Inversion de liquides

Cette expérience montre un liquide remontant sous l’effet de la poussée d’Archimède au milieu d’un autre liquide auquel il n’est pas miscible.

Fiche d’accompagnement de l’expérience:
 

Matériel
  • 2 verres identiques ;

  • du pétrole lampant coloré (environ 30 cl) ;

  • du carton fin (carte postale) ou une feuille de papier.

Montage et réalisation

Remplir le premier verre avec du pétrole lampant et le deuxième avec de l’eau (les deux verres ne doivent pas nécessairement être remplis à ras bord).
Placer une carte postale sur le verre d’eau pour couvrir complètement l’ouverture.
Retourner le verre d’eau tout en tenant la carte postale et le poser sur le verre de pétrole lampant. Tirer un peu la carte postale pour libérer une fente de communication entre les deux verres (voir la figure 1) : le pétrole lampant remonte complètement dans le verre du dessus et l’eau descend dans le verre du dessous.

 

Explications

A température et pression égales, le pétrole lampant a une masse volumique inférieure à celle de l’eau (voir le tableau 1). Le pétrole lampant est constitué d’un mélange d’alcanes : hexane, octane, nonane, décane et il est non miscible à l’eau.
Lorsque les deux récipients communiquent par une fente, on peut les considérer comme un récipient unique. Comme sa masse volumique est inférieure à celle de l’eau, le pétrole lampant subit dans l’eau une poussée d’Archimède vers le haut et repousse l’eau vers le bas. On peut se demander pourquoi il n’y a pas de fuite de liquide.

Lorsqu’on tire la carte postale après avoir renversé le verre d’eau, il s’écoule un peu d’eau hors du verre. L’air emprisonné dans le verre voit de ce fait sa pression pair­verre diminuer. La pression de l’air à l’extérieur est :

( : pression atmosphérique ; : masse volumique de l’eau ; : hauteur d’eau dans le verre au-dessus de la fente ; : intensité de la pesanteur),
si bien qu’aucun liquide ne coule par la fente. Il se forme au niveau de la fente une sorte de peau résultant de la tension superficielle du pétrole lampant et de l’eau à leur interface (voir la figure). Cette peau présente une surface minimale. Elle est d’autant plus incurvée vers l’intérieur (c’est-à-dire vers le liquide) que la tension superficielle du liquide de la fente est plus grande. La hauteur maximale de cette peau est limitée par la tension superficielle du liquide. La peau se déchire si la fente est plus haute que la hauteur maximale définie ci-dessus.

 

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