Voir la source de Fluide (matière)

{{Homonymes|Fluide}}
Un '''fluide''' est un [[Matière|milieu matériel]] parfaitement [[déformabilité|déformable]]. On regroupe sous cette appellation les [[liquide]]s, les [[gaz]] et les [[État plasma|plasmas]]. Gaz et plasmas sont très [[compressibilité|compressibles]], tandis que les liquides le sont très peu (à peine plus que les [[état solide|solides]]).

La [[transition de phase|transition]] de l'état liquide à l'état gazeux (ou réciproquement) est en général de premier ordre, c'est-à-dire brusque, discontinue. Dans certaines conditions de [[température thermodynamique|température]] et de [[pression]] cependant on peut observer une transition continue d'un état à l'autre, qui finalement ne constituent pas deux états de la matière fondamentalement différents mais un seul, l'état fluide (voir [[Diagramme de phase#Diagramme d'un corps pur|Diagramme de phase d'un corps pur]] et [[Point critique (thermodynamique)|Point critique]]). La transition de l'état gazeux à l'état plasma (ou réciproquement) est également continue.

Les particules constitutives d'un gaz sont des [[molécule]]s ou des [[atome]]s isolés, celles d'un plasma sont des [[ion]]s ([[Ion monoatomique|mono-]] ou [[Ion polyatomique|polyatomiques]]), et celles d'un liquide des atomes, des molécules ou des ions (des ions et des [[modèle de l'électron libre|électrons libres]] dans le cas particulier des [[métal|métaux]] liquides). Dans un gaz les interactions entre particules sont négligeables, sauf lorsqu'elles se rencontrent (chocs). Les ions d'un plasma ou d'un liquide ionique interagissent au contraire à grande distance ([[liaison ionique]]). Dans les autres liquides les liaisons entre particules constitutives sont généralement faibles comme dans l'air liquide ([[Force de van der Waals|liaison de van der Waals]]), ou assez fortes comme dans l'eau ([[liaison hydrogène]]) ou les métaux liquides ([[liaison métallique]]). Parfois elles sont très fortes comme dans la [[Dioxyde de silicium|silice]] liquide<ref>{{article |langue=en |auteur1=M. Scott Shell |auteur2=Pablo G. Debenedetti |auteur3=Athanassios Z. Panagiotopoulos |titre=Molecular structural order and anomalies in liquid silica |périodique=[[Physical Review]] E |volume=66 |numéro=1 |champ libre=article {{n°}} 011202 |jour=23 |mois=juillet |année=2002 |lire en ligne=https://arxiv.org/pdf/cond-mat/0203383 |format=pdf |consulté le=10 août 2016}}</ref> ([[liaison covalente]]).

== Comportement rhéologique ==
{{Article détaillé|Rhéologie}}
Le comportement rhéologique d'un fluide traduit la réponse mécanique de celui-ci, c'est-à-dire la relation entre les déformations du fluide et les [[contrainte mécanique|contrainte]]s appliquées. De manière générale, elle s'exprime par une équation constitutive reliant le [[tenseur des contraintes]] et le tenseur des taux de déformation. Il existe une grande variété de comportements rhéologiques, depuis une simple relation linéaire entre contraintes et taux de déformation, jusqu'à des comportements complexes, pouvant dépendre des vitesses de déformation, de l'histoire du fluide ou des conditions d'écoulement.

La [[loi d'Ostwald–de Waele]] permet, par exemple, de [[Modèle rhéologique|modéliser]] de manière simplifiée et dans certaines limites, le comportement des fluides newtoniens, [[Rhéofluidification|rhéofluidifiants]] et rhéoépaississants.

=== Fluide newtonien ===
{{Article détaillé|Fluide newtonien}}
Un fluide est dit newtonien lorsque le [[tenseur des contraintes]] visqueuses est une fonction ''linéaire'' du tenseur des taux de déformation. Le facteur de proportionnalité se nomme [[viscosité]], il est constant et indépendant du [[taux de cisaillement]] <math> \dot \gamma </math>. Pour la plupart des fluides usuels [eau, lait, jus de fruits naturels (non concentrés), la plupart des miels, [[Huile minérale|huiles minérales]], [[solvant]]s organiques{{etc.}}] dans des conditions standards, ce modèle est très satisfaisant.

Pour ce type de fluide, l'équation d'évolution est une [[équations de Navier-Stokes|équation de Navier-Stokes]]. Pour donner un exemple, dans le cas d'un fluide incompressible et homogène (à masse volumique constante), cette équation s'écrit, dans sa version massique :

:<math>\frac{\partial \vec{v}}{\partial t} + \left( \vec{v}\cdot \vec{\operatorname{grad}} \right) \vec{v} = - \frac{\vec{\operatorname{grad}}\,P}{\rho} + \vec{f_\text{m}} + \nu \Delta \vec{v}</math>

où :
* <math>\vec{v}</math> est le vecteur vitesse ;
* <math>\rho</math> est la masse volumique ;
* <math>P</math> est la pression ;
* <math>\vec{f_\text{m}}</math> sont des forces par unité de masse (par exemple, l'action de la pesanteur : <math>\vec{g}</math>) ;
* <math>\nu</math> est la [[viscosité cinématique]].

=== Fluide non newtonien au comportement indépendant du temps ===
{{Article connexe|Fluide non newtonien}}
Un fluide est dit non newtonien lorsque le tenseur des contraintes visqueuses n'est pas une fonction linéaire du tenseur des taux de déformation. Autrement dit, lorsque sa [[vitesse de déformation]] (par exemple le [[taux de cisaillement]]) n'est pas directement proportionnelle à la force qu'on lui applique. Le meilleur exemple est celui du sable mouillé en bord de mer : quand on frappe le sable, il a la viscosité élevée d'un solide, alors que lorsqu'on appuie doucement dessus, il se comporte comme une pâte. Un autre exemple typique est un mélange épais d'eau et de [[Farine de maïs|fécule de maïs]], appelé [[oobleck (matériau)|oobleck]]<ref>{{Lien web |langue=English |auteur= |titre=Comment faire de l'Oobleck |url=livescience.com/21536-oobleck-recipe.html |site= |date=9\15\2020 |consulté le=}}</ref>, dans lequel une main entre aisément à faible vitesse, mais ne peut rentrer à grande vitesse.

En rhéologie et de manière simple, un [[fluide non newtonien]] est un fluide dont la [[viscosité]] <math> \eta </math> n'est pas constante et dépend du taux de cisaillement. Concrètement, lorsqu'on soumet un tel matériau à une [[contrainte de cisaillement]] <math> \sigma </math>, la réponse de ce fluide n'est pas proportionnelle à cette contrainte, ce qui serait le cas pour un [[fluide newtonien]]. Il existe plusieurs types classiques de fluide non newtonien. Ils ne sont d'ailleurs pas exclusifs l'un de l'autre, un fluide peut présenter plusieurs des propriétés présentes ci-dessous.

==== Fluide rhéofluidifiant ou pseudoplastique ====
[[Image:Viscosity curve of molten polymer.gif|vignette|Rhéofluidification d'un fondu : courbe de viscosité <math>\mu</math>* en cisaillement et oscillation = f(<math>\dot \gamma</math>).]]
Pour des fluides tels les [[Polymère en solution|polymères en solution]] ou à l'état fondu, émulsions peu chargées, suspensions, dispersions ({{ex}} purée de fruits, moutarde), la viscosité diminue lorsque le [[gradient de vitesse]] augmente. Cela donne un système de plus en plus fluide, ce qui justifie le nom de « [[Rhéofluidification|rhéofluidifiant]] ». La courbe d'écoulement (représentation graphique de <math>\sigma=f(\dot \gamma)</math>) d'un corps pseudoplastique s'incurve vers le bas. Pour de très faibles et très élevées valeurs de <math> \dot \gamma </math>, le liquide est newtonien (ce qui est quasi universel), cela correspond aux ''{{1er}} et second domaines newtoniens'', respectivement. À chacun de ces domaines est associée une viscosité constante appelée viscosité à cisaillement nul ou viscosité en écoulement continu (<math>\eta_0</math>), et viscosité infinie (<math>\eta_\infty</math>), respectivement.

==== Fluide rhéoépaississant ou dilatant ====
Le comportement rhéoépaississant, inverse à la rhéofluidification, est assez rare. La viscosité augmente lorsque le [[taux de cisaillement]] augmente. Ce phénomène est nommé {{en}} [[:en:dilatant|''dilatant'' ou ''{{Lang|en|texte=shear thickening}}'']], {{de}} [[:de:Dilatanz (Fluid)|''dilatanz'']]. La courbe d'écoulement correspondante s'incurve vers le haut. On retrouve ce comportement pour des suspensions très concentrées ou certains polymères associatifs ({{ex}} [[empois]], certains [[miel]]s et certaines [[formulation]]s de [[plastisol]]s, suspensions concentrées de [[Farine de maïs|fécule de maïs]], [[D3o]]).

==== Fluide à seuil ou viscoplastique ====
Dans le cas du comportement [[Loi de Norton-Hoff|(visco)plastique]], l'écoulement n'a lieu qu'au-delà d'une certaine valeur de contrainte à appliquer sur le fluide, dite point de fluage, seuil d'écoulement, seuil de plasticité, contrainte critique ou contrainte seuil ({{en}} ''yield stress''). Au-delà, on retrouve en général un comportement de type rhéofluidifiant.

Quelques matériaux, tels la [[mayonnaise]] ou les [[Boue de forage|boues de forage]], ont cependant un comportement linéaire de type [[Fluide newtonien|newtonien]] après leur seuil d'écoulement. On parle alors de [[fluide de Bingham]]. Le [[Modèle rhéologique|modèle]] de Bingham est<ref>{{en}} Bořek Patzák, [http://www.oofem.org/resources/doc/matlibmanual/node42.html ''Bingham Fluid ''], 24 août 2009</ref> : <math>\sigma = \sigma_y + k \dot \gamma^n </math>.

Certaines peintures et graisses sont des fluides à seuil.

=== Fluide non newtonien au comportement dépendant du temps ===
==== Fluide thixotrope ====
{{Article détaillé|Thixotropie}}
La thixotropie étant un comportement dépendant du taux de cisaillement <math>\dot \gamma</math> (ou de la [[Contrainte de cisaillement|contrainte]] <math>\sigma</math>) et du temps, on maintient l'un des facteurs constant (<math>\sigma</math> ou <math>\dot \gamma</math>). Après une longue période de repos, <math>\sigma</math> ou <math>\dot \gamma</math> étant brusquement appliqué puis maintenu constant, on observe une diminution de la viscosité apparente avec le temps. La structure est désorganisée par cisaillement. Le produit retrouve intégralement son état initial après un repos assez long (dans le cas contraire, il s'agit de thixotropie partielle). La thixotropie est souvent associée à un comportement rhéofluidifiant. On peut également avoir une contrainte seuil pour ces fluides. On observe ainsi des phénomènes d'[[hystérésis]].

==== Fluide antithixotrope ====
{{Article connexe|Antithixotropie}}
Inversement, on trouve également les fluides antithixotropes (très rares), c'est-à-dire dont la viscosité apparente augmente avec le temps, dans les mêmes conditions que pour une expérience de thixotropie. La structure est organisée par cisaillement. L'antithixotropie est souvent associée à un comportement rhéoépaississant.

Il ne faut pas confondre l'antithixotropie et la rhéopexie ({{en}} [[:en:Rheopecty|''rheopecty'' ou ''rheopexy'']]) : ce dernier terme désigne la solidification d'un système thixotrope sous l'effet d'un mouvement doux et régulier<ref>J. Bouton (Rhéo), G. Couarraze ([[université Paris-Sud]]) et J.-L. Grossiord ([[université Paris-Sud]]), « Rhéologie et rhéométrie - Caractérisation de la viscosité, de la plasticité et de l’élasticité des liquides et des produits pâteux - Lois de comportement », fascicule, 50{{nb p.}},{{éd.}} société Rhéo, [[Champlan]].</ref>.

==== Fluide viscoélastique ====
{{Article connexe|Viscoélasticité}}
Un fluide viscoélastique a la particularité de modifier son comportement à partir d'une échelle de temps caractéristique <math>\lambda</math>. Lorsque le temps <math>T</math> d'application de la contrainte est inférieur à <math>\lambda</math> le fluide se comporte comme un solide élastique, tandis que pour un temps <math>T</math> supérieur à <math>\lambda</math> le milieu se comporte comme un fluide visqueux.

Le comportement du milieu viscoélastique est déterminé par le paramètre adimensionnel appelé [[nombre de Deborah]] ''De'' :
<math display="block">\it{De}=\frac{\lambda}{T}</math>

Si <math>\it{De}\ll 1</math> le comportement est celui d'un fluide visqueux, si <math>\it{De}\gg 1</math> le comportement est celui d'un milieu élastique.
Une caractéristique remarquable des fluides viscoélastiques est qu'ils gardent en mémoire les contraintes de cisaillement auxquelles ils ont été soumis au cours du temps, ce qui se traduit notamment par [[Effet_Weissenberg|l'effet Weissenberg]].
On peut citer comme exemple de fluide viscoélastique les solutions concentrées de polymères, les gelées, la maïzena, le [[Silly Putty]].

== Fluide incompressible ==
Un fluide est dit incompressible lorsque sa [[masse volumique]] <math>\rho</math> reste constante dans un écoulement. Dans ce cas, l'[[Conservation de la masse|équation de continuité]] :
:<math>\frac{\partial\rho}{\partial t}+\operatorname{div}(\rho\,\vec v)=0</math>
se réduit à :
:<math>\operatorname{div}\vec v=0</math>.

En [[aérodynamique]], par exemple, on considère que l'air est incompressible en dessous de [[nombre de Mach|Mach]] 0,3 ou 0,4, parce qu'alors les variations de pression dans les écoulements n'entraînent pas de variations significatives de sa masse volumique.

== Références ==
{{références}}

== Articles connexes ==
{{Autres projets|wiktionary=fluide}}
* [[Fluide newtonien]]
* [[Fluide parfait]]
* [[Liquide ionique]]
* [[Rhéologie]]
* [[Mécanique des fluides]]
* [[Polymère en solution]]
* [[Simulation de fluide]]

{{Palette|Mécanique des fluides}}
{{Portail|physique|chimie}}

[[Catégorie:Fluide|*]]