Viscosité

La substance du dessus a une viscosité moindre que celle du dessous.

La viscosité (du latin viscum, gui, glu) peut être définie comme l'ensemble des phénomènes de résistance à l'écoulement se produisant dans la masse d'une matière, pour un écoulement uniforme et sans turbulence. Plus la viscosité augmente, et plus la capacité du fluide à s'écouler facilement diminue, plus l'énergie dissipée par l'écoulement sera importante.

Plusieurs grandeurs physiques caractérisent la viscosité : la viscosité dynamique (celle utilisée le plus généralement), la viscosité cinématique, la seconde viscosité et la viscosité de volume.

Pour un liquide (au contraire d'un gaz), la viscosité tend généralement à diminuer lorsque la température augmente. On pourrait croire que la viscosité d'un fluide s'accroît avec sa densité mais ce n'est pas nécessairement le cas : l'huile est moins dense que l'eau (huile de colza : 0,92 à 20 °C, contre 1 pour l'eau) cependant elle est nettement plus visqueuse.

On classe notamment les huiles mécaniques selon leur viscosité, en fonction des besoins de lubrification du moteur et des températures auxquelles l'huile sera soumise lors du fonctionnement du moteur.

Différentes grandeurs physiques

Présentation

La viscosité (de cisaillement) peut être vue comme la résistance à l'écoulement des différentes couches d'un fluide les unes sur les autres. Plusieurs grandeurs physiques caractérisent la viscosité:

La viscosité est en fait une quantité tensorielle mais il est possible, dans certains cas, de l'exprimer sous la forme d'une grandeur scalaire.

Viscosité dynamique

Article détaillé : Viscosité dynamique.
Force de viscosité agissant dans un fluide.

La viscosité dynamique [2] (ou encore ) se mesure[3] en pascal-secondes (Pa·s), cette unité ayant remplacé le poiseuille (Pl) qui a la même valeur : 1 Pa·s = 1 Pl.

On trouve encore parfois l'ancienne unité[4] du système CGS, la poise (Po) : 1 Pa·s = 10 Po.

La viscosité de l'eau à 20 °C est de 1 cPo (centipoise) soit 1 mPa·s.

Une façon de définir la viscosité dynamique est de considérer deux couches d'un fluide notées abcd et a’b’c’d’, la couche abcd étant animée d'une vitesse relative à a’b’c’d’ notée et dirigée suivant . Sous l'effet de la viscosité, une force s'exerce sur la couche a’b’c’d’ séparée de dz. La viscosité dynamique (le symbole est également utilisé) intervient dans la relation entre la norme de cette force et le taux de cisaillement , étant la surface de chaque couche.

Fluidité

La fluidité est l'inverse de la viscosité dynamique.

Viscosité cinématique

Article détaillé : Viscosité cinématique.

La viscosité cinématique (nu) s'obtient en divisant la viscosité dynamique par la masse volumique soit :

.

Elle s'exprime en mètre carré par seconde (m2/s)[3]. Dans le système CGS, la viscosité cinématique était exprimée en stokes (St) ou en centistokes (cSt).

La conversion est immédiate, puisque 1 St = 1 cm2/s = 10−4 m2/s et 1 cSt = 1 mm2/s = 10–6 m2/s.

Seconde viscosité

La seconde viscosité est le second paramètre scalaire qui caractérise complètement un fluide newtonien.

Elle est souvent omise dans la littérature, faute de caractérisation pour la plupart des fluides usuels, dans leur approximation newtonienne.

Viscosité de volume

La viscosité de volume est une fonction linéaire des viscosités principale et seconde viscosité.

3K= 3λ + 2µ

Viscosité élongationnelle

Article détaillé : Viscosité élongationnelle.

La viscosité élongationnelle est la viscosité apparaissant lorsqu’une contrainte élongationnelle est appliquée au fluide.

Évolution suivant la température

La viscosité d'un fluide varie en fonction de sa température et des actions mécaniques auxquelles il est soumis. Voir par exemple à ce propos le phénomène de thixotropie. Pour déterminer l'importance de l'effet de la température sur la viscosité d'un fluide, on utilise un indice de viscosité. Plus ce dernier est grand, moins la température a d'influence sur la viscosité du fluide.

Concernant un gaz, il est courant d'utiliser la loi de Sutherland définie de la façon suivante :

,

où :

est la viscosité à la température  ;
est la température de Sutherland.

Pour l'air par exemple, on prend habituellement les valeurs suivantes : = 1,715×10-5 Pa·s, = 273,15 K et = 110,4 K, ce qui donne une bonne approximation sur une plage de température de l'ordre de 170 K à 1 900 K environ.

Quelques valeurs

Viscosité dynamique
Corps Température (°C) Viscosité (Pa·s)
Fluide parfaitement défini
dihydrogène 0 8,4 × 10−6
50 9,3 × 10−6
100 10,3 × 10−6
air 0 1,71 × 10−5
50 1,94 × 10−5
100 2,20 × 10−5
xénon 0 2,12 × 10−5
eau 0 1,793 × 10−3
20 1,002 × 10−3
50 0,5470 × 10−3
100 0,2818 × 10−3
glace −13 15 × 1012
mercure 20 1,526 × 10−3
acétone 0,326 × 10−3
éthanol 1,20 × 10−3
méthanol 0,59 × 10−3
benzène 0,64 × 10−3
nitrobenzène 2,0 × 10−3
glycérine 1,49
dioxygène 0 1,9143 × 10−5
diazote 0 1,6629 × 10−5
Fluide de la vie courante
bitume 20 108
mélasse 20 102
miel 20 101
huile de ricin 20 0,95
huile d'olive 20 de 0,081 à 0,1
café crème 20 10−2
sang 37 de 4 à 25 (généralement 6) × 10−3
jus de raisin 20 de 2 à 5 × 10−3
pétrole 20 0,65 × 10−3
Viscosité de corps à la pression atmosphérique
Viscosité cinématique
Corps Température (°C) Viscosité (cSt)
huile 40 de 20 à 60

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Bibliographie

Références

  1. (en) « dynamic viscosity », IUPAC, Compendium of Chemical Terminology (« Gold Book »), 2e  éd. (1997). Version corrigée en ligne :  (2006-).
  2. a et b Le système SI d'unités de mesure, IV - Unités mécaniques, ministère de l'Économie, des Finances et de l'Industrie.
  3. Textes officiels, 28 février 1982, Direction générale de la compétitivité, de l'industrie et des services.