Capillarité : qu'est-ce que c'est ?

Le phénomène de la capillarité désigne ordinairement la capacité de l'eau et de certains liquides à monter naturellement malgré la force de gravité le long de tubes très fins plongés dans ces liquides. La remontée est d'autant plus forte que le tube est fin.

Ce phénomène physique se produit lorsque des liquides sont en contact avec des matériaux poreux tels que des tubes capillaires minces, des fissures, des fibres ou des pores. Il se caractérise par la capacité d'un liquide à monter ou à s'élever dans des espaces étroits en dépit de la gravité. Ce phénomène est dû aux forces intermoléculaires qui s'exercent entre les molécules du liquide et celles du solide (adhésion, cohésion et tension de surface).

La capillarité implique une déformation de la surface du liquide, qui forme des ménisques concavesconcaves ou convexesconvexes, selon la géométrie de l'espace. La capillarité dépend de la taille et de la forme de l'espace, de la nature du liquide et du solide, de la température, de l'humidité, etc. Lorsque des liquides entrent en contact avec des surfaces poreuses, ils peuvent monter ou descendre à l'intérieur de ces pores en raison de l'interaction entre les molécules du liquide et les molécules de la surface du matériaumatériau. Cette montée ou descente peut se produire contre la force de gravité et est généralement respectée dans les matériaux tels que les tubes capillaires, le sol, ou les fibres textiles.

Le phénomène de capillarité est responsable de nombreux phénomènes naturels et technologiques, tels que l'ascension de l'eau dans les plantes, la montée de la nappe phréatique dans le sol, ou encore l'absorptionabsorption d'encre par une plume ou d'eau par une éponge.

  Ce schéma illustre le phénomène de capillarité et le fait qu'il dépend des liquides. Sur la gauche, on voit que l'eau (H₂O) monte d'autant plus haut au-dessus de la surface de ce ce liquide dans un tube qui y est plongé que ce tube est fin. Avec du mercure (Hg), comme on le voit sur la droite, le liquide descend dans le tube. © MesserWoland, Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0

Les facteurs qui influencent la capillarité

Les facteurs qui influencent la capillarité sont la nature du liquide et du solide (la capillarité dépend des propriétés physico-chimiques du liquide et du solide, telles que leur tension superficielle, leur viscositéviscosité, leur densité, leur polarité, etc.) ; la taille et la forme des pores (la capillarité est plus importante dans les pores étroits et irréguliers que dans les pores larges et réguliers) ; la température et l'humidité (la capillarité dépend de la température et de l'humidité ambiantes, qui influencent la tension superficielle et la viscosité du liquide).

La capillarité dans la nature

Dans la nature, la capillarité permet aux plantes d'absorber l'eau et les nutrimentsnutriments du sol, aux animaux de boire l'eau à travers leur peau, aux insectesinsectes de marcher sur l'eau, etc. La capillarité joue un rôle important dans l'ascension de l'eau dans les plantes, car elle permet de surmonter les forces de gravité et de maintenir une colonne d'eau continue dans les vaisseaux conducteurs. La capillarité est due aux forces d'adhésion entre les molécules d'eau et les parois des vaisseaux, qui créent une tension superficielle à l'interface eau-airair. Cette tension superficielle permet à l'eau de monter dans les vaisseaux étroits et irréguliers, en formant des ménisques concaves. Ce phénomène explique comment la sève des arbres peut monter le long du tronc et des branches.

La capillarité dans la montée de la nappe phréatique dans le sol

La montée de la nappe phréatiquenappe phréatique dans le sol est un phénomène qui dépend également de la capillarité. La nappe phréatique est une couche d'eau souterraine qui se trouve sous la surface du sol, et qui est en équilibre avec l'eau interstitielle du sol. La capillarité permet à l'eau de monter dans le sol depuis la nappe phréatique et de réguler l'humidité du sol, en favorisant l'infiltration de l'eau depuis la surface ou la remontée de l'eau depuis la nappe phréatique. Elle permet également de stocker l'eau dans le sol, en formant une réserve accessible aux plantes.

La capillarité peut cependant causer des problèmes d'humidité excessive dans le sol, en favorisant la remontée de l'eau depuis la nappe phréatique. Cette humidité excessive peut causer des dommages aux fondations des bâtiments, aux routes, aux canalisationscanalisations, etc.

La capillarité dans l'absorption d'encre par une plume ou d'eau par une éponge 

La capillarité dans l'absorption d'encre par une plume ou de l'eau par une éponge est un phénomène qui dépend également de la capillarité. Dans ces cas, la capillarité permet à l'encre ou à l'eau de pénétrer dans les pores ou les interstices des matériaux, en formant des ménisques concaves.

Dans le cas de l'absorption d'encre par une plume, la capillarité permet à l'encre de monter dans le réservoir de la plume, en formant une colonne d'encre continue. Elle permet de réguler le flux d'encre vers la pointe de la plume, en fonction de la pressionpression exercée par l'écriture.

  Dans le cas de l'éponge qui absorbe l'eau, il y a à la fois absorption et capillarité. L'absorption se produit lorsque les molécules d'eau pénètrent dans la masse de l'éponge, en se liant aux molécules du matériau. La capillarité se produit lorsque les molécules d'eau migrent dans les pores de l'éponge, en formant des menisques concaves. L'absorption permet à l'éponge de retenir l'eau, même en l'absence de pression. La capillarité permet à l'éponge de transporter l'eau, même en l'absence de gravité. © exclusive-design, Adobe Stock

Dans le cas de l'absorption d'eau par une éponge, la capillarité permet à l'eau de pénétrer dans les pores de l'éponge, en formant une moussemousse humide. La capillarité dépend de la taille et de la forme des pores, ainsi que de la nature de l'eau et de l'éponge. La capillarité permet de réguler l'humidité de l'éponge, en fonction de la pression exercée par le séchage ou l'essorage.

Pour mesurer la capillarité d'un matériau

Pour mesurer la capillarité d'un matériau, on peut utiliser différentes méthodes, telles que :

• La méthode du tube capillaire, qui consiste à mesurer la hauteur d'ascension du liquide dans un tube étroit placé verticalement dans le liquide.
• La méthode du tensiomètre, qui consiste à mesurer la force nécessaire pour extraire un échantillon de liquide d'un matériau poreux.
• La méthode de la porosimétrie, qui consiste à mesurer la distribution des pores dans un matériau à l'aide d'un gazgaz ou d'un liquide.

Les effets de la capillarité sur les propriétés physiques et mécaniques des matériaux 

Dans les applicationsapplications industrielles, la capillarité est utilisée dans les systèmes d'absorption et de filtrationfiltration, les pompes à vide, les capteurs d'humiditécapteurs d'humidité, les matériaux poreux, les revêtements hydrophobeshydrophobes ou hydrophileshydrophiles, etc. Les effets de la capillarité sur les propriétés physiques et mécaniques des matériaux sont nombreux et variés :

• La capillarité peut affecter la résistancerésistance mécanique, la déformation, la fissuration, la porositéporosité, la perméabilité, la conductivité thermiqueconductivité thermique, etc.
• La capillarité peut causer des dommages aux matériaux en favorisant l'infiltration d'eau, la corrosioncorrosion, la croissance de moisissures, etc.
• La capillarité peut être utilisée pour améliorer les propriétés des matériaux en favorisant l'imprégnationimprégnation de résines, de polymèrespolymères, de cimentsciments, etc.

La capillarité en physique

Plus généralement en physique, la capillarité est l'étude des interfaces entre deux liquides non misciblesmiscibles, entre un liquide et l'air ou entre un liquide et une surface. Il apparaît alors des forces dites capillaires en liaison avec le phénomène de tension superficielle pour le liquide. 

Pour aller plus loin, vous pouvez consulter un cours sur la capillarité et un  TPE sur la capillarité.