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Was Sie schon immer über Viskosität wissen wollten

Sicher haben Sie den Begriff Viskosität schon einmal gehört. Aber können Sie aus dem Stegreif sagen, was sich genau dahinter verbirgt? Und was ist das überhaupt für ein seltsames Wort?

Einfach gesagt ist die Viskosität die Zähflüssigkeit einer Flüssigkeit, d. h. der Widerstand gegen das Fließen. Dieser Widerstand wird durch die innere Reibung innerhalb der Flüssigkeit und durch intermolekulare Kräfte wie die Van-der-Waals-Kräfte verursacht. Eine zähe Flüssigkeit wie Honig hat eine hohe Viskosität. Eine nicht zähe Flüssigkeit wie Wasser hat eine niedrige Viskosität. Man spricht auch von hoch- und niedrigviskosen Flüssigkeiten.

Der Begriff stammt übrigens von der Pflanzengattung Viscum, also der Mistel. Aus ihren Beeren wurde schon in der Antike der sogenannte Vogelleim hergestellt. Dabei handelt es sich um eine zähe, klebrige Flüssigkeit, mit der Ruten für den Vogelfang bestrichen wurden. Frei übersetzt bedeutet viskos also etwa so viel wie „zäh wie Vogelleim“.

Auf den ersten Blick ganz einfach, oder? In Wirklichkeit ist es natürlich etwas komplizierter, denn man unterscheidet zwischen dynamischer und kinematischer Viskosität:

Die dynamische Viskosität, auch Scherviskosität genannt, berechnet sich aus dem Verhältnis von Schubspannung und Geschwindigkeitsgradienten innerhalb des Fluids:

Sie wird in der Einheit Pa·s (Pascalsekunde) gemessen.

Zum Verständnis der Formel stelle man sich folgenden Aufbau vor:

Zwei übereinanderliegende Platten mit der Fläche A sind durch einen Flüssigkeitsfilm getrennt. Der Abstand ist die y-Koordinate.

Eine Kraft F wirkt auf die obere Platte. Bei ausreichender Kraft bewegt sich die obere Platte entsprechend. Die oberen Schichten des Flüssigkeitsfilms bewegen sich etwa mit der Geschwindigkeit der oberen Platte, während die unteren Schichten in ihrer Lage verharren.

Es entsteht ein Geschwindigkeitsprofil mit einem Gradienten heraus. Die Kraft erzeugt eine Scherspannung im Fluid. Je viskoser das Fluid ist, desto größer ist die Kraft und damit die Scherspannung, die erforderlich ist, um die Platte mit derselben Geschwindigkeit zu bewegen.

Die kinematische Viskosität ist das Verhältnis der dynamischen Viskosität zur Dichte eines Fluids

Die Einheit der kinematischen Viskosität ist St (Stokes) oder m²/s (1 St = 10 -4 m²/s = 1 cm²/s).

Warum unterscheidet man diese beiden Begriffen. Die dynamische Viskosität kann im oben genannten Versuchsaufbau ohne nähere Kenntnisse des Mediums gemessen werden. Die kinematische Viskosität ist sozusagen auf die Dichte normiert. Bei gleicher dynamischer Viskosität aber höherer Dichte sinkt der Wert der kinematischen Viskosität.

Da aber bei höherer Dichte die Moleküle der Flüssigkeit näher beieinanderliegen, würde man eine höhere Viskosität erwarten. Dieser Widerspruch löst sich auf, weil die zwischenmolekularen Kräfte kleiner werden. Die kinematische Viskosität ist somit ein Stoffparameter.

Zur Messung der Viskosität stehen verschiedene physikalische Messprinzipien zur Verfügung. Als Beispiel sei das klassische Kugelfallviskosimeter nach Höppler genannt. Die zu messende Flüssigkeit befindet sich in einem Zylinder. In diese wird eine Kugel fallen gelassen. Zwischen der Gewichtskraft und dem Reibungswiderstand zwischen Kugel und Medium stellt sich ein Gleichgewicht ein, sodass die Kugel mit konstanter Geschwindigkeit fällt. Aus der Fallgeschwindigkeit kann nun die Viskosität berechnet werden.

Die folgende Tabelle zeigt einige typische Werte für die dynamische Viskosität:

FlüssigkeitTemperatur in °CViskosität η in mPa·s
Wasser51,52
101,297
201,00
250,891
Blut373 bis 25
Motoröl150≈ 3
25≈ 100
Glyzerin012100
104500
201490

 

Warum ist die Viskosität für die Durchflussmessung interessant?

Je nach Viskosität der Flüssigkeit muss ein geeignetes Messprinzip gewählt werden. Während bei niedriger Viskosität ein Vortex- oder ein Turbinen-Durchflussmesser eingesetzt werden kann, eignen sich für hochviskose Flüssigkeiten eher Zahnrad-Volumensensoren, Ovalrad-Durchflussmesser oder auch magnetisch-induktive Durchflussmesser.

Wussten Sie schon?

Bei SIKA entwickeln wir derzeit ein neues optisches Messprinzip, das völlig unabhängig von der Viskosität arbeitet. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, nehmen Sie bitte Kontakt mit mir auf.

Erik Heß

Produktmanager

Tel.: +49 5605 803-805
E-Mail: hess(at)sika.net