Viskosität

Viskosität ist die "Zähigkeit" einer Flüssigkeit. Sie resultiert aus den zwischenmolekularen Kräften in einer Flüßigkeit, ist also abhängig von Kohäsion(intramolekular) und Adhäsion (intermolekular).

Einfache Erklärung:

Die Viskosität bezeichnet das Fließverhalten einer Flüssigkeit. Hohe Viskosität bedeutet Dickflüssigkeit, eine niedrige dagegen Dünnflüssigkeit. Beim Fließen gleiten die Moleküle aneinander vorbei. Dies geht umso schwerer, je höher die zwischenmolekularen Kräfte (van-der-waals-Kräfte) sind. Bei mittleren Alkanen (ab Nonan) ist die Viskosität sehr hoch. Bewegt sich ein fester Körper mit der Geschwindigkeit v durch eine ruhende Flüssigkeit, dann ist im Allgemeinen zur Aufrechterhaltung der Bewegung eine Kraft F_R erforderlich, die von der Größe und Form des Körpers und einer Eigenschaft der Flüssigkeit, der dynamischen Viskosität, η, abhängt. In einer laminaren Strömung haftet die den Körper umgebende Flüssigkeitsschicht an der Körperoberfläche und bewegt sich mit dem Körper fort. Die weit entfernten Schichten der Flüssigkeit bleiben dagegen in Ruhe. Der Bereich, in dem sich der kontinuierliche Übergang von Mitbewegung zur Ruhe vollzieht, heißt Grenzschicht. Der darin bestehende Geschwindigkeitsgradient ^dv/_dx ist mit einer Schubspannung r in der Flüssigkeit verknüpft, die als Reibung zweier Flüssigkeitsschichten mit verschiedenen Geschwindigkeiten gedeutet werden kann. Alle von außen zugeführte Energie wird in Wärme umgewandelt. Nach Wegfall der Kraft kommen der Körper und die Flüssigkeit in der Grenzschicht wieder zur Ruhe. Entsprechend dieser Modellvorstellung definiert man die dynamische Viskosität durch die Gleichung r=^η*dv/_dx. η ist für viele Flüssigkeiten eine Stoffkonstante, die nur von Temperatur und Druck abhängt. Überschreitet v einen bestimmten Wert, bilden sich Turbulenzen, die einen Teil der Kraft F_R beanspruchen (siehe Turbulente Strömung). Die SI-Einheit der Viskosität is kg·m^-1s^-1 oder Pa·s. Im CGS-System ist es das Poise (P). Es ist 1 P = 1 g·cm^-1·s^-1 = 0.1 kg·m^-1·s^-1 = 0.1 Pa·s Die Angabe der dynamischen Viskosität erfolgt in Pa·s, bei dünnflüssigen Fluiden in mPa·s. Sie ist definiert durch die kraft in Newton, die notwendig ist, um in einer Flüssigkeitsschicht von 1 m² und 1 m Höhe die eine Grenzfläche parallel zur gegenüberliegenden Grenzfläche mit einer Geschwindigkeit von 1 m·s^-1 zu verschieben. Gemessen werden diese Eigenschaften mit Viskosimetern oder Rheometern.

Typische Viskositätswerte

in mPa s bei 20 °C

Petroleum 0,65 Kaffeesahne ~ 10 Wasser 1,0 Honig ~ 10⁴ Quecksilber 1,5 Polymerschmelzen ~ 10³ - 10⁶ Traubensaft 2 - 5 Bitumen ~ 10⁸ Blut (37 °C) 4 - 25 Glas ~ 10²³ Im Alltag ist die Viskosität zum Beispiel beim Motoröl von Bedeutung. Um dem Autofahrer zu ermöglichen unabhängig von der Kenntnis der oben stehenden Informationen das richtige Öl für seinen Motor auszusuchen hat die Society of Automotive Engineers (SAE) vor langer Zeit ein relativ einfaches System von Viskositätsklassen entwickelt. Diese werden gekennzeichnet duch das Kürzel SAE gefolgt von einer Zahl; dabei bezeichnen kleinere Zahlen niedrigviskose Öle und große Zahlen hochviskose Öle. Spezielle Winteröle, die ein erweitertes Einsatzspektrum im Tieftemperaturbereich haben, werden durch ein nachgestelltes W gekennzeichnet. Beispiele: SAE 20W, SAE 30. In der Praxis haben sich seit den sechziger Jahren Mehrbereichsöle fast vollständig durchgesetzt. Der Grund dafür ist daß die Viskosität stark von der Temperatur abhängt, heißes Öl ist dünnflüssiger als kaltes. Das Bedeutet daß je nach Betriebszustand des Motors und Jahreszeit ein völlig anderes Öl das richtige wäre. Bei Mehrbereichsölen fällt diese Viskositätsänderung geringer aus als bei Einbereichsölen. Um sie zu kennzeichnen gibt man eine doppelte Viskositätskennzahl an; die erste kennzeichnet die Eigenschaften bei 0°F(-18°C), die zweite gilt für eine Öltemperatur von 210°F(99°C). Beispiel: ein Motoröl SAE 15W-40 hat bei -18°C eine Viskosität wie ein Einbereichsöl SAE 15W unter den gleichen Bedingungen; bei 99°C entspricht die Viskosität der eines 40er-Öls. Die Viskosität ist nur eine Eigenschaft eines Stoffes, erlaubt aber keine Rückschlüsse auf die allgemeine Qualität!

Siehe auch : Gesetz von Stokes, Hagen-Poiseuille