verticale, dirigée vers le haut et ressort mouillé… En grandeur, la poussée d’Archimède est égale au poids du volume de liquide déplacé.» Mréelle MApp V, rs Reliée à une balance hydrostatique, un corps plongé dans le fluide aura une masse apparente plus petite que sa masse réelle. V, rs

Rappels Théorique : Principe d’Archimède « Tout corps plongé dans un fluide (liquide ou gaz) subit de la part du fluide une force verticale, dirigée vers le haut et ressort mouillé… En grandeur, la poussée d’Archimède est égale au poids du volume de liquide déplacé.» V, rs Si le solide coule ( )

Plan Rappel Théorique Manipulation Résumé Masse volumique et principe d’Archimède Tension superficielle Manipulation Partie 1 : Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique Partie 2 : Capillarimétrie Précaution d’emploi Résumé

Rappels Théorique : Forces de surface 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 densité est supérieure à celle de l’eau ; d’après le principe d’Archimède, ils devraient donc couler !

Rappels Théorique : Forces de surface (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.

Rappels Théorique : Forces de surface 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.

Rappels Théorique : Forces de surface 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). Illustration : 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.

Rappels Théorique : Tension superficielle Application : Flottabilité d’objets légers mais plus denses que l’eau (insecte…)  Forces de tension superficielle : résultante verticale non nulle qui équilibre le poids de l’objet

Rappels Théorique : Tension superficielle Donc, surface d’un liquide → Membrane tendue soumise à des forces qui tendent à la faire rétrécir… ABCD non sphérique… Donc devrait se contracter naturellement. Maintient de ABCD : Force F sur le bord AB. 2 observations : Si on agrandit la surface, la force ne varie pas et ne dépend que de la longueur de contact. De plus, l’expérience montre que la force F est proportionnelle à la longueur de contact l (ici 2 AB) sur laquelle elle s'exerce. → Tension superficielle : [N/m]

Rappels Théoriques : Tube capillaire 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 Légère dépression  montée du liquide h d Stabilisation quand équilibre avec le poids de la colonne de liquide

Rappels Théoriques : Tube capillaire Tension superficielle ? d Longueur du bord : pd Force de tension sup : tpd Poids : mg=rVg=rgp(d/2)²h h Equilibre lorsque Force de tension sup = Poids

Plan Rappel Théorique Manipulation Résumé Masse volumique et principe d’Archimède Tension superficielle Manipulation Partie 1 : Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique Partie 2 : Capillarimétrie Précaution d’emploi Résumé

Manipulation : Matériel Partie 1 Pycnomètre Balance Partie 2 Tube Capillaire

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

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

Manipulation : Mesure de densité à l’aide du pycnomètre Pycnomètre : Volume connu précisément Liquide X (Méthanol) Eau, ρ’ m M’ M

Manipulation : Mesure de densité à l’aide du pycnomètre Attention : Remplir complètement d’eau et mettre au trait en enlevant le surplus à l’aide d’une seringue Vider l’eau dans l’évier. Ne pas jeter le liquide X (méthanol) dans l’évier. Pour sécher le pycnomètre, demander à Jean-Pierre ou Michel. Mesurer la température de l’eau distillée et déduire la densité r’ (tableau dans le labo)

Plan Rappel Théorique Manipulation Résumé Masse volumique et principe d’Archimède Tension superficielle Manipulation Partie 1 : Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique Partie 2 : Capillarimétrie Précaution d’emploi Résumé

Manipulation : Mesure de densité à l’aide de la balance hydrostatique Basé sur le principe d’Archimède M M’’ M’ Eau, ρ’ Liquide X (méthanol)

Manipulation : Mesure de densité à l’aide de la balance hydrostatique Attention : Vider l’eau dans l’évier. Ne pas jeter le méthanol dans l’évier. La masse ne doit pas toucher le fond du récipient. Mesurer la température de l’eau distillée et déduire la densité r’ (tableau dans le labo)

Plan Rappel Théorique Manipulation Résumé Masse volumique et principe d’Archimède Tension superficielle Manipulation Partie 1 : Utilisation de la balance Pycnomètre Balance hydrostatique Partie 2 : Capillarimétrie Précaution d’emploi Résumé

Manipulation : Capillarimetrie Diamètre du capillaire : (0.500 +/- 0.030) mm Déposer le capillaire juste à la surface du liquide (à l’aide du support) Mesurer la hauteur du ménisque A HAUTEUR D’OEIL ! Noter la masse volumique (pour X, vous l’avez mesurée précédemment) Déduire la tension superficielle du méthanol 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)

Résumé Pycnomètre : Volume constant Balance hydrostatique : Mapp Séchage : demander à Jean-Pierre ou Michel Poser son pycnomètre en attendant la pesée, sinon, chauffage -> V varie Checker le niveau du trait avant la pesée Balance hydrostatique : Mapp Essuyer la masse en laiton au changement de liquide Ne pas toucher le fond du bécher Capillarimétrie : Mesure de hauteur Mesure à hauteur d’œil Séchage : déposer sur du papier absorbant !! Bon Travail !!