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Dépendance de la viscosité à la température

1850

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

Pour un fluide newtonien, viscosité est une fonction de la température et pression mais pas le taux de cisaillement. Dans les liquides, la viscosité diminue significativement avec l'augmentation de la température car une énergie thermique plus élevée permet aux molécules de surmonter plus facilement les forces de cohésion intermoléculaires. À l'inverse, dans les gaz, la viscosité augmente avec la température car des collisions moléculaires plus fréquentes et à plus grande vitesse entraînent un transfert de quantité de mouvement plus important.

La relation entre la viscosité et la température est fondamentalement différente pour les liquides et les gaz, en raison de leurs mécanismes moléculaires distincts de transfert de quantité de mouvement. Dans les liquides, les molécules sont étroitement liées et maintenues ensemble par de fortes forces de cohésion intermoléculaires. Les forces visqueuses résultent de la résistance de ces molécules au glissement les unes sur les autres. Lorsque la température augmente, l'énergie cinétique des molécules croît, leur permettant de surmonter plus facilement ces forces de cohésion. Il en résulte une diminution de la résistance à l'écoulement du liquide, et donc une viscosité plus faible. Cet effet est marqué ; par exemple, la viscosité de l'eau diminue d'un facteur d'environ 6 entre 0 °C et 100 °C.

Dans les gaz, les molécules sont éloignées les unes des autres et interagissent principalement par collisions. La viscosité d'un gaz mesure le transport de quantité de mouvement entre des couches se déplaçant à différentes vitesses. Cette quantité de mouvement est transférée par les molécules se déplaçant entre les couches et entrant en collision. À mesure que la température augmente, la vitesse thermique aléatoire des molécules de gaz augmente. Cela entraîne des collisions plus fréquentes et plus énergétiques, ce qui se traduit par un transfert de quantité de mouvement plus efficace entre les couches et, par conséquent, par une augmentation de la viscosité. Ce comportement fut l'un des premiers triomphes de la théorie cinétique des gaz, car il s'agissait d'une prédiction contre-intuitive, confirmée ultérieurement par l'expérience.

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD), Impact environnemental, Mécanique des fluides, Énergie géothermique, Optimisation des processus, Rhéologie, Vieillissement thermique

UNESCO Nomenclature: 2212

– Thermodynamique

Taper

Propriété physique

Perturbation

Substantiel

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

Développement du thermomètre
Les travaux de Rudolf Clausius et de James Clerk Maxwell sur la théorie cinétique des gaz
Études sur les forces intermoléculaires par Johannes Diderik van der Waals
Premières expériences sur l'écoulement des fluides par Poiseuille et Hagen

Applications

formulation d'huile moteur (huiles multigrades)
échangeurs de chaleur industriels
fabrication et moulage du verre
transformation des aliments (par exemple, contrôle de la coulée de chocolat ou de miel)
extraction d'énergie géothermique

Brevets:

Idées d'innovations potentielles

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En lien avec : viscosité, dépendance à la température, liquides, gaz, théorie cinétique, forces intermoléculaires, transfert de quantité de mouvement, propriétés des fluides.

Contexte historique

L'effet photovoltaïque

L'effet photovoltaïque est la génération de tension et de courant électrique dans un matériau lorsqu'il est exposé à la lumière. Il s'agit d'un phénomène physique et chimique. Une application courante est la cellule solaire, qui exploite cet effet pour convertir directement la lumière solaire en électricité. Cet effet repose sur l'excitation des électrons par des photons lumineux, qui les portent à un état d'énergie supérieur.

Laboratoire du XIXe siècle avec des instruments de thermodynamique et les équations de la relation de Mayer.

Relation de Mayer (thermodynamique)

La relation de Mayer relie les chaleurs spécifiques d'un gaz parfait à la constante spécifique des gaz ([latex]R_s[/latex]). La relation est la suivante : [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Pour les chaleurs spécifiques molaires ([latex]C_p[/latex] et [latex]C_v[/latex]), la relation est [latex]C_p - C_v = R[/latex], où [latex]R[/latex] est la constante universelle des gaz. Cela montre que [latex]c_p[/latex] est toujours supérieur à [latex]c_v[/latex].

Conservation de l'énergie

Principe fondamental selon lequel l'énergie totale d'un système isolé reste constante dans le temps. L'énergie ne peut être ni créée ni détruite, mais seulement transformée d'une forme à une autre, par exemple de l'énergie potentielle à l'énergie cinétique. En mécanique classique, pour les systèmes ne comportant que des forces conservatives, l'énergie mécanique totale [latex]E = T + V[/latex] est conservée.

Dépendance de la viscosité à la température

Première loi de la thermodynamique

La première loi est un énoncé de la conservation de l'énergie. Elle postule que la variation de l'énergie interne d'un système fermé ([latex]\Delta U[/latex]) est égale à la chaleur fournie au système ([latex]Q[/latex]) moins le travail effectué par le système sur son environnement ([latex]W[/latex]). L'équation directrice est [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Cette loi relie la chaleur, le travail et l'énergie interne, établissant la chaleur comme une forme de transfert d'énergie.

Chimiste réalisant des expériences avec des catalyseurs dans un laboratoire d'époque, 1850.

Catalyseur sur l'équilibre chimique

Un catalyseur augmente la vitesse des réactions directes et inverses de manière équivalente en proposant une voie de réaction alternative avec une énergie d'activation plus faible. Bien qu'un catalyseur permette à un système d'atteindre l'équilibre beaucoup plus rapidement, il ne modifie pas la position de l'équilibre lui-même. Les concentrations à l'équilibre des réactifs et des produits, ainsi que la valeur de la constante d'équilibre K, restent inchangées.

Chimiste du XIXe siècle mesurant les volumes de gaz et illustrant la loi des gaz idéaux en thermodynamique.

Loi des gaz parfaits (forme molaire)

La loi des gaz idéaux est l'équation d'état d'un gaz idéal hypothétique, qui donne une approximation du comportement de nombreux gaz dans diverses conditions. La forme molaire relie la pression ([latex]P[/latex]), le volume ([latex]V[/latex]), la quantité de substance en moles ([latex]n[/latex]) et la température absolue ([latex]T[/latex]) par l'intermédiaire de la constante universelle des gaz ([latex]R[/latex]) : [latex]PV = nRT[/latex].

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Pile à combustible

Une pile à combustible est un dispositif électrochimique qui convertit directement l'énergie chimique d'un combustible, généralement de l'hydrogène, et d'un oxydant, souvent de l'oxygène, en électricité. Contrairement à une batterie, elle nécessite un apport externe continu de combustible et d'oxydant pour fonctionner. Ses principaux composants sont une anode, une cathode et un électrolyte qui les sépare et facilite le transport des ions.

Démonstration du chauffage par effet Joule dans un laboratoire d'époque avec des appareils électriques.

Chauffage par effet Joule et énergie électrique

Le chauffage par effet Joule, ou chauffage ohmique, est le phénomène par lequel de la chaleur est produite par un courant électrique passant à travers un conducteur. Le taux de production de chaleur, ou puissance dissipée ([latex]P[/latex]), est donné par la première loi de Joule, [latex]P = VI[/latex]. En combinant cette loi avec la loi d'Ohm, la puissance peut être exprimée comme [latex]P = I^2 R[/latex] ou [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].

Appareil de laboratoire pour mesurer l'énergie interne et l'enthalpie d'un gaz parfait en thermodynamique.

Énergie interne et enthalpie d'un gaz parfait

Pour un gaz parfait, l'énergie interne ([latex]U[/latex]) et l'enthalpie ([latex]H[/latex]) sont des fonctions de la température uniquement. Leurs variations sont données par [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] et [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], où [latex]c_v[/latex] et [latex]c_p[/latex] sont les chaleurs spécifiques à volume et pression constants, respectivement, et sont supposées être constantes.

Chercheur testant les propriétés viscoélastiques d'un polymère synthétique en laboratoire.

Viscoélasticité

La viscoélasticité est la propriété des matériaux qui présentent à la fois des caractéristiques visqueuses et élastiques lorsqu'ils subissent une déformation. Les matériaux visqueux, comme le miel, résistent au cisaillement et se déforment linéairement dans le temps lorsqu'une contrainte est appliquée. Les matériaux élastiques, comme un élastique, se déforment lorsqu'ils sont étirés et reviennent rapidement à leur état initial une fois la contrainte relâchée. Les matériaux viscoélastiques présentent des éléments des deux.

Scientifique mesurant la sublimation dans un laboratoire d'époque, étude de thermodynamique.

Enthalpie de sublimation

L'enthalpie de sublimation, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex], est la chaleur nécessaire pour convertir une mole d'une substance de solide en gaz à une température et une pression données. Selon la loi de Hess, l'enthalpie étant une fonction d'état, ce changement d'énergie est la somme de l'enthalpie de fusion ([latex]\Delta H_{\text{fus}}[/latex]) et de l'enthalpie de vaporisation ([latex]\Delta H_{text{vap}}[/latex]).