Viskosität

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Die Viskosität ist ein Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluids. Der Kehrwert der Viskosität ist die Fluidität, ein Maß für die Fließfähigkeit eines Fluids. Je größer die Viskosität, desto dickflüssiger (weniger fließfähig) ist das Fluid; je niedriger die Viskosität, desto dünnflüssiger (fließfähiger) ist es, kann also bei gleichen Bedingungen schneller fließen.

Normalerweise wird mit dem Begriff Viskosität die Viskosität in Scherung verbunden, es ist allerdings auch möglich, die Viskosität in Dehnung zu messen, siehe dazu die Seite Dehnviskosität.

Teilchen zäher Flüssigkeiten sind stärker aneinander gebunden und somit unbeweglicher; man spricht daher auch von der inneren Reibung. Sie resultiert nicht nur aus den Anziehungskräften zwischen den Teilchen des Fluids (Kohäsion).

Die Viskosität von Feststoffen ist generell sehr hoch (und damit schwer bestimmbar), stattdessen werden häufig Begriffe wie Duktilität, Sprödigkeit und Plastizität verwandt.

In der Rheologie stellt die Viskosität eine zentrale Größe dar. Sie hat Bedeutung in praktisch allen Bereichen wo Fluide eingesetzt werden oder vorkommen, also z. B. bei Farben, Lacken, Schmierstoffen, Kunststoffen, Klebstoffen, Lebensmitteln wie Teige und Puddings, aber auch in der in der Medizin (Blut).

Der Begriff Viskosität geht auf den typisch zähflüssigen Saft der Beeren in der Pflanzengattung Misteln (Viscum) zurück. Aus diesen Misteln wurde der Vogelleim gewonnen. „Viskos“ bedeutet also „klebrig, zäh wie Vogelleim“.

Fließverhalten von Flüssigkeiten

Den Effekt innerer Reibung kann man sich vereinfacht durch die Bewegung zweier übereinander liegender, verzahnter Molekülschichten vorstellen (siehe Abb. Punkt 1). Beim Fließen gleiten die Moleküle aneinander vorbei, und um die Verzahnung zu überwinden, benötigt man eine gewisse Kraft. Den Zusammenhang zwischen dieser Kraft und den Eigenschaften des vorliegenden Fluids definiert die Viskosität. Erkennbar wird dieser Zusammenhang besonders gut an der homologen Reihe der Alkane (kettenförmige Kohlenwasserstoffe), hier steigt die Viskosität mit der Kettenlänge und damit den zunehmenden intermolekular wirkenden Van-der-Waals-Kräften kontinuierlich an. Bei den mittleren Alkanen (ab Nonan, neun C-Atome) hat sie bereits einen Wert ähnlich dem von Wasser.

Sehr gut veranschaulichen kann man sich die Viskosität auch an folgendem Beispiel: gleitet Wind über das Wasser eines Ozeans, erzeugt dies eine Bewegung der Wasserschicht an der Oberfläche. Je tiefer man nun taucht, desto ruhiger wird das Wasser, bis man einen Punkt erreicht, wo keine Strömung herrscht. Die einzelnen Flüssigkeitsschichten bewegen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, es entsteht ein Geschwindigkeitsgradient (siehe Abb. Punkt 2):

$ {\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} y}} $

Weht kein Wind mehr, bricht die Strömung zusammen, das Wasser ruht auch wieder an der Oberfläche. Dass die Flüssigkeit auch in tieferen Schichten trotz Wind an der Oberfläche praktisch ruht, ist Folge der inneren Reibung in der Flüssigkeit.

Die dynamische Viskosität der meisten Flüssigkeiten nimmt mit steigender Temperatur ab und kann oft mit der Arrhenius-Andrade-Beziehung beschrieben werden:

$ \eta =\eta _{0}e^{\frac {E_{A}}{R\cdot T}} $

Wobei $ \eta _{0} $ eine Materialkonstante und $ E_{A} $ die Aktivierungsenergie (auch Platzwechselenergie), $ R $ die allgemeine Gaskonstante und $ T $ die absolute Temperatur sind. Bei Flüssigkeiten in der Nähe der Glasübergangstemperatur (bis ca. 100 K darüber) gilt meist die WLF-Beziehung, da das freie Volumen sehr gering ist und damit diese Größe dominiert, die in der Nähe der Glasübergangstemperatur eine sehr viel stärkere Temperaturabhängigkeit hat, als die Kettenbeweglichkeit, die hinter der Arrhenius-Andrade-Beziehung steht.

Der Grad der Abhängigkeit der kinematischen Viskosität von der Temperatur wird bei Ölen durch den Viskositätsindex beschrieben.

Definition der Viskosität

Definition der Viskosität: Das Fluid (blau) wird zwischen ruhender Platte 1 (unten) und bewegter Platte 2 (oben) geschert.

Man stelle sich zwei im Abstand d parallel angeordnete Platten der Fläche A vor. Zwischen diesen Platten befindet sich eine Flüssigkeit, die an beiden Platten haftet. In unserer Vorstellung soll der Raum mit der Flüssigkeit in Schichten unterteilt sein. Wird nun Platte 2 mit der Geschwindigkeit v bewegt, so bewegt sich die Schicht in unmittelbarer Nachbarschaft zu Platte 2 auf Grund der Haftung ebenfalls mit der Geschwindigkeit v. Da Platte 1 ruht, ruht auch ihre Nachbarschicht. Die innenliegenden Flüssigkeitsschichten gleiten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aneinander vorbei. Die Geschwindigkeit nimmt von der ruhenden Platte zur bewegten zu. Im einfachsten Fall besteht eine lineare Abhängigkeit. Von der obersten, an der Platte haftenden Schicht geht eine Tangentialkraft auf die darunterliegende Schicht aus. Diese bewegt sich folglich mit der Geschwindigkeit v₁. Diese Schicht wirkt wiederum auf die darunterliegende Schicht und bewegt sie mit der Geschwindigkeit v₂.

Im Experiment lässt sich zeigen, dass die Kraft F, die nötig ist, um Platte 2 zu bewegen, proportional zu ihrer Fläche A, ihrer Geschwindigkeit v und antiproportional zu dem Abstand der Platten d ist:

$ F\sim A $ und $ F\sim v $ und $ F\sim {\frac {1}{d}}. $

Hieraus ergibt sich

$ F\sim {\frac {Av}{d}} $

und als Gleichung

$ F=\eta {\frac {Av}{d}}. $

Die Proportionalitätskonstante $ \eta $ ist die dynamische Viskosität. Häufig wird sie auch nur als Viskosität bezeichnet. Ein Stoff hat also die Viskosität 1 Ns/m², wenn bei einer Größe der Platten von 1 m² und einem Plattenabstand von 1 m eine Kraft von 1 N benötigt wird, um die Platten mit einer Geschwindigkeit von 1 m/s gegeneinander zu verschieben.

Für die physikalische Einheit gilt: $ 1{\rm {N}}=[\eta ]\cdot \left({\frac {{\rm {m}}^{2}\,{\rm {m}}}{{\rm {m}}\,{\rm {s}}}}\right)\Rightarrow [\eta ]={\frac {{\rm {N}}\,{\rm {s}}}{{\rm {m}}^{2}}}. $

Ist $ \eta $ unabhängig von der Geschwindigkeit v, so wird die Flüssigkeit als Newtonsche Flüssigkeit bezeichnet. Für diese Flüssigkeiten stellt sich das im Schubspannungs-Schergeschwindigkeits-Diagramm gezeigte, lineare Geschwindigkeitsprofil ein (Kurve 2: Newtonsches Fluid). Ist $ \eta $ von v abhängig, so bezeichnet man die Flüssigkeit als nicht-newtonsch.

Newtonsche Flüssigkeiten

Im Folgenden wird der vereinfachte Zusammenhang gemäß dem newtonschen Viskositätsgesetz dargestellt, es wird dabei stets laminare Strömung sowie Temperatur- und Druckunabhängigkeit der Flüssigkeitseigenschaften angenommen. Außerdem unterstellte Newton eine lineare Abhängigkeit des oben erläuterten Geschwindigkeitsgradienten, der auch Schergeschwindigkeit $ {\dot {\gamma }} $ (manchmal auch mit $ D $ oder $ G $ bezeichnet) genannt wird:

$ {\dot {\gamma }}={\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} y}} $

Schubspannungs-Schergeschwindigkeits-Diagramm:
1: dilatantes Fluid
2: Newtonsches Fluid
3: Scherverdünnendes (pseudoplastisches) Fluid
4: Bingham-plastisches Fluid
5: Casson-plastisches Fluid

Verknüpft man dies mit der Schubspannung $ \tau $, erhält man folgenden Zusammenhang für die dynamische Viskosität:

$ \tau =\eta \cdot {\frac {\mathrm {d} v}{\mathrm {d} y}}\Rightarrow \eta ={\frac {\tau }{\dot {\gamma }}} $

Die Schubspannung $ \tau $ ergibt sich aus der die Strömung bewirkenden Kraft bezogen auf die betroffene Angriffsfläche, die sich mit maximaler Geschwindigkeit bewegt. $ \eta $ wird bei newtonschen Flüssigkeiten als Konstante angesehen. Darüber hinaus wird das Verhältnis zwischen der dynamischen Viskosität $ \eta $ und der Dichte $ \rho $ definiert als kinematische Viskosität.

kinematische Viskosität: $ \nu ={\frac {\eta }{\rho }} $ dynamische Viskosität: $ \eta =\nu \cdot \rho $

Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten

Viele Substanzen folgen diesem Gesetz jedoch nicht, sondern zeigen ein zeit- oder schergeschwindigkeitsabhängiges Verhalten. Dabei unterscheidet man verschiedene Arten der Abweichung:

• Strukturviskosität / Dilatanz, dabei ist die Viskosität $ \eta $ keine Konstante, sondern ändert sich mit dem Schergefälle $ {\dot {\gamma }} $
• Thixotropie / Rheopexie, hierbei zeigen sich zeitabhängige Strukturveränderungen, so dass je nach Zeitdauer seit der letzten Fließbewegung andere Viskositätswerte zu finden sind
• Fließgrenze, es muss erst eine gewisse Mindestschubspannung vorhanden sein, um ein Fließen zu erreichen (plastisches Fließen). Diese Art Fluid wird auch als Bingham-Fluid bezeichnet.

Derartige Fluide bezeichnet man als nichtnewtonsche Fluide. Das Verhältnis $ {\frac {\tau }{\dot {\gamma }}} $ wird in diesem Fall auch scheinbare Viskosität genannt.^[1]

Im allgemeinen Fall muss das Schergefälle $ {\dot {\gamma }} $ aus dem Scherwinkel in der Flüssigkeit berechnet werden und nicht über den Geschwindigkeitsgradienten.

Einheit

Die SI-Einheit der

dynamischen Viskosität: $ [\eta ]={\frac {\rm {Ns}}{\rm {m^{2}}}} $

kinematischen Viskosität: $ [\nu ]={\frac {\rm {m^{2}}}{\rm {s}}} $

In der Praxis wird für die dynamische Viskosität neben der Pa·s (Pascalsekunde) außerdem der tausendste Teil der SI-Einheit mPa·s (Millipascalsekunde) für Medien niedriger Viskosität verwendet.

Im CGS-System wird die dynamische Viskosität in Poise (P) gemessen, wobei 1 Ns/m² = 1 Pa·s = 10 Poise = 1000 Centipoise = 1000 cP = 1 kg/ms, und die kinematische Viskosität in Stokes (St), 1 St = 10⁻⁴ m²/s.

Das Engler-Grad ist eine veraltete Einheit für die Viskosität. Diese Einheit gibt die Viskosität im Vergleich zu Wasser an.

Typische Viskositätswerte

Viskosität verschiedener Flüssigkeiten in Abhängigkeit von der Temperatur

Viskosität der Lösungen von Glyzerin oder Saccharose (Rohrzucker) in Wasser, in Abhängigkeit vom Massenanteil, für die Glyzerinlösungen auch bei unterschiedlichen Temperaturen

Farblegende

 Wasser

 Lebensmittel

 Kohlenwasserstoffe

 Sauerstoff- und Chlorkohlenwasserstoffe

 Erdöl- und Kohle-„Produkte“

 Metalle

 mineralisches

 Sonstiges

Anmerkungen

Viskosität von Gasen

Viskosität verschiedener Gase bei Normaldruck

Viskosität von Stickstoff in Abhängigkeit vom Druck für verschiedene Temperaturen

Viskosität von Stickstoff in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Drücke

Für Gase lässt sich die Viskosität anhand einer mikroskopischen Betrachtung des Impulsflusses abschätzen:

$ \eta ={\frac {1}{3}}\,n\,m\,v\,\lambda $

mit der freien Weglänge $ \lambda $ für die Gasteilchen, der Masse der Gasteilchen $ m $, der mittleren Teilchengeschwindigkeit $ v $ und der Teilchenzahldichte $ n $.

Die Viskosität von Gasen ist bei niedrigen Drücken (≈0,1 bis 10 bar) unabhängig vom Druck. Dies gilt solange, wie die freie Weglänge klein gegenüber den Gefäßabmessungen und groß gegenüber den Molekülabmessungen ist. Mit anderen Worten: Für ein sehr dünnes oder ein sehr dichtes Gas wird die Viskosität doch wieder vom Druck beziehungsweise der Dichte des Gases abhängig.

Grundsätzlich abhängig ist die Viskosität aber von der Temperatur. Mit zunehmender Temperatur steigt die Viskosität, da die mittlere Teilchengeschwindigkeit $ v $ proportional zu T^0,5 wächst (vgl. Abschnitt „Kinetische Gastheorie“). Dieses Verhalten ist bei den meisten Flüssigkeiten genau entgegengesetzt. Die folgende Tabelle listet zu einigen Gasen die Viskositäten und freien Weglängen auf.

Kinetische Gastheorie

Nach Hirschfelder kann die Viskosität reiner Gase mit Hilfe der kinetischen Gastheorie in einem großen Temperaturbereich (etwa von 200 bis 3000 Kelvin) berechnet werden.

$ \eta ={\frac {5\cdot {\sqrt {\pi \cdot m\cdot k_{B}\cdot T}}}{16\cdot \pi \cdot \sigma ^{2}\cdot \Omega ^{(2,2)^{\star }}}} $

Hierbei ist $ m $ die Molekülmasse, $ k_{B} $ die Boltzmann-Konstante, $ T $ die Temperatur, $ \sigma $ der Lennard-Jones-Stoßdurchmesser und $ \Omega ^{(2,2)^{\star }} $ das reduzierte Stoßintegral, das von der reduzierten Temperatur $ T^{\star }=k_{B}T/\epsilon $ abhängt. $ \epsilon $ ist die Energie des Lennard-Jones-Potentials. Werte für die Lennard-Jones-Parameter und das reduzierte Stoßintegral sind in Lienhards Lehrbuch zur Wärmeübertragung in Kapitel 11 aufgeführt. Das reduzierte Stoßintegral $ \Omega ^{(2,2)^{\star }} $ ist so definiert, dass für ein ideales Gas, bei dem Teilchenwechselwirkungen wie Stöße harter Kugeln betrachtet werden, $ \Omega ^{(2,2)^{\star }}=1 $ gilt.

Messung der Viskosität

Messanordnungen von links nach rechts: koaxiale Zylinder, Platte-Platte, Kegel-Platte; bewegter Teil in Orange, unbewegter Teil in Dunkelblau, Fluid in Hellblau

Die Viskosität von Flüssigkeiten kann mit einem Viskosimeter, die von Fluiden (allgemein Flüssigkeiten und Feststoffen) mit einem Rheometer gemessen werden. Entsprechend der Viskositätsdefinition wird die zu messende Probe im Spalt zwischen zwei Körpern (z. B. zwei koaxialen Zylindern oder zwei parallelen Platten) eingebracht. Ein Part der Anordnung rotiert oder oszilliert mit definierter Geschwindigkeit, während der andere ruht. Aus der Geometrie der Messanordnung und der Geschwindigkeit des bewegten Teiles ergibt sich die Schergeschwindigkeit. Das zur Aufrechterhaltung der Bewegung notwendige Drehmoment wird gemessen, woraus sich dann die Schubspannung und damit die Viskosität ermitteln lässt.

Eine schnelle und einfache, aber auch sehr ungenaue Methode der Viskositätsbestimmung ist der Auslaufbecher.

Fluidität

Der Kehrwert der Viskosität ist die Fluidität $ \eta ^{-1} $ mit der Einheit $ \left[\eta ^{-1}\right]=\mathrm {{\frac {m\cdot s}{kg}}={\frac {m^{2}}{N\cdot s}}} $.

Physik des Reibungstensors^[2]

Die Viskosität ist ein Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluids. Sie begründet sich aus dem Experiment, nach dem zur Aufrechterhaltung einer Scherströmung eine Kraft erforderlich ist. Diese Kraft bewirkt einen Impulsaustausch innerhalb der Strömung bzw. mit dem Rand, weshalb sie zur Kategorie der Oberflächenkräfte zählt. Damit wird diese Kraft in der allgemeinsten Form als Divergenz eines Tensors formuliert:

$ \mathbf {F} =-\nabla \cdot \mathbb {S} , $

wobei $ \mathbb {S} $ die Komponente des Spannungstensors durch die Viskosität ist und zäher Spannungstensor oder Reibungstensor heißt.

Aus dem Experiment folgt unmittelbar, dass der Reibungstensor eine Funktion der Scherung der Strömung ist:

$ \mathbb {S} =\mathbb {S} (\nabla \mathbf {v} ) $

Da keine Reibung bei homogener Strömung $ (\mathbf {v} =const. $ oder $ \nabla \mathbf {v} =0), $ enthält der Reibungstensor keine Komponenten, die unabhängig von der Scherung sind. Mit der Annahme, der Geschwindigkeitsgradient sei klein im Sinne der Hydrodynamik, wird ein linearer Ansatz zwischen der Reibung und dem Geschwindigkeitsgradienten begründet.

Weiterhin ist die innere Reibung Null, wenn sich die Strömung in starrer Rotation $ (\mathbf {v} =\mathbf {\Omega } \times \mathbf {r} ) $ befindet, wobei $ \mathbf {\Omega } $ die konstante Winkelgeschwindigkeit ist. Die Linearkombinationen der Ableitungen der Geschwindigkeiten sind gerade die symmetrischen Komponenten von $ \nabla \mathbf {v} : $

$ {\frac {\partial v_{i}}{\partial x_{j}}}+{\frac {\partial v_{j}}{\partial x_{i}}}, $

weshalb hier und im Folgenden die Einsteinsche Summenkonvention zu beachten ist.

Mit der weiteren Annahme einer isotropen Flüssigkeit werden die unmittelbaren Stoffeigenschaften durch skalare Größen beschrieben. Damit wird der Reibungstensor:

$ \mathbb {S} =\sigma _{ij}=\eta \left({\frac {\partial v_{i}}{\partial x_{j}}}+{\frac {\partial v_{j}}{\partial x_{i}}}-{\frac {2}{3}}\delta _{ij}{\frac {\partial v_{k}}{\partial x_{k}}}\right)+\zeta \delta _{ij}\ {\frac {\partial v_{k}}{\partial x_{k}}}. $

Hier beschreibt der erste Term die Reibung durch volumentreue Deformation (für $ i=j $ wird der Term in der Klammer Null). Der zweite Term beschreibt die innere Reibung durch Volumenänderung. Dieser Term wird für den häufigen Fall der Inkompressibilität verschwinden.

Siehe auch

• Gesetz von Stokes
• Navier-Stokes-Gleichungen
• Gesetz von Hagen-Poiseuille
• Visco-Kupplung
• Vulkameter
• Andrade-Gleichung
• Vogel-Fulcher-Tammann-Gleichung
• Pechtropfenexperiment
• Reynolds-Zahl

Tabellenwerte

Tabellenwerte zur dynamischen Viskosität verschiedener Stoffe sind in folgenden Artikeln zu finden:

Wikibooks: Tabellensammlung Chemie/ Dynamische Viskosität gasförmiger Stoffe – Lern- und Lehrmaterialien

Literatur

• Joseph O. Hirschfelder, Charles F. Curtiss, und Robert Byron Bird: Molecular Theory of Gases and Liquids. Wiley, 1964, ISBN 0-471-40065-3
• John H. Lienhard IV und John H. Lienhard V, A Heat Transfer Textbook. Phlogiston Cambridge, 3. Auflage, 2005
• Atkins, Peter W.: Physikalische Chemie / A. Höpfner (Übers.). 3., korr. Aufl. Weinheim, Wiley-VCH, 2002, ISBN 3-527-30236-0
• Dealy JM.: Structure and Rheology of Molten Polymers. München, Hanser Fachbuchverlag, 2006
• Gabriel C.: Einfluss der molekularen Struktur auf das viskoelastische Verhalten von Polyethylenschmelzen. Lehrstuhl für Polymerwerkstoffe, Erlangen, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, 2001
• Piel C, Stadler FJ, Kaschta J, Rulhoff S, Münstedt H, Kaminsky W: Structure-property relationships of linear and long-chain branched metallocene high-density polyethylenes and SEC-MALLS. Macromolecular Chemistry and Physics 207 (1), 26-38, 2006
• Gehm, Lothar: RHEOLOGIE – Praxisorientierte Grundlagen und Glossar. VINCENZ 1998, ISBN 3-87870-449-6
• Schwarzl, FR.: Polymermechanik. Heidelberg, Berlin, New York, Springer, 1993

Einzelnachweise

Weblinks

Wiktionary: Viskosität – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons: Viscosity – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Vorlage:Commonscat/WikiData/Difference

• Viskosität (PDF-Datei; 157 kB)
• Umrechnungstabelle Viskositäten (englisch)