Viskositaet

Viskositaet ist die "Zaehigkeit" einer Fluessigkeit oder eines Gases. Sie resultiert aus den zwischenmolekularen Kraeften in einem Fluid, ist also abhaengig von der Kohaesion, den intramolekular (zwischen den Molekuelen oder ihren Teilen) wirkenden Kraeften. Der Begriff Fluid umfasst die Aggregatzustaende Fluessigkeit und Gas.

Spricht man von Viskositaet, soll in der Regel das Fliessverhalten einer Fluessigkeit charakterisiert werden. Je hoeher die Viskositaet, um so dickfluessiger ist die Substanz; diesen Effekt kann man sich vereinfacht durch die Bewegung zweier uebereinander liegender, verzahnter Molekuelschichten vorstellen (siehe Abb. Punkt 1). Beim Fliessen gleiten die Molekuele aneinander vorbei, um die Verzahnung zu ueberwinden benoetigt man eine gewisse Kraft. Den Zusammenhang zwischen dieser Kraft und den Eigenschaften des vorliegenden Fluids definiert die Viskositaet. Dargestellt wird dieser Zusammenhang besonders gut an der homologen Reihe der Alkane (kettenfoermigen Kohlenwasserstoffen), hier steigt die Viskositaet mit der Kettenlaenge (und den zunehmenden intermolekular wirkenden Kraeften, den van-der-Waals-Kraeften) kontinuierlich an und erreicht bei den mittleren Alkanen (ab Nonan, neun C-Atomen) bereits einen relativ hohen Wert.

Modellvorstellung zur Viskositaet, links der Geschwindigkeitsgradient (2) und rechts eine Veranschaulichung fuer die verzahnten Molekuelschichten (1), weitere Erlaeuterungen siehe Text [Quelle]
Sehr gut veranschaulichen kann man sich die Viskositaet auch an folgendem Beispiel: gleitet Wind ueber das Wasser eines Ozeans, erzeugt dies eine Bewegung der Wassermolekuele an der Oberflaeche. Je tiefer man nun taucht, desto ruhiger wird das Wasser, bis es einen Punkt erreicht, wo wieder Ruhe herrscht. Die einzelnen Fluessigkeitsschichten bewegen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, es entsteht ein Geschwindigkeitsgradient
(siehe Abb. Punkt 2):

Wird der Winddruck entfernt, bricht der Fluss zusammen, das Wasser ruht auch wieder an der Oberflaeche. Dass die Fluessigkeit auch in tieferen Schichten trotz Wind an der Oberflaeche praktisch ruht, kann auf die verzahnten Molekuelschichten zurueckgefuehrt werden.

Newtonsche Fluessigkeiten

Im folgenden wird der vereinfachte Zusammenhang gemaess dem Newtonschen Viskositaetsgesetz dargestellt, es wird dabei stets laminare Stroemung und Temperatur- und Druckunabhaengigkeit der Fluessigkeit angenommen. Ausserdem forderte Newton eine lineare Abhaengigkeit des oben erwaehnten Geschwindigkeitsgradient, der auch Schergeschwindigkeit genannt wird:

Verknuepft man dies mit der Schubspannung, erhaelt man folgenden Zusammenhang fuer die dynamische Viskositaet:

Newtonsche Flüssigkeiten

und damit auch n wird bei Newtonschen Fluessigkeiten als Konstante angesehen. Viele Substanzen folgen diesem Gesetz jedoch nicht. Dabei unterscheidet man verschiedene Arten der Abweichung:

Strukturviskositaet / Dilatanz, bei denen die Schergeschwindigkeit \dot\gamma nicht als konstant angesehen werden kann
Thixotropie / Rheopexie, bei denen sich eine Strukturveraenderung ueber recht lange Zeit hinzieht
Fliessgrenze, bei der erst eine gewisse Mindestschubspannung vorhanden sein muss, um die Fluessigkeiten zum Fliessen zu bringen.

Im allgemeinen Fall muss die Schergeschwindigkeit aus dem Schwerwinkel in der Fluessigkeit berechnet werden und nicht aus dem Geschwindigkeitsgradienten, diese Fluide bezeichnet man dann als Nichtnewtonsches Fluid.

Darueber hinaus wird auch das Verhaeltnis zwischen der dynamischen Viskositaet n und der Dichte r definiert als kinematische Viskositaet:

SI-Einheit

Petroleum 0,65 Pentan 0,232 Olivenoel ~ 102
Wasser 1,0 Hexan 0,320 Honig ~ 104
Quecksilber 1,5 Heptan 0,410 Sirup ~ 105
Traubensaft 2 - 5 Oktan 0,538 Polymerschmelzen ~ 103 bis 106
Blut (37 °C) 4 - 25 Nonan 0,710 Bitumen ~ 1011
Kaffeesahne ~ 10 Dekan ? Glas (fest) ~ 1023
Asphalt 100000 Ethanol 1,19 Glas (Verarbeitungstemp.) ~ 102 bis 107

Wortherkunft

Der Begriff Viskositaet leitet sich von dem lateinischen Wort fuer Mistel "viscum" her, aus deren Beeren ein zaeher Vogelleim hergestellt wurde.