Introduction à la viscosité
En termes simples, la viscosité est la mesure utilisée pour déterminer la résistance à l'écoulement d'un liquide. Ce frottement interne se produit lorsque des particules d'un liquide se frottent les unes contre les autres et provoquent une sorte de « collant ». Dans de nombreux domaines, allant de l'industrie pétrolière à la médecine en passant par le secteur de l'alimentation et des boissons, ce concept trouve sa place significative.
Comprendre la viscosité est essentiel pour garantir le bon fonctionnement et optimiser les processus, notamment ceux impliquant le mouvement et la manipulation de liquides. Ce guide vise à explorer en profondeur les subtilités de la viscosité en tant que propriété liquide en expliquant ses principes, ses mesures et ses vastes implications dans diverses industries.
Aqueux, semi-visqueux et visqueux
Pour la dynamique des fluides, la viscosité est un concept essentiel. Il décrit la capacité d'un liquide à résister à l'écoulement. Un liquide s'écoule plus lentement s'il a une viscosité plus élevée. Nos trois principaux termes pour exprimer cet attribut sont aqueux, semi-visqueux et visqueux.
Aqueux : ce terme fait référence à des liquides à faible viscosité (comme celle de l'eau) qui s'écoulent facilement et rapidement, par exemple des jus de fruits ou des boissons à base de thé ou des substances chimiques telles que l'alcool ou l'huile, entre autres.
Semi-visqueux: Ce terme fait référence aux liquides qui ont des niveaux d'épaisseur moyenne. Ils ne coulent pas librement comme les fluides aqueux, mais ne sont pas aussi épais que les fluides visqueux. Les exemples incluent l’huile d’olive ou le miel à température ambiante.
Visqueux: Ce terme désigne des liquides à haute viscosité, épais et à déplacement lent, comme la mélasse, le sirop ou la glycérine.
N'oubliez pas que la viscosité change avec la température ; par conséquent, un liquide peut être plus aqueux lorsqu’il est chauffé (moins dense) ou plus épais lorsqu’il est refroidi.
Parfois, il est nécessaire de décrire avec précision l’épaisseur ou la fluidité d’un fluide. Nous utilisons donc « centipoise » au lieu de termes comme semi-épaissi/semi-épaississant/aqueux/épaissi/épaississant/semi-fin/très fin. Il s'agit d'une façon de quantifier la viscosité, qui fait référence à la résistance de tout fluide à l'écoulement.
Comprendre Centipoise et sa signification
La centipoise (cP) est l'unité de mesure de la viscosité des liquides la plus couramment utilisée en milieu industriel. Il représente la résistance qu'un fluide doit s'écouler, avec un centipoise égal à la viscosité de l'eau à température ambiante. Cela permet de comprendre et de comparer plus facilement les viscosités de différents liquides.
Diverses substances présentent différents niveaux d'adhésivité ou de résistance à l'écoulement mesurés en centipoises (cp) en fonction de leurs viscosités. Voici 20 articles et leurs viscosités correspondantes :
Beurre d'arachide: Le beurre de cacahuète possède une viscosité élevée, comme l'indique sa valeur de 250 000 cp, ce qui le rend épais et collant.
Pâte De Tomate: Il s'agit encore d'une autre substance visqueuse ayant une valeur de viscosité de 190 000 cp.
Vaseline: L'article ménager typique a une valeur de viscosité de 64 000 cp.
Encre (pâte): Sa viscosité mesure 45 000 cp et est classée comme très visqueuse.
Huile-SAE 140: Viscosité=2 200 cp ; appartient à la classe dite visqueuse.
Shampooing: Sa plage approximative de viscosité est comprise entre 800 et 1 000 cp, elle peut donc être catégoriquement qualifiée de substance visqueuse.
Lotion Mains et Corps: Semi-visqueux puisque sa viscosité est d'environ 700 cP
Plastisol: Ce matériau présente également une sorte de semi-viscosité en raison de sa viscosité relativement plus élevée = 700 cP
Huile-SAE 90 a une semi-viscosité avec sa faible lecture-590 cP
Vernis Spar: Il se situe entre le groupe de semi-viscosité avec sa lecture modérée égale à 420 cP
L'huile de soja: L'huile de soja entre dans une catégorie semi-épaissie car elle a une viscosité de 160 cP.
Sirop d'érable est classé comme semi-épaississant puisque sa viscosité est enregistrée à 144 cp.
Huile SAE 20: A l'inverse, sa viscosité est de 125 cp et relève du semi-visque.
L'huile de maïs: Sa viscosité est de 72 cp, elle appartient donc au groupe des huiles semi-visqueuses.
Encre liquide: Sa viscosité est encore plus élevée que l'huile de maïs et mesure environ 25 cp.
Colognes/Parfums: Dense en raison des faibles viscosités allant de un à sept centipoises (cp).
Eau : La fluidité de l’eau est de 1 cp, ce qui signifie qu’il s’agit d’une substance très visqueuse.
Air: L'air, par exemple, a une viscosité d'environ 0,018 cp et n'entre donc pas dans la catégorie des fluides visqueux.
Acide sulfurique: Malgré ses dangers, le degré de viscosité de l'acide sulfurique est de 0,2 cp, ce qui est tout à fait minime.
Le mercure est un liquide dense avec une viscosité relativement élevée d'environ 1,55 centipoise (cp) par rapport aux substances mentionnées précédemment.
Importance de la viscosité dans les liquides
Les variations de consistance entre les fluides peuvent avoir des effets directs sur le comportement et la fonction. Par exemple, les processus d'extraction et de raffinage du pétrole brut sont influencés par l'adhésion de l'industrie pétrolière au caractère intrinsèque du pétrole brut. L'industrie alimentaire est également confrontée à ce type de défi, car les aliments peuvent être gélifiés ou gonflés en fonction de leur épaisseur, provoquée par la viscosité des sauces ou des boissons. Fondamentalement, le maintien de la qualité des produits et la rationalisation du processus de production ne peuvent être obtenus que si l'on comprend et contrôle leurs viscosités.
Applications courantes de la viscosité
La viscosité trouve des applications répandues dans un large éventail d’industries. Dans l’industrie pharmaceutique, il est utilisé pour déterminer les dosages corrects des médicaments liquides. Dans l'industrie automobile, il est crucial de sélectionner les lubrifiants appropriés. Dans les aliments et les boissons, la viscosité affecte la sensation en bouche et la distribution des produits. Dans l’industrie de la peinture, cela détermine la facilité d’application et le temps de séchage. À ce titre, la compréhension et le contrôle de la viscosité font partie intégrante du succès de ces industries.
Mesurer la viscosité
La connaissance de la viscosité d'un liquide donné est souvent cruciale ; cependant, le mesurer réellement peut poser des problèmes. De nombreuses méthodes ont été développées, chacune présentant ses propres avantages et inconvénients.
Méthodes pour mesurer la viscosité
Viscosimètres capillaires mesurer le temps nécessaire à un liquide pour s'écouler dans un petit tube ou un capillaire. La vitesse à laquelle l'écoulement a lieu est linéairement proportionnelle à la viscosité.
Viscosimètres rotatifs: Dans ce cas, un fuseau est inséré dans le liquide puis tourne constamment. En calculant la résistance à de tels mouvements, on peut facilement découvrir quel type de viscosité possède ce fluide.
Viscosimètres à bille tombante: Le récipient cylindrique rempli de cette substance contient une balle qui tombe à l'intérieur. La vitesse terminale (vitesse à laquelle la balle tombe) indique l'épaisseur ou la finesse de ce fluide.
Viscosimètres : outils de mesure de la viscosité
Pour mesurer les viscosités par des viscosimètres, il existe différents types spécialement conçus pour des usages particuliers. Ainsi, le choix parmi eux dépend de facteurs tels que les variations de température dans le liquide mesuré et le degré de précision requis lors de l’expérimentation.
Variables critiques dans la mesure de la viscosité
Les variables qui affectent la mesure de la viscosité incluent la température, car les viscosités peuvent changer radicalement avec la variation de température. La pression est également très importante, notamment pour les gaz et les liquides très visqueux. Lorsque vous essayez d'obtenir des mesures de viscosité plus précises, vous devez tenir compte des outils utilisés ainsi que de la précision avec laquelle ils calculent les valeurs. La connaissance de ces variables devient donc essentielle lors de toute mesure de viscosité.
Fluides newtoniens et non newtoniens
La température, la pression et la composition font partie des facteurs qui influencent la viscosité du liquide. Connaître ces facteurs est essentiel dans les secteurs où la régulation du comportement des liquides est importante, comme la production alimentaire et de boissons, le pétrole et le gaz, les produits pharmaceutiques et l'industrie manufacturière.
Relation entre la température et la viscosité
Il existe une relation inverse entre la température et la viscosité des liquides. En raison d’une augmentation de la température, l’énergie cinétique des molécules augmente également, les faisant se déplacer vigoureusement. Cela diminue la viscosité ; en termes simples, le liquide devient moins épais et s'écoule plus facilement. Un exemple est le miel, qui a tendance à être plus facile à verser lorsqu’il est réchauffé car sa température baisse avec l’augmentation de la température.
Relation pression et viscosité
Comme les liquides ne se compriment pratiquement jamais sous pression, contrairement aux gaz, leur volume ne change pas. Cependant, la pression influence leur viscosité. Dans la plupart des liquides, une pression accrue augmente la viscosité. Les molécules sont rapprochées, ce qui rend l'écoulement difficile. Cette relation entre la pression et la viscosité peut être particulièrement importante dans les processus industriels à haute pression ou dans l’exploration des fonds marins, où les différences de pression peuvent affecter de manière significative le comportement d’un fluide.
Composition à différents niveaux de viscosité
La composition d’un liquide affecte également sa viscosité à travers les différents nombres et types de molécules qu’il contient. Par exemple, l’eau est plus dense que le pétrole en raison de la différence dans leurs structures moléculaires. De plus, les solvants contenant des solutés peuvent présenter des changements de viscosité. En d’autres termes, mettre du sucre dans l’eau donnera une eau plus dense. Il est donc nécessaire de comprendre comment un mélange réagit aux changements de ses constituants, entraînant des changements de viscosité.
Conclusion et tendances futures en matière de mesure de la viscosité
La viscosité, souvent décrite comme « l'épaisseur » d'un liquide, dépend, entre autres facteurs, de la température, de la pression ou de la composition. Ces relations sont complexement imbriquées, ce qui donne lieu à des fluides de viscosités différentes qu'ils présentent dans divers environnements dont nous avons discuté ci-dessus. On ne saurait trop insister sur l’importance de comprendre ces relations entre plusieurs secteurs, de la fabrication à l’exploration des fonds marins ; cela permettra aux chercheurs de prédire et de contrôler le comportement de divers mélanges et solutions.
Techniques de mesure de la viscosité : quelle est la prochaine étape ?
Ces tendances et développements futurs sont importants pour les processus industriels et améliorent les innovations et l’efficacité au sein de différentes industries.
Foire aux questions sur la viscosité des liquides
Q : Qu’entend-on par viscosité ?
R : La viscosité mesure la résistance d'un fluide lorsqu'il est déformé ou s'écoule librement ; il mesure le degré de friction interne à l’intérieur d’une boisson ou d’un jus.
Q : Comment mesurez-vous la viscosité ?
R : Il existe différents types, tels que les viscosimètres capillaires, faillibles en rotation et vibrants, utilisés pour mesurer la viscosité à l'aide d'appareils appelés viscosimètre.
Q : Définissez la viscosité dynamique.
R : La viscosité dynamique ou absolue fait référence à la résistance d'un fluide à l'écoulement dû à la contrainte de cisaillement – η (eta). Il peut être mesuré soit en pascal-secondes (Pa·s), soit en équilibre (P).
Q : Que signifie cinématique ?
R : La viscosité cinématique fait référence au rapport entre deux paramètres, la viscosité dynamique et la densité d'un fluide. Il est noté ν (nu) et son unité de mesure est soit le stokes (St), soit le mètre carré par seconde (m²/s).
Q : Comment la température affecte-t-elle la viscosité ?
R : En général, plus la température est élevée, plus la viscosité est faible. Cela se produit parce que, à mesure que les molécules d’un liquide ou d’un fluide gagnent plus d’énergie, elles se déplacent plus rapidement, ce qui signifie qu’il faut moins d’énergie pour vaincre les forces intermoléculaires.
Q : Dans quelles unités la viscosité est-elle mesurée ?
R : L'unité SI pour la viscosité dynamique est le Pascal-seconde (Pa·s) ou Poise (P), tandis que la viscosité cinématique est exprimée en mètres carrés par seconde (m²/s) ou Stoke (S).
Q : Quelle est la viscosité de l’eau ?
R : L'eau devient plus épaisse à mesure que les températures diminuent, mais généralement, sa valeur absolue est d'environ 0,001 Poises ou 1 Centipoises à 20 °C.
Q : Comment la loi de la viscosité définit-elle la viscosité ?
R : La loi de la viscosité stipule que la contrainte de cisaillement exercée sur un fluide dans des conditions d'écoulement est directement proportionnelle à la vitesse de déformation par cisaillement à l'intérieur de celui-ci. Cela peut être représenté mathématiquement par τ = μ(du/dy), où τ représente la contrainte de cisaillement, μ représente les viscosités dynamiques et (du/dy) désigne le gradient de vitesse ou le taux de changement de vitesse concernant la distance.
Q : Pouvez-vous donner des exemples d’applications typiques impliquant la mesure de propriétés visqueuses ?
R : De nombreuses industries, telles que la transformation des aliments, les produits pharmaceutiques, le pétrole et la peinture, utilisent la mesure de la viscosité. Le comportement d'écoulement des liquides en est déterminé et garantit que les produits répondent aux normes appropriées.
Q : Pourquoi la viscosité est-elle importante dans l’écoulement des fluides ?
R : La force visqueuse dans le fluide peut avoir un impact crucial sur l'écoulement du fluide, car elle peut entraîner une certaine résistance à l'écoulement ou même des forces de friction au sein du liquide. Il influence les niveaux d'efficacité des différents systèmes en ce qui concerne les performances du liquide, comme le débit, entre autres.
