Strict Standards: Only variables should be passed by reference in /homepages/36/d206324349/htdocs/site_org1G/config/ecran_securite.php on line 180
Que se passe-t-il à l'interface entre deux milieux ? - Matière et Révolution
English German Espagnol Portugese Chinese Japanese Arab Rusian Italian Norvegian Dutch Hebrew Polish Turkish Hindi
Accueil du site > 02 - SCIENCES - SCIENCE > Atome : La rétroaction de la matière/lumière et du vide (de la microphysique à (...) > Que se passe-t-il à l’interface entre deux milieux ?

Que se passe-t-il à l’interface entre deux milieux ?

mardi 7 juin 2011, par Robert Paris

L’interface est la séparation entre deux (ou trois...) milieux (deux états d’une même molécule ou deux molécules différentes). Si ces deux milieux ont des propriétés différentes ou obéissent à des lois différentes, l’interface est un milieu à part, qui n’est ni l’un ni l’autre, ni la somme des deux...

Frontière fractale d’un front de diffusion

L’interface n’est pas une simple frontière sans importance servant seulement à séparer les milieux. elle a une importance fondamentale dans les propriétés des deux milieux. Il s’y passe des choses importantes (fractales, chaos déterministe, tension superficielle, capillarité, émergence, bulles, formation de structures comme les nuages, convection, ....

Liquide/Gaz

Au sein d’un fluide (liquide ou gaz), les molécules exercent entre elles des forces d’attraction ou de répulsion : force de Van der Waals (attraction), force électrostatique (attraction ou répulsion). On parle de « forces intermoléculaires ».

Si l’on considère un corps pur liquide, composé d’un seul type de molécules, les molécules s’attirent (sinon, elles ne formeraient pas une phase). Au sein du liquide, chaque molécule est tirée dans toutes les directions par les molécules voisines de liquide : la résultante des forces est nulle.

Dans le vide, une molécule n’est, par contre, attirée par rien. Donc, à la frontière liquide/vide, les molécules sont attirées côté liquide mais pas côté vide ; la résultante des forces s’exerçant sur les molécules de la surface est donc dirigée vers l’intérieur du liquide. Ceci tend la surface.

Dans le cas d’une interface liquide/vide, c’est donc un effet au sein d’un liquide qui amène la surface à se déformer comme une membrane élastique.

Mais on sait que soumis au vide, une partie du liquide s’évapore (voir l’article Pression de vapeur saturante). Si cette pression de gaz est faible, le liquide est soumis à une faible compression, et les molécules de la surface sont également soumises à une faible attraction de la part de leurs paires de la phase gazeuse ; mais la densité du gaz étant très inférieure à celle du liquide, cette attraction est négligeable.

Si maintenant il y a un autre gaz au-dessus (par exemple de l’air), le phénomène est similaire. Le liquide est soumis à la pression du gaz, et les molécules à la surface du liquide sont soumises à l’attraction ou à la répulsion de la part des molécules du gaz. Du fait de la faible densité du gaz par rapport au liquide, on néglige en général cette dernière contribution.

La forme de la surface résulte donc de l’équilibre entre la pression du gaz, l’attraction par l’intérieur du liquide, et le poids si l’on est en présence de pesanteur.

Le liquide peut être sous la forme d’une pellicule ; cette pellicule est alors soumise à la pression du gaz des deux côtés. Si les forces d’attraction au sein du liquide sont faibles, la pellicule ne tient pas. À l’inverse, si ces forces sont fortes, la pellicule tient bien et a un comportement élastique (bulle de savon).

Liquide/liquide

Lorsque deux liquides A et B sont miscibles, ils forment une seule phase. Par contre, s’ils sont non miscibles, ils forment deux phases distinctes.

S’ils sont non miscibles, c’est que les molécules se repoussent. Les molécules situées à l’interface sont donc soumises :

* pour les molécules de A : o à une attraction vers l’intérieur du liquide A ; o à une répulsion de la part des molécules de B ; * pour les molécules de B : o à une attraction vers l’intérieur du liquide B ; o à une répulsion de la part des molécules de A.

On voit donc que la résultante des forces est située vers l’intérieur de chacun des liquides dans tous les cas.

La forme de l’interface est donc déterminée par

* les forces d’attraction au sein des liquides, A/A et B/B ; * la force de répulsion entre A et B ; * la pesanteur le cas échéant.

C’est le cas de l’eau et de l’huile, de la vinaigrette :

* soit l’huile forme une couche au-dessus de l’eau ; * soit l’huile forme des gouttelettes au sein de l’eau (émulsion).

La capillarité est l’étude des interfaces entre deux liquides non miscibles, entre un liquide et l’air ou entre un liquide et une surface. Elle est mise en œuvre lorsque les buvards aspirent l’encre, ou quand les éponges s’imbibent d’eau.

Elle est plus connue par l’effet d’un liquide à forte tension superficielle remontant contre la gravité dans un tube très fin, dit tube capillaire. La tension superficielle est proportionnelle à la force de cohésion intermoléculaire du liquide concerné. Plus les molécules du liquide ont une cohésion forte, plus le liquide est susceptible d’être transporté par capillarité.

L’eau possède une forte cohésion entre ses molécules : elle adhère aux surfaces du tube, puis ses molécules sont attirées sur la partie de la surface du tube immédiatement au-delà, et par répétition de ce phénomène l’eau monte ainsi le long du tube comme représenté sur la figure (H2O). À l’inverse, l’air descend dans le tube en repoussant le mercure (Hg). L’article tension superficielle décrit comment calculer la hauteur à laquelle monte ou descend le liquide dans un tube capillaire grâce à la loi de Jurin.

Sur du verre très propre, l’eau forme un film plutôt que des gouttes car les forces d’adhésion entre le verre et l’eau sont plus fortes que celles de cohésion de l’eau.

Solide/liquide/gaz

On est souvent en présence de la ligne où se joignent trois interfaces, à la jonction de trois phases, par exemple solide/liquide/gaz. On appelle ligne triple cette jonction. Dans le cas où l’une des phases est solide, on appelle angle de contact l’angle entre l’interface fluide/fluide et la surface solide. Cet angle de contact est donné par la Loi de Young-Dupré. Une ligne triple s’observe couramment, par exemple dans les situations suivantes :

* goutte posée sur un solide ; * goutte suspendue à un solide ; * bord d’un verre.

Interface entre un cristal liquide et un monocristal (composé cristal liquide 8CB sur un monocristal inorganique MoS2)

Les interactions liquide/gaz ont été décrites ci-dessus.

De même, les molécules du liquide peuvent être attirées ou repoussées par les molécules du solide. La forme de l’interface au niveau du point triple va donc être déterminée par :

* la force d’attraction au sein du liquide ; * l’attraction ou la répulsion de la part du solide ; * la pression du gaz, et éventuellement l’attraction ou la répulsion par le gaz ; * la gravité.

Une gouttelette d’aluminium liquide en contact avec le saphir

S’il y a attraction entre le liquide et le solide :

* la goutte posée sur le solide va avoir tendance à s’étaler ; * la goutte suspendue va être retenue ; * le liquide va remonter le long du verre (ménisque, capillarité).

S’il y a répulsion entre le liquide et le solide :

* la goutte posée sur le solide va avoir tendance à « se regrouper », à prendre une forme sphérique ; * la goutte suspendue va tomber ; * le liquide va s’incurver vers le haut.

Des composés permettent de diminuer la tension superficielle, ce sont des tensioactifs.

Solide/solide

Lorsqu’on approche deux solides l’un de l’autre, ils subissent des forces d’attraction de différentes natures :

- Des forces à moyenne portée, qui correspondent à des interactions de type van der Waals (quelques nm).
- Des forces à courte portée, qui correspondent aux liaisons chimiques de type intramoléculaire ( ionique, covalente, métallique ) de l’ordre de 0,1- 0,2nm.
- Des forces à longue portée, d’origine électrostatique, qui sont reliées aux mécanismes de polarisation.

Ces forces deviennent mesurables à partir d’une distance d’environ 0,2 micromètre. Quand le contact est réalisé sous une charge extérieure P, ces forces d’attraction agissent dans et autour des zones de contact et viennent s’ajouter à cette charge P, de sorte que tout se passe comme si les deux solides étaient pressés l’un contre l’autre par une force effective P1. La différence P’= P1-P représente la force d’adhésion ; elle dépend de la charge appliquée et des propriétés mécaniques et géométriques des deux solides. La force d’adhésion ainsi définie n’est pas directement mesurable.

Interface entre deux cristaux

Interface au sein d’un cristal

Ce qui est mesurable expérimentalement, c’est la force nécessaire pour séparer les deux solides, c’est à dire leur adhérence. Cette force est généralement plus mal définie que la précédente, et sa valeur dépend beaucoup des conditions expérimentales choisies( type d’éprouvette, vitesse, propriétés des matériaux en présence etc...).

Les forces à courte portée pouvant être écrantées à la surface des solides par les impuretés adsorbées, l’adhésion des solides a souvent été attribuée aux forces de van der Waals . Mais dans le cas des assemblages céramique - métal, l’élaboration se fait à haute température, ce qui va permettre aux forces à courte distance de jouer un rôle prépondérant.

Répondre à cet article

SPIP | squelette | | Plan du site | Suivre la vie du site RSS 2.0