Viskosität

Die Viskosität misst den Widerstand eines Fluids gegen das Fließen. Hohe Viskosität bedeutet dick und langsam (Honig, Melasse); niedrige Viskosität bedeutet dünn und fließend (Wasser, Alkohol). Das Alltagswort „dickflüssig“ vermengt mehrere Eigenschaften; die Viskosität isoliert speziell den Widerstand gegen Scherung. Zwei Farbdosen mit identischer Dichte und Pigmentierung können je nach Bindemittelsystem radikal unterschiedliche Viskositäten haben.

Einheiten

• Pascalsekunde (Pa·s) — die SI-Einheit. Wasser bei 20 °C beträgt 0,001 Pa·s.
• Poise (P) oder Centipoise (cP) — cgs-Einheit. 1 cP = 1 mPa·s. Wasser bei 20 °C beträgt 1 cP, was es zum natürlichen Referenzwert macht. Industrielle Viskosität wird fast immer in cP angegeben.
• Saybolt Universal Seconds (SUS) — empirische Industrieeinheit, verbreitet in Öl- und Schmiermittelspezifikationen. Eine Ablaufzeit, keine fundamentale Eigenschaft; die Umrechnung in cP ist näherungsweise und hängt von der Dichte ab.

Referenzviskositäten (cP, bei 20 °C sofern nicht anders angegeben)

• Luft: 0,018
• Wasser: 1,0 (per Konvention)
• Milch: 3
• Olivenöl: 84
• Motoröl (10W-30, kalt): 100–200
• Ahornsirup: 200
• Glycerin: 1.400
• Honig: 10.000
• Ketchup: 50.000–100.000 (scherverdünnend — die Viskosität sinkt beim Schütteln)
• Melasse: 100.000
• Erdnussbutter: ~250.000
• Pech: 230 Milliarden (berühmt für sein Tropfen im Pitch-Drop-Experiment, gestartet 1927; bislang sind nur ~9 Tropfen gefallen)

Temperaturabhängigkeit

Bei Flüssigkeiten sinkt die Viskosität stark mit der Temperatur — Honig direkt aus dem Kühlschrank ist unbrauchbar dick; erwärmter Honig fließt wie Sirup. Deshalb haben Motoröle „Mehrbereichs“-Klassen (5W-30, 10W-40 usw.): die W-Zahl (Winter) bezieht sich auf die Kalttemperaturviskosität, die zweite Zahl auf die Heißtemperatur. Ein 5W-30 bleibt beim Kaltstart fließfähig (niedrige Kalt-W-Zahl = niedrigere Kaltviskosität) und behält bei Betriebstemperatur eine schützende Filmdicke (30 = passende Heißviskosität).

Die Gasviskosität steigt kontraintuitiv mit der Temperatur — entgegengesetzt zu Flüssigkeiten. Der Mechanismus ist ein anderer: in einer Flüssigkeit kommt die Viskosität von zwischenmolekularen Kräften, die schwächer werden, wenn sich die Moleküle schneller bewegen; in einem Gas kommt sie vom Impulsübertrag zwischen Schichten, der mit der Molekülgeschwindigkeit zunimmt.

Newtonsche vs. nicht-newtonsche Fluide

Die meisten einfachen Flüssigkeiten (Wasser, Öl, Honig) sind newtonsch: die Viskosität ist konstant, egal wie schnell man rührt. Viele reale Fluide sind es nicht. Ketchup ist scherverdünnend: die Viskosität sinkt unter Scherung (weshalb das Schütteln der Flasche hilft). Stärkesuspension („Oobleck“) ist scherverdickend: schlägt man darauf, wirkt sie fest, setzt man sich darauf, sinkt man ein. Blut, Farbe, Magma und die meisten industriellen Suspensionen sind in gewissem Maße nicht-newtonsch.

Durchgerechnetes Beispiel

Berechnen Sie den Druckabfall über eine 10 Meter lange horizontale Rohrleitung, die ein viskoses Fluid führt. Nutzen Sie die Hagen-Poiseuille-Gleichung für laminare Strömung: ΔP = (8 · μ · L · Q) / (π · r⁴), wobei μ die dynamische Viskosität, L = Rohrlänge, Q = Volumenstrom, r = Rohrradius ist. Für Wasser (μ = 0,001 Pa·s), 1 cm Radius, 10 m Länge, bei 1 l/min (1,67×10⁻⁵ m³/s): ΔP = (8 × 0,001 × 10 × 1,67e−5) / (π × (0,01)⁴) ≈ 42,5 Pa — vernachlässigbar. Wechseln Sie zu Motoröl mit 0,2 Pa·s (200× viskoser) beim selben Durchfluss, wird der Druckabfall zu 8.500 Pa und erfordert eine Pumpe, die Wasser nicht brauchte. Wechseln Sie zu Honig mit 10 Pa·s, brauchen Sie 425 kPa (4,2 bar) — woraufhin man das System um ein breiteres Rohr herum neu auslegt, denn die Abhängigkeit vierter Potenz vom Radius bedeutet, dass eine Verdopplung von r ΔP um das 16-Fache senkt.

Wann und warum es zählt

Die Viskosität bestimmt die Anlagendimensionierung in der chemischen Verfahrenstechnik, die Einspritzdüsenkalibrierung in Motoren, die Ölqualitätswahl in kalten Klimazonen (ein 5W-30 bleibt bei −30 °C fließfähig; ein 20W-50 wird zu Melasse und schert die Ölpumpe beim Start), die Druckbarkeit von Tinten und 3D-Drucker-Filamenten, die Streichbarkeit von Beschichtungen (zu niedrig = Tropfen, zu hoch = Pinselstriche) und sogar das „Mundgefühl“-Engineering von Getränken (der Unterschied zwischen Vollmilch und Magermilch auf der Zunge ist großteils Viskosität, nicht Geschmack). Medizinisch: die Blutviskosität wird in der Hämatologie überwacht, weil hochviskoses Blut (Polyzythämie, Hyperviskositätssyndrome) das Schlaganfallrisiko über eine verminderte Mikrozirkulation erhöht. Quelle: ISO 3104 — Petroleum products: Determination of kinematic viscosity.