Action capillaire – Mouvement des liquides dans les espaces étroits (Physique)

L’action capillaire, également appelée capillarité ou mouvement capillaire, est un phénomène physique fascinant dans lequel un liquide se déplace spontanément dans des espaces étroits, comme des tubes fins ou des matériaux poreux, défiant des forces externes telles que la gravité. Ce mouvement résulte de l’interaction délicate entre les forces cohésives du liquide (attraction entre molécules d’une même substance) et les forces adhésives (attraction entre le liquide et une surface solide). L’action capillaire est observée lorsque l’eau grimpe dans un tube fin immergé dans un récipient, ou lorsqu’un tissu absorbe un liquide renversé. Ce processus est fondamental pour de nombreux systèmes naturels et technologiques, du transport de l’eau chez les plantes à l’écoulement de l’encre dans les stylos et au fonctionnement des dispositifs microfluidiques.

Principes physiques fondamentaux

Cohésion

La cohésion est l’attraction intermoléculaire entre les molécules d’une même substance. Dans les liquides comme l’eau, la cohésion provient principalement des liaisons hydrogène, provoquant l’adhérence des molécules entre elles. Cette propriété est responsable de phénomènes tels que les gouttes d’eau qui perlent sur une surface et le maintien de la tension superficielle. Dans l’action capillaire, la cohésion s’oppose au mouvement du liquide, mais permet également à la traction vers le haut due à l’adhésion de se transmettre dans la colonne de liquide.

Adhésion

L’adhésion désigne les forces d’attraction entre différentes substances, telles que les molécules de liquide et une surface solide. Lorsqu’un tube en verre est inséré dans de l’eau, la forte attraction entre les molécules d’eau polaires et la silice du verre fait monter l’eau dans le tube. L’intensité de l’adhésion dépend des propriétés chimiques et physiques du liquide et de la surface, influençant si le liquide mouille (s’étale sur) la surface ou forme des gouttes.

Tension superficielle

La tension superficielle est la tendance élastique de la surface d’un liquide, causée par des forces moléculaires déséquilibrées à l’interface. Elle se mesure par l’énergie nécessaire pour augmenter la surface d’un liquide. La tension superficielle permet aux liquides de former des gouttes et favorise le mouvement ascendant du liquide dans un tube capillaire. L’intensité de la tension superficielle dépend de la nature du liquide et de la température ambiante.

Angle de contact

L’angle de contact est l’angle formé à l’intersection de l’interface liquide-solide, mesuré à travers le liquide. Il quantifie la capacité d’un liquide à mouiller une surface. Un petit angle de contact (proche de 0°) correspond à un mouillage fort et à une montée capillaire importante, tandis qu’un grand angle de contact (supérieur à 90°) indique un faible mouillage et une possible dépression capillaire.

Forces intermoléculaires

L’équilibre entre la cohésion (attraction entre molécules identiques) et l’adhésion (attraction liquide-solide) est gouverné par des forces moléculaires telles que les liaisons hydrogène, les interactions dipôle-dipôle et les forces de van der Waals. L’intensité relative de ces forces détermine si un liquide monte ou descend dans un capillaire.

Action capillaire en pratique

Montée et dépression capillaire

Lorsqu’un tube étroit est inséré dans un liquide, deux scénarios peuvent se produire :

• Montée capillaire : Les forces adhésives entre le liquide et la paroi du tube sont supérieures aux forces cohésives au sein du liquide. Le liquide grimpe le long du tube, formant un ménisque concave. L’eau dans le verre en est un exemple classique.
• Dépression capillaire : Les forces cohésives dans le liquide sont plus fortes que les forces adhésives à la paroi du tube. Le liquide est déprimé dans le tube, formant un ménisque convexe. Le mercure dans le verre illustre ce comportement.

La hauteur de la montée ou la profondeur de la dépression dépend du rayon du tube, de la tension superficielle, de la densité du liquide et de l’angle de contact.

Loi de Jurin : l’équation de la montée capillaire

La hauteur maximale (( h )) qu’un liquide monte ou descend dans un capillaire est donnée par la loi de Jurin :

[ h = \frac{2\gamma \cos\theta}{\rho g r} ]

Où :

• ( \gamma ) : Tension superficielle (N/m)
• ( \theta ) : Angle de contact
• ( \rho ) : Densité du liquide (kg/m³)
• ( g ) : Accélération due à la gravité (9,81 m/s²)
• ( r ) : Rayon du tube (m)

Points clés :

• La hauteur est inversement proportionnelle au rayon du tube — les tubes plus fins donnent une montée plus élevée.
• Une tension superficielle plus grande ou une adhésion plus forte (angle de contact plus petit) augmente la montée.
• Les liquides plus denses montent moins.

Exemple de calcul

Donné :

• Eau (( \gamma = 0,0728 ) N/m à 20°C)
• ( \rho = 1000 ) kg/m³
• ( r = 0,0005 ) m
• ( \theta = 0^\circ )
• ( g = 9,81 ) m/s²

[ h = \frac{2 \times 0,0728 \times 1}{1000 \times 9,81 \times 0,0005} = 0,0297, \text{m} = 2,97, \text{cm} ]

Ainsi, l’eau monte d’environ 3 cm dans un tube en verre de 1 mm de diamètre.

Exemples et applications

Dans la nature

• Plantes : L’action capillaire dans les vaisseaux du xylème permet à l’eau et aux nutriments dissous de monter des racines vers les feuilles, essentiel à la survie des plantes.
• Sols : L’eau se déplace dans les pores du sol par capillarité, alimentant les racines et redistribuant l’humidité.
• Animaux : Les canaux lacrymaux et certains mécanismes d’alimentation (comme la trompe du papillon) reposent sur l’action capillaire pour le déplacement des fluides.

Dans la technologie et la vie quotidienne

• Stylos à encre : L’encre circule dans les fibres étroites des feutres et des stylos-plumes par action capillaire.
• Essuie-tout & éponges : Le liquide s’infiltre dans les espaces fins entre les fibres de cellulose, permettant l’absorption.
• Dispositifs microfluidiques : La capillarité est utilisée pour manipuler de minuscules volumes de fluide en diagnostic médical, analyse chimique et technologies « lab-on-a-chip ».
• Construction : La montée capillaire dans les matériaux de construction peut causer des dommages liés à l’humidité si elle n’est pas gérée.
• Récupération pétrolière : Dans les roches poreuses, l’action capillaire influence la distribution et l’extraction des fluides.

Observations quotidiennes

• L’eau qui grimpe dans une paille fine en verre ou en plastique.
• La manière dont le vin grimpe sur la paroi du verre (« larmes du vin »).
• L’absorption de la sueur dans les tissus sportifs.

Importance interdisciplinaire

L’action capillaire est un concept transversal, aux implications en :

• Physique : Mécanique des fluides et phénomènes de surface.
• Biologie : Transport de l’eau/nutriments chez les plantes et les animaux.
• Chimie : Chromatographie, comportement des solutions et mouillage.
• Ingénierie : Microfluidique, milieux poreux et conception des matériaux.
• Sciences de l’environnement : Mouvement de l’humidité dans les sols et cycle de l’eau.

Comprendre l’action capillaire permet des innovations en dispositifs médicaux, science des matériaux, agriculture et bien plus.

Points essentiels à retenir

• L’action capillaire résulte de l’équilibre entre les forces moléculaires adhésives et cohésives.
• Elle est la plus forte dans les tubes étroits ou les pores fins et dépend de la tension superficielle, de l’angle de contact, de la densité du liquide et du rayon du tube.
• L’action capillaire est à la base de processus essentiels dans la nature et la technologie moderne.

Pour aller plus loin

• Adamson, A.W., & Gast, A.P. (1997). Physical Chemistry of Surfaces, 6e éd.
• Israelachvili, J.N. (2011). Intermolecular and Surface Forces, 3e éd.
• “Action capillaire.” Wikipedia
• “Montée capillaire.” Encyclopædia Britannica

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