MATIÈRE (physique)État liquide

Les propriétés des liquides

Si l'on excepte de très rares cas particuliers, comme l'eau, tous les corps subissent à la fusion une augmentation de volume de 5 à 15 p. 100. La masse spécifique d'un liquide diffère donc assez peu de celle de la même substance à l'état solide et, près du point de fusion, la compressibilité du liquide n'est que peu supérieure à celle du solide. De même, la chaleur latente de fusion est toujours nettement inférieure à la chaleur latente d'ébullition. Ces faits indiquent que certaines grandeurs physiques sont peu différentes à l'état liquide et à l'état solide. Mais les liquides ont des propriétés tout à fait caractéristiques, comme la fluidité, ou sa grandeur inverse la viscosité, et les phénomènes de tension superficielle.

La viscosité des liquides

La grandeur qui mesure la résistance d'un liquide à l'écoulement, appelée viscosité, est définie par la loi de Poiseuille. D'après cette loi, le débit volumique dV/dt d'un fluide, dans un tube cylindrique de rayon r, de longueur l, sous l'action d'une différence de pression ΔP entre les extrémités du tube, s'exprime par la relation :

où la constante η, qui s'exprime en poises (P), est le coefficient de viscosité du liquide (tabl. 1).

L'analyse de l'écoulement visqueux (appelé aussi laminaire) montre que la vitesse d'écoulement du liquide varie de la périphérie au centre d'une section droite du tube. Elle est nulle à la périphérie et maximale au centre. Si l'on décompose le liquide en une multitude de couches concentriques à partir de la paroi, il apparaît que la viscosité traduit la résistance qui s'oppose au déplacement relatif d'une couche par rapport à sa voisine. On comprend ainsi que la viscosité d'un liquide est d'autant plus élevée que les molécules qui le composent sont plus grosses, ou que les interactions entre molécules sont plus fortes ; que la viscosité décroît lorsque la température s'élève.

D'une façon assez paradoxale, on comprend l'importance de la viscosité dans les phénomènes de lubrification. En effet, si l'on se rapporte à ce qui a été dit du mouvement relatif d'un liquide et d'une surface solide, il apparaît qu'une pièce en mouvement dans un milieu liquide communique son mouvement aux couches de liquide proches de sa surface. Imaginons la surface cylindrique d'un axe qui tourne dans un palier. Les contraintes extérieures font qu'en l'absence de lubrifiant à tout moment l'axe et le palier sont en contact le long d'une génératrice du cylindre. En présence d'un lubrifiant, l'axe en rotation entraîne avec lui un film de liquide, lequel est capable de subsister malgré la pression extérieure qui tend à réduire son épaisseur dans la zone où les deux pièces sont pratiquement en contact. De l'analyse des forces en présence, on conclut aisément que le film résiduel est d'autant plus épais que le liquide est plus visqueux. Cependant, il est évident que la viscosité n'est pas le seul facteur important et que les propriétés de l'interface métal-liquide jouent également un rôle.

La tension superficielle des liquides et la capillarité

De nombreux phénomènes de la vie courante montrent qu'il faut dépenser de l'énergie pour augmenter la surface libre d'un liquide. On nomme tension superficielle le facteur de proportionnalité γ (tabl. 2) qui relie le travail dépensé à l'accroissement de la surface. Ainsi, c'est la tension superficielle qui fait que la goutte qui se forme à l'extrémité d'un compte-gouttes ne tombe que lorsqu'elle a atteint une masse suffisante pour vaincre les forces qui tendent à faire rentrer le liquide dans le tube pour en réduire la surface libre.

Les manifestations les plus importantes de la tension superficielle sont les phénomènes capillaires. Il est facile de vérifier que si un récipient contient un liquide quelconque (par exemple de l'eau) avec une très grande surface libre, et que l'on plonge dans le liquide l'une des extrémités d'un tube transparent (par exemple du verre) en maintenant le tube vertical, le niveau du liquide dans le tube est différent du niveau dans le récipient. En général, le liquide s'élève dans le tube au-dessus de la surface libre dans le récipient. Une observation attentive montre que la surface du liquide dans le tube a la forme d'un ménisque concave et que, d'une façon générale, l'angle de contact du liquide avec une surface verticale n'est pas droit. L'analyse du phénomène met en évidence le rôle de la tension superficielle ainsi que de la mouillabilité d [...]

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