GRANDEURS PHYSIQUES VISCOSITÉ

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Camille Vivien Truchon
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1 Connaissance et Maîtrise des Phénomènes Physiques et Chimiques GRANDEURS PHYSIQUES Ingénieurs en Sécurité Industrielle VISCOSITÉ I - DÉFINITIONS - UNITÉS Viscosité dynamique Viscosité cinématique...2 II - MESURE DE LA VISCOSITÉ Viscosité cinématique Viscosité dynamique...5 III - VARIATION DE LA VISCOSITÉ AVEC LA TEMPÉRATURE Viscosité des liquides Viscosité des gaz...6 Ce document comporte 11 pages BA PHY - - Rév /05/2006

2 1 I - DÉFINITIONS - UNITÉS La viscosité est généralement définie comme caractérisant la résistance à l écoulement d un fluide ; elle intervient dans tous les phénomènes liés à l écoulement des fluides : pertes de charge dans les tuyauteries écoulement dans les vannes, les soupapes et tous les types de restrictions pompage filtration - décantation La viscosité est d autant plus grande que la résistance à l écoulement est élevée et, en raison des différentes méthodes de mesure utilisées pour la déterminer, on distingue deux types de viscosité : la viscosité dynamique et la viscosité cinématique. 1 - LA VISCOSITÉ DYNAMIQUE La viscosité dynamique µ (Mû), appelée encore viscosité absolue, traduit les interactions moléculaires au sein du fluide en mouvement. Traditionnellement, la viscosité dynamique était exprimée en poises (P) ou en centipoises (cp). Elle est maintenant mesurée dans le système international d unités en pascal x seconde (Pa.s). En pratique, la correspondance entre les 2 systèmes d unités est simple puisque le centipoise correspond exactement au millipascal seconde (mpa.s). 1 cp = 1 mpa.s = 0,001 Pa.s Le tableau suivant donne quelques valeurs de viscosité dynamique de fluides usuels. Viscosité dynamique à 20 C (en cp ou en mpa.s) Liquides : éther n-octane eau mercure kérosène 0,24 0,55 1,0 1,6 2,5 Éthylène glycol 20 Acide sulfurique pur 23 Huiles SAE 10 W (environ) Gaz : vapeur d eau air 0,010 0,019 La viscosité dynamique µ des liquides peut être mesurée par exemple à l aide de viscosimètres rotatifs dont le principe de fonctionnement repose sur la mesure du couple résistant lié à la mise en rotation d un mobile tournant au sein de l échantillon à analyser.

3 2 2 - LA VISCOSITÉ CINÉMATIQUE La viscosité cinématique υ (Nû), d utilisation courante pour les liquides, prend en compte la masse volumique ρ du fluide à la même température. Cette dernière intervient chaque fois que l on détermine une viscosité en mesurant un temps d écoulement sous charge, c est-à-dire le temps mis par un liquide pour s écouler à travers un orifice sous l action de son propre poids. On conçoit en effet que le temps obtenu dépend non seulement de la viscosité propre du liquide mais aussi de sa densité. La viscosité cinématique est obtenue à partir de la viscosité dynamique par la formule : Viscosité cinématique υ = viscosité dynamique µ masse volumique ρ υ = µ ρ Habituellement exprimée en stokes (St) et en centistokes (cst), la viscosité cinématique dans le système SI doit être mesurée en mètres carré par seconde (m 2 /s). La correspondance avec les unités habituelles est la suivante : 1 St = 10 4 m 2 /s 1 cst = 0,01 St = 10 6 m 2 /s = 1 mm 2 /s 1 cst = 1 mm 2 /s Application Donner la valeur de la viscosité cinématique des corps ci-dessous : Viscosité dynamique à 20 C (mpa. s) Masse volumique à 20 C (kg/m 3 ) Viscosité cinématique à 20 C (mm 2 /s) Eau 1, Mercure 1, Éther 0, On constate que le mercure et l éther ont tous les deux une viscosité cinématique inférieure à celle de l eau, mais pour des raisons différentes : le mercure en raison de sa très grande masse volumique, et l éther par sa viscosité dynamique assez faible.

4 3 II - MESURE DE LA VISCOSITÉ 1 - VISCOSITÉ CINÉMATIQUE Les mesures de viscosité cinématique des hydrocarbures liquides se font au moyen de 2 types de viscosimètre selon que le mélange est clair ou opaque : le viscosimètre Ubbelohde à niveau suspendu pour les liquides transparents le viscosimètre Cannon Fenske à écoulement inversé pour les liquides opaques Tube de remplissage Tube de remplissage Repères Repères Sens d'écoulement Tube capillaire Sens d'écoulement D ANA 088 A UBBELOHDE CANNON-FENSKE À titre d exemple, les schémas ci-après font apparaître la situation de l appareil au déclenchement et à l arrêt du chronomètre. D ANA 086 A

5 4 Quelque soit l appareil utilisé, cette mesure fournit un temps en secondes qui, multiplié par la constante de l appareil, permet d obtenir directement la viscosité du produit en centistokes. La détermination de la viscosité peut être effectuée avec d autres appareils qui répondent au même principe : mesure d un temps d écoulement d un volume donné de produit à travers un orifice calibré. Les plus utilisés sont les viscosimètres Engler et Saybolt dont les schémas sont donnés ci-dessous. Thermomètre Obturateur Niveau de remplissage ENGLER Repère SSU SSF Liquide à essayer Bain marie thermostaté Mesure d'un temps d'écoulement 200 cm 3 Flacon de réception Ajutage calibré Universal Ø = 1,76 mm Furol Ø = 3,15 mm Fond du bain thermostatique Flacon de réception 60 cm 3 D ANA 087 A Appareil ENGLER Appareil SAYBOLT La viscosité prend alors le nom de l appareil et s exprime : pour le viscosimètre Engler en degré Engler (abréviation E) pour le viscosimètre Saybolt en secondes Saybolt universal (SSU) si on utilise l orifice universal d un diamètre de 1,76 mm et en secondes Saybolt Furol (SSF) avec l orifice 3,15 mm Quelque soit le type d'appareil utilisé, la mesure doit être réalisée à une température précise car la viscosité des liquides dépend très fortement de la température.

6 5 2 - VISCOSITÉ DYNAMIQUE Il existe de nombreux appareils permettant de mesurer la viscosité dynamique. Dans la plupart, le fluide est cisaillé entre deux surfaces, l'une fixe, l'autre mobile en rotation. Le viscosimètre à cylindre coaxiaux est illustré ci-dessous à titre d'exemple. Ressort calibré Il comprend un cylindre fixe contenant le fluide et un cylindre mobile, immergé et entraîné par un moteur (formé d'un rotor et d'un stator). Le stator est suspendu et maintenu par un ressort calibré qui s'oppose à sa rotation. Rotor Stator Le couple de réaction subi par le stator est proportionnel à la viscosité du liquide et à la température de mesure. Cela se traduit par un angle de rotation du stator visualisé par une aiguille ou une indication numérique. Cylindre mobile Cylindre fixe D IRA 1001 A

7 6 III - VARIATION DE LA VISCOSITÉ AVEC LA TEMPÉRATURE 1 - VISCOSITÉ DES LIQUIDES D une façon générale, la viscosité des liquides diminue très vite avec la température. Il importe donc de pratiquer les mesures à des températures parfaitement contrôlées, qui sont le plus souvent 40 C, 50 C ou 100 C. Les courbes en annexe indiquent la variation de viscosité avec la température d échantillons de fuel-oil lourd et de fuel domestique. Application Déterminer la viscosité d un fuel N 2 aux températures suivantes Température ( C) Viscosité (cst) Les planches en annexe donnent des exemples de viscosité de divers composés chimiques et des huiles moteurs. 2 - VISCOSITÉ DES GAZ Les gaz ont une viscosité dynamique beaucoup plus faible que celle des liquides. Mais à l inverse de ceux-ci, la viscosité des gaz augmente avec la température comme le montre les planches en annexe.

8 7 VISCOSITÉ DES FUEL-OILS VISCOSITÉ DES FUEL-OILS Spécification Exemple de produit commercial Intervalle de viscosité du produit considéré VIscosité Cinématique (Centistokes) ,5 FO N FUEL-OIL N 1 FO N 2 FUEL-OIL 40 N FUEL-OIL DOMESTIQUE 3 2 FOD D PPC 001 A Température ( C) D'après GUILLERMIC

9 8 VISCOSITÉ DE PRODUITS DIVERS Viscosité cinématique (cst ou mm 2.s) Gazole (d = 0,89) Fuel oil N 2 Huile moteur 20 W 40 Acide sulfurique à 60 % (d = 1,500) Pétrole brut (d = 0,855) Huile moteur SA E 30 Pétrole brut (d= 0,925) 3 Huile de colza (d = 0,930) 2 Kérosène (d = 0,790) Fluide thermique (d = 1,056) Huile turbine ISO 32 Alcool 1.0 0,9 0,8 Essence (d= 0,716) NaCl à 20 % (d = 1,180) 0,7 0,6 0,5 Essence (d = 0,680) Essence (d = 0,784) Eau 0,4 Butane Température C D PPC 046 A Benzène 0,

10 9 VISCOSITÉ DE QUELQUES GAZ à pression atmosphérique ,04 0,03 Viscosité dynamique (mpa.s ou cp) Azote 0,04 0,03 Oxygène Air Gaz carbonique 0,02 Vapeur d'eau 0,02 Hydrogène 0,01 0,01 Température ( C) D TH 1004 A

11 10 CLASSIFICATION S.A.E. DES HUILES MOTEURS La classification S.A.E. (Society of Automotive Engineers) définit des grades d'huile à partir de la viscosité à une température de référence : 6 grades en W (pour winter) ; 0W, 5W, 10W, 15W, 20W, 25W À chacun de ces grades correspond : une viscosité maxi à une température basse fixée une température limite de pompabilité une viscosité mini à 100 C Les 2 premières limites concernent le fonctionnement hivernal à froid et la 3ème la marche à chaud, moteur en température. 5 autres grades (20, 30, 40, 50, 60) garantissant uniquement une viscosité minimale à 100 C donc sans garantie de fonctionnement à froid. Une huile moteur est dite : monograde si elle rentre dans un seul des grades ci-dessus (ex : 5AE 10 W) multigrade si elle respecte un des grades en W et un des autres (ex SAE 10 W/30) CLASSIFICATION S.A.E. Grade de viscosité SAE À basse température mpa.s ( C) CCS VISCOSITÉ À 100 C (ASTM D-445) mm 2 /s Température limite de pompabilité ( C) ASTM D-4684 Max. Min. Max. Min. 0W 5W 10W à froid 15W 20W 25W ( 30) ( 25) 3500 ( 20) ( 15) ( 10) ( 5) 3,8 3,8 4,1 5,6 5,6 9, à chaud ,6 9,3 12,5 16,3 21,9 9,3 12,5 16,3 21,9 26,1 1 cp = 1 mpa. s 1 cst = 1 mm 2 /s

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