Was ist der Unterschied zwischen dynamischer und kinematischer Viskosität?

Die Viskosität ist eine grundlegende Materialeigenschaft bei der Untersuchung von Flüssigkeitsströmungen in jeder Anwendung. Die beiden häufigsten Viskositätsarten sind dynamisch und kinematisch. Der Zusammenhang zwischen diesen beiden Eigenschaften ist sehr einfach.

Die dynamische Viskosität (auch absolute Viskosität genannt) ist ein Maß für den inneren Strömungswiderstand einer Flüssigkeit, während die kinematische Viskosität das Verhältnis der dynamischen Viskosität zur Dichte ist. Basierend auf dem obigen Ausdruck können zwei Flüssigkeiten mit derselben dynamischen Viskosität je nach Dichte eine sehr unterschiedliche kinematische Viskosität aufweisen und umgekehrt. Daher ist es nicht immer einfach, die physikalische Bedeutung der Eigenschaften dieser beiden Materialien zu erfassen.

Einfach ausgedrückt gibt Ihnen die dynamische Viskosität Auskunft über die Kraft, die erforderlich ist, um eine Flüssigkeit mit einer bestimmten Geschwindigkeit fließen zu lassen, während die kinematische Viskosität angibt, wie schnell eine Flüssigkeit fließt, wenn eine bestimmte Kraft ausgeübt wird.

Der innere Widerstand gegen den Flüssigkeitsfluss (dynamische Viskosität) bedeutet, dass bei der Verdrängung der Flüssigkeit Kräfte auftreten. Diese Kraft (F) ist proportional zu:

1) Schergeschwindigkeit (SR)

2) Oberfläche (A)

3) Dynamische Viskosität (η)

F=ηA ×SR

Im obigen Ausdruck (Newtonsches Viskositätsgesetz) wird die dynamische Viskosität als Proportionalitätskonstante zwischen der Spannung F/A und der Verformungsrate oder Scherrate verwendet. Eine andere Möglichkeit, über die kinematische Viskosität nachzudenken, besteht darin, zu erkennen, dass sie einen Diffusionskoeffizienten [cm 2 / s] hat. Aus diesem Grund wird die kinematische Viskosität manchmal als Impulsdiffusionsfähigkeit bezeichnet, analog zur Wärme- und Massendiffusionsfähigkeit. In diesem Sinne ist die dynamische Viskosität eine grundlegendere Eigenschaft, während die kinematische Viskosität eine abgeleitete Eigenschaft ist.

Historisch gesehen war die Methode der Wahl zur Viskositätsmessung die kinematische Viskosität, da sie keine Kraftmessung erfordert. In den meisten „kinematischen“ Viskosimetern wird der Flüssigkeitsfluss durch die Schwerkraft (g) angetrieben. Diese Methoden (Kapillare, Trichter...) messen einfach die Zeit, die eine Flüssigkeit benötigt, um durch eine bestimmte Geometrie zu fließen. Genauere Viskosimeter basieren auf der Messung der Scherspannung bei einer bestimmten Schergeschwindigkeit. Dies ermöglicht eine vollständigere Charakterisierung des Viskositätsfingerabdrucks (dh Viskosität gegenüber Scherrate) komplexer nicht-Newtonscher Flüssigkeiten.

Ein weiterer Unterschied zwischen diesen beiden Eigenschaften ist die Einzigartigkeit ihrer Einheiten. Dynamische Viskositätseinheiten sind MPa-s in SI-Einheiten und äquivalente CP (Zentimeter) in CGS. Andererseits sind die gebräuchlichsten Einheiten der kinematischen Viskosität SI-Einheiten in Zentimetern pro Sekunde und CGS in Centistokes (Zentimeterrohr), es hängt jedoch auch von der Branche oder Anwendung ab, ob sie in mehr als einer willkürlichen Einheit gemessen wird. Dies ist bei Saybolt Universal Seconds (SUS) in der Erdölindustrie der Fall, wo die Zeit, die 60 cm3 Flüssigkeit benötigen, um bei 38 Grad durch ein Kalibrierrohr zu fließen, als Maß für die Viskosität verwendet wird. Ein weiteres Beispiel ist die Verwendung eines „Bechers“, um die Zeit zu messen, die eine bestimmte Probe benötigt, um durch einen Trichter mit einer bestimmten Geometrie zu fließen. Diese Methoden werden häufig als Viskositätsindexmessgeräte verwendet, da sie keine konsistenten Ergebnisse liefern, die zwischen verschiedenen Labors ausgetauscht werden können.

Welches sollten Sie also verwenden? Wenn Sie an Wechselwirkungen zwischen Molekülen interessiert sind, die durch mechanische Spannung erklärt werden können, ist die dynamische Viskosität besser geeignet. Beispielsweise kann die dynamische Viskosität die Auswirkung von Formulierungsänderungen auf molekulare Wechselwirkungen und Viskosität bestimmen. Im Gegensatz dazu ist die kinematische Viskosität aufgrund der Einfachheit des kinematischen Viskosimeters zum Standard in der Erdölindustrie geworden. Aus diesem Grund ist die kinematische Viskosität praktischer, wenn es um Fluidbewegungs- und Geschwindigkeitsfelder geht, da sie Informationen über die durch Reibung verursachte Bewegungsausbreitung enthält.