Avez-vous déjà vu une bougie ? Espérons que vous l'utiliserez. Un phénomène intéressant s'observe lorsqu'une bougie brûle : la base de la mèche est généralement toujours humide de cire fondue. La présence de cire fondue sur la mèche permet à la bougie de brûler longtemps. Qu'est-ce qui provoque la remontée de la cire fondue vers la mèche ? On observe le même phénomène avec les torches.
De nombreux phénomènes intéressants de notre vie quotidienne sont similaires à ceux observés avec les bougies et les lampes à huile. C'est comme si le liquide avait des « jambes », lui permettant de remonter. Pouvez-vous expliquer cela scientifiquement ? Un concept physique permettant d'expliquer ces phénomènes, ainsi que bien d'autres, est la capillarité.
Forces de cohésion et d'adhésion
La cohésion est la force d'attraction entre les molécules d'une même substance, tandis que la force d'attraction entre les molécules de substances différentes est appelée adhésion. Par exemple, si l'on verse de l'eau dans un verre, la cohésion se produit lorsque les molécules d'eau s'attirent entre elles, tandis que l'adhésion se produit lorsque les molécules d'eau et les molécules de verre s'attirent.
Angle de contact
Avant d'aborder le concept de capillarité, il est essentiel de comprendre l'influence des forces d'adhésion et de cohésion. Prenons l'exemple d'un liquide contenu dans un verre. Lorsque les forces de cohésion des molécules du liquide sont supérieures aux forces d'adhésion (les forces d'attraction entre les molécules du liquide et celles du verre), la surface du liquide se courbe vers le haut. C'est le cas, par exemple, de l'eau dans un verre : on dit alors que l'eau mouille la surface du verre. À l'inverse, si les forces d'adhésion sont plus importantes, la surface du liquide se courbe vers le bas. C'est le cas, par exemple, du mercure dans un verre.
L'angle formé par la courbe est appelé angle de contact. Lorsque la force de cohésion du liquide est supérieure à la force d'adhésion, l'angle de contact formé est généralement inférieur à 90°.o (image a). Inversement, si la force d'adhésion est supérieure à la force de cohésion du fluide, alors l'angle de contact formé est supérieur à 90°.o (figure b). Les forces d'adhésion et de cohésion sont théoriquement difficiles à calculer, mais l'angle de contact peut être mesuré. Quel est le lien avec la capillarité ?
Le concept de capillarité
Si la force de cohésion d'un liquide est supérieure à sa force d'adhésion, sa surface se courbe vers le haut. Lorsqu'on insère un tube fin (dont le diamètre est inférieur à celui du récipient), une colonne de liquide plus haute se forme. Autrement dit, le liquide contenu dans le récipient monte à travers le tube. Ceci est dû à la force de tension superficielle totale qui s'exerce vers le haut le long de la paroi du tube. La hauteur maximale que peut atteindre un liquide est atteinte lorsque la force de tension superficielle est égale ou égale au poids du liquide dans le tube. Par conséquent, le liquide ne peut monter que jusqu'à la hauteur pour laquelle la force de tension superficielle est équilibrée par son poids.
À l'inverse, si la force d'adhésion est supérieure à la force de cohésion du liquide, sa surface se courbe vers le bas. Lorsqu'on insère un tube fin (de diamètre inférieur à celui du récipient), une partie inférieure du liquide se forme (voir l'image ci-dessous).
Ce phénomène est connu sous le nom de mouvement capillaire, ou capillarité, et ces fins tubes sont appelés capillaires. Il est intéressant de noter que nos plus petits vaisseaux sanguins peuvent également être qualifiés de capillaires, car la circulation sanguine dans ces minuscules vaisseaux est aussi due à l'effet capillaire. De même, le phénomène de la cire fondue ou du kérosène remontant à travers une mèche en est une illustration. De plus, la capillarité jouerait un rôle essentiel dans le transport de l'eau et des nutriments des racines aux feuilles à travers les minuscules vaisseaux du xylème. Sans capillarité, la surface du sol se dessécherait immédiatement après la pluie ou l'irrigation. Un autre effet important de la capillarité est la rétention d'eau dans les interstices entre les particules du sol.
Équation de capillarité
Comment déterminer la hauteur de l'eau qui monte dans une colonne de tube capillaire ? Le liquide semble monter dans la colonne. 
tube capillaire de rayon r jusqu'à une hauteur h. La force qui joue un rôle dans le maintien du liquide à une hauteur h est la composante de la force de tension superficielle dans la direction verticale : F cos theta.
L'extrémité supérieure du tube capillaire étant ouverte, la pression atmosphérique s'exerce sur la surface du liquide. La longueur de la surface de contact entre le liquide et le tube est de 2πr (la circonférence du cercle). Par conséquent, l'intensité de la composante verticale de la force de tension superficielle agissant le long de la surface de contact est :
Si l'on néglige la courbure ascendante de la surface du liquide, alors le volume de liquide dans le tuyau est :
Volume de liquide = Surface du tuyau x Hauteur du liquide
V = A h
V = (π r 2 ) h
Si la composante verticale de la force de tension superficielle est équilibrée par le poids de la colonne de liquide dans le tube capillaire, le liquide ne peut plus monter. Autrement dit, le liquide atteint sa hauteur maximale lorsque la composante verticale de la force de tension superficielle est équilibrée par le poids du liquide à la hauteur h. La composante verticale de la force de tension superficielle est :
F = γ 2 π r cos θ
Par ailleurs, le poids du liquide contenu dans le tube capillaire est :
w = mg
w = ρ V g
w = ρ ( π r 2 h ) g
Lorsque le liquide atteint sa hauteur maximale (h), la composante verticale de la force de tension superficielle est égale au poids du liquide dans le tube capillaire. Mathématiquement, cela s'écrit :
Voici l'équation que nous recherchons. Si vous souhaitez déterminer la hauteur d'une colonne de liquide, veuillez utiliser cette équation.
