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La viscosité est une mesure de la résistance d’un fluide à l’écoulement et c’est un paramètre utile dans la conception d’un traitement efficace des produits et du contrôle de la qualité dans un large éventail d’industries. La viscosité décrit le frottement interne d’un fluide en mouvement. Un fluide à haute viscosité résiste à l’écoulement, tandis qu’un fluide à faible viscosité s’écoule plus facilement. Un viscosimètre à tube de verre est couramment utilisé pour déterminer la viscosité, qui mesure le temps nécessaire à un fluide pour s’écouler à travers un tube capillaire. Les viscosimètres rotatifs, tels que ceux avec une géométrie de plaque parallèle, appliquent des forces de cisaillement et mesurent le couple nécessaire pour faire tourner le fluide. Cette vidéo illustre les principes de la viscosité, montre comment utiliser un viscosimètre pour déterminer la concentration inconnue d’une solution de propylène glycol et traite de certaines applications industrielles.
Pour commencer, passons en revue les principes de viscosité. La viscosité dynamique d’un fluide décrit la force par unité de surface, connue sous le nom de contrainte de cisaillement, qui est nécessaire pour déplacer le fluide, dans ce cas, parallèlement à un plan. Le fluide en contact étroit avec la plaque inférieure reste au repos, et le fluide qui touche la plaque supérieure a la même vitesse que cette plaque. Ce gradient de vitesse est dû au frottement interne entre les couches de fluide et est connu sous le nom de taux de déformation par cisaillement. La viscosité dynamique est définie comme la contrainte de cisaillement divisée par le taux de déformation par cisaillement. La viscosité peut être influencée par la température, la densité du fluide et la composition. Les changements de pression, cependant, ont un effet négligeable. Une fois que la viscosité dynamique est connue, la viscosité cinématique est le rapport entre la viscosité dynamique et la densité du fluide. Il s’agit d’une mesure de la résistance du fluide à l’écoulement dû à la gravité. Plusieurs instruments mesurent la viscosité cinématique de manière expérimentale, comme le viscosimètre Canon-Fenske. Cet appareil se compose d’un grand bain d’eau à température contrôlée avec des ailettes pour maintenir un équilibre thermique constant. Des tubes capillaires de différentes tailles sont utilisés en fonction de la viscosité approximative du fluide. À l’aide de cet appareil, le liquide est versé dans le tube et aspiré au-delà des marques gravées. Ensuite, le temps nécessaire au fluide pour retourner à travers le tube capillaire est mesuré, connu sous le nom de temps d’efflux. Le temps d’efflux est ensuite multiplié par la constante d’étalonnage du viscosimètre, qui est spécifique au verre capillaire utilisé pour donner la viscosité cinématique. Maintenant que vous connaissez les principes fondamentaux de la viscosité, mesurons la viscosité cinématique de solutions connues de propylène glycol pour déterminer la concentration d’un échantillon inconnu.
Commencez l’expérience en préparant sept solutions pour l’étalonnage avec des concentrations variables de propylène glycol et d’eau. Étiquetez toutes les solutions avec la concentration. Obtenez un échantillon de la concentration inconnue et mettez-le de côté. Vérifiez tous les échantillons liquides pour détecter la présence de peluches, de poussière ou de particules solides avant de les utiliser et, si nécessaire, filtrez l’échantillon à travers un filtre en verre centré. Ensuite, nettoyez le viscosimètre à l’eau et séchez-le à l’air filtré. N’oubliez pas d’utiliser un tube capillaire en verre de taille appropriée pour le viscosimètre, qui dépend de la viscosité approximative de la solution à tester.
Maintenant, versez un échantillon dans le viscosimètre, puis essuyez le bras. Ensuite, placez le viscosimètre dans le support et insérez-le dans le bain de température. Attendez 10 à 15 minutes pour permettre à l’échantillon de s’équilibrer à la température du bain. Appliquez ensuite une aspiration sur le bras et aspirez l’échantillon dans le tube. Prenez maintenant un chronomètre et mesurez le temps nécessaire pour que l’échantillon s’écoule librement dans le tube capillaire après avoir quitté le point final marqué. C’est votre temps d’efflux. Répétez la procédure pour chaque échantillon. Maintenant que toutes les viscosités ont été mesurées, jetons un coup d’œil aux résultats et déterminons la concentration de l’échantillon inconnu.
Pour trouver la concentration de l’échantillon inconnu, utilisez les données des échantillons connus et interpolez la viscosité de la solution inconnue. Tout d’abord, déterminez les viscosités cinématiques en multipliant le temps mesuré par la constante du viscosimètre. Convertissez ensuite la viscosité cinématique en viscosité dynamique en multipliant par la masse volumique. Ensuite, tracez les viscosités cinématiques en fonction des molarités des échantillons connus. Le graphique montre que la viscosité augmente avec l’augmentation de la concentration de propylène glycol. Déterminer la relation linéaire entre la viscosité cinématique et la concentration en propylène. Ensuite, interpolez la concentration de l’échantillon inconnu à l’aide de sa viscosité mesurée. Dans cette démonstration, l’échantillon inconnu contenait 45 % molaire de propylène glycol. Maintenant que vous avez appris comment la viscosité est utilisée pour déterminer la concentration, examinons les nombreuses applications de la viscosité dans les environnements industriels.
Les tests de viscosité sont importants dans de nombreux domaines industriels allant de la raffinerie de pétrole et de la production de cellules solaires aux applications biomédicales et à la recherche. La mesure précise de la viscosité dans l’industrie pétrochimique est d’une grande priorité car elle est utilisée non seulement pour déterminer la composition du pétrole brut, mais aussi pour évaluer le contrôle de la qualité des produits pétrochimiques. La viscosité varie du pétrole brut aux hydrocarbures liquides, et elle doit être prise en compte pour des conditions d’extraction, de manutention et de fonctionnement de la raffinerie efficaces. La caractérisation rhéologique des suspensions hautement concentrées est également obligatoire pour le développement d’applications impliquant des fluides complexes, tels que ceux utilisés dans la métallisation des cellules solaires. Les propriétés d’écoulement des pâtes conductrices doivent être soigneusement ajustées pour garantir un traitement non perturbé et sans défaut et éviter la sédimentation et l’agrégation de particules. En médecine, les techniques microrhéologiques sont des outils de diagnostic qui étudient la déformabilité des globules rouges et détectent les maladies du sang telles que la drépanocytose, qui affectent la viscosité du sang. Des protocoles utilisant la microfluidique avec des taux de cisaillement réglables et le traitement d’images sont utilisés pour déterminer quantitativement l’agrégation des globules rouges dans la microcirculation. Ces protocoles sont également utilisés pour caractériser les tissus humains, tels que la matière cérébrale, afin de mieux comprendre la structure et de concevoir des matériaux bio-inspirés.
Vous venez de regarder l’introduction de JOVE à la viscosité. Vous devez maintenant connaître les principes fondamentaux de la viscosité, être capable d’utiliser un viscosimètre et comprendre l’importance de la viscosité dans une variété d’applications. Merci d’avoir regardé.
