Auto Technik Lexikon - Technik und Treibstoffe

Viskosität

Viskosität ist die "Zaehigkeit" einer Flüssigkeit 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 Flüssigkeit und Gas.

Spricht man von Viskosität, soll in der Regel das Fliessverhalten einer Flüssigkeit charakterisiert werden. Je höher die Viskosität, 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 benötigt man eine gewisse Kraft. Den Zusammenhang zwischen dieser Kraft und den Eigenschaften des vorliegenden Fluids definiert die Viskosität. Dargestellt wird dieser Zusammenhang besonders gut an der homologen Reihe der Alkane (kettenfoermigen Kohlenwasserstoffen), hier steigt die Viskosität 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 Viskosität, links der Geschwindigkeitsgradient (2) und rechts eine Veranschaulichung für die verzahnten Molekuelschichten (1), weitere Erlaeuterungen siehe Text [Quelle]
Sehr gut veranschaulichen kann man sich die Viskosität auch an folgendem Beispiel: gleitet Wind über 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 Flüssigkeit auch in tieferen Schichten trotz Wind an der Oberflaeche praktisch ruht, kann auf die verzahnten Molekuelschichten zurueckgefuehrt werden.

Newtonsche Flüssigkeiten

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

Verknuepft man dies mit der Schubspannung, erhaelt man folgenden Zusammenhang für die dynamische Viskosität:

und damit auch n wird bei Newtonschen Flüssigkeiten 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 über recht lange Zeit hinzieht
• Fliessgrenze, bei der erst eine gewisse Mindestschubspannung vorhanden sein muss, um die Flüssigkeiten zum Fliessen zu bringen.

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

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

SI-Einheit

Die SI-Einheit der dynamischen Viskosität:

kinematischen Viskosität:

Im CGS-System wird für die Viskosität Poise (P) verwendet.

=== Typische Viskositaetswerte === (in [mPa s] bei 20 °C)

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 Viskosität leitet sich von dem lateinischen Wort für Mistel "viscum" her, aus deren Beeren ein zaeher Vogelleim hergestellt wurde.