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Viskosität


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

Die Viskosität bezeichnet das Fließverhalten einer Hohe Viskosität bedeutet Dickflüssigkeit eine niedrige dagegen Dünnflüssigkeit . Beim Fließen gleiten die Moleküle aneinander Dies geht umso schwerer je höher die Kräfte (van-der-waals-Kräfte) sind. Bei mittleren Alkanen (ab ist die Viskosität sehr hoch.

Aus strömungsmechanischer Sicht stellt die Viskosität Impulstransport quer zur Strömungsrichtung dar kann quasi eine Art von "Impulsdiffusion" gedeutet werden. Das man zB bei der Herleitung einer instationären

Bewegt sich ein fester Körper mit Geschwindigkeit v durch eine ruhende Flüssigkeit dann ist im Allgemeinen zur Aufrechterhaltung Bewegung eine Kraft F R erforderlich die von der Größe und des Körpers und einer Eigenschaft der Flüssigkeit dynamischen Viskosität η abhängt.

In einer laminaren Strömung haftet die den Körper umgebende Flüssigkeitsschicht der Körperoberfläche und bewegt sich mit dem fort. Die weit entfernten Schichten der Flüssigkeit dagegen in Ruhe. Der Bereich in dem der kontinuierliche Übergang von Mitbewegung zur Ruhe heißt Grenzschicht . Der darin bestehende Geschwindigkeitsgradient dv / dx ist mit einer Schubspannung r in der Flüssigkeit verknüpft die als zweier Flüssigkeitsschichten mit verschiedenen Geschwindigkeiten gedeutet werden Alle von außen zugeführte Energie wird in umgewandelt. Nach Wegfall der Kraft kommen der und die Flüssigkeit in der Grenzschicht wieder Ruhe.

Entsprechend dieser Modellvorstellung definiert man die Viskosität durch die Gleichung r= η*dv / dx . η ist für viele Flüssigkeiten eine 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 ist kg·m -1 s -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 Pa·s bei dünnflüssigen Fluiden in mPa·s. Sie definiert durch die Kraft in Newton die ist um in einer Flüssigkeitsschicht von 1 2 und 1 m Höhe die eine parallel zur gegenüberliegenden Grenzfläche mit einer Geschwindigkeit 1 m·s -1 zu verschieben. Gemessen werden diese Eigenschaften Viskosimetern oder Rheometern.

Typische Viskositätswerte
in mPa s bei 20 °C
 Petroleum 0 65 Kaffeesahne ~ 10 1 0 Honig ~ 10 4  Quecksilber 1 5 Polymerschmelzen ~ 10 3  - 10 6  Traubensaft 2 - 5 Bitumen ~ 8  Blut (37 °C) 4 - 25 ~ 10 23   

Im Alltag ist die Viskosität zum beim Motoröl von Bedeutung. Um dem Autofahrer zu unabhängig von der Kenntnis der oben stehenden das richtige Öl für seinen Motor auszusuchen die Society of Automotive Engineers (SAE) vor Zeit ein relativ einfaches System von Viskositätsklassen Diese werden gekennzeichnet durch das Kürzel SAE von einer Zahl; dabei bezeichnen kleinere Zahlen Öle und große Zahlen hochviskose Öle. Spezielle die ein erweitertes Einsatzspektrum im Tieftemperaturbereich haben durch ein nachgestelltes W gekennzeichnet. Beispiele: SAE SAE 30.

In der Praxis haben sich seit sechziger Jahren Mehrbereichsöle fast vollständig durchgesetzt. Der dafür ist daß die Viskosität stark von Temperatur abhängt heißes Öl ist dünnflüssiger als Das bedeutet daß je nach Betriebszustand des und Jahreszeit ein völlig anderes Öl das wäre. Bei Mehrbereichsölen fällt diese Viskositätsänderung geringer als bei Einbereichsölen. Um sie zu kennzeichnen man eine doppelte Viskositätskennzahl an; die erste die Eigenschaften bei 0°F(-18°C) die zweite gilt eine Öltemperatur von 210°F(99°C). Beispiel: ein Motoröl 15W-40 hat bei -18°C eine Viskosität wie Einbereichsöl SAE 15W unter den gleichen Bedingungen; 99°C entspricht die Viskosität der eines 40er-Öls. Viskosität bei 99°C größer als bei -18°C?????

Die Viskosität ist nur eine Eigenschaft Stoffes erlaubt aber keine Rückschlüsse auf die Qualität!

Zähflüssigkeit:

Für die Viskosität von Gasen erhält <math> \eta = \frac{1}{3}nmvl </math> mit der Weglänge (vgl. freie Weglänge ) <math>l = \frac{1}{n\sigma}</math> der Strömungsgeschwindigkeit <math>v</math> der Teilchenzahldichte <math>n</math>. Aus der Definition der Weglänge folgt daß die Viskosität von Gasen vom Druck ist. Dies gilt solange die Weglänge klein gegenüber den Gefäßabmessungen und groß den Molekülabmessungen ist. Mit anderen Worten für sehr dünnes oder ein sehr dichtes Gas die Viskosität doch wieder vom Druck bzw. Dichte des Gases abhängig. Die Viskosität ist grundsätzlich von der Temperatur abhängig da <math>v</math> der Temperatur zunimmt. Dieses Verhalten ist bei genau entgegengesetzt. Hier nimmt die Viskosität mit Temperatur ab. Für Luft liegen die Grenzen der Größenordnung von einigen mm bis zu (z.B. Lungenautomat beim Tauchen ) und 0.4 nm (Moleküldurchmesser). Im Druckbereich zweiten Stufe sollte die Viskosität der Luft sein. Der mit der Tauchtiefe zunehmende Einatemwiderstand also nicht über die Viskosität der Luft werden. Für dieses Phänomen muß in erster die turbulenter werdende Strömung in den Luftwegen gemacht werden. In vielen Veröffentlichungen zum Thema Tauchphysik und Tauchmedizin werden eine Messungen angegeben den steigenden Einatemwiderstand mit zunehmendem Druck belegen. eine turbulente Strömung nimmt der Widerstand mit Dichte und dem Molekulargewicht des Gases zu. Abhängigkeit der Viskosität von der Molekülmasse ist positiver Nebeneffekt für Helium- bzw. Wasserstoffatemgasgemische. Diese wesentlich leichter zu atmen als Stickstoffgemische unter gleichen Bedingungen. Die folgende Tabelle listet zu Gasen die Viskositäten und freien Weglängen auf.

Gas <math>\eta_{273 K}</math> <math>l_{1 atm}</math>
[<math>\mu</math>N s <math>\mathrm{m}^{-2}</math> ] [nm]
Luft 17.1 59.8
<math>\mathrm{O}_2</math> 19.2 63.3
C<math>\mathrm{O}_2</math> 13.8 39.0
<math>\mathrm{N}_2</math> 16.6 58.8
Ar 21.0 62.6
Ne 29.7 124.0
He 18.6 174.0
<math>\mathrm{H}_2</math> 8.4 111.0

Siehe auch: Gesetz von Stokes Hagen-Poiseuille Atemwiderstand



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