Qu'est-ce que la viscosité ?

La viscosité d'un fluide est une mesure de sa résistance à l'écoulement. Il décrit le frottement interne d'un fluide en mouvement. Les fluides visqueux résistent au mouvement car leur composition moléculaire crée beaucoup de friction interne. Les fluides à faible viscosité s'écoulent facilement car leur composition moléculaire crée peu de frottement lorsqu'ils sont en mouvement.

Au niveau moléculaire, la viscosité est causée par les interactions entre différentes molécules dans un fluide. Cela peut également être considéré comme un frottement entre les molécules. Tout comme dans le cas du frottement entre des solides en mouvement, la viscosité déterminera l'énergie nécessaire pour faire s'écouler un fluide.

La meilleure façon de visualiser cela est à travers un exemple. Considérez une tasse en polystyrène avec un trou au fond. Je remarque que la tasse se vide très lentement quand on y verse du miel. En effet, la viscosité du miel est relativement élevée par rapport aux autres liquides. Lorsque nous remplissons la même tasse d'eau, par exemple, l'eau s'écoulera beaucoup plus rapidement. Un fluide à faible viscosité est dit "mince", tandis qu'un fluide à haute viscosité est dit "épais". Il est plus facile de se déplacer dans un fluide à faible viscosité (comme l'eau) qu'un fluide à haute viscosité (comme le miel).

Facteurs affectant la viscosité

La viscosité est influencée par de nombreux facteurs. Les exemples incluent la température, la pression et l'ajout d'autres molécules. La pression a un petit effet sur les liquides et est souvent ignorée. L'ajout de molécules peut avoir un effet significatif. Le sucre, par exemple, rend l'eau plus visqueuse.

La température, cependant, a le plus grand impact sur la viscosité. Les augmentations de température dans un liquide diminuent la viscosité car elles donnent aux molécules suffisamment d'énergie pour surmonter l'attraction intermoléculaire. L'effet de la température sur la viscosité est inverse pour les gaz. Lorsque la température du gaz augmente, la viscosité augmente. La viscosité du gaz n'est pas significativement affectée par l'attraction intermoléculaire, mais par l'augmentation de la température, ce qui provoque la collision de plus de molécules.

Viscosité dynamique et cinétique

Il existe deux façons de rapporter la viscosité. Absolu ou viscosité dynamique est une mesure de la résistance d'un fluide à l'écoulement viscosité cinématique est le rapport de la viscosité dynamique à la densité d'un fluide. Bien que la relation soit simple, il est important de se rappeler que deux fluides ayant les mêmes valeurs de viscosité dynamique peuvent avoir des densités différentes et donc des valeurs de viscosité cinématique différentes. Et, bien sûr, la viscosité dynamique et la viscosité cinématique ont des unités différentes.

Unités de viscosité

L'unité SI de la viscosité est le newton-seconde par mètre carré (N·s/m2). Cependant, vous verrez souvent la viscosité exprimée en pascal-seconde (Pa·s), kilogramme par mètre par seconde (kg·m−1·s−1), poise (P ou g·cm−1·s− 1 = 0.1 Pa·s) ou centipoise (cP). Cela rend la viscosité de l'eau à 20 °C d'environ 1 cP ou 1 mPa·s.

Dans l'ingénierie américaine et britannique, une autre unité courante est la livre-seconde par pied carré (lb·s/ft2). Une autre unité équivalente est la livre-force-seconde par pied carré (lbf·s/ft2).

Unités de viscosité dynamique

L'équilibre (symbole : P)

Poise (symbole : P) Du nom du médecin français Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869), il s'agit de l'unité CGS de viscosité, équivalente à la dyne-seconde par centimètre carré. C'est la viscosité d'un fluide dans lequel une force tangentielle de 1 dyne par centimètre carré maintient une différence de vitesse de 1 centimètre par seconde entre deux plans parallèles distants de 1 centimètre. Même en ce qui concerne les fluides à haute viscosité, cette unité est le plus souvent rencontrée sous le nom de centipoise (cP), qui est de 0.01 poise. De nombreux fluides quotidiens ont des viscosités comprises entre 0.5 et 1000 cP

Pascal-seconde (symbole : Pa·s)

Il s'agit de l'unité SI de viscosité, équivalente au newton-seconde par mètre carré (N·sm-2). On l'appelle parfois la « poiseuille » (Pl). Un poise est exactement 0.1 Pa.s. Une poiseuille vaut 10 poises ou 1000 cP, tandis que 1 cP = 1 mPa·s (un millipascal-seconde).

Unités de viscosité cinématique

Stokes (symbole : St)

C'est l'unité cgs, équivalente au centimètre carré par seconde. Un stokes est égal à la viscosité en poise divisée par la densité du fluide en g cm–3. Il est le plus souvent rencontré en centistokes (cSt) (= 0.01 stokes).

Saybolt Secondes Universel

C'est le temps nécessaire pour que 60 ml de fluide s'écoulent à travers l'orifice calibré d'un viscosimètre universel Saybolt à une température spécifiée de viscosité cinématique, comme prescrit par la méthode d'essai ASTM D 88. Pour des viscosités plus élevées, le SSF (Saybolt Seconds Furol) est utilisé.

Formule pour la viscosité

Modèle de base d'écoulement entre deux plaques [1]

Le rapport de la force externe (F) à la zone touchée (A) est défini comme le contrainte de cisaillement (σ):

σ = F/A

La déformation de cisaillement (γ) est défini comme la variation relative de la longueur du matériau due à la force externe :

γ = l/l₀

Le rapport entre la contrainte de cisaillement (σ) et la déformation de cisaillement (γ) est défini comme le module (G):

G = σ/ γ

Si la plaque supérieure de la figure 1 se déplace à une certaine vitesse (v), le gradient de vitesse dv/dx est défini comme le taux de cisaillement (γ̇). Sir Isaac Newton, qui a formulé les lois du mouvement et de la gravitation universelle, a découvert que dans les fluides idéaux (appelés fluides newtoniens), la contrainte de cisaillement (σ) est directement lié au taux de cisaillement (γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

Fluides newtoniens et non newtoniens

Les fluides newtoniens, comme on les appelle, ont une viscosité constante. Lorsque vous augmentez la force, la résistance augmente, mais c'est une augmentation proportionnelle. Quelle que soit la force appliquée à un fluide newtonien, il continue d'agir comme un fluide. UNE Fluide newtonien est un fluide qui obéit à la loi de frottement de Newton, où la viscosité est indépendante de la vitesse de déformation.

La viscosité reste constante quels que soient les changements de taux de cisaillement ou d'agitation. Lorsque la vitesse de la pompe augmente, le débit augmente proportionnellement. Les liquides affichant un comportement newtonien comprennent l'eau, les huiles minérales, le sirop, les hydrocarbures et les résines.

Fluides non newtoniens

A fluide non newtonien est celui qui n'obéit pas à la loi de frottement de Newton. La plupart des systèmes fluides ne sont pas newtoniens (appelés fluides non newtoniens) et leur viscosité n'est pas constante, mais change en fonction de l'augmentation ou de la diminution du taux de cisaillement appliqué.

De nombreux fluides présentent une diminution de la viscosité en fonction de l'augmentation du taux de cisaillement. Ces fluides sont appelés fluides pseudoplastiques. La « structure » ​​du fluide dans ces systèmes est décomposée en raison de la force externe, ce qui entraîne une amincissement par cisaillement comportement. Si l'association inter-particules (ou moléculaire) initiale est forte, le système peut se comporter comme un solide au repos. La contrainte de cisaillement initiale nécessaire pour surmonter les efforts internes et perturber la structure est définie comme la valeur de rendement du système. Les matériaux qui présentent une valeur d'élasticité et qui présentent ensuite un amincissement par cisaillement avec un taux de cisaillement croissant sont définis comme fluides plastiques. Certains fluides présentent une augmentation de la viscosité avec l'augmentation du taux de cisaillement, un phénomène connu sous le nom de épaississement par cisaillement. Ces matériaux sont définis comme fluides dilatants.

Contrainte de cisaillement en fonction du taux de cisaillement [1]

Viscosité en fonction du taux de cisaillement [1]

Comportement de l'écoulement dans le temps : Thixotropie

Un fluide complexe se réorganise au fil du temps lorsqu'une force externe est supprimée. Ainsi, la viscosité ne doit pas seulement être mesurée en augmentant le taux de cisaillement lorsque la structure est brisée, mais également en diminuant le taux de cisaillement lorsque le système se rétablit. C'est ce qu'on appelle l'hystérésis.

Dans une récupération rapide, le tracé de la viscosité en fonction de la diminution du taux de cisaillement serait superposé au tracé de la viscosité en fonction de l'augmentation du taux de cisaillement. Si le fluide met du temps à restaurer sa structure, la « courbe descendante » serait inférieure à la « courbe montante ». Thixotropie est défini comme présentant un amincissement par cisaillement avec un taux de cisaillement accru et une récupération plus lente avec un taux de cisaillement décroissant. Dans non thixotrope matériaux, les courbes "haut" et "bas" se chevauchent et rhéopectique matériaux, la courbe « vers le bas » est au-dessus de la courbe « vers le haut ».

Mais alors que les fluides thixotropes sont parfois confondus avec des fluides pseudoplastiques et que les fluides rhéopectiques sont parfois confondus avec des fluides dilatants, ces deux types de fluides diffèrent d'une manière cruciale : la dépendance au temps. L'évolution de la viscosité par rapport à la contrainte pour les fluides dilatants et pseudoplastiques est indépendante du temps. Mais pour les fluides thixotropes, la viscosité diminue avec une contrainte accrue, plus la contrainte est appliquée longtemps. Il en va de même pour les fluides rhéopectiques, la viscosité augmente avec une contrainte accrue plus ladite contrainte est appliquée longtemps.

Nous utilisons beaucoup de produits dans la vie quotidienne qui présentent un comportement thixotrope. La thixotropie est la propriété qui explique pourquoi les produits de soins personnels comme les gels capillaires et les dentifrices passent du liquide au solide lorsqu'ils sont pressés, mais reviennent ensuite à leur état solide afin de conserver leur forme. Les propriétés rhéologiques de la décomposition structurelle et de la régénération en fonction du temps déterminent la qualité d'un produit.

Viscosité en fonction du taux de cisaillement - comportement thixotrope et non thixotrope (les flèches indiquent un taux de cisaillement croissant ou décroissant) [1]

Viscosité vis-à-vis de la contrainte dans le temps (Comportement Thixotrope Vs Rhéopectique) [2]

Importance de la viscosité dans la vie quotidienne

Dans de nombreux domaines différents, la viscosité peut en fait être très utile, même si elle semble être d'une importance mineure dans la vie quotidienne. Par exemple:

• Lubrification dans les véhicules.Lorsque vous mettez de l'huile dans votre voiture ou votre camion, vous devez tenir compte de sa viscosité. C'est parce que la viscosité affecte le frottement, qui affecte la chaleur. De plus, la viscosité affecte à la fois le taux de consommation d'huile et la facilité avec laquelle votre véhicule démarre dans des conditions chaudes et froides. La viscosité de certaines huiles reste la même lorsqu'elles chauffent et qu'elles refroidissent, tandis que d'autres deviennent plus fluides lorsqu'elles chauffent, ce qui cause des problèmes lorsque vous conduisez votre voiture pendant une chaude journée d'été.
• Dans la préparation et le service des aliments, la viscosité joue un rôle important. De nombreuses huiles de cuisson deviennent beaucoup plus visqueuses avec le refroidissement, tandis que d'autres peuvent ne pas changer du tout de viscosité. Comme la graisse est visqueuse lorsqu'elle est chauffée, elle devient solide lorsqu'elle est refroidie. La viscosité des sauces, des soupes et des ragoûts est également importante dans différentes cuisines. Une fois diluée, une soupe épaisse de pommes de terre et de poireaux devient une vichyssoise française. Le miel, par exemple, est assez visqueux et peut modifier la "sensation en bouche" de certains aliments.
• L'équipement de fabrication doit être correctement lubrifié pour fonctionner correctement. Les canalisations peuvent être bloquées et bouchées par des lubrifiants visqueux. Les lubrifiants fluides offrent une protection insuffisante pour les pièces mobiles.
• Lorsque des fluides sont injectés par voie intraveineuse, la viscosité peut être cruciale. Une préoccupation majeure concerne la viscosité du sang : un sang trop visqueux peut former des caillots internes, tandis qu'un sang trop fluide ne coagulera pas, provoquant une perte de sang dangereuse et même la mort.

Quelques viscosités typiques