Viskosität ws 05-06-3

Prof. Dr. B. Stephan
Viskosität
Die Viskosität ist eine für das Fließverhalten von Flüssigkeiten
wesentliche Größe, die bei genauerer Untersuchung auch Aufschlüsse
über die innere Struktur des Systems geben kann. Das viskose Fließen
ist ein Vorgang, der zu seinem Ablauf Energie benötigt, es ist eine Folge
der „inneren Reibung“ in den Flüssigkeiten.
Der idealisierte Fall ist bei den Newton´schen Flüssigkeiten realisiert, bei
denen
eine
Linearität
zwischen
Schubspannung

und
Geschwindigkeitsgefälle D besteht, der Proportionalitätsfaktor ist die
dynamische Viskosität 
 = D .
Aus diesem Ansatz leiten sich die Einheiten der Viskosität ab:
 als Quotient einer Spannung (N/m2) und dem Geschwindigkeitsgefälle
führt zu der Einheit Ns/m2 = Pas (Pascal-Sekunde). Die Einheit deziPascal-Sekunde wird in der Praxis auch mit Poise (P) bezeichnet, centiPoise (cP) steht somit für milli-Pascal-Sekunde.
Wird dynamische Viskosität  (eta) wird auf die Dichte der Flüssigkeit
bezogen, erhält die sog. Kinematische Viskosität v (nü) mit der Einheit
m2/s.
Beide Einheiten sind für übliche Flüssigkeiten zu groß, so dass man
meist mit mPas („cP“) und mit mm2/s („ centi-Stokes“) arbeitet, die bei
Flüssigkeiten mit Dichten um 1 etwa zahlenmäßig gleich groß sind.
In der Praxis sind noch eine Reihe von Nicht-SI-Einheiten im Gebrauch,
die sich meist aus der Ausflusszeit von Flüssigkeiten aus speziellen
Gefäßen ableiten (Grad Engler, Redwood, Fordbecher etc.).
Praxisnahe Messungen von komplexeren fließfähigen Systemen lassen
sich schnell mit Rotationsviskosimetern bei geringerer Genauigkeit
durchführen. Präziser sind Untersuchungen mit dem Kugelfall- oder mit
dem Ubbelohde-Viskosimeter.
Wesentlich für die Anwendungstechnik sind Fließvorgänge, die sich von
Newton´schen Flüssigkeiten unterscheiden, sowie das Temperaturverhalten, das sich vielfach über Exponentialfunktionen beschreiben
lässt. Flüssige Kohlenwasserstoffe (Kraftstoffe, Motorschmiermittel)
sowie Pflanzenöle zeigen mit Zunahme der Temperatur einen sehr
starken Viskositätsabfall, bei wässrigen Medien ist dieses Verhalten nicht
so ausgeprägt.
Die Abweichungen vom Newton´schen Verhalten haben ihre Ursache in
spezifischen Wechselwirkungen zwischen den Partikeln des
untersuchten Mediums.
Besteht ein linearer Zusammenhang zwischen Schubspannungen  und
dem Geschwindigkeitsgefälle D, handelt es sich um Newton´sche
Flüssigkeiten.
Plastische Stoffe verhalten sich im Ruhezustand und bei kleinen
Schubspannungen wie elastische Festkörper und beginnen erst bei
höheren Schubspannungen zu fließen (Dispersionen, Tomatenketchup).
Strukturviskose Flüssigkeiten zeigen ein Absinken der Viskosität mit
steigendem D durch Ausrichtung von Partikeln in der Flüssigkeit – die
einzelnen strömenden Schichten können dadurch leichter aneinander
vorbei gleiten (Mayonnaise).
Thixotrope Stoffe verhalten sich in Abhängigkeit von der Zeit bei
gleichem D bezüglich der Viskosität nicht konstant, sie sinkt. Lässt man
die Flüssigkeit ruhen, steigt  wieder auf den Ausgangswert (Kleister,
Dispersionen).
Rheopexe Flüssigkeiten verhalten sich umgekehrt wie thixotrope
Systeme, d.h. bei ruhender Flüssigkeit und konstantem D nimmt  zu.