Was ist Viskosität?

Die Viskosität einer Flüssigkeit ist ein Maß für ihren Strömungswiderstand. Sie beschreibt die innere Reibung einer sich bewegenden Flüssigkeit. Viskose Flüssigkeiten widerstehen Bewegungen, weil ihre molekulare Zusammensetzung viel innere Reibung erzeugt. Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität fließen leicht, weil ihr molekularer Aufbau wenig Reibung erzeugt, wenn sie in Bewegung sind.

Auf molekularer Ebene wird die Viskosität durch die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Molekülen in einer Flüssigkeit verursacht. Dies kann auch als Reibung zwischen den Molekülen angesehen werden. Genau wie bei der Reibung zwischen sich bewegenden Feststoffen bestimmt die Viskosität die Energie, die erforderlich ist, um eine Flüssigkeit zum Fließen zu bringen.

Am besten lässt sich dies anhand eines Beispiels veranschaulichen. Betrachten Sie eine Tasse aus Styropor mit einem Loch am Boden. Ich bemerke, dass die Tasse sehr langsam abläuft, wenn wir Honig hineingießen. Dies liegt daran, dass die Viskosität von Honig im Vergleich zu anderen Flüssigkeiten relativ hoch ist. Wenn wir zum Beispiel dieselbe Tasse mit Wasser füllen, läuft das Wasser viel schneller ab. Eine Flüssigkeit mit niedriger Viskosität wird als „dünn“ bezeichnet, während eine Flüssigkeit mit hoher Viskosität als „dick“ bezeichnet wird. Es ist einfacher, sich durch eine Flüssigkeit mit niedriger Viskosität (wie Wasser) zu bewegen als durch eine Flüssigkeit mit hoher Viskosität (wie Honig).

Faktoren, die die Viskosität beeinflussen

Die Viskosität wird von vielen Faktoren beeinflusst. Beispiele umfassen Temperatur, Druck und die Zugabe anderer Moleküle. Druck hat einen geringen Einfluss auf Flüssigkeiten und wird oft ignoriert. Das Hinzufügen von Molekülen kann einen erheblichen Effekt haben. Zucker zum Beispiel macht Wasser zähflüssiger.

Die Temperatur hat jedoch den größten Einfluss auf die Viskosität. Temperaturerhöhungen in einer Flüssigkeit verringern die Viskosität, weil sie den Molekülen genug Energie geben, um die intermolekulare Anziehung zu überwinden. Der Einfluss der Temperatur auf die Viskosität ist bei Gasen umgekehrt. Mit steigender Gastemperatur steigt die Viskosität. Die Gasviskosität wird nicht wesentlich durch intermolekulare Anziehung beeinflusst, sondern durch steigende Temperatur, wodurch mehr Moleküle kollidieren.

Dynamische und kinetische Viskosität

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Viskosität anzugeben. Absolut bzw dynamische Viskosität ist ein Maß für den Strömungswiderstand einer Flüssigkeit während kinematische Viskosität ist das Verhältnis der dynamischen Viskosität zur Dichte einer Flüssigkeit. Obwohl die Beziehung einfach ist, ist es wichtig, sich daran zu erinnern, dass zwei Flüssigkeiten mit denselben dynamischen Viskositätswerten unterschiedliche Dichten und damit unterschiedliche kinematische Viskositätswerte haben können. Und natürlich haben dynamische Viskosität und kinematische Viskosität unterschiedliche Einheiten.

Viskositätseinheiten

Die SI-Einheit für die Viskosität ist Newtonsekunde pro Quadratmeter (N·s/m2). Die Viskosität wird jedoch häufig in Pascalsekunde (Pa·s), Kilogramm pro Meter pro Sekunde (kg·m−1·s−1), Poise (P oder g·cm−1·s−) ausgedrückt 1 = 0.1 Pa·s) oder Centipoise (cP). Dadurch beträgt die Viskosität von Wasser bei 20 °C etwa 1 cP oder 1 mPa·s.

In der amerikanischen und britischen Technik ist Pfundsekunde pro Quadratfuß (lb·s/ft2) eine weitere gebräuchliche Einheit. Eine alternative und äquivalente Einheit ist Pfund-Kraft-Sekunden pro Quadratfuß (lbf·s/ft2).

Dynamische Viskositätseinheiten

Haltung (Symbol: P)

Poise (Symbol: P) Benannt nach dem französischen Arzt Jean Louis Marie Poiseuille (1799–1869), ist dies die CGS-Einheit der Viskosität, die Dyne-Sekunde pro Quadratzentimeter entspricht. Es ist die Viskosität einer Flüssigkeit, in der eine Tangentialkraft von 1 Dyn pro Quadratzentimeter einen Geschwindigkeitsunterschied von 1 Zentimeter pro Sekunde zwischen zwei parallelen Ebenen mit einem Abstand von 1 Zentimeter aufrechterhält. Selbst bei hochviskosen Flüssigkeiten ist diese Einheit am häufigsten Centipoise (cP) mit 0.01 Poise. Viele Alltagsflüssigkeiten haben Viskositäten zwischen 0.5 und 1000 cP

Pascal-Sekunde (Symbol: Pa·s)

Dies ist die SI-Einheit der Viskosität, die Newton-Sekunde pro Quadratmeter (N·sm–2) entspricht. Es wird manchmal als „poiseuille“ (Pl) bezeichnet. Ein Poise ist genau 0.1 Pa·s. Ein Poiseuille ist 10 Poise oder 1000 cP, während 1 cP = 1 mPa·s (eine Millipascal-Sekunde) ist.

Kinematische Viskositätseinheiten

Stokes (Zeichen: St)

Dies ist die cgs-Einheit, die Quadratzentimeter pro Sekunde entspricht. Ein Stokes entspricht der Viskosität in Poise dividiert durch die Dichte der Flüssigkeit in g cm–3. Es wird am häufigsten als Centistokes (cSt) (= 0.01 Stokes) angetroffen.

Saybolt Sekunden Universal

Dies ist die Zeit, in der 60 ml Flüssigkeit durch die kalibrierte Öffnung eines Saybolt Universal-Viskosimeters bei einer für die kinematische Viskosität spezifizierten Temperatur fließen, wie durch das Testverfahren ASTM D 88 vorgeschrieben. Für höhere Viskositäten wird SSF (Saybolt Seconds Furol) verwendet.

Formel für die Viskosität

Grundmodell der Strömung zwischen zwei Platten [1]

Das Verhältnis der äußeren Kraft (F) in das betroffene Gebiet (A) ist definiert als die Scherbeanspruchung (σ):

σ = F/A

Das Scherbeanspruchung (γ) ist definiert als die relative Längenänderung des Materials aufgrund der äußeren Kraft:

γ = l/l₀

Das Verhältnis zwischen der Schubspannung (σ) und die Schubspannung (γ) ist definiert als die Modul (G):

G = σ/ γ

Wenn sich die obere Platte in Abbildung 1 mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt (v), der Geschwindigkeitsgradient dv/dx ist definiert als Scherrate (γ̇). Sir Isaac Newton, der die Gesetze der Bewegung und der universellen Gravitation formulierte, entdeckte, dass in idealen Flüssigkeiten (bekannt als Newtonsche Flüssigkeiten) die Scherspannung (σ) steht in direktem Zusammenhang mit der Schergeschwindigkeit (γ̇):

σ = ηγ̇ or η = σ/γ̇

Newtonsche und nicht-newtonsche Flüssigkeiten

Newtonsche Flüssigkeiten, wie sie genannt werden, haben eine konstante Viskosität. Wenn Sie die Kraft erhöhen, steigt der Widerstand, aber es ist eine proportionale Zunahme. Egal wie viel Kraft auf eine Newtonsche Flüssigkeit ausgeübt wird, sie verhält sich wie eine Flüssigkeit. EIN Newtonsche Flüssigkeit ist eine Flüssigkeit, die dem Newtonschen Reibungsgesetz gehorcht, wobei die Viskosität unabhängig von der Dehnungsrate ist.

Die Viskosität bleibt unabhängig von Änderungen der Schergeschwindigkeit oder Bewegung konstant. Wenn die Pumpendrehzahl zunimmt, nimmt der Durchfluss proportional zu. Zu den Flüssigkeiten, die das Newtonsche Verhalten zeigen, gehören Wasser, Mineralöle, Sirup, Kohlenwasserstoffe und Harze.

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten

A Nicht-Newtonsche Flüssigkeit ist eine, die dem Newtonschen Reibungsgesetz nicht gehorcht. Die meisten Fluidsysteme sind nicht Newtonsch (bekannt als Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten) und ihre Viskosität ist nicht konstant, sondern ändert sich als Funktion der Erhöhung oder Verringerung der angewendeten Scherrate.

Viele Flüssigkeiten zeigen eine Abnahme der Viskosität als Funktion einer zunehmenden Schergeschwindigkeit. Diese Flüssigkeiten werden genannt pseudoplastische Flüssigkeiten. Die „Struktur“ des Fluids in diesen Systemen wird durch die äußere Kraft aufgebrochen, was zu a Scherverdünnung Verhalten. Wenn die anfängliche Assoziation zwischen den Partikeln (oder Molekülen) stark ist, kann sich das System wie ein ruhender Festkörper verhalten. Die anfängliche Schubspannung, die erforderlich ist, um die Schnittgrößen zu überwinden und die Struktur zu zerstören, wird als definiert Ertragswert vom System. Materialien, die eine Fließgrenze aufweisen und dann mit zunehmender Schergeschwindigkeit strukturviskos werden, werden als definiert plastische Flüssigkeiten. Einige Flüssigkeiten zeigen mit zunehmender Scherrate eine Zunahme der Viskosität, ein Phänomen, das als bekannt ist Scherverdickung. Diese Materialien sind definiert als dilatante Flüssigkeiten.

Scherspannung als Funktion der Schergeschwindigkeit [1]

Viskosität als Funktion der Schergeschwindigkeit [1]

Fließverhalten über die Zeit: Thixotropie

Eine komplexe Flüssigkeit ordnet sich im Laufe der Zeit neu an, wenn eine äußere Kraft entfernt wird. Daher sollte die Viskosität nicht nur durch Erhöhen der Schergeschwindigkeit gemessen werden, wenn die Struktur aufgebrochen wird, sondern auch durch Verringern der Schergeschwindigkeit, wenn sich das System wieder selbst aufbaut. Dies wird als Hysterese bezeichnet.

Bei einer schnellen Erholung würde die Auftragung der Viskosität gegenüber einer abnehmenden Schergeschwindigkeit der Auftragung der Viskosität gegenüber einer zunehmenden Schergeschwindigkeit überlagert werden. Wenn die Flüssigkeit Zeit braucht, um ihre Struktur wiederherzustellen, würde die „Abwärtskurve“ unter der „Aufwärtskurve“ liegen. Thixotropie ist definiert als Scherverdünnung bei erhöhter Schergeschwindigkeit und langsamerer Erholung bei abnehmender Schergeschwindigkeit. Im nicht thixotrop Materialien, die „Aufwärts“- und „Abwärts“-Kurven überlappen und innen Rheolektik Materialien liegt die „Abwärts“-Kurve über der „Aufwärts“-Kurve.

Aber während thixotrope Flüssigkeiten gelegentlich mit pseudoplastischen Flüssigkeiten und rheopektische Flüssigkeiten gelegentlich mit dilatanten Flüssigkeiten verwechselt werden, unterscheiden sich diese beiden Arten von Flüssigkeiten in einem entscheidenden Punkt: der Zeitabhängigkeit. Die Viskositätsänderung unter Belastung ist bei dilatanten und pseudoplastischen Flüssigkeiten zeitunabhängig. Bei thixotropen Flüssigkeiten nimmt die Viskosität jedoch mit zunehmender Belastung ab, je länger die Belastung ausgeübt wird. Gleiches gilt für rheopektische Flüssigkeiten, die Viskosität nimmt mit zunehmender Belastung zu, je länger diese Belastung anliegt.

Wir verwenden im täglichen Leben viele Produkte, die ein thixotropes Verhalten zeigen. Thixotropie ist die Eigenschaft, die erklärt, warum Körperpflegeprodukte wie Haargele und Zahnpasta beim Zusammendrücken von flüssig zu fest werden, aber danach wieder in ihren festen Zustand zurückkehren, um ihre Form zu behalten. Die rheologischen Eigenschaften des Gefügeabbaus und der zeitlichen Regeneration bestimmen die Qualität eines Produktes.

Viskosität als Funktion der Scherrate – thixotropes und nicht-thixotropes Verhalten (Pfeile zeigen steigende oder fallende Scherrate) [1]

Viskosität in Bezug auf Belastung im Laufe der Zeit (thixotropes vs. rheopektisches Verhalten) [2]

Bedeutung der Viskosität im täglichen Leben

In vielen Bereichen kann die Viskosität durchaus nützlich sein, auch wenn sie im Alltag eher von untergeordneter Bedeutung zu sein scheint. Zum Beispiel:

• Schmierung in Fahrzeugen.Wenn Sie Öl in Ihr Auto oder Ihren LKW füllen, sollten Sie dessen Viskosität berücksichtigen. Das liegt daran, dass die Viskosität die Reibung beeinflusst, die wiederum die Wärme beeinflusst. Darüber hinaus beeinflusst die Viskosität sowohl den Ölverbrauch als auch die Leichtigkeit, mit der Ihr Fahrzeug bei Hitze und Kälte startet. Die Viskosität einiger Öle bleibt bei Erwärmung und Kälte gleich, während andere bei Erwärmung dünner werden, was zu Problemen beim Betrieb Ihres Autos an einem heißen Sommertag führt.
• Bei der Zubereitung und dem Servieren von Speisen spielt die Viskosität eine bedeutende Rolle. Viele Speiseöle werden beim Abkühlen viel viskoser, während andere die Viskosität möglicherweise überhaupt nicht ändern. Da Fett beim Erhitzen zähflüssig ist, wird es beim Abkühlen fest. Die Viskosität von Saucen, Suppen und Eintöpfen ist auch in verschiedenen Küchen wichtig. Ausgedünnt wird aus einer dicken Kartoffel-Lauch-Suppe eine französische Vichyssoise. Honig zum Beispiel ist ziemlich zähflüssig und kann das „Mundgefühl“ bestimmter Lebensmittel verändern.
• Die Ausrüstung in der Fertigung muss ordnungsgemäß geschmiert werden, um reibungslos zu funktionieren. Rohrleitungen können durch zähflüssige Schmierstoffe verstopft und verstopft werden. Dünne Schmiermittel bieten keinen ausreichenden Schutz für bewegliche Teile.
• Wenn Flüssigkeiten intravenös injiziert werden, kann die Viskosität entscheidend sein. Ein Hauptproblem betrifft die Blutviskosität: Zu viskoses Blut kann innere Gerinnsel bilden, während zu dünnes Blut nicht gerinnt, was zu gefährlichem Blutverlust und sogar zum Tod führen kann.

Einige typische Viskositäten