LES FORGES MOLÉCULAIRES

l'expérimentation et le calcul mathématique appliqué aux données fournies par ces dernières.

Maintes fois, dans le cours de cet ouvrage, nous avons eu l'occasion d'invoquer l'existence de ces forces moléculaires, ou, si l'on préfère, de constater les mouvements intimes qu'elles provoquent dans la matière, soit pour expliquer certains phénomènes qui modifient telle ou telle loi physique, soit pour rendre compte de cette loi. Par exemple, les phénomènes capillaires sont une dérogation apparente aux lois de l'hydrostatique, et supposent l'existence d'une force différente de la gravité, et qui tend à attirer ou à repousser, suivant les cas, les molécules fluides au voisinage des corps solides. L'élasticité, dans les solides et les liquides comme dans les gaz, est nécessaire pour expliquer les ondulations ou vibrations sonores ; la même propriété, envisagée dans l'éther, forme la base de toute la théorie moderne de la lumière et de la chaleur. Les dilatations et les contractions, les changements d'état physique, les phénomènes de dissolution, de diffusion, de sur fusion, de cristallisation , {V allotropie ne s'expliquent que par des mouvements moléculaires, des ruptures d'équilibre, des groupements nouveaux dans les systèmes de molécules. L'état gazeux ne se comprend que si l'on suppose que les liens qui d'abord maintenaient le corps solide ou liquide et groupaient ses molécules à des distances mutuelles d'une extrême petitesse, sont rompus par l'intervention d'une force antagoniste.

Dans la plupart des phénomènes physiques ou chimiques, les actions moléculaires jouent donc un rôle important, sinon prépondérant. Nous n'avons ici en vue que les premiers, et, nous le répétons, nous avons dû souvent déjà décrire des phénomènes qui sont du domaine de la Physique moléculaire. Cette dernière partie du Monde physique, cette sorte d'appendice ne se justifierait point dès lors, si elle n'avait pour objet de compléter nos descriptions, en consacrant quelques paragraphes à un certain nombre de phénomènes qui n'ont pu trouver place ailleurs : aux phénomènes capillaires, à ceux de diffusion et de

pénétration des gaz et des liquides, soit entre eux, soit dans les corps solides, où ils paraissent subir des transformations dont l'élude est d'un haut intérêt scientifique.

Tout le monde sait que, si l'on met la surface inférieure d'un morceau de sucre, ou de craie ou d'un corps poreux quelconque, en contact avec un liquide, ce morceau s'imbibe avec plus ou moins de rapidité par l'ascension du liquide au travers de ses pores. C'est un phénomène semblable qui fait monter l'huile au travers des fibres de la mèche d'une lampe. Les faits

de ce genre sont connus depuis longtemps, mais ils ne sont étudiés scientifiquement que depuis un peu plus de deux siècles, puisque les premières expériences auxquelles ils furent soumis ne semblent pas avoirété connues de Pascal. Les expériences dont nous

Fig. 327. — Ascension de l'eau dans un tube capillaire. parlons furent faites a

l'aide de tubes d'un diamètre très fin, comparables pour cela à l'épaisseur d'un cheveu, ce qui fit donner aux phénomènes le nom de phénomènes capillaires.

Prenons un tube de verre dont la surface intérieure ait été bien nettoyée et plongeons-le verticalement dans l'eau (fig. 327) : nous verrons le liquide s'élever à l'intérieur du tube à un niveau supérieur à celui de l'eau du vase. La même chose arrive si, au lieu d'eau, on emploie de l'élher, de l'alcool, et en général un liquide qui mouille le verre. Mais si l'expérience est faite

avec du mercure, liquide qui ne mouille pas le tube, au lieu d'une ascension, c'est une dépression qu'on observe ; le niveau intérieur est en dessous de celui du liquide extérieur. Ces deux phénomènes opposés sont bien mis en évidence dans la ligure 328, où l'on voit en outre la forme particulière des sur-

les tubes capillaires. des surfaces terminales sur les bords

des vases.

faces liquides terminales aux points les plus voisins du tube, soit à l'intérieur de celui-ci, soit à l'extérieur. Celte forme est concave dans le cas de l'ascension d'un liquide mouillant le tube; elle est convexe dans le cas de la dépression. Une simple lame plongée, soit dans l'eau, soit dans le mercure, présentera d'ailleurs sur les parois en contact les deux mêmes genres de courbure.

On met encore en évidence l'ascension et la dépression des liquides dans les tubes capillaires, en employant un appareil composé de tubes de verre verticaux et courbés en U, dont une des branches a un grand diamètre, dont l'autre est un tube à très petit diamètre. La différence des niveaux dans les deux branches de ce siphon renversé est immédiatement visible. Si le liquide est de l'eau, le niveau est plus élevé dans le tube capillaire; il est plus bas clans le cas du mercure. La forme des surfaces terminales, concave dans le premier cas, convexe dans le second, se remarque aisément. De plus, si les divers tubes capillaires ont des diamètres différents, on peut constater (pic l'ascension ou y. 123

Fig. 530. — Ascension cl dépression des liquides dans les tubes capillaires.

Ja dépression est d'autant plus forte, qu'elle a lieu clans un tube de plus petit diamètre.

Comme nous le disions plus haut, les phénomènes capillaires sont une dérogation aux lois de l'hydrostatique, qui veulent qu'il y ait égalité de niveau entre des surfaces liquides dans des vases communiquants. Pour les expliquer, il a donc fallu supposer l'intervention de forces qui se développent entre les molécules des solides et celles des liquides, lorsque ces molécules se trouvent mises en présence, soit au contact, soit à des distances très petites.

Mais, avant de pouvoir aborder la théorie, il fallut se livrer à de nombreuses expériences et varier de toutes les façons les conditions dans lesquelles se produisent les phénomènes capillaires. Un point important fut établi, dès le début, par les académiciens de Florence : ayant répété dans le vide les expériences qu'ils avaient faites premièrement à l'air libre, ils constatèrentque l'ascension et la dépression observées persistaient, d'où la conséquence qu'il n'y avait pas lieu d'invoquer l'action de la pression atmosphérique. Newton le premier songea à expliquer l'ascension de l'eau dans un tube, ou entre deux plaques de verre parallèles, par une attraction analogue à celle qui maintient réunies les molécules des corps solides. Mais cette hypothèse ne put prendre corps qu'après la découverte des lois de ce phénomène. Il fallut étudier successivement l'influence de la nature du liquide, de sa température, de sa densité, et, puisque les phénomènes étaient d'autant plus marqués que les tubes capillaires étaient plus fins, s'assurer de la loi que suit la hauteur, quand on fait varier leur diamètre. C'est à un physicien du dernier siècle, Jurin, qu'est due la découverte de cette loi.

Jurin démontra que, pour un même liquide mouillant le tube, la hauteur à laquelle il s'élève au-dessus du niveau extérieur varie en raison inverse du diamètre du tube. Les expériences qui permettent de vérifier la loi sont d'ailleurs très délicates. Elles ont été reprises, avec toutes les précautions nécessaires, par Cay-Lussac, qui employa dans ce but la disposition indiquée par la ligure 551. C'est un catliélomèlrc à l'aide duquel

on mesure la distance verticale comprise entre le niveau du liquide dans le tube capillaire et le niveau extérieur, marqué par la pointe d'une tige qui affleure la surface de ce dernier. Gay-Lussac employa des tubes dont le diamètre variait entre lmm,3 environ et lGmm,5; mais la loi ne se vérifie que pour les tubes dont les diamètres ne dépassent pas 2 ou 3 millimètres. La nature de la matière du tube est sans influence ; on avait d'abord cru le contraire, parce qu'on n'avait point pris la pré-

Fig. 331. — Appareil de Gay-Lussac pour la vérification de la loi des diamètres dans les tubes capillaires.

caution d'en nettoyer parfaitement la surface intérieure et de la mouiller avant d'y introduire le liquide. Il n'en est pas de môme de la nature du liquide. Pour un tube de diamètre donné, la hauteur de la colonne capillaire varie d'un liquide à l'autre; les chiffres suivants, empruntés aux expériences de Frankenheim , sont relatifs à l'ascension de divers liquides dans un tube dont le diamètre est 1 millimètre à 0° :

Liquides. Hauteurs de !a colonne.

12mm 82

10mm,80

10mm,20

La température du liquide a aussi une influence. La hauteur de l'ascension va en décroissant à mesure que le liquide s'échauffe. Bien plus, d'après les recherches de M. Wolf, qui a expérimenté sur l'éthcr sulfuiïque, l'alcool, le sulfure de carbone, en les chauffant dans des tubes fermés, le ménisque concave terminal s'aplalit de plus en plus à mesure que s'élève la température, et finit par devenir plane et môme à se changer en un ménisque convexe, quand la température est suffisamment élevée.

La loi des diamètres se vérifie encore pour les liquides qui, comme le mercure, ne mouillent pas les tubes. Mais alors, comme l'a fait voir Avogadro, la nature de la substance du tube influe sur la dépression quand le diamètre est le môme. Ainsi, dans deux tubes de 1 millimètre de diamètre, l'un en fer, l'autre en plaline, ce physicien trouvait une dépression de lmra,226 dans le premier, de 0""\635 seulement dans le second.

Tous ces résultais de l'expérience peuvent être considérés comme autant de conséquences d'une théorie que Laplacc a établie, en s'appuyant sur l'hypothèse d'attractions moléculaires réciproques que les liquides et les solides exercent les uns sur les autres ou sur leurs propres molécules, à des distances extrêmement petites, et qui cessent d'agir dès que la distance devient sensible. La forme et la courbure des ménisques dépendent du rapport qui existe entre l'action des parois solides sur le liquide et celle du liquide sur lui-même. La résultante des actions combinées de ces deux forces et de la pesanteur dépend de leurs intensités respectives; elle peut être verticale, et dans ce cas la surface terminale est plane, le ménisque n'existe point ; ou être inclinée dans deux sens opposés par rapport à la paroi solide, et alors le ménisque, concave dans un cas, est convexe dans l'autre. Enfin, de la forme et de la courbure du ménisque dépendent les hauteurs de la colonne ascendante ou de la dépression, lesquelles, comme on vient de le voir, varient en raison inverse du diamètre des tubes.

Au lieu de tubes, on peut employer pour observer les phono-

mènes capillaires des parois solides de forme quelconque. Entre deux lames parallèles, l'ascension a lieu suivant la môme loi que pour les tubes, à la condition que l'on considère la distance des lames comme égale seulement au rayon du tube : ce qui revient à dire que les bailleurs du liquide ne sont que la moitié de celles qu'on observerait dans les tubes ayant pour diamètres les distances des lames.

Quand, au lieu de lames parallèles, on prend deux lames formant entre elles un certain angle, d'ailleurs très petit, et qu'on les plonge dans un liquide susceptible de mouiller leurs parois, voici ce qu'on observe : Le liquide va en s'élevant de plus en plus à mesure que se rétrécit l'intervalle qui sépare les deux lames. Si ces dernières sont en verre et transparentes, et qu'on fasse l'expérience avec de l'eau colorée, la surface terminale de la lame liquide interposée dessine une courbe qui n'est autre chose qu'une branche d'hyperbole équilatère.

Avec un tube de forme conique, le phénomène présente une particularité remarquable. Une goutte d'eau ou de tout liquide qui mouille les parois se termine des deux côtés par des ménisques concaves, dont la courbure esl plus forte du côté du sommet du cône. Si l'axe du tube esl horizontal, la goutte s'avance vers ce sommet; s'il est incliné à l'horizon, de façon que le sommet soit à un niveau plus élevé que la base, la goutte s'arrête à une position d'équilibre qu'on peut calculer à l'avance. Quand au lieu d'eau on emploie du mercure, la goutte s'éloigne du sommet du cône. Le premier cas se réalise dans le mouvement de l'eau dans les pipettes, et aussi dans celui de l'encre des tire-lignes, laquelle tend à s'écouler par la pointe, à mesure qu'elle s'élend sur le papier.

C'est encore à la capillarité que sont dus les mouvements

d'attraction cl de répulsion qu'on observe entre de petits corps légers flottant à la surface d'un liquide. Si ces corps sont, par exemple, deux boules également mouillées par le liquide, on les voit se précipiter l'une sur l'autre, dès qu'elles sont à une dislance assez faible pour que les ménisques concaves dont elles sont entourées arrivent à se rejoindre. Un phénomène semblable

a lieu pour deux boules qui ne

Fig. 555. — Phénomènes capillaires dans les tubes coniques.

sont pas mouillées par le liquide.

Au contraire, il y a répulsion (fig. 534) , si l'un des corps est mouillé tandis que l'autre ne l'est point1. Pour faire ces expériences avec l'eau, on emploie de petites balles de liège; les unes, à l'état naturel, sont mouillées ; les autres, enduites d'une couche grasse, ne le sont point. On doit à Mariotte une expérience curieuse qui se rattache au principe de ces attractions. Prenant deux verres à boire, on les emplit d'eau, l'un d'eux seulement à moitié, et

l'autre complètement jusqu'à ce que le niveau du liquide dépasse le rebord du verre. On voit alors les bulles d'air qui se forment à la surface de l'eau se rassembler au centre dans le second verre, tandis qu'elles se portent vers les bords du premier. Ces bulles sont comme des flotteurs mouillés qu'attire le ménisque concave du bord dans le premier verre, et que repousse le ménisque convexe dans le second. « C'est le fait vulgaire, dit M. Violle en rapportant l'expérience de Mariotte, des bulles d'air qui, à la surface du

Fig. 55i. — Répulsion de deux corps flotlanls, à la surface d'un liquide.

1. D'après les calculs de Laplacc, si les actions des deux corps flottants sur le liquide ne sont pas égales, le point d'inflexion des deux ménisques n'est pas au milieu de leur intervalle; alors si on diminue suffisamment ce dernier, les deux corps, au lieu de continuer à se repousser, doivent s'attirer ; c'est ce que l'expérience confirme,

café, se portent au centre ou vers le bord, suivant que la tasse est sèche ou humide. »

Au lieu de corps plus légers que le liquide, on peut y l'aire flotter des corps plus denses, par exemple une aiguille d'acier sur l'eau, si l'on a eu soin de l'enduire d'une couche grasse, ce qui s'obtient en la frottant simplement avec les doigts; un fil de platine, que ne mouille pas le mercure, flottera pareillement à sa surface, si l'on a soin de l'y poser avec précaution. Dans ces deux cas, la dépression capillaire a un volume total assez grand pour que le poids du liquide ainsi déplace surpasse celui du corps flottant. Cela explique la facilité avec laquelle courent à la surface de l'eau certains insectes dont les pattes sont terminées par des tarses enduits d'une matière graisseuse ; les dépressions capillaires sont telles, que le poids de l'eau déplacée est plus fort que celui de l'insecte. Les mêmes insectes enfoncent dans l'eau lorsqu'on les dépose à la surface après avoir lavé leurs pattes avec de l'éther, qui dissout la substance grasse dont elles sont naturellement imprégnées.

Nous avons donné plus haut quelques exemples de phénomènes où les actions capillaires jouent un rôle. On pourrait en citer beaucoup d'autres. C'est à la capillarité que l'hydrophane doit d'être transparente lorsqu'elle a été plongée dans l'eau et que le liquide a eu le temps de pénétrer dans les pores de la pierre; la lumière, auparavant réfléchie et diffusée par les parois des canaux intérieurs, passe sans obstacle grâce à la présence de l'eau qui les remplit. C'est également la capillarité qui donne aux pierres gélives leur fâcheuse propriété de se déliter quand la congélation, accroissant le volume de l'eau renfermée dans leurs pores, détermine la rupture des parois sous l'effort de la glace. La colle forte ne prend bien entre deux morceaux de bois qu'on veut réunir, que si la surface est assez sèche pour que la gélatine pénètre par capillarité à une suffisante profondeur. Enfin l'imbibition des terres se fait encore sous l'influence des actions capillaires, ainsi que celle des tissus; on rend ce dernier effet sensible en se servant d'un morceau d'étoffe en

Fig. 355. — Ascension des liquide s dans les tissus sous l'influence de la capillarité.

guise de siphon pour transvaser un liquide d'un vase dans un aulrc (fig. 335). On doit à M. Jarain une série d'expériences intéressantes sur l'intervention des mômes forces dans les phénomènes d'imbibition des corps poreux, secs ou préalablement mouillés, sur la façon dont les liquides, en pénétrant à l'intérieur de ces corps, refoulent l'air emprisonné dans les pores, de l'extérieur à l'intérieur, jusqu'à faire acquérir au gaz des pressions de plusieurs atmosphères. Appliquant les résultats de ces expériences aux végétaux, M. Jamin montra qu'ils pouvaient suffire à expliquer l'ascension de la sève dans leurs tissus1.

Les phénomènes dont il va être question dans le prochain paragraphe n'ont pas une moindre importance pour l'interprétation d'une multitude de faits que le physiologiste observe en étudiant la vie des végétaux et celle des animaux. Les applications scientifiques ou industrielles des lois qui régissent ces phénomènes sont également de plus en plus nombreuses.

On a construit des tables qui donnent la correction à faire, en ce qui concerne la capillarité, aux lectures des baromètres à mercure; ces corrections dépendent à la fois du diamètre intérieur du tube et de la hauteur ou de la flèche du ménisque. Malheureusement les résultats fournis par ces tables des dépressions capillaires sont peu certains et ne s'accordent point entre eux. Aussi les physiciens préfèrent-ils adopter la méthode de correction qui consiste à comparer le baromètre avec un baromètre étalon ou normal : il en résulte une constante qu'on peut vérifier de temps à autre, mais qui a l'avantage de donner en même temps la correction provenant du déplacement du zéro.

\. Leçons sur les lois de l' équilibre el du mouvement des liquides dans les corps porevx [ailes en 1 8(1 1 devant la Société chimique de Paris.