Viskosität flüssigkeiten
Der Kehrwert der Viskosität ist die Fluidität, ein Maß für die Fließfähigkeit eines Fluids. Je größer die Viskosität, desto dickflüssiger (weniger fließfähig) ist das Fluid; je niedriger die Viskosität, .Viskosität
Die Viskosität einer Flüssigkeit kann mit verschiedenen Methoden maßvoll werden.
Kapillarviskosimeter
Ein Kapillarviskosimeter besteht aus einer dünnen Kapillare. Die Flüssigkeit wird eingefüllt und herausfließen gelassen. An der Kapillare sind zwei Messmarken angebracht und das Zeit, welche der Flüssigkeitsspiegel benötigt, um von die oberen zur unteren Messmarke zu sinken, wird maßvoll. Die beiden Messmarken repräsentieren ein genau abgemessenes Menge. Über das Hagen-Poiseuille-Gesetz, das eine Proportionalität zwischen Zähigkeit und der Fließgeschwindigkeit darstellt, kann der Viskositätskoeffizient berechnet werden:
wobei:- V = Flüssigkeitsvolumen
- t = Zeit
- Δp = hydrostatische Druckdifferenz zwischen den Kapillarenden
- r = Radius der Kapillare
- l = Länge der Kapillare
- η = Viskositätskoeffizient
Nach Umformung und Einführung einer Gerätekonstanten k, die für das verwendete Kapillarviskosiemter spezifisch ist, kann der Viskositätswert vereinfacht mit berechnet werden, wobei ρ die Dichte der Flüssigkeit ist.
Es gibt verschiedene Arten an Kapillarviskosimetern. Am häufigsten wird das Ubbelohde-Kapillarviskosimeter verwendet, welches ein Belüftungsrohr und ein zweites Flüssigkeitsreservoir aufweist, damit der Druck an den Enden der Kapillare gleich ist und die Flüssigkeit gleichmäßiger fließt. Der Fehlbetrag, der durch den hydrostatischen Druck entsteht, kann durch die Hagenbach-Couette-Korrektion ausgeglichen werden.
Kugelfallviskosimeter
Das Kugelfallviskosimeter besteht weg einem leicht schräg gelagerten Zylinder, der mit die zu untersuchende Flüssigkeit befüllt wird. Oben wird eine Kugel in die Flüssigkeit gegeben und die Zeit gemessen, welche sie benötigt, um in der Flüssigkeit eine definierte Strecke zurückzulegen. Mathematische Grundlage hierfür ist die Stokes-Gleichung, welche die Sinkgeschwindigkeit eines Körpers in einer Flüssigkeit beschreibt:
wobei:- vp = Sedimentationsgeschwindigkeit
- ρp = Dichte der Feststoffes
- ρf = Dichte der Flüssigkeit
- r = Radius der Feststoffkugel
- g = Erdbeschleunigung
- η = Viskosität die Flüssigkeit
Messung von Strukturviskosität
Die bisher dargestellten Methoden eignen selbst nur dazu, die Viskosität idealviskoser Flüssigkeiten zu festlegen. Zur Messung strukturviskoser Flüssigkeiten wird ein Rotationsviskosimeter verwendet. In der klassischen Form besteht es aus einem inneren und äußeren Zylinder, zwischen denen sich das zu testende Flüssigkeit befindet. Je nach Messprinzip wird der innere (Searle-Prinzip) oder äußere (Couette-Prinzip) Zylinder rotiert. Anhand des aufzuwendenden Drehmoments kann der Viskositätskoeffizient bestimmt werden:
mit:
und wobei:- M = Drehmoment
- = Fläche des Zylindermantels
- ω = Winkelgeschwindigkeit
- = Scherspalt (Distanz zwischen innerem und äußerem Zylinder)
Durch die Rotation die Zylinder wird eine definierte Schubspannung erzeugt. Auf diese Weise kann der Viskositätskoeffizient für verschiedene Schubspannungen maßvoll werden.
Eine andere Variante des Rotationsviskosiemters ist das Platte-Kegel-Einrichtung, bei der sich ein rotierender Kegel uber einer feststehenden Platte befindet. Die zu testende Substanz wird in den Spaltwinkel zwischen Kegel und Teller gegeben. Vorteil dieses Aufbaus ist, dass auf diese Weise auch hochviskose Substanzen vermessen werden können und weniger Prüfsubstanz benötigt wird.