Eigenschaften von Fluiden: Viskosität, Oberflächenspannung, Kapillardruck

Einfluss von Temperatur und Druck auf die Viskosität

Die Viskosität hängt vor allem von Druck und Temperatur ab. Obwohl die Auswirkungen des Drucks im Vergleich zu den Auswirkungen der Temperatur fast vernachlässigbar sind, sind die Temperatureffekte viel stärker ausgeprägt.

Eine Druckerhöhung führt sowohl bei Flüssigkeiten als auch bei Gasen immer zu einer Erhöhung der dynamischen Viskosität.

Eine Temperaturerhöhung führt zu einer Abnahme der dynamischen Viskosität von Flüssigkeiten, während bei Gasen das Gegenteil der Fall ist.

Viskositätsindex von Schmierstoffen (IV)

Der Viskositätsindex (IV) ist eine dimensionslose Zahl, die das Verhalten einer Schmierflüssigkeit bei Temperaturänderungen beschreibt.

Um den IV zu erhalten, werden Viskositätsmessungen bei zwei Temperaturen (typischerweise 40°C und 100°C oder 100°F und 210°F) durchgeführt und mit Referenzölen verglichen.

Die Formel zur Berechnung des IV basiert auf Viskositätswerten bei 100°F:

IV = ((A - B) / (A - C)) * 100

Dabei ist:

• A: Viskosität eines Referenzöls mit IV = 0 bei 100 °F.
• B: Viskosität der Probe bei 100 °F.
• C: Viskosität eines Referenzöls mit IV = 100 bei 100 °F.

Die Werte für A und C werden aus Tabellen entnommen.

Der Begriff der Oberflächenspannung

Wenn sich eine Flüssigkeit ausbreitet, tut sie dies nicht frei, sondern bildet eine Grenzfläche mit einer zweiten Flüssigkeit (flüssig oder gasförmig) oder einer festen Unterlage.

Moleküle, die in die flüssige Masse eingetaucht sind, werden in alle Richtungen gleichmäßig angezogen. Die Moleküle an der freien Oberfläche sind jedoch unausgeglichenen Kräften ausgesetzt, da sie nur von einer Seite angezogen werden.

Dies führt dazu, dass in der Trennphase Schubspannungen auftreten. Diese Grenzfläche verhält sich wie eine elastische Membran.

Der Koeffizient der Oberflächenspannung (σ) wird definiert als:

σ = F / L (Kraft pro Längeneinheit)

oder als Energie pro Fläche:

σ = Energie / Fläche

Die Einheit ist N/m.

Er beschreibt die Kraft pro Längeneinheit, die koplanar zur Grenzfläche wirkt und von dieser aufgenommen werden kann. Er wird auch als die pro Flächeneinheit an der Grenzfläche gespeicherte Energie definiert.

Kapillardruck

Wenn die Grenzfläche gekrümmt ist, besagt die Gleichgewichtsbedingung, dass eine Druckdifferenz (Kapillardruck) zwischen den beiden Seiten bestehen muss. Der höchste Druck liegt auf der konkaven Seite.

Diese Druckdifferenz wird durch die Oberflächenspannung ausgeglichen.

Druckdifferenz bei zylindrischer Grenzfläche

Beispiel: In einer Kapillare mit Kontaktwinkel 0. Die Druckdifferenz (Δp) wird durch die Oberflächenspannung (σ) ausgeglichen.

Δp = 2σ / R

Druckdifferenz bei kugelförmiger Grenzfläche

Beispiel: Ein Tropfen oder eine Blase.

Die Kraft durch den Druckunterschied über die Fläche des Kreises ist Δp * (πR²).

Diese Kraft wird durch die Oberflächenspannung entlang des Umfangs ausgeglichen: σ * (2πR).

Im Gleichgewicht:

Δp * πR² = σ * 2πR

Daraus folgt:

Δp = 2σ / R