Wie wird die Viskosität von Flüssigkeiten ermittelt?

In vielen wissenschaftlichen und industriellen Situationen ist es notwendig, die Viskosität von Flüssigkeiten zu kennen. Die Viskosität ist das Maß für den Fließwiderstand der Flüssigkeit. Flüssigkeiten mit hoher Viskosität haben einen höheren Fließwiderstand und werden durch physikalische Belastung nicht leicht verformt, während Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität „dünn“ sind und leicht fließen. Die Viskosität von Flüssigkeiten kann mit Hilfe eines sogenannten Viskosimeters bestimmt werden, von dem es viele verschiedene Typen gibt. In Fällen, in denen weniger genaue Messungen akzeptabel sind, kann die Viskosität auch mit einfachen Geräten auf Schwerkraftbasis gemessen werden.

Eine der gebräuchlichsten Viskosimetertypen ist das Kugelfallviskosimeter. Dieser Aufbau misst die Viskosität von Flüssigkeiten, indem er die Zeit misst, wie lange eine kleine Kugel bekannter Dichte und Größe braucht, um eine bestimmte Strecke durch eine Flüssigkeit zu fallen. Die Kugel wird in ein mit Flüssigkeit gefülltes vertikales Rohr gelegt und beim Fallen ihre Endgeschwindigkeit erreichen gelassen. Bei Endgeschwindigkeit ist die Widerstandskraft, die die Kugel nach oben zieht, gleich der Schwerkraft, die sie nach unten zieht, und die Kugel hört auf zu beschleunigen und behält beim Fallen eine konstante Geschwindigkeit bei. Sobald die Endgeschwindigkeit, die Dichte der Flüssigkeit und der Kugel sowie die Größe der Kugel bekannt sind, kann eine Formel, das Stokes-Gesetz, verwendet werden, um die Viskosität der Flüssigkeit zu berechnen.

Ein weiteres relativ einfaches Viskosimeter, das im Laborbereich verwendet wird, ist das Ostwald-Viskosimeter, auch bekannt als Glaskapillarviskosimeter oder U-Rohr-Viskosimeter. Dieses U-förmige Glasröhrengerät besteht aus zwei Glühbirnen, eine am unteren Teil des linken U-Arms und die andere am oberen Teil des rechten. Es wird vertikal gehalten, während die Flüssigkeit in den oberen Kolben aufgezogen wird und dann an zwei Markierungen auf dem Rohr vorbei zum unteren Kolben zurückfließen kann. Die Viskosität von Flüssigkeiten lässt sich aus dem Durchmesser des Glasrohrs, der Zeit, die eine Flüssigkeit braucht, um an den beiden Markierungen vorbeizufließen, und der Dichte dieser Flüssigkeit ableiten.

Labore, die Präzisionsmessungen erfordern, können aufwendigere Viskosimeter verwenden, die eine Elektronik enthalten und die Viskosität unter Verwendung eines in die Flüssigkeit eingetauchten Schwingkolbens oder Schwingresonators messen. In anderen Umgebungen, wie der Lackindustrie, können einfachere physikalische Prinzipien verwendet werden, um die ungefähre Viskosität von Flüssigkeiten abzuleiten. Diese Messungen beruhen oft auf einem Maß, das als kinematische Viskosität bekannt ist – der Widerstand einer Flüssigkeit gegen das Fließen in Gegenwart der Schwerkraft.

Der Zahn-Becher und der Ford-Viskositätsbecher sind Beispiele für Geräte auf Schwerkraftbasis, die zum Messen der kinematischen Viskosität verwendet werden. Bei diesen Geräten läuft die Flüssigkeit – Farbe im Fall des Zahn-Bechers oder Motoröl für den Ford-Becher – durch ein kleines Loch im Boden eines Bechers ab, während er in die Höhe gehalten wird. Die Flüssigkeit fließt in einem glatten Strahl aus, bis sie bis zu einem bestimmten Punkt in Tropfen zerfällt. Je nach Viskosität der Flüssigkeit kommt es zu unterschiedlichen Zeitpunkten zum Bruch. Ein Maß für die kinematische Viskosität kann gefunden werden, indem diese Zeit in Sekunden mit der Spezifikationsnummer des Bechers multipliziert wird, die für die entsprechende Flüssigkeit kalibriert ist.