DES TROIS ÉTATS DE LA MATIÈRE ; FORCES MOLÉCULAIRES

44S. Des forces moi«euiaires. — Nous avons VU que les corps peuvent se Pi'ésenter à nous sous Tétat solide, i*état liquide et l'état gazeux. Ces corps sont ^^s réunions de molécules séparées les unes des autres par des espaces vides Nommés pores. Pour que ces molécules puissent former des corps solides qui ^nservent un volume déterminé et dont les parties ne se dispersent pas au hasard, il faut nécessairement qu'il existe entre elles certaines forces, dont l'effet soit de les maintenir à une distance déterminée. Ces forces se nomment forces moléculaires. Nous allons chercher quel en est le nombre et quelles sont leurs propriétés.

Cohésion. — Remarquons d'abord qu'un corps solide oppose une résistance ^and on cherche à séparer ses molécules en l'étirant. De plus, l'expérience inontre que ce corps cède, s'allonge ; et, si l'allongement produit n'est pas trop considérable, les molécules reviennent à leur première distance dès qu'elles Bont abandonnées à elles-mêmes. On en conclut qu'il existe entre ces molécules, une force qui tend à les rapprocher, et s'oppose à leur séparation. Cette force a reçu le nom de cohésion.

Forée répulsive. — Comme les molécules des solides ne se touchent pas, et que cependant la cohésion tend toujours à les rapprocher, nous sommes

conduits à admettre l'existence d*iine seconde force opposée à la première, et ayant pour effet de la contrebalancer. — On remarque aussi que, lorsqu'on rapproche les molécules d'un corps par la compression, on éprouve une grande résistance ; et que, si Ton cesse de comprimer, ces molécules reviennent à leur première distance, en s'éloignant les unes des autres. Il y a donc une force répulsive qui s'oppose à l'action de la cohésion, et lui fait équilibre, dans les solides, quand ils sont abandonnés à eux-mêmes.

La force répulsive existe entre les molécules des fluides ; car ces corps résistent à la compression, et tendent à revenir à leur volume primitif quand on cesse de les comprimer. La cohésion et la force répulsive sont égales et se font équilibre dans les solides et les liquides, puisque ces corps conservent un volume constant pour chaque température. Dans les gaz, au contraire, la force répulsive l'emporte, comme cela résulte de leur force expansive (3i).

L'existence des deux forces moléculaires, que nous venons de conclure de l'expérience générale de la traction et de la compression, peut être directement prouvée dans quelques cas particuliers que nous allons examiner.

i46. Preuves de la eoh«sioii dans les solides. — Si l'on enlève une portion de deux balles de plomb (fîg. 102), de manière à obtenir deux surface»

Fig. <02.

Fig. 104.

planes bien nettes que Ton appuie fortement l'une contre l'autre, les deai balles adhèrent avec tant de force, qu'il faut quelquefois un effort de pins de 20 kilogrammes pour les séparer. Cette expérience faite d'abord par Triewald et plus tard par Désaguliers, peut s'exécuter aussi avec des morceaux de cire ou d'argile humide, que l'on parvient facilement à souder par l'effet de la cohésion.

Plans de Ma^debourf^. — Deux plans de verre ou de marbre parfaitement firessés sont appliqués l'un sur l'autre, en les faisant glisser pour éviter Tinterposition de l'air (fig. 103). Ces plans adhèrent alors fortement, et il faat pour les séparer un poids dont la valeur dépend de l'étendue de leur surface et (lu soin qu'on a apporté à leur jonction. Si l'on suspend ces plans, comme Ta l'ait Boyie, sous un récipient dont on extrait l'air (fig. 104), un poids assez

FORCES MOLECULAIRES.

fort suspendu à celui qui se trouve au-dessous de l'autre, ne peut les séparer ; ce qui prouve que leur adhérence n*est pas due à la pression de Tatmosplière. Les soudures, la colle, font adhérer les corps, parce qu il y a entre les surfaces ei la substance interposée, un rapprochement intime qui s'est établi lorsque cette substance était liquide.

147. Coli«sSon dans left liquides. — Une goutte de liquide suspendue à une baguette de verre, ne s*en détache que lorsqu'elle est devenue suffisamment pesante; et la séparation se fait entre les molécules du liquide, puisque le verre reste mouillé. C'est par la cohésion que l'enveloppe d'une bulle d'eau de savon se soutient en s'étendant pendant qu'on y insuffle de l'air par un tube. Si l'on cesse de souffler, la cohésion fait que la bulle diminue de grosseur en chassant l'air par le tube.

L'expérience suivante, attribuée à Taylor, et célèbre par les discussions qu'elle a soulevées, peut donner une idée de la force qu'il faut développer pour vaincre la cohésion d'un liquide. On suspend à l'un des bassins 4'une balance, une lame circulaire horizontale (fig. 105). Après avoir établi l'équilibre, on applique cette lame sur la surface d'un liquide capable de la mouiller, et l'on trouve qu'il faut mettre, dans le bassin opposé, des poids assez forts, pour effectuer la^séparation.

Gay-Lussac a trouvé que, à la température de 8"", une lame circulaire de H S"»"», 366 exigeait, pour être séparée de l'eau, 59»', 40; de l'alcool (densité 0,8196), 3lf,08; de l'essence de térébenthine, 34»', 10. La substance et l'épaisseur de la lame n'ont pas d'influence sur le résultat; et comme cette lame emporte avec elle la mince couche liquide qui la mouille, on voit que la force à vaincre n'est autre chose que la cohésion du liquide pour lui-même, et que cette force ne s'exerce qu'à une distance moindre que l'épaisseur de la couche adhérente. Du reste, les nombres obtenus ne peuvent servir <le mesure à la cohésion du liquide, à cause de la manière dont se fait la séparation. En effet, la couche liquide soulevée par le disque ne se rompt pas tout d'un coup, mais elle va en se rétrécissant peu à peu (fig. 106). M. Donny a observé ce mode de séparation avec soin ; la plaque était soutenue bien horizontalement

par des vis calantes, et le vase, placé entre ces vis, pouvait se rapprocher plus 00 moins de la plaque, au moyen d'une vis placée en dessous.

C'est par l'efTet de la cohésion qu'une portion de liquide posée sur un corps qu'elle ne mouille pas, se ramasse sous une forme sensiblement sphérique,

Fig. 105.

Fig. 106.

quand elle est assez petite pour que son poids n*ait que très peu d*influeDce. C'est ce qui a lieu pour des gouttelettes de mercure sur du verre, ou d'eau sur des corps gras. Ces gouttelettes peuvent même rebondir sur ces corps, sans se diviser; le choc les déformant momentanément, et la cohésion les ramenaot i b forme sphérique assez brusquement pour les lancer loin de la surface. Les gouttes de pluie sont sensiblement sphériques. Deux gouttelettes de mercure que 1 on amène au contact, se réunissent aussitôt en une seule sphère.

Si une masse liquide était soustraite à l'action de la pesanteur, elle prendrait la forme s|.hérique, quel que fût son volume. M. Plateau a réalisé cette condition en introduisant une certaine quantité d*huile, au moyen d'un entonnoir à long bec, au milieu d'un mélange d'eau et d'alcool présentant exactement la même densité que l'huile ; et il a vu ce dernier liquide prendre spontanément la forme sphérique. Dans cette circonstance, l'huile, soutenue par le liquide environnant, est dans le même cas que si elle n'avait pas de poids, comme nous le prouverons dans l'hydrostatique. Si l'on introduit de l'alcool dans de l'huile de même densité, l'alcool prend de même la forme sphérique. Ayant imprimé un mouvement de rotation à la sphère liquide, au moyen d'une tige de fer qui la traversait, M. .Plateau a produit un aplatissement aux pôles de rotation. La terre, les planètes, primitivement liquides, ont pris ainsi la forme d'une sphère, que la force centrifuge a ensuite aplatie aux pôles. Mais il faut remarquer que dans d'aussi grandes masses, à la force de cohésion se joint l'attraction à de grandes distances, ou gravitation, qui à elle seule ferait prendre à la masse la forme sphérique, comme nous le verrons bientôt (158). M. Plateau ayant augmenté graduellement la vitesse de rotation de la sphère liquide, l'a vue se creuser aux extrémités de Taxe, puis se transformer en un anneau. En faisant varier la vitesse d'une certaine manière, le même physicien a pu obtenir dans l'alcool, une sphère d'huile entourée d'un anneau libre ; reproduisant ainsi le phénomène remarquable qui présente aux astronomes la planète de Saturne entourée de son anneau.

%4H. C«li«siMi entre les IS^aidca et les selMes. — De ce que les liquides mouillent certains corps solides, on conclut que la cohésion s'exerce entre ces sortes de corps, et d'après les expériences qui précédent, on voit que le liquide se sépare plus difficilement du corps mouillé qu*il ne se divise dans sa propre masse. En approchant d*un jet liquide animé d'une vitesse modérée, une baguette de verre ou de toute autre substance susceptible d'être mouillée, le jet est dévié de sa direction, après avoir rampé dans une étendue |Jus ou moins grande sur la surface de la baguette. Si le liquide tombe noinualement et verticalement sur une sphère, il s*êtend uniformément sur sa surface et se réunit au point o|^^ , pour former un nouveau jet qui se sè|Kire de la sphère dans la direction verticale.

Il y a aussi ct^hésion entre les liquides et les solides qui n*en sont pas

rniHiillès, Ainsi une plaque de verre suspendue à la balance \fi§, 1051, et appli-

* quèe sur la surface du mercure, ne peut en être séparée qu'au noyen de poids

FORCES MOLECULAIRES.

placés du côté opposé, et dont le nombre varie suivant la manière dont les surfaces sont appliquées l'une contre l'autre. Ainsi, pour séparer une plaque circulaire de verre de 118""" de diamètre, Gay-Lussac dut employer une fois 296«^, tandis que ISS»' suffirent dans une autre expérience. Une petite goutte de mercure adhère à la surface d'une lame de verre que l'on incline, tandis qu'elle roule sur du papier, dont la surface est bien moins unie. Jurin a montré comment on peut, au moyen d'une pointe de verre, déplacer ou même enlever un globule de mercure posé sur du papier. Si l'on approche deux pointes semblables de chaque côté, le globule reste suspendu entre elles, et si l'on vient à les écarter lentement, il s'allonge, la cohésion du mercure pour le verre l'emportant sur sa tendance à prendre la forme sphérique.

Fig. 108

^ Cxpérienees de M. PiaCeaa. — M. Plateau a fait un grand nombre ^^expériences remarquables sur la cohésion entre les solides et les liquides, en ^Ustrayant ces derniers à l'action de la pesanteur par leur immersion dans ^n milieu de même densité * . La fig. 107 représente l'appareil employé. ^B est une caisse formée de glacés bien planes, dans laquelle on soutient les Pi^ices solides au moyen d'une tige t traversant un bouchon adapté à une ouverture de la glace supérieure. Cette glace peut s'enlever, et elle porte plusieurs autres ouvertures par lesquelles on peut introduire une spatule garnie d'une fine ^ile, pour déplacer la masse liquide en suspension, ou le bec d'une petite pompe ^n verre destinée à enlever du liquide ou à en ajouter à cette masse.

Si l'on applique sur une sphère d'huile en suspension dans l'alcool , un disque ^e fer d mouillé d'huile (fig, iOl), et d'un diamètre supérieur à celui de la sphère,

1 Ménùires de V Académie des tciewes de BnucelUs, t. XIII, 4 849; «( de physique, d« série, t. XXX, p. 203.

et Annales de chimie

on voit ce liquide s'étendre jusqu au contour du disque, en formant un segment sphérique dont on peut faire varier l'épaisseur, en enlevant ou ajoutant du liquide au moyen de la petite pompe. Si Ton introduit le disque latéralement dans la sphère, la masse liquide se partage en deux segments égaux, quand le disque est introduit à la hauteur du centre, et inégaux dans le cas contraire (D, fig, i(^). On peut modifier l'épaisseur de ces segments en ajoutant du liquide, jusqua obtenir une sphère complète ; alors la présence du disque n'altère pas la formei de la sphère, et il en est de môme d'une pièce solide quelconque introduite dans la sphère, quand elle n'en rencontre pas la surface. Si Ton introduit un anneau aa dans la sphère, et qu'on enlève peu à peu du liquide, on la wit se transformer en une lentille rr dont les faces, de moins en moins convexes, deviennent planes, c, c, puis concaves si l'anneau est suffisamment épais. Bientôt on observe au centre une lamelle circulaire très mince, à faces planes», qui s'étend de plus en plus, et finit par se rompre, le liquide qui la constitue se retirant rapidement vers les parties qui adhèrent à la surface intérieure de l'anneau.

M. Plateau a beaucoup varié ces sortes d'expériences. Si Ton introduit dans la sphère d'huile une charpente en fil de fer formant les arêtes d'un cube P {fig. 109), et qu'on retire peu à peu du liquide, les arêtes métalliques se montrent bientôt et limitent six faces d'abord convexes, puis planes, formant ainsi un cube liquide dont les arêtes seules sont solides. Les faces deviennent ensuite concaves, et bientôt les parties adhérentes aux arêtes solides présentent la forme de lamelles très minces joignant ces arêtes à la masse centrale. Celte masse peut être enlevée, et alors on a huit lames minces formant les faces latérales de six pyramides quadrangulaires ayant leur sommet commun au centre de figure. Mais si l'on retire lentement le bec de la pompe, on voit se développer au centre une lamelle additionnelle o, de forme carrée. Dans tous les cas, le liquide se porte peu à peu au centre en y formant une masse croissante, les lames s'amincissent, et finissent par disparaître, ordinairement en moins d'une demi-heure. — Des châssis, présentant l'ensemble des arêtes de polyèdres autres que le cube, donnent des résultats analogues, excepté la forme octaédrique, pour laquelle les lamelles sont courbes au lieu d'être planes.

Entre deux anneaux parallèles, on peut obtenir une surface cylindrique w {fig. 109), terminée par des bases sphériques. L'un des anneaux t; repose par trois pieds sur le fond de la caisse AB (fig. 107). Nous reviendrons sur ces phénomènes (i23), pour nous occuper des conditions d'équilibre des surfaces qui limitent la masse liquide en suspension, pendant que certains points sont liés par la cohésion au système solide.

449. Cohésion entre les «as et les solides. — On ne peut prouver directement rexislence de la cohésion dans les gaz, dont les molécules tendent toujours à s'écarter les unes des autres. On doit cependant conclure de la manière dont ils cèdent à la compression, comme nous le verrons plus tard, que l'attraction se fait encore sentir entre leurs molécules. Quant à la cohésion entre