Des liquides qui grimpent
Plongez un tube de verre très fin dans l’eau : l’eau y monte au-dessus du niveau extérieur. Plongez-le dans du mercure : le niveau intérieur descend. Ces deux effets viennent de la tension superficielle et de la façon dont le liquide mouille la paroi. Le médecin anglais James Jurin en a donné la loi en 1718 ; elle porte son nom dans les manuels français.
La loi de Jurin
h = 2γ cos θ ÷ (ρ g r)
- γ : tension superficielle du liquide, en N/m
- θ : angle de contact entre le liquide et la paroi
- ρ : masse volumique du liquide
- g : pesanteur, 9,81 m/s²
- r : rayon intérieur du tube
Un angle de contact inférieur à 90° signifie que le liquide mouille la paroi et monte ; au-delà de 90°, il ne la mouille pas et descend. La hauteur est inversement proportionnelle au rayon : le produit h × r est constant pour un liquide et une paroi donnés.
Exemple
De l’eau pure à 20 °C, de tension superficielle 72,8 mN/m et d’angle de contact 0°, dans un tube de verre de 0,5 mm de rayon :
- h = 2 × 0,0728 × 1 ÷ (998 × 9,81 × 0,0005) = 29,75 mm
- Dans un tube dix fois plus fin, de 0,05 mm, elle monterait d’environ 30 cm
Propriétés courantes
| Liquide | γ (mN/m) | ρ (kg/m³) | θ sur le verre |
|---|---|---|---|
| Eau, 20 °C | 72,8 | 998 | environ 0° |
| Éthanol | 22,3 | 789 | environ 0° |
| Glycérol | 63,4 | 1 261 | environ 0° |
| Mercure | 485 | 13 534 | environ 140° |
La tension superficielle diminue quand la température augmente, et le savon ou les tensioactifs la font chuter : l’eau savonneuse monte beaucoup moins.
La longueur capillaire
La longueur capillaire, √(γ ÷ ρg), vaut environ 2,7 mm pour l’eau. En dessous de cette échelle, la tension superficielle l’emporte sur la pesanteur : les gouttes restent rondes, les gerris marchent sur l’eau et les liquides montent dans les interstices. Au-dessus, la pesanteur domine et les flaques s’étalent.
La capillarité au quotidien
- Remontées capillaires : l’eau du sol monte dans les pores fins des murs en pierre, en brique ou en pisé, fréquents dans le bâti ancien en France. Elles causent salpêtre, enduits qui cloquent et papier peint qui se décolle, et se traitent par drainage, injection de résine hydrofuge ou enduits à la chaux qui laissent respirer le mur.
- Sols : l’eau remonte de la nappe dans les sols fins, davantage dans l’argile que dans le sable.
- Mèches, papier absorbant et éponges aspirent les liquides par de fins canaux.
- Plantes : la capillarité aide, mais c’est surtout la cohésion de l’eau tirée par la transpiration des feuilles qui fait monter la sève.