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Dépendance de la viscosité à la température

1850
Laboratory setup for measuring viscosity of fluids at varying temperatures in thermodynamics.

(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.

The relationship between viscosité and temperature is fundamentally different for liquids and gases, stemming from their distinct molecular mechanisms for momentum transfer. In liquids, molecules are closely packed and held together by strong intermolecular cohesive forces. Viscous forces arise from the resistance of these molecules to sliding past one another. As temperature rises, the kinetic energy of the molecules increases, allowing them to overcome these cohesive forces more readily. This results in a decrease in the liquid’s resistance to flow, and thus, a lower viscosity. This effect is pronounced; for example, the viscosity of water decreases by a factor of about 6 between 0°C and 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.

UNESCO Nomenclature: 2212
– Thermodynamique

Taper

Physical Property

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:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • fluides intelligents sensibles à la température pour un retour haptique
  • systèmes de refroidissement autorégulés pour l'électronique
  • isolation thermique avancée utilisant des panneaux remplis de gaz
  • fluides de forage géothermique qui maintiennent les performances à haute température
  • matériaux à changement de phase pour le stockage de l'énergie thermique
  • cryogenic fluid handling systems for exploration spatiale
  • systèmes d'extinction d'incendie utilisant des mousses thermosensibles
  • appareils de cuisson qui contrôlent précisément la texture des aliments via la température
En lien avec : viscosité, dépendance à la température, liquides, gaz, théorie cinétique, forces intermoléculaires, transfert de quantité de mouvement, propriétés des fluides.

Contexte historique

Solar panel installation demonstrating the photovoltaic effect in solid state physics.

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.
19th century laboratory with thermodynamic instruments and Mayer's relation equations.

Mayer’s Relation (thermodynamics)

Mayer's relation connects the specific heats of a perfect gas to the specific gas constant ([latex]R_s[/latex]). The relation is [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. For molar specific heats ([latex]C_p[/latex] and [latex]C_v[/latex]), the relation is [latex]C_p - C_v = R[/latex], where [latex]R[/latex] is the universal gas constant. This shows that [latex]c_p[/latex] is always greater than [latex]c_v[/latex].
19th-century laboratory with physicists studying energy conservation principles.

Conservation de l'énergie

A fundamental principle stating that the total energy of an isolated system remains constant over time. Energy can neither be created nor destroyed, only transformed from one form to another, such as from potential to kinetic energy. In classical mechanics, for systems with only conservative forces, the total mechanical energy [latex]E = T + V[/latex] is conserved.

Dépendance de la viscosité à la température

Laboratory experiment demonstrating the First Law of Thermodynamics with a heat engine setup.

Première loi de la thermodynamique

The First Law is a statement of the conservation of energy. It posits that the change in a closed system's internal energy ([latex]\Delta U[/latex]) is equal to the heat supplied to the system ([latex]Q[/latex]) minus the work done by the system on its surroundings ([latex]W[/latex]). The governing equation is [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. This law links heat, work, and internal energy, establishing heat as a form of energy transfer.
Chemist conducting experiments with catalysts in a vintage laboratory setting, 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.
19th-century chemist measuring gas volumes illustrating the Ideal Gas Law in thermodynamics.

Loi des gaz parfaits (forme molaire)

The ideal gas law is the equation of state for a hypothetical ideal gas, approximating the behavior of many gases under various conditions. The molar form relates pressure ([latex]P[/latex]), volume ([latex]V[/latex]), amount of substance in moles ([latex]n[/latex]), and absolute temperature ([latex]T[/latex]) via the universal gas constant ([latex]R[/latex]): [latex]PV = nRT[/latex].
1839-01-01
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Early fuel cell apparatus by William Grove, showcasing electrochemical principles in physical chemistry.

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.
Demonstration of Joule heating in a vintage laboratory with electric appliances.

Chauffage par effet Joule et énergie électrique

Joule heating, or ohmic heating, is the phenomenon where heat is produced by an electric current passing through a conductor. The rate of heat generation, or power dissipated ([latex]P[/latex]), is given by Joule's first law, [latex]P = VI[/latex]. By combining this with Ohm's law, the power can be expressed as [latex]P = I^2 R[/latex] or [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex].
Laboratory apparatus for measuring internal energy and enthalpy of a perfect gas in thermodynamics.

Énergie interne et enthalpie d'un gaz parfait

For a perfect gas, the internal energy ([latex]U[/latex]) and enthalpy ([latex]H[/latex]) are functions of temperature only. Their changes are given by [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] and [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], where [latex]c_v[/latex] and [latex]c_p[/latex] are the specific heats at constant volume and pressure, respectively, and are assumed to be constant.
Researcher testing viscoelastic properties of synthetic polymer in a laboratory.

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.
Scientist measuring sublimation in a vintage laboratory, thermodynamics study.

Enthalpie de sublimation

The enthalpy of sublimation, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex], is the heat required to convert one mole of a substance from solid to gas at a given temperature and pressure. According to Hess's Law, since enthalpy is a state function, this energy change is the sum of the enthalpy of fusion ([latex]\Delta H_{\text{fus}}[/latex]) and the enthalpy of vaporization ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex]).
Engineers designing an efficient heat engine in a laboratory, illustrating thermodynamics applications.

Deuxième loi de la thermodynamique

La deuxième loi introduit le concept d'entropie et définit la direction des processus spontanés. Elle peut être formulée de plusieurs manières, mais une conséquence essentielle est que l'entropie totale d'un système isolé ne peut jamais diminuer au fil du temps. Cette loi explique la « flèche du temps » et l'irréversibilité des processus, comme la chaleur qui s'écoule spontanément d'un corps chaud vers un corps froid.
Laboratory scene illustrating thermodynamic experiments on the Perfect Gas Model.

Le modèle du gaz parfait

A perfect gas is a theoretical model of a gas where intermolecular forces are neglected and specific heat capacities ([latex]C_P[/latex] and [latex]C_V[/latex]) are assumed to be constant with respect to temperature. This simplifies thermodynamic calculations significantly. It is a specific case of the ideal gas, where specific heats can vary with temperature, making it a more constrained model.
19th-century laboratory scene with Ludwig Boltzmann studying the Ideal Gas Law in statistical thermodynamics.

Loi des gaz parfaits (forme statistique)

The statistical mechanics formulation of the ideal gas law expresses the relationship in terms of the microscopic properties of the gas. It relates pressure ([latex]P[/latex]) and volume ([latex]V[/latex]) to the total number of particles ([latex]N[/latex]) and the absolute temperature ([latex]T[/latex]) through the Boltzmann constant ([latex]k_B[/latex]): [latex]PV = Nk_BT[/latex].

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

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