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L’aréomètre est un appareil permettant de mesurer la masse volumique d’un liquide, la concentration d’une solution. Également nommé gravimètre, densimètre ou hydromètre, pèse-acide, alcoomètre, lactomètre, selon son usage.
Le fonctionnement de l’instrument est basé sur le principe d’Archimède.
Deux sortes d’instruments sont utilisés : l’aréomètre à volume constant, où l’on fait varier le poids de l’appareil en ajoutant ou retirant des masses sur un plateau, et l’aréomètre à poids constant, où l’on mesure le volume immergé, grâce à une tige graduée de faible section. Plus la tige est fine, plus l’appareil est sensible.
C’est ce dernier type d’appareil que Gay-Lussac a perfectionné en vue des mesures sur les solutions alcoolisées.Historique
La plus ancienne description d’un hydromètre (aréomètre) semble se trouver dans une lettre adressée par Synesios de Cyrène à son professeur Hypatia, fille du mathématicien Théon, dans les années 400. L’invention a été attribuée à Archimède, ou à Hypatia elle-même. Galilée décrit cet instrument en 1612 dans une lettre à Nozzolini
C’est au 18ème siècle que l’appareil a vu un regain d’intérêt, avec de nombreux modèles dont certains furent brevetés, eu égard à leur intérêt économique pour la détermination des masses volumiques et de la concentration de solutions diverses. Baumé, Cartier, avaient développé des instruments avec des graduations arbitraires.
Gay-Lussac, suite à une demande officielle en vue de rendre la taxation des alcools sans contestation possible, a apporté une méthode de mesure et inventé une unité basée sur des considérations scientifiques. : « La force d’un liquide spiritueux est le nombre de centièmes, en volume, d’alcool pur que ce liquide renferme à la température de 15° centigrades ».Ainsi, 0° GL correspond à de l’eau pure, et 100° GL à de l’alcool pur, les mesures étant effectuées à 15° C
Le degré alcoométrique d’un liquide est exprimée dans de nombreux pays en degrés Gay-Lussac (°GL). Cependant, la notation recommandée est maintenant en pourcentage d’alcool en volume 1° GL équivaut à 1% vol.
Description
L’aréomètre est constitué d’une carène cylindrique creuse en verre surmontée d’une tige cylindrique creuse en verre soudée sur la carène
Un lest est inclus dans la partie inférieure de la carène, destiné à stabiliser l’appareil lorsqu’il est plongé dans le liquide à mesurer, ainsi qu’à ajuster sa masse. La tige abrite une échelle graduée fixée à l’intérieur.
Note : La réalisation de ce type d’appareil destiné à des usages commerciaux est régie par des recommandations internationales issues de l’Organisation Internationale de Métrologie Légale en particulier la recommandation internationale n° 22 « Tables Alcoométriques Internationales », et doivent faire l’objet de Certificats d’approbation, après vérification par un Laboratoire de métrologie et d’essais.
Principe et fonctionnement
L’appareil est basé sur le principe d’Archimède : « Tout corps plongé dans un liquide reçoit une poussée égale au poids du volume de liquide déplacé »
La carène est entièrement immergée dans le liquide, ainsi qu’une partie de la tige de mesure. Le centre de poussée est le centre de masse de la partie immergée, et la poussée est dirigée vers le haut. Le poids de l’appareil, dirigé vers le bas, est appliqué au centre de masse de l’appareil, et se trouve donc au-dessous du centre de poussée, ce qui permet la stabilité de l’équilibre du corps flottant.
À l’équilibre, la poussée est égale en valeur absolue au poids.
Soient s la section de la tige, V0 le volume submergé dans le liquide de référence (l'eau pure), comprenant nécessairement une partie de la tige de mesure et où l'on trace une marque de référence, V le volume submergé dans le liquide étudié, h la distance entre la marque de référence et le niveau d'affleurement sur la tige du liquide étudié (h peut être positif ou négatif selon la masse volumique du liquide étudié), et m la masse de l'appareil.
V = V0 + s h
La poussée d'Archimède dans l'eau de référence de masse volumique rhoE est:
V0 rhoE g, équilibrée par le poids m g, d'où m = V0 rhoE
La poussée d'Archimède dans le liquide étudié de masse volumique rho est:
V rho g, équilibrée par le poids m g, d'où V rho = V0 rhoE = m, soit encore:
(V0 + s h) rho = V0 rhoE, et enfin:
h = (V0 / s) (rhoE - rho) / rho
Si l'on considère la densité d du liquide, rapport de sa masse volumique à celle de l'eau référence:
d = rho / rhoE, il vient:
h = (V0 / s) (1 / d - 1),
ce qui indique une relation hyperbolique entre h et la densité (ou la masse volumique)
rho = rhoE / (1 + 1 / h (s / V0))
La graduation de l'appareil ne sera donc pas linéaire, mais si on limite la gamme de mesure, cette non-linéarité ne sera pas trop grande. Les paramètres de réglage sont donc la section s de la tige, et V0, soit encore la masse de l'appareil.
Pour les faibles valeurs du diamètre, la relation est quasi-linéaire entre la masse volumique et l'enfoncement de l'appareil, mais la gamme de mesure est réduite
L'appareil utilisé est un aréomètre à poids constant, mais dont la graduation est effectuée directement par rapport à des références d'eau pure additionnée d'alcool en proportion connue, et à une température de référence, choisie à 15° C. Laissons le savant s'exprimer:
“La force d'un liquide spiritueux est le nombre de centièmes, en volume, d'alcool pur que ce liquide renferme à la température de 15° centigrades”
Il y est indiqué que l'étalonnage de l'appareil est effectué à l'aide de dix vases jaugés à 100 ml, dans lesquels on introduit 10,20,30,…,100 ml d'alcool absolu. On ajoute ensuite dans chacun d'eux la quantité d'eau nécessaire pour compléter le volume exact de 100 ml, mesuré après refroidissement à la température de référence.
L'aréomètre est plongé successivement dans chacun des vases, et le niveau d'affleurement du liquide est marqué sur la tige de mesure. Les intervalles entre les marques sont ensuite divisés en dix parties égales, d'où une très faible erreur.
Henri Buignet signale de plus que l'influence de la tension superficielle du liquide peut influencer la mesure.
Dans ce même ouvrage, on peut trouver une description du mode opératoire à suivre pour déterminer la richesse alcoolique des vins.
Pour ce faire, il est nécessaire d'effectuer une distillation du vin à évaluer. La première méthode décrite utilise l'appareil distillatoire perfectionné par Gay-Lussac
- une chaudière A, dans laquelle se forment les vapeurs
- un tube c par lequel elles se dégagent
- un serpentin d dans lequel elles se condensent
- Ajuster toutes les parties de l'appareil
- Mesurer 300 ml du vin à essayer et l'introduire dans la chaudière.Remplir d'eau froide le seau réfrigérant dans lequel tournoie le serpentin, et déposer au-dessous de son orifice inférieur une éprouvette jaugée V, portant la marque 100 ml à sa partie supérieure.
- Chauffer doucement la chaudière à l'aide d'une lampe à alcool, en évitant avec soin toute projection du liquide. Refroidir le tube de communication par un filet continu d'eau froide, et renouveler l'eau du réfrigérant si nécessaire…Continuer ainsi la distillation jusqu'à ce que le niveau du liquide distillé ait atteint le trait 100 dans l'éprouvette V.
- La distillation étant achevée, entourer l'éprouvette V d'eau à 15° C. Plonger l'alcoomètre centésimal dans le produit distillé qu'elle renferme, et noter le degré qui correspond au point d'affleurement. Ce degré, divisé par 3, indique la richesse alcoolique du vin mis en expérience
Tout l'alcool que renfermait les 300ml de vin se trouvant concentré dans les 100 ml de produit distillé, la richesse de celui-ci devient nécessairement triple de celle du vin essayé.
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