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 Strömungswiderstand der Flüssigkeit. Flüssigkeiten mit hoher Viskosität weisen einen höheren Fließwiderstand auf und werden durch physikalische Beanspruchung nicht leicht verformt, während Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität „dünn“ sind und leicht fließen. Die Viskosität von Flüssigkeiten kann unter Verwendung eines als Viskosimeter bekannten Instruments ermittelt werden, von dem es viele verschiedene Typen gibt. In Fällen, in denen weniger genaue Messungen akzeptabel sind, kann die Viskosität auch mit einfachen schwerkraftbasierten Geräten gemessen werden.
Eine der gebräuchlichsten Arten von Viskosimetern ist das Kugelfallviskosimeter. Diese Einstellung misst die Viskosität von Flüssigkeiten, indem sie festlegt, wie lange eine kleine Kugel bekannter Dichte und Größe benötigt, um eine bestimmte Strecke durch eine Flüssigkeit zu fallen. Die Kugel wird in eine vertikale Röhre gegeben, die mit der Flüssigkeit gefüllt ist, und kann ihre Endgeschwindigkeit erreichen, wenn sie fällt. Bei Endgeschwindigkeit entspricht die Zugkraft, mit der die Kugel nach oben gezogen wird, der Schwerkraft, mit der sie nach unten gezogen wird. Die Kugel beschleunigt sich nicht mehr und behält ihre konstante Geschwindigkeit bei, wenn sie fällt. Sobald die Endgeschwindigkeit, die Dichte der Flüssigkeit und der Kugel und die Größe der Kugel bekannt sind, kann eine Formel, das Stokes'sche Gesetz, verwendet werden, um die Viskosität der Flüssigkeit zu berechnen.
Ein weiteres relativ einfaches Viskosimeter, das in Laborumgebungen verwendet wird, ist das Ostwald-Viskosimeter, auch als Glaskapillarviskosimeter oder U-Rohr-Viskosimeter bekannt. Diese U-förmige Glasröhrenvorrichtung besteht aus zwei Lampen, eine am unteren Teil des linken Arms der U und die andere am oberen Teil des rechten. Es wird vertikal gehalten, während die Flüssigkeit in den oberen Kolben angesaugt wird und dann an zwei Markierungen auf dem Rohr vorbei zum unteren Kolben zurückfließen kann. Die Viskosität von Flüssigkeiten kann abgeleitet werden, indem der Durchmesser des Glasrohrs, die Zeit, die eine Flüssigkeit benötigt, um an den beiden Markierungen vorbeizufließen, und die Dichte dieser Flüssigkeit berücksichtigt werden.
Laboratorien, die Präzisionsmessungen erfordern, verwenden möglicherweise aufwändigere Viskosimeter mit Elektronik und messen die Viskosität mithilfe eines in die Flüssigkeit eingetauchten Schwingkolbens oder Vibrationsresonators. In anderen Umgebungen wie der Farbenindustrie können einfachere physikalische Prinzipien verwendet werden, um die ungefähre Viskosität von Flüssigkeiten zu bestimmen. Diese Messungen beruhen häufig auf einem Maß, das als kinematische Viskosität bezeichnet wird - dem Widerstand einer Flüssigkeit gegen das Fließen in Gegenwart der Schwerkraft.
Der Zahnbecher und der Ford-Viskositätsbecher sind Beispiele für schwerkraftbasierte Geräte zur Messung der kinematischen Viskosität. Bei diesen Geräten läuft der flüssige Lack (im Fall des Zahnbechers) oder das Motoröl für den Ford-Becher durch ein kleines Loch im Boden eines Bechers in die Höhe. Die Flüssigkeit strömt gleichmäßig bis zu einem bestimmten Punkt aus, an dem sie in Tropfen zerfällt. Abhängig von der Viskosität der Flüssigkeit tritt der Bruch zu unterschiedlichen Zeiten auf. Ein Maß für die kinematische Viskosität kann ermittelt werden, indem diese Zeit in Sekunden mit der Spezifikationsnummer des Bechers multipliziert wird, der für die entsprechende Flüssigkeit kalibriert ist.