Daniel R. Neuville
Physique des Minéraux et Magmas CNRS-IPGP
V i s c o s i t é…?
La Viscosité c’est quoi ?
Ça varie comment?
…
10 100
1000
La viscosité :
une échelle logarithmique…..??
Neuville, 2006
Ordre de grandeur de la viscosité ? entre 1 et 10 15 poise
10
100
1000
Les points
caractéristiques …
Pour faciliter la vie des maîtres verriers, dés le XIX
esiècles, on définit sur une courbe de viscosité des points fixes caractéristiques qui correspondent à différent modes d’écoulement ou de travail du verre/liquide.
Neuville, 2006
1 3 5 7 9 11 13 15
6 8 10 12 14 16
Viscosité (log Pa/s)
10
4/T (K)
BNC
Recuisson
Tg T
deramolissement dilatométrique
T de
Littleton
T T
écoulementécoulementT
travailT
fusionSoufflage Coulée Moulage Etirage Fusion Affinage
977
1396 727 560 441 T°C
Nous avons vu que la viscosité varie considérablement avec la composition chimique du verre/liquide et de la température. Afin de la mesurer dans toute la gamme de variation, il faut disposer de plusieurs appareils:
- une machine de fluage pour travailler sur les viscosités élevées et à basse température,
- un dispositif de Couette, pour les faibles viscosités et à haute température.
Les mesures de viscosité …
Neuville, 2006
1 3 5 7 9 11 13 15
5 6 7 8 9 10 11 12 13
104/T (K-1)
Viscosity (log Poise)
Propriétés rhéologiques : viscosité
À basse température, le liquide est rigide : on utilise une machine de fluage
À haute température, le liquide coule : on utilise un dispositif de Couette
10101313 Poise = 10 Poise = 101212 PaPa s s
⇒⇒transition vitreusetransition vitreuse
1 3 5 7 9 11 13 15
5 6 7 8 9 10 11 12 13
104/T (K-1)
Viscosity (log Poise)
dispositif de Couette Haute
température
Basse température
machine de fluage
!
" = # 3 ˙ $
Mesure des viscosités
Neuville, 2006
A basse température (300-1100°C), on utilise une machine de fluage ce qui permet de mesurer des viscosités entre 108 et 1015 Poises.
Principe : Une masse m est appliquée sur une balance qui transmet à un piston vertical une force F. Un échantillon cylindrique de lave est placé dans un four à haute température.
En connaissant la surface de l’échantillon S et la force F, on calcule la contrainte
σ
appliquée surl’échantillon.
!
" = # 3 ˙ $
Ensuite on mesure le
raccourcissement de l’échantillon au court du temps, et on obtient une vitesse de déformation.
En fin pour obtenir la viscosité, il suffit de diviser la contrainte appliquée par trois fois la vitesse déformation.
m F
La mesure de viscosité faite est une mesure absolue !
Neuville, 2006
échantillon
Thermocouples : mesure de la température
Capteurs: mesure du
raccourcissement Four tubulaire
Barreau d’argent, qui permet d’avoir une bon gradient thermique* le long de l’échantillon.
* Variation de température le long de l’échantillon
pistons
Neuville, 2006
* Couette
Haute température, on utilise un dispositif de Couette*. On mesure des viscosités entre 10 et 106 Poises.
Contrairement au dispositif d’écrasement, on est obligé de faire une calibration, avec un verre de viscosité connue.
Principe: On applique au plongeur une vitesse de rotation. Pour imposer cette vitesse de rotation, il faut fournir un couple mécanique et compte-tenu de la géométrie du plongeur et du creuset et de la calibration effectuée on peut mesurer la viscosité de l’échantillon. On effectue dans ce cas une mesure relative de viscosité.
Le silicate fondu est dans le creuset et on applique un mouvement de rotation au plongeur.
Ce dispositif nécessite d’effectuer une calibration, réalisée en utilisant plusieurs verres de viscosités connues.
Ci-dessous viscosité obtenue après calibration, on observe une excellent accord entre la courbe donnée par le bureau des standards et les mesures effectuées à l’IPGP.
Creuset Plongeur
Four
Éléments chauffants Écran
thermique
Liquide silicaté,
ou lave Thermocouple
2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5
5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9
NBS717 IPG
Viscosité (log Poise)
104/T (K)
Neuville, 2006
10 10.5 11 11.5 12 12.5 13
6 6.5 7 7.5 8 8.5 9
Viscosité (log Poise)
Contrainte (log Nm-2) NBS710
Webb and Dingwell T = 838 K
836 K 842 K
847 K 853 K
864 K
2.5 3 3.5 4 4.5 5
0 50 100 150 200 250 300
1211.6 1270 1168.6 1117 1062.8 1012.4 965 1247.4
Viscosité (log poise)
Vitesse (tr/min)
Nécessité de vérifier le comportement newtonien du liquide
Cela veut dire ?
1) Viscosité = constante avec la contrainte
2) Viscosité =
constante avec la
vitesse de déformation
0 2 4 6 8 10 12 14
5 6.6 8.2 9.8 11.4 13
NBS710 Neuville
104/T (K-1)
Viscosité (log Poise)
Basse
température
Haute
température
Mesure de viscosité obtenue à l’IPGP sur un verre de référence du bureau national des standards.
On voit clairement un excellent accord entre les mesures obtenues avec nos dispositifs et les valeurs de
références.
La précision et la reproductibilité des mesures est de ±0.03
Neuville, 2006
Comprendre la viscosité des magmas ?
Deux possibilités :
- étudier toutes les laves volcaniques disponibles à la surface terrestre, faire des catalogues de viscosité…. Mais comment connaître la viscosité d’une lave ou d’un magma dans l’intérieur de la terre, ou sur une autre planète ?
- nous avons opter pour une autre approche : nous étudions les propriétés, viscosité par exemple, de systèmes chimiques simples et nous obtenons des résultats extrapolables à des systèmes plus complexes. En effectuant des études sur des systèmes simples et naturels, il est possible de comprendre les mécanismes qui contrôlent les propriétés et la structure d’un magma, d’une lave volcanique ou d’un verre industriel. Ces paramètres sont directement extrapolables à des systèmes non accessibles, tels que les magmas à grande profondeur ou des laves extraterrestres. C’est l’approche que nous avons choisi de développer. Dans la suite de la présentation, nous allons vous présenter les éléments qui contrôlent la viscosité.
