Unternehmensberatung Babel, Erfinder denken weiter

 

Sie befinden sich hier: Home : Industriegase Lexikon: Viskosität

Viskosität

Bewegt sich ein fester Körpers durch ein Fluid (Gas oder Flüssigkeit) oder strömt ein Fluid durch einen Kanal, muss eine Kraft aufgebracht werden, um den Reibungswiderstand zu überwinden. Die Viskosität der Fluide ist ein Maß für den geleisteten Widerstand gegen eine Formänderung.

Die Viskosität oder auch Zähigkeit kann wie folgt erklärt werden:
Man Betrachtet zwei parallele Platten mit der Fläche "A" und dem Abstand "Y" zwischen denen sich ein Fluid befindet das an beiden Platten haftet.
Wird eine der beiden Platten mit der Geschwindigkeit "V" bewegt, so bewegt sich die Schicht direkt an der bewegten Platte mit derselben Geschwindigkeit mit, da die Teilchen an der Platte haften.

Dabei gleiten die weiter innen liegenden Schichten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abnehmend in Richtung der ruhenden Platte aneinander vorbei. Die Geschwindigkeit nimmt im einfachsten Fall von der bewegten Platte bis zur ruhenden Platte linear ab. Um überhaupt die Platte in Bewegung zu versetzen ist eine Beschleunigungskraft F erforderlich, die der Widerstandskraft Fw entspricht. Nach Newton ist die Beschleunigungskraft F proportional dem Geschwindigkeitsgefälle dV/dY und proportional der Plattenfläche A.

Hieraus abgeleitet ergibt sich die folgende Gleichung, die bereits einen Proportionalitätsfaktor enthält:

Viskosität

 

Der Proportionalitätsfaktor η gilt als Maß für die absolute Zähigkeit des Fluids.

η ist somit ein Zähigkeitsmaß welches dynamische Viskosität oder in Kurzform Viskosität genannt wird.

Die Viskosität ist eine typische Stoffeigenschaft, die sowohl Flüssigkeiten als auch Gase betrifft.

Da die Viskosität auf der inneren Reibung beruht, beeinflusst die Temperatur des Fluids die Viskosität in erheblichem Maße. Hieraus ergibt sich zwangsläufig, dass die Viskosität immer mit der zugehörigen Temperatur genannt werden muss.

Flüssigkeiten und Gase verhalten sich im Bezug auf die Viskosität mit steigender Temperatur genau umgekehrt. Während bei Flüssigkeiten mit steigender Temperatur die Viskosität abnimmt, steigt sie bei Gasen.

Viskosität

 

Viskosität, Vergleich Gas zu Flüssigkeit

Neben der Temperaturabhängigkeit wir die Viskosität bei Gasen auch durch deren Druck bestimmt. Oberhalb eines Druckes von 20 bar ist die Beeinflussung der Viskosität deutlich. Jedoch ist der Einfluss des Druckes deutlich geringer als der Einfluss der Temperatur. Die Temperaturabhängigkeit der Viskosität lässt sich mit Hilfe der Sutherland-Gleichung beschreiben. Es gilt:

Viskosität, Berechnung

η Pa s Dynamische Viskosität bei der Temperatur
η0 Pa s Referenz-Viskosität bei der Referenz-Temperatur T0
T K Temperatur
T0 K Referenztemperatur
Cs K Sutherlands Konstante

In der unten dargestellten Tabelle finden Sie einige Werte für Sutherland-Konstanten für verschiedene Gase. Die Konstanten gelten aber nur in einem bestimmten Temperaturbereich als hinreichend genau. Der Bereich ist abhängig vom Gas, und der als zulässig erachteten Abweichung gegenüber der tatsächlichen Viskosität.

In der Tabelle finden Sie Werte die der Literatur entstammen und von uns ermittelte Werte. Auch in der Literatur werden teilweise unterschiedliche Werte genannt, je nach den Bereichsgrenzen. Sie finden weiterhin einen Hinweis auf die maximale absolute Abweichung in dem betrachteten Bereich (0°C - 100°C und 0°C bis 300°C).

Letztlich können Sie mit Kenntnis der tatsächlichen Viskositäten z.B. mit Hilfe von Excel VBA recht einfach eigene Konstanten definieren, die Ihren Erwartungen entsprechen. Selbstverständlich kann man so auch für verschiedene Bereiche eigene Konstanten definieren.

Gas η
[Pa* s]
T0
[K]
Cs
[K]
[1] [2]
17,16 273,15 110,4 Nicht überprüft Nicht überprüft
8,3969 273,15 84,4 0,85% 0,85%
8,3969 273,15 80,76 0,62% 0,62%
13,818 273,15 222,2 3,15% 1%
13,818 273,15 262,45 0,3% 0,26%
19,055 273,15 138,9 0,28% 0,28%
19,055 273,15 137,91 0,24% 0,23%
16,637 273,15 106,7 1,53% 0,39%
16,637 273,15 118,01 0,23% 0,23%
18,694 273,15 79,6 1,58% 0,44%
18,694 273,15 85,6 0,82% 0,81%
20,956 273,15 148 0,2% 1,17%
20,956 273,15 157,68 0,24% 0,24%
29,385 273,15 64,1 0,62% 0,51%
29,385 273,15 64,64 0,55% 0,55%
* Werte für die Sutherland-Konstante wurden für den Bereich 0°C-300°C
über Excel VBA ermittelt. Alle anderen Sutherland-Konstanten sind Literaturwerte.

[1] Größte Abweichung im Bereich 0°C bis 300°C

[2] Größte Abweichung im Bereich 0°C bis 100°C

Die Tabelle unterhalb zeigt den Einfluss verschiedener Sutherland-Konstanten bei unterschiedlichen Temperaturbereichen für Sauerstoff und Stickstoff (Druck= 1,01325 bar). Es ist deutlich zu erkennen, dass speziell für einen sehr tiefen Temperaturbereich die aus der Literatur bekannten Sutherland Konstanten nur hinreichend genaue Ergebnisse liefern. Achten Sie beim Gebrauch der Sutherlandgleichung und deren Konstanten also unbedingt auf die Grenzbereiche oder definieren Sie eigene Konstanten. Bei der Definition eigener Konstanten müssen natürlich die Referenzwerte der Viskositäten bekannt sein.

Gas η0
[Pa*s]
T0
[K]
Cs
[K]
Größte Abweichung
-100°C bis 300°C
12,904 173,15 138,9 1,9%
12,904 173,15 137,91 1,78%
12,904 173,15 127,32 0,67%

 

Gas η0 [Pa*s] T0
[K]
Cs
[K]
Größte Abweichung
-170°C bis 0°C
7,9832 103,15 138,9 6,04%
7,9832 103,15 137,91 5,86%
7,9832 103,15 127,32 3,89%
7,9832 173,15 104,53 0,74%

 

Gas η0
[Pa*s]
T0
[K]
Cs
[K]
Größte Abweichung
-100°C bis 300°C
11,438 173,15 106,7 1,15%
11,438 173,15 118,01 1,63%
11,438 173,15 109,03 0,61%

 

Gas η0
[Pa*s]
T0
[K]
Cs
[K]
Größte Abweichung
-170°C bis 0°C
7,1722 103,15 106,7 2,66%
7,1722 103,15 118,01 5,03%
7,1722 103,15 109,03 3,14%
7,1722 103,15 92,74 0,54%

Im Diagramm unterhalb sind die dynamischen Viskositäten für verschiedene Gas bei 1 bar für unterschiedliche Temperaturen dargestellt.

Viskosität für verschiedene Gase

Im anschließenden Diagramm ist exemplarisch für Sauerstoff die Abhängigkeit der Viskosität vom Druck bei unterschiedlichen Temperaturen dargestellt.

Oberhalb von 20 bar sollte die Druckabhängigkeit der Viskosität für Gase berücksichtigt werden.

Für unpolare Gase findet sich in der Literatur eine empirische Methode nach Jossi, Stiel und Thodos.

Viskosität von Sauerstoff bei verschiedenen Drücken und verschiedenen Temperaturen

Neben der dynamischen Viskosität wird in der Strömungstechnik auch häufig mit der kinematischen Viskosität gerechnet. Die kinematische Viskosität ist definiert als das Verhältnis der dynamischen Viskosität/Dichte.

Kinematische Viskosität:

Kinematische Viskosität

In der unten dargestellten Tabelle finden Sie die dynamische- und kinematische Viskosität von Stickstoff bei 1,01325 bar für verschiedene Temperaturen.

Kinematische Viskosität von Stickstoff bei 1,01325 bar
Dichte
in [Kg/m]3
Dynamische
Viskosität 10-6 [Pa*s]
Kinematische
Viskosität
10-7 [m2/s]
2,802 8,4554 30,1752
1,979 11,4390 57,8048
1,532 14,1480 92,3499
1,250 16,6370 133,0534
1,057 18,9470 179,3374
0,915 21,1080 230,7667
0,721 25,0780 347,7067
0,595 28,6840 481,7763
0,441 35,1270 795,8629

Tabellarische Werte für Viskositäten bei unterschiedlichen Drücken für verschiedene Gase finden Sie nachfolgend.

 

Eine Übersicht über Online Tools rund um Gase finden Sie unter Online Tools

 

 

Was ist Gas (Aggregatzustände)
Was sind Industriegase
Definition Normzustand von Gasen

 

Kontakt

 

google + Bild

Links

Impressum / Datenschutz

News

 

 

 

 

Unternehmensberatung Babel - Rocholzallee 17c - 58285 Gevelsberg

Erfinder denken weiter...

Der Spezialist in den Bereichen Technische und Medizinische Gase, Industrie und Health Care
mit dem Focus auf das operative Geschäft