Transcript Fluide1 - Université de Mons

Travaux Pratiques de Physique
Fluide 1 :
Masse Volumique – Tension superficielle
Service de Physique Biomédicale
Université de Mons
Plan

Rappel Théorique



Masse volumique et principe d’Archimède
Tension superficielle
Manipulation

Partie 1 :




Partie 2 :



Utilisation de la balance
Pycnomètre
Balance hydrostatique
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
V,m
m

V
[g/cm³]
[kg/m³] (unités MKS)
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.»
z
| P |  fluideVImm g
P
V, s
G
| G | mg  solVsol g
FRe s  P  G
 FRe s  P  G   fluideVsol g   solVsol g  (  fluide   sol )Vsol g
sol   fluide , Fres < 0 et le solide coule
Si sol   fluide , Fres > 0 et le solide remonte
Si
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
V, s
MApp
V, s
Reliée à une balance
hydrostatique, un corps
plongé dans le fluide aura
une masse apparente plus
petite que sa masse réelle.
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.»
| P |  fluideVImm g
V, s
F res
| G | mg  solVsol g
 FRe s  ( fluide  sol )Vsol g
Si le solide coule ( sol   fluide )
PApp  M App g et PApp  FRe s  FRe s  (sol   fluide )Vsol g
 M App  (  sol   fluide )Vsol
M App   solVsol   fluideVsol
M App  M Réelle   fluideVsol
Plan

Rappel Théorique



Masse volumique et principe d’Archimède
Tension superficielle
Manipulation

Partie 1 :




Partie 2 :



Utilisation de la balance
Pycnomètre
Balance hydrostatique
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
F
G
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 :
F l  F l
[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
d

G
h
Stabilisation
quand équilibre
avec le poids de
la colonne de
liquide
Rappels Théoriques : Tube
capillaire
Tension superficielle ?
d


G
h
Longueur du bord : pd
 Force de tension sup : pd
 Poids : mg=Vg=gp(d/2)²h


Equilibre lorsque Force
de tension sup = Poids
pd 
gpd 2 h
4
 
gdh
4
Plan

Rappel Théorique



Masse volumique et principe d’Archimède
Tension superficielle
Manipulation

Partie 1 :




Partie 2 :



Utilisation de la balance
Pycnomètre
Balance hydrostatique
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



Masse volumique et principe d’Archimède
Tension superficielle
Manipulation

Partie 1 : Densité du méthanol ?




Partie 2 : Tension de surface ?



Utilisation de la balance
Pycnomètre
Balance hydrostatique
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 m

'
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 ’ (tableau dans le labo)
Plan

Rappel Théorique



Masse volumique et principe d’Archimède
Tension superficielle
Manipulation

Partie 1 :




Partie 2 :



Utilisation de la balance
Pycnomètre
Balance hydrostatique
Capillarimétrie
Précaution d’emploi
Résumé
Manipulation : Mesure de densité à
l’aide de la balance hydrostatique

Basé sur le principe d’Archimède
M
M’’
Eau, ρ’
M M'

'
M  M ''
M’
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 ’ (tableau dans le labo)
Plan

Rappel Théorique



Masse volumique et principe d’Archimède
Tension superficielle
Manipulation

Partie 1 :




Partie 2 :



Utilisation de la balance
Pycnomètre
Balance hydrostatique
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
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 !!