Du schenkst Honig ein. Es gluckert. Dick. Langsam. Wasser prasselt spritzend auf die Spüle. Schnell. Chaotisch.
Der Unterschied liegt nicht nur in der Textur. Es ist Physik. Konkret geht es um die Viskosität.
Die meisten Menschen denken unter Viskosität an „Dicke“. Das ist knapp, aber es verfehlt den Kern. Viskosität ist der Widerstand, den Flüssigkeiten und Gase gegen Strömung und Verformung zeigen. Es ist das Maß dafür, wie stark sich eine Flüssigkeit wehrt, wenn Sie versuchen, sie zu bewegen.
Wie Viskosität auf molekularer Ebene funktioniert
Es kommt auf die innere Reibung an.
Stellen Sie sich die Partikel in einer Flüssigkeit vor. Sie schweben nicht einfach frei. Sie interagieren. Ziehen. Schieben. Die Stärke der Bindungen zwischen Atomen und Molekülen bestimmt, wie leicht diese Flüssigkeitsschichten aneinander vorbeigleiten können.
Wenn diese Bindungen schwach sind, lösen sich die Moleküle ohne große Anstrengung voneinander. Die Flüssigkeit fließt. Sind die Bindungen stark, haften die Moleküle aneinander. Sie widersetzen sich der Trennung. Sie widerstehen einer Verformung.
Je höher die zwischenmolekularen Anziehungskräfte, desto höher die Viskosität.
Es ist ein direkter Kompromiss. Stärkere Anziehung bedeutet mehr Widerstand. Mehr Widerstand bedeutet eine viskosere Flüssigkeit.
Warum das für Gase und Flüssigkeiten wichtig ist
Normalerweise reden wir darüber mit Flüssigkeiten. Öl. Sirup. Milch. Aber auch Gase haben eine Viskosität. Luft hat eine Viskosität. Sie ist nur viel geringer, weil die Moleküle weiter voneinander entfernt sind und seltener interagieren.
Die Viskosität ist eines der Hauptmerkmale von Flüssigkeiten. Sie können eine Flüssigkeit nicht definieren, ohne zu definieren, wie sie dem Fluss widersteht.
Stellen Sie sich das so vor:
- Geringe Viskosität : Die Flüssigkeit fließt leicht. Geringe innere Reibung. Denken Sie an Wasser oder Alkohol.
- Hohe Viskosität : Die Flüssigkeit widersteht dem Fließen. Hohe innere Reibung. Denken Sie an Melasse oder schweres Motoröl.
Der Widerstand hängt ganz davon ab, wie sehr die Moleküle oder Partikel versuchen, zusammenzuhalten, wenn man sie auseinanderdrückt.
Wenn Sie also sehen, wie sich eine Flüssigkeit bewegt, beobachten Sie tatsächlich einen Kampf. Sie beobachten, wie äußere Kräfte versuchen, die innere molekulare Anziehung zu überwinden. Wer gewinnt, bestimmt die Geschwindigkeit.
Wie man die Viskosität tatsächlich misst, ohne zu raten
Man kann es nicht einfach nur anschauen. Nicht wirklich. Sie brauchen Werkzeuge. Konkret ein Viskosimeter oder ein Rheometer. Diese Geräte überwachen nicht nur die Flüssigkeit; Sie messen den Widerstand. Das Ergebnis? Eine Zahl, die durch den griechischen Buchstaben μ (mu) dargestellt wird. Das ist das Symbol für dynamische Viskosität.
Aber wie berechnet man es? Du gehst zurück zu Newton. Sein Viskositätsgesetz gibt Ihnen die Formel:
𝞽 = μ(u/y)
Es sieht einfach aus. Das ist es nicht. Hier erfahren Sie, was die Variablen in der realen Welt tatsächlich bedeuten:
- 𝞽 ist Scherspannung. Betrachten Sie es als den tangentialen Druck, der auf die Oberfläche drückt.
- μ ist die dynamische Viskosität selbst.
- u ist die Geschwindigkeit der Flüssigkeit.
- y ist der Abstand oder die Verformung zwischen Flüssigkeitsschichten.
Im SI-System ist die Einheit die Pascal-Sekunde (Pa·s). Doch Ingenieure und Wissenschaftler sprechen oft andere Sprachen. Die Gleichgewichtigkeit (P) stammt vom CGS-System und beträgt 0,1 Pa·s. Den Centipoise (cP) werden Sie wahrscheinlich häufiger sehen – er beträgt 0,01 Poise oder 10 Pa·s. Dann gibt es noch Gramm pro Zentimeter-Sekunde (g/cm·s), was nur eine andere Art ist, 1 Poise auszudrücken. Newton pro Sekunde pro Quadratmeter (N·s/m²) und Kilogramm pro Meter-Sekunde (kg/m·s) entsprechen jeweils 1 Pa·s. Es ist ein Durcheinander von Einheiten, aber sie alle entsprechen der gleichen physischen Realität.
Warum sich Joghurt anders verhält als Wasser
Viskosität ist kein festes Merkmal. Es kommt auf die Flüssigkeit an. Und die Temperatur.
Nimm Wasser. Erhitze es und es fließt schneller. Die Viskosität sinkt. Die meisten Flüssigkeiten tun dies. Aber Gase? Sie machen das Gegenteil. Erhitzt man ein Gas, erhöht sich seine Viskosität. Warum? Denn bei höheren Temperaturen kollidieren die Teilchen häufiger und es entsteht mehr innere Reibung. Es ist kontraintuitiv, wenn Sie es gewohnt sind, nur an Flüssigkeiten zu denken.
Dann ist da noch die Art der Flüssigkeit. Handelt es sich um eine Newtonsche Flüssigkeit oder eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit?
Wasser und die meisten Gase sind Newtonsche. Rühren Sie sie kräftig oder langsam um, und ihre Viskosität bleibt gleich. Der Innenwiderstand ist unabhängig von der ausgeübten Kraft konstant.
Joghurt, Farbe und Gelatine sind es nicht. Es handelt sich um nicht-newtonsche Flüssigkeiten. Ihre Viskosität verändert sich bei Krafteinwirkung. Der Joghurt liegt dick und ruhig auf einem Löffel. Rühren Sie es um und es fließt plötzlich. Hören Sie auf zu rühren und es wird wieder dicker. Dieses Verhalten erzeugt einen Geschwindigkeitsgradienten über die Flüssigkeitsschichten. Verschiedene Teile der Flüssigkeit bewegen sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit, da die innere Reibung unterschiedlich ist.
Hier spielen molekulare Kräfte eine Rolle. Eine starke intermolekulare Anziehung bedeutet eine höhere Viskosität. Eine schwache Anziehung bedeutet, dass die Flüssigkeit leicht abrutscht. Eine Flüssigkeit mit einer Viskosität von Null ist ein theoretisches Konstrukt, das als ideale Flüssigkeit oder Superflüssigkeit bezeichnet wird. Es existiert in Ihrer Küche nicht, aber es ist physikalisch wichtig.
Dynamische vs. kinematische Viskosität: Was ist der Unterschied?
Sie müssen wissen, von welchem Sie sprechen.
Dynamische Viskosität (oder absolute Viskosität) ist der Innenwiderstand zwischen Molekülen. Es ist das, was die Flüssigkeit zusammenhält, anstatt sich zu verteilen. Wir haben bereits sein Symbol μ und seine Einheit, die Pascalsekunde, behandelt.
Kinematische Viskosität ist unterschiedlich. Es setzt die dynamische Viskosität in Beziehung zur Dichte. Das Symbol ist ν (nu). Die Formel lautet:
ν = μ / ρ
Wobei ρ die Dichte der Flüssigkeit ist.
Da es sich um die Dichte handelt, ändern sich die Einheiten. Im CGS-System ist die Einheit Stoke (St), was Quadratzentimeter pro Sekunde (cm²/s) entspricht. Sie werden oft die Centistoke (cSt) sehen, die 0,01 Stokes beträgt. In SI sind es Quadratmeter pro Sekunde, obwohl das für die meisten gängigen Flüssigkeiten eine große Zahl ist.
Warum sie unterscheiden? Denn die dynamische Viskosität gibt Aufschluss über die Kraft, die erforderlich ist, um die Flüssigkeit zu bewegen. Die kinematische Viskosität sagt Ihnen, wie die Flüssigkeit unter der Schwerkraft fließt. Bei einem geht es um Anstrengung; Beim anderen geht es um die Durchflussrate.
Die Viskosität alltäglicher Substanzen
Wasser bei 20 °C hat eine Viskosität von 1 Centipoise. Das ist niedrig. Es lässt sich leicht gießen. Es ist eine der dünnflüssigsten gängigen Flüssigkeiten.
Vergleichen Sie das mit Öl. Ob Speiseöl aus Samen oder Heizöl aus raffiniertem Erdöl, Öl ist viskos. Heizöl ist besonders dickflüssig. Es widersteht der Strömung, weshalb Motoren Pumpen und Druck benötigen, um es zu bewegen.
Haargel und Shampoo sind ebenfalls hochviskos. Ihre Moleküle widerstehen der Bewegung. Schütteln Sie die Flasche und sie werden dünner. Lassen Sie sie sitzen, und sie könnten sogar solide erscheinen. In der Praxis sind sie nicht-newtonsch und verändern ihre Textur durch Bewegung.
Glycerin ist ein weiteres Beispiel. Es kommt in tierischen und pflanzlichen Fetten vor und wird aufgrund seiner dicken, klebrigen Beschaffenheit in Seifen und Kosmetika verwendet. Es fließt nicht wie Wasser.
Quecksilber ist ein flüssiges Metall. Es ist dicht und hat ein eigenes spezifisches Viskositätsprofil, das in industriellen Prozessen und traditionell in medizinischen Geräten verwendet wird. Aufgrund seiner metallischen Bindung verhält es sich anders als organische Flüssigkeiten.
Sirupe sind aufgrund des Zuckergehalts zähflüssig. Die hohe Konzentration gelöster Feststoffe erzeugt einen Widerstand zwischen den Molekülen. Sie fließen langsam und bewusst.
Um die Viskosität zu verstehen, geht es nicht nur darum, zu wissen, wie dick etwas ist. Es geht darum, vorherzusagen, wie es sich verhält, wenn man es drückt, erhitzt oder stehen lässt.
