Einführung in die Viskosität
Viskosität ist, vereinfacht ausgedrückt, das Maß für den Fließwiderstand einer Flüssigkeit. Diese innere Reibung entsteht, wenn die Partikel einer Flüssigkeit aneinander reiben und eine Art „Klebrigkeit“ verursachen. In vielen Bereichen, von der Erdölindustrie über die Lebensmittel- und Getränkeindustrie bis hin zur Medizin, spielt dieses Konzept eine wichtige Rolle.
Das Verständnis der Viskosität ist für einen reibungslosen Betrieb und die Optimierung von Prozessen unerlässlich, insbesondere bei der Bewegung und Handhabung von Flüssigkeiten. In diesem Leitfaden werden die Feinheiten der Viskosität als Flüssigkeitseigenschaft eingehend untersucht, indem ihre Prinzipien, ihre Messung und ihre weitreichenden Auswirkungen in verschiedenen Branchen erläutert werden.
Wasserähnlich, halbviskos und viskos
Für die Strömungsdynamik ist die Viskosität ein wichtiges Konzept. Sie beschreibt die Fähigkeit einer Flüssigkeit, dem Fließen zu widerstehen. Eine Flüssigkeit fließt langsamer, wenn sie eine höhere Viskosität hat. Unsere drei wichtigsten Begriffe zum Ausdrücken dieser Eigenschaft sind wasserähnlich, halbviskos und viskos.
Wasserähnlich: Dieser Begriff bezieht sich auf Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität (wie die von Wasser), die leicht und schnell fließen, z. B. Saft- oder Teegetränke oder chemische Substanzen wie Alkohol oder Öl.
Halbviskos: Dieser Begriff bezieht sich auf Flüssigkeiten mittlerer Dicke. Sie fließen nicht so frei wie wasserähnliche Flüssigkeiten, sind aber nicht so dick wie viskose Flüssigkeiten. Beispiele hierfür sind Olivenöl oder Honig bei Raumtemperatur.
Viskos: Dieser Begriff bezeichnet Flüssigkeiten mit hoher Viskosität, die dickflüssig und langsam fließend sind, wie beispielsweise Melasse, Sirup oder Glycerin.
Bedenken Sie, dass sich die Viskosität mit der Temperatur ändert. Eine Flüssigkeit kann daher beim Erhitzen wässriger (weniger dicht) oder beim Abkühlen dickflüssiger sein.
Manchmal muss man genau beschreiben, wie dick oder dünn eine Flüssigkeit ist. Wir verwenden daher „Centipoise“ anstelle von Begriffen wie halb verdickt/halb verdickend/wasserähnlich/verdickt/verdickend/halbdünn/sehr dünn. Dies ist eine Möglichkeit, die Viskosität zu quantifizieren, die sich auf den Fließwiderstand einer Flüssigkeit bezieht.
Centipoise und seine Bedeutung verstehen
Centipoise (cP) ist die in industriellen Umgebungen am häufigsten verwendete Maßeinheit für die Viskosität von Flüssigkeiten. Sie stellt den Widerstand dar, den eine Flüssigkeit beim Fließen hat, wobei ein Centipoise der Viskosität von Wasser bei Raumtemperatur entspricht. Dies hilft dabei, die Viskositäten verschiedener Flüssigkeiten leichter zu verstehen und zu vergleichen.
Verschiedene Substanzen weisen unterschiedliche Grade der Klebrigkeit oder des Widerstands gegen den Fluss auf, gemessen in Centipoise (cp) in Bezug auf ihre Viskosität. Hier sind 20 Elemente und ihre entsprechenden Viskositäten:
Erdnussbutter: Erdnussbutter hat eine hohe Viskosität, wie ihr Wert von 250.000 cp anzeigt, was sie dick und klebrig macht.
Tomatenmark: Dies ist eine weitere viskose Substanz mit einem Viskositätswert von 190.000 cp.
Vaseline: Der typische Haushaltsgegenstand hat einen Viskositätswert von 64.000 cp.
Tinte (Paste): Seine Viskosität beträgt 45.000 cp und wird als hochviskos eingestuft.
Öl-SAE 140: Viskosität = 2.200 cp; fällt in die Klasse der viskosen Stoffe.
Shampoo: Sein ungefährer Viskositätsbereich liegt zwischen 800 und 1.000 cp, sodass es kategorisch als viskose Substanz bezeichnet werden kann.
Hand-und Körperlotion: Halbviskos, da die Viskosität bei etwa 700 cP liegt
Plastisol: Dieses Material hat aufgrund seiner relativ höheren Viskosität = 700 cP auch eine Art Halbviskosität
Öl-SAE 90 hat eine Halbviskosität mit einem niedrigen Wert von 590 cP
Bootslack: Es liegt in der mittleren Halbviskositätsgruppe mit einem mittleren Wert von 420 cP
Sojaöl: Sojaöl fällt in die Kategorie halbverdickt, da es einen Viskositätswert von 160 cP aufweist.
Ahornsirup wird als halbverdickend eingestuft, da seine Viskosität bei 144 cp liegt.
Öl SAE 20: Umgekehrt beträgt seine Viskosität 125 cp und fällt unter halbviskos.
Maisöl: Seine Viskosität beträgt 72 cp, es gehört also zur Gruppe der halbviskosen Öle.
Flüssige Tinte: Seine Viskosität ist sogar höher als die von Maisöl und beträgt etwa 25 cp.
Kölnisch Wasser/Parfüms: Dicht aufgrund der niedrigen Viskositäten im Bereich von einem bis sieben Centipoise (cp).
Wasser: Die Fließfähigkeit von Wasser beträgt 1 cp, was bedeutet, dass es eine hochviskose Substanz ist.
Luft: Luft beispielsweise hat eine Viskosität von etwa 0,018 cp und fällt somit nicht in die Kategorie der viskosen Flüssigkeiten.
Schwefelsäure: Trotz ihrer Gefahren hat Schwefelsäure eine Viskosität von 0,2 cp, was recht gering ist.
Quecksilber ist eine dichte Flüssigkeit mit einer relativ hohen Viskosität von etwa 1,55 Centipoise (cp). im Vergleich zu den zuvor genannten Stoffen.
Bedeutung der Viskosität in Flüssigkeiten
Unterschiede in der Konsistenz von Flüssigkeiten können direkte Auswirkungen auf Verhalten und Funktion haben. So werden beispielsweise die Prozesse der Rohölgewinnung und -raffination dadurch beeinflusst, dass die Ölindustrie an den inneren Eigenschaften des Rohöls festhält. Auch die Lebensmittelindustrie steht vor dieser Art von Herausforderung, da Lebensmittel je nach ihrer Dicke gelieren oder suppig sein können, was durch die Viskosität von Soßen oder Getränken verursacht wird. Grundsätzlich kann die Aufrechterhaltung der Produktqualität und die Rationalisierung des Produktionsprozesses nur erreicht werden, wenn man ihre Viskositäten versteht und kontrolliert.
Gängige Anwendungen der Viskosität
Viskosität wird in vielen Branchen eingesetzt. In der Pharmaindustrie wird sie verwendet, um die richtige Dosierung von flüssigen Medikamenten zu bestimmen. In der Automobilindustrie ist sie entscheidend für die Auswahl der richtigen Schmierstoffe. In Lebensmitteln und Getränken beeinflusst die Viskosität das Mundgefühl und die Dosierung von Produkten. In der Farbenindustrie bestimmt sie, wie einfach sie aufgetragen werden können und wie lange sie trocknet. Daher sind das Verständnis und die Kontrolle der Viskosität für den Erfolg dieser Branchen von entscheidender Bedeutung.
Viskosität messen
Kenntnisse über die Viskosität einer bestimmten Flüssigkeit sind oft von entscheidender Bedeutung. Die tatsächliche Messung kann jedoch Probleme bereiten. Es wurden verschiedene Methoden entwickelt, jede mit ihren eigenen Vor- und Nachteilen.
Methoden zur Messung der Viskosität
Kapillarviskosimeter Messen Sie die Zeit, die eine Flüssigkeit braucht, um durch ein kleines Röhrchen oder eine Kapillare zu fließen. Die Fließgeschwindigkeit ist linear proportional zur Viskosität.
Rotationsviskosimeter: Dabei wird eine Spindel in die Flüssigkeit eingeführt und dann ständig gedreht. Durch Berechnung des Widerstandes gegen solche Bewegungen kann man leicht herausfinden, welche Art von Viskosität diese Flüssigkeit besitzt.
Kugelfall-Viskosimeter: In dem mit dieser Substanz gefüllten zylindrischen Behälter fällt ein Ball. Die Endgeschwindigkeit (Fallgeschwindigkeit des Balls) gibt an, wie dick oder dünn diese Flüssigkeit ist.
Viskosimeter: Werkzeuge zur Viskositätsmessung
Zur Messung von Viskositäten mit Viskositätsmessgeräten gibt es verschiedene Typen, die speziell für bestimmte Zwecke entwickelt wurden. Die Auswahl eines solchen Messgeräts hängt von Faktoren wie Temperaturschwankungen in der zu messenden Flüssigkeit und dem beim Experiment erforderlichen Genauigkeitsgrad ab.
Kritische Variablen bei der Viskositätsmessung
Zu den Variablen, die die Viskositätsmessung beeinflussen, gehört die Temperatur, da sich die Viskosität bei Temperaturschwankungen drastisch ändern kann. Auch der Druck ist sehr wichtig, insbesondere bei Gasen und hochviskosen Flüssigkeiten. Wenn Sie versuchen, genauere Messungen der Viskosität zu erhalten, sollten Sie berücksichtigen, welche Werkzeuge verwendet werden und wie genau diese die Werte berechnen. Daher ist die Kenntnis dieser Variablen bei jeder Viskositätsmessung unerlässlich.
Newtonsche und nicht-newtonsche Flüssigkeiten
Temperatur, Druck und Zusammensetzung sind einige der Faktoren, die die Viskosität von Flüssigkeiten beeinflussen. Die Kenntnis dieser Faktoren ist in Branchen von entscheidender Bedeutung, in denen die Regulierung des Flüssigkeitsverhaltens wichtig ist, wie etwa in der Lebensmittel- und Getränkeproduktion, der Öl- und Gasindustrie, der Pharmaindustrie und der verarbeitenden Industrie.
Zusammenhang zwischen Temperatur und Viskosität
Bei Flüssigkeiten besteht eine umgekehrte Beziehung zwischen Temperatur und Viskosität. Bei steigender Temperatur erhöht sich auch die kinetische Energie der Moleküle, wodurch sie sich heftig bewegen. Dadurch verringert sich die Viskosität; die Flüssigkeit wird also dünnflüssiger und fließt leichter. Ein Beispiel ist Honig, der sich im erwärmten Zustand tendenziell leichter gießen lässt, da seine Temperatur mit steigender Temperatur sinkt.
Druck- und Viskositätsbeziehung
Da Flüssigkeiten im Gegensatz zu Gasen kaum jemals unter Druck komprimiert werden, ändert sich ihr Volumen nicht. Der Druck beeinflusst jedoch ihre Viskosität. Bei den meisten Flüssigkeiten erhöht sich die Viskosität mit zunehmendem Druck. Die Moleküle werden näher zusammengebracht, was das Fließen erschwert. Diese Beziehung zwischen Druck und Viskosität kann insbesondere bei industriellen Hochdruckprozessen oder bei der Tiefseeforschung von Bedeutung sein, wo Druckunterschiede das Verhalten einer Flüssigkeit erheblich beeinflussen können.
Zusammensetzung bei verschiedenen Viskositätsstufen
Die Zusammensetzung einer Flüssigkeit beeinflusst auch ihre Viskosität, da sie aus unterschiedlichen Molekülen und Molekülarten besteht. Wasser hat beispielsweise aufgrund der unterschiedlichen Molekülstruktur eine höhere Dichte als Öl. Darüber hinaus können Lösungsmittel mit gelösten Stoffen Veränderungen in ihrer Viskosität aufweisen. Mit anderen Worten: Wenn man Zucker in Wasser gibt, erhält man eine höhere Dichte des Wassers. Daher muss man verstehen, wie eine Mischung auf Veränderungen ihrer Bestandteile reagiert, die zu Veränderungen der Viskosität führen.
Fazit und zukünftige Trends in der Viskositätsmessung
Die Viskosität, oft als „Dicke“ einer Flüssigkeit beschrieben, hängt unter anderem von Temperatur, Druck oder Zusammensetzung ab. Diese Beziehungen sind komplex miteinander verwoben, was zu Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Viskositäten führt, die sie in den verschiedenen Umgebungen aufweisen, die wir oben besprochen haben. Die Bedeutung des Verständnisses dieser Beziehungen in verschiedenen Branchen, von der Fertigung bis zur Tiefseeforschung, kann nicht genug betont werden; dies wird es Forschern ermöglichen, das Verhalten verschiedener Mischungen und Lösungen vorherzusagen und zu kontrollieren.
Viskositätsmesstechniken: Was kommt als Nächstes?
Diese zukünftigen Trends und Entwicklungen sind wichtig für industrielle Prozesse und fördern Innovationen und Effizienz in verschiedenen Branchen.
Häufig gestellte Fragen zur Flüssigkeitsviskosität
F: Was ist mit Viskosität gemeint?
A: Die Viskosität misst den Widerstand einer Flüssigkeit, wenn sie verformt wird oder frei fließt; sie misst den Grad der inneren Reibung in einem Getränk oder Saft.
F: Wie misst man die Viskosität?
A: Es gibt verschiedene Typen, wie Kapillar-, Rotations- und Vibrationsviskosimeter, die zur Messung der Viskosität mit Geräten verwendet werden, die Viskosimeter genannt werden.
F: Definieren Sie dynamische Viskosität.
A: Dynamische oder absolute Viskosität bezeichnet den Widerstand einer Flüssigkeit gegen das Fließen aufgrund von Scherspannung – η (eta). Sie kann entweder in Pascalsekunden (Pa·s) oder Poise (P) gemessen werden.
F: Was bedeutet kinematisch?
A: Die kinematische Viskosität bezeichnet das Verhältnis zwischen zwei Parametern, der dynamischen Viskosität und der Dichte einer Flüssigkeit. Sie wird mit ν (nu) angegeben und ihre Maßeinheit ist entweder Stokes (St) oder Quadratmeter pro Sekunde (m²/s).
F: Welchen Einfluss hat die Temperatur auf die Viskosität?
A: Im Allgemeinen gilt: Je höher die Temperatur, desto geringer die Viskosität. Das liegt daran, dass die Moleküle in einer Flüssigkeit oder einem Fluid mehr Energie gewinnen und sich dadurch schneller bewegen. Das bedeutet, dass weniger Energie benötigt wird, um intermolekulare Kräfte zu überwinden.
F: In welchen Einheiten wird die Viskosität gemessen?
A: Die SI-Einheit für die dynamische Viskosität ist Pascalsekunde (Pa·s) oder Poise (P), während die kinematische Viskosität in Quadratmetern pro Sekunde (m²/s) oder Stoke (S) angegeben wird.
F: Wie hoch ist die Viskosität von Wasser?
A: Wasser wird mit sinkenden Temperaturen dickflüssiger, sein absoluter Wert liegt jedoch normalerweise bei etwa 0,001 Poise oder 1 Centipoise bei 20 °C.
F: Wie wird die Viskosität durch das Viskositätsgesetz definiert?
A: Das Viskositätsgesetz besagt, dass die Scherspannung, die auf eine Flüssigkeit unter Fließbedingungen ausgeübt wird, direkt proportional zur Scherdehnungsrate in ihr ist. Dies kann mathematisch als τ = μ(du/dy) dargestellt werden, wobei τ die Scherspannung darstellt, μ für dynamische Viskositäten steht und (du/dy) den Geschwindigkeitsgradienten oder die Änderungsrate der Geschwindigkeit in Bezug auf die Entfernung bezeichnet.
F: Können Sie Beispiele für typische Anwendungen zur Messung von Viskositätseigenschaften nennen?
A: In vielen Branchen, wie der Lebensmittelverarbeitung, der Pharmaindustrie, der Erdöl- und der Farbenindustrie, wird die Viskositätsmessung eingesetzt. Sie bestimmt das Fließverhalten von Flüssigkeiten und stellt sicher, dass die Produkte den richtigen Standards entsprechen.
F: Warum ist die Viskosität beim Flüssigkeitsfluss wichtig?
A: Die Viskositätskraft in der Flüssigkeit kann einen entscheidenden Einfluss auf den Flüssigkeitsfluss haben, da sie zu einem gewissen Strömungswiderstand oder sogar zu Reibungskräften innerhalb der Flüssigkeit führen kann. Sie beeinflusst die Effizienz verschiedener Systeme in Bezug auf die Leistung der Flüssigkeit, wie beispielsweise die Durchflussrate.
