Thermocapillarité Comparaison Décane-Heptanol

poration) • Gestion des risques liés aux manipulations (hautes températures, risques de toxicité des produits) • Effet Marangoni différent sur une plaque plane et dans un capillaire

1.3. Point de départ

Notre projet se place dans la continuité d'un projet de l'année précédente. Le groupe de l'année dernière a mis en place un premier dispositif réalisant un gradient thermique à l’aide d’une résistance thermique et d’un module Peltier, puis a réalisé une plaque en acier polie recouverte d'un revêtement spécial, le parylène. Ils ont ensuite réussi à faire bouger une goutte d’heptan-1-ol sur cette plaque. Ils ont

également visualisé l’état de surface de leur plaque à l’aide d’un microscope à force atomique. Ils ont aussi essayé plusieurs solutions de concentrations différentes en heptan-1-ol, sans succès.

1.4. Budget

Un des points forts de ce projet réside dans le fait qu’il a été réalisé sans aucun achat spécifique. Nous avons réussi à mener notre projet à terme en utilisant simplement le matériel disponible à l’école ou dans les laboratoires aux alentours. Nous n’avons donc eu besoin d’établir aucune demande de budget. Tout au long du projet, nous avons cherché des solutions pour nous accommoder du matériel dont nous disposions, toujours avec succès.

2. Partie théorique

2.1. Notion de tension de surface

La capillarité est le mécanisme physico-chimique d’origine moléculaire qui est entre autre responsable de la forme sphérique des gouttelettes de liquide en l’absence de gravité. Elle agit à l’interface entre deux liquides non miscibles, entre un liquide et un gaz. Au cœur d’un liquide au repos, phase condensée, les molécules sont soumises à des forces cohésives qui s’équilibrent entre elles, donnant une résultante des forces nulle. Par contre, dans le cas où le liquide est limité par une interface, comme représentée à la figure ci dessous, une partie de ces interactions n'est plus présente.

Schéma explicatif de la tension superficielle Prenons un film liquide de largeur L On constate expérimentalement qu’il existe une force F dans le plan de l’interface. -Cette force est indépendante de l’épaisseur de l’interface et elle est proportionnelle à la largeur L de la surface du liquide. -C’est cette force par unité de longueur F/L exercée par l’interface que l’on appelle tension superficielle (interface entre un milieu dense et un gaz) ou tension interfaciale (interface entre deux milieux denses) notée γ en N/m. Pour être exact F/L= 2γ car γ et l’énergie superficielle associée à une interfaces et il y a deux interfaces pour un film liquide. On en déduit que l’énergie à fournir par unité de surface pour étendre ce film est : dW = F dl = 2 γ L dl = 2γ dS On en déduit donc qu’avec une variation de tension superficielle sur l’interface on a un déséquilibre des forces et le film va s’étendre (ou rétrécir) entraînant un écoulement du film. Cette effet du à la différence de tension superficielle est appelé effet Marangoni. En plus d’être propre à chaque liquide, la tension superficielle dépend de la température et, dans le cas de mélanges, de la concentration. Les facteurs responsables de l’effet Marangoni sont donc soit la présence d’un gradient de concentration soit celle d’un gradient de temprérature.

2.2. Thermocapillarité

La thermocapillarité caractérise des effets dus à la variation de la tension superficielle ou interfaciale en fonction de la température.

Graphe présentant l'évolution de la tension de surface en fonction de la température pour l'eau Dans un liquide soumis à de telles différences, la force qui en découle induit un transfert de matière (donc des mouvements de convection) le long de la surface. Ce phénomène est appelé effet Marangoni thermique.

Mécanisme physique à la base de l’effet Marangoni La figure représente une couche de liquide chauffée par le bas et qui est en contact avec une phase gazeuse. Supposons qu’une petite perturbation élève la température au point A par rapport à celle au point B. Il s’ensuit un gradient de tension de surface, qui se traduit par un mouvement du fluide de A vers B. Suite au principe de conservation de la masse, le fluide situé près de la plaque chauffée est alors animé d’un mouvement vertical. Mais, comme ce fluide est plus chaud, il accentue davantage le gradient thermique entre les points A et B, perpétuant ainsi la circulation du fluide, et créant un mouvement convectif. Lorsque l’effet Marangoni est dû à une perturbation aléatoire, celle-ci ne s’amplifie que si l’état de repos est instable. Dans ce cas, l’écoulement est dit de type microconvectif.

2.3. Notions sur le mouillage

Dans nos expériences, la mouillabilité d’une goutte sur nos diverses plaques s’est révélée être un paramètre important. C’est pourquoi même si cette dernière n’a a priori pas de rapport direct avec la thermocapillarité il est important d’en exposer les bases théoriques.

La figure suivante montre les trois tensions superficielles associées à une ligne de contact : γsℓ, γsv et γℓv, qui sont respectivement les tensions superficielles aux interfaces solide-liquide, solide-vapeur et liquidevapeur (figure). Par la suite, nous allégeons l’écriture en représentant la tension superficielle à l’interface liquide-vapeur par γ. Les 3 cas limites de mouillage sont présentés sur la figure ci-dessous :

Schémas définissant de l'angle de mouillabilité

Considérant une paroi solide plane, la ligne de contact est à l’équilibre mécanique si la somme des forces s’exerçant au point où se rencontrent les trois phases (point P) s’annule. Mathématiquement, cette propriété est relatée par la loi de Young-Dupré : γsℓ+γ cos(θ) = γsv avec θ l’angle qui correspond à l’angle de contact apparent défini sur la figure ci-dessus. Dans la direction normale à la surface, la somme des forces des tensions superficielles n’est pas nulle. Le solide se déforme en exerçant une force de rappel élastique. Néanmoins, cette force est négligeable pour les composés courants. Elle est donc négligée dans la suite de ce travail. Le mouillage, étant donné sa complexité, représente une discipline à part entière de la physique. Il consiste à étudier l’étalement d’un liquide déposé sur un substrat solide ou liquide. Ce phénomène touche un grand nombre de domaines, allant des sciences de la vie à l’ingénierie. Le mécanisme de mouillage dépend des propriétés du liquide, du solide ainsi que de la vapeur. De par la complexité du phénomène, on définit généralement trois états de mouillage, qui sont caractérisés par un paramètre d’étalement S et par un angle de contact θ, comme illustré dans la figure plus haut. Le paramètre d’étalement est défini comme la différence entre l’énergie du substrat sec et celle du substrat mouillé (c’est-à-dire recouvert d’un film de liquide), à savoir : S = γsv−(γsℓ+γ) = γ(cos(θ)−1). Si S est nul, le liquide s’étale complètement pour diminuer l’énergie superficielle, et le mouillage est dit total. L’angle de contact est donc nul. Dans le cas contraire, si S est négatif, deux situations sont à distinguer : -lorsque θ < 90◦, on dit que le liquide mouille partiellement la surface ou qu’il est hydrophile -lorsque θ > 90◦, il est dit non mouillant ou hydrophobe.

3. Partie expérimentale

3.1. Introduction

Avant de pouvoir commencer nos manipulations, nous avons tout d'abord eu besoin de préparer nos surfaces de travail et d'optimiser le gradient de température par rapport à l'an dernier. Une fois nos surfaces préparées, nous avons effectué deux parties expérimentales : – – Une partie sur plaque pour préparer le passage sur capillaire et essayer de mieux observer le phénomène de thermocapillarité. Une partie où nous avons porté le phénomène sur capillaire.

3.1.1. L'obtention des plaques et du capillaire

Pour effectuer le plus d'expériences possibles, nous nous sommes adressés à différents laboratoires spécialisés dans les matériaux comme le SIMAP afin d'obtenir un panel de plaque le plus large possible. Nous avons alors réussi à avoir à titre gracieux, une plaque de silicium, une plaque de cuivre, une plaque de verre et un wafer en silicium. De plus, nous possédions la plaque en acier du groupe précédent. Les dimensions de ces plaques seront décrites dans la suite du rapport. Le capillaire nous a quant à lui été fourni par notre tuteur de groupe, M. OCAMPO.

3.1.2. L'optimisation du gradient

Pour notre gradient de température, nous avons repris la même idée que le groupe précédent qui consistait à placer à chaque extrémité de la plaque, un module thermoélectrique chaud et froid. Pour la source chaude, nous avons décidé de reprendre une résistance de puissance de 3,3 ohms pouvant fournir une chaleur maximale de 100W. Pour la source froide, nous avons également repris un module Peltier. Un module Peltier est un module thermoélectrique constitué de deux