Was sind newtonsche und nicht-newtonsche Fluide?

Haben Sie sich schon einmal über die verschiedenen Flüssigkeitsarten gewundert?

Flüssigkeiten sind Substanzen, die unter Druck fließen und sich verformen können. Es gibt zwei Hauptkategorien: newtonsche und nicht-newtonsche.

Newtonsche Flüssigkeiten haben eine konstante Viskosität, während nicht-Newtonsche Flüssigkeiten ihre Viskosität unter Belastung verändern.

Was ist Newtonsche Flüssigkeit?

Eine Newtonsche Flüssigkeit ist eine Flüssigkeit, bei der eine lineare Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit besteht. Diese Beziehung bleibt unabhängig von der angewandten Kraft konstant.

Newtonsche Flüssigkeiten unterliegen dem Newtonschen Viskositätsgesetz, das besagt, dass die Scherspannung direkt proportional zur Scherdehnungsrate ist. Dieses Verhalten ist durch einen konstanten Viskositätskoeffizienten gekennzeichnet.

Wichtige Eigenschaften der Newtonschen Flüssigkeit

Konstante Viskosität

Die Viskosität einer newtonschen Flüssigkeit bleibt bei unterschiedlichen Schergeschwindigkeiten konstant. Diese Eigenschaft unterscheidet newtonsche Flüssigkeiten von ihren nicht-newtonschen Gegenstücken.

Unabhängig von der ausgeübten Kraft bleibt der Strömungswiderstand der Flüssigkeit unverändert. Diese Eigenschaft macht newtonsche Flüssigkeiten vorhersehbar und mathematisch leichter modellierbar.

Lineare Beziehung

Newtonsche Flüssigkeiten weisen eine lineare Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit auf. Diese Beziehung wird durch eine gerade Linie in einem Diagramm dargestellt, in dem die Scherspannung als Funktion der Schergeschwindigkeit aufgetragen ist.

Die Steigung dieser Linie stellt die Viskosität der Flüssigkeit dar. Bei newtonschen Flüssigkeiten bleibt diese Steigung über einen weiten Bereich von Schergeschwindigkeiten konstant.

Beispiele für Newtonsche Flüssigkeiten

• Wasser: Wasser ist das häufigste Beispiel einer Newtonschen Flüssigkeit. Seine Viskosität bleibt unter Normalbedingungen konstant, was es ideal für verschiedene Anwendungen in der Strömungsmechanik macht.
• Luft: Luft verhält sich wie die meisten Gase unter normalen Bedingungen wie eine newtonsche Flüssigkeit. Ihre Viskosität ist unabhängig von der Schergeschwindigkeit, was konsistente Strömungseigenschaften in atmosphärischen Prozessen und aerodynamischen Anwendungen ermöglicht.
• Honig: Trotz seiner hohen Viskosität weist Honig ein newtonsches Verhalten auf. Seine Fließeigenschaften bleiben unabhängig von der angewandten Kraft konstant, was ihn zu einem einzigartigen Beispiel einer viskosen newtonschen Flüssigkeit macht.

Was sind nicht-newtonsche Fluide?

Nicht-Newtonsche Fluide sind komplexe Fluide, die nicht dem Newtonschen Viskositätsgesetz unterliegen. Ihre Viskosität ändert sich mit der angewandten Schergeschwindigkeit oder Spannung.

Im Gegensatz zu newtonschen Flüssigkeiten, die eine konstante Viskosität beibehalten, weisen nicht-newtonsche Flüssigkeiten unter verschiedenen Strömungsbedingungen eine variable Viskosität auf. Dieses Verhalten ist auf ihre komplexen Molekülstrukturen oder Schwebeteilchen zurückzuführen.

Arten nicht-newtonscher Flüssigkeiten

Zeitunabhängige Fluide

Bei diesen Flüssigkeiten zeigt sich mit zunehmender Schergeschwindigkeit eine sofortige Viskositätsänderung, unabhängig von der Dauer der Scherbelastung.

• Strukturviskose (strukturviskose) Flüssigkeiten: Bei scherverdünnenden Flüssigkeiten nimmt die Viskosität mit zunehmender Schergeschwindigkeit ab. Typische Beispiele sind Ketchup, Farbe und Blut.
• Scherverdickende (dilatante) Fluide: Scherverdickende Flüssigkeiten weisen mit zunehmender Schergeschwindigkeit eine Zunahme der Viskosität auf. Maisstärke-Wasser-Mischungen und einige Polymerlösungen zeigen dieses Verhalten.
• Fließspannungsflüssigkeiten: Diese Flüssigkeiten benötigen eine Mindestspannung (Fließgrenze), damit sie zu fließen beginnen. Zahnpasta und Zementschlämme sind Beispiele für Flüssigkeiten mit Fließgrenze.

Zeitabhängige Flüssigkeiten

Die Viskosität dieser Flüssigkeiten ändert sich mit der Schergeschwindigkeit und der Dauer der Scherwirkung.

• Thixotrope Flüssigkeiten:
  Thixotrope Flüssigkeiten verlieren mit der Zeit an Viskosität, wenn sie konstanter Scherkraft ausgesetzt sind. Viele Gele und Suspensionen zeigen thixotropes Verhalten.
• Rheopektische Flüssigkeiten: Rheopektische Flüssigkeiten erfahren unter konstanter Scherung mit der Zeit eine Viskositätszunahme. Dieses Verhalten ist weniger verbreitet, kann aber bei einigen Schmiermitteln beobachtet werden.

Viskoelastische Flüssigkeiten

Viskoelastische Flüssigkeiten weisen sowohl viskose als auch elastische Eigenschaften auf. Bei Spannungsabbau zeigen sie eine teilweise elastische Rückbildung.

Polymerlösungen und einige biologische Flüssigkeiten wie Synovialflüssigkeit zeigen viskoelastisches Verhalten.

Beispiele für nicht-newtonsche Fluide

• Biologische Flüssigkeiten: Blut ist ein Paradebeispiel für eine nicht-newtonsche Flüssigkeit im menschlichen Körper. Seine Viskosität nimmt mit zunehmender Schergeschwindigkeit ab, was den Fluss durch Blutgefäße erleichtert.
• Polymere und Polymerlösungen: Viele Polymerlösungen weisen ein nicht-Newtonsches Verhalten auf. Ihre komplexen Molekülstrukturen führen zu scherabhängigen Viskositäten.
• Aussetzungen: Partikelsuspensionen weisen häufig nicht-Newtonsche Eigenschaften auf. Die Wechselwirkung zwischen Partikeln und dem Suspensionsmedium führt zu komplexen Fließverhalten.
• Lebensmittel: Verschiedene Lebensmittel wie Mayonnaise, Joghurt und Honig weisen nicht-Newtonsche Eigenschaften auf.
• Industrielle Flüssigkeiten: Bohrschlämme, Schmiermittel und Farben sind Beispiele für nicht-newtonsche Flüssigkeiten, die in der Industrie weit verbreitet sind.

Wichtige Unterschiede zwischen newtonschen und nicht-newtonschen Flüssigkeiten

Viskositätsreaktion auf angewandte Spannung

Newtonsche Flüssigkeiten behalten ihre Viskosität unabhängig von der angewandten Spannung konstant bei. Nicht-Newtonsche Flüssigkeiten weisen je nach Schergeschwindigkeit eine variable Viskosität auf.

Strömungsverhalten und Muster

Bei newtonschen Flüssigkeiten besteht eine lineare Beziehung zwischen Scherspannung und Schergeschwindigkeit. Bei nicht-newtonschen Flüssigkeiten ist das Verhalten nichtlinear.

Einige nicht-Newtonsche Flüssigkeiten weisen scherverdünnende oder scherverdickende Eigenschaften auf. Dies beeinflusst ihre Fließeigenschaften unter verschiedenen Bedingungen.

Herausforderungen im Umgang mit nicht-newtonschen Fluiden

Die Verarbeitung nicht-newtonscher Flüssigkeiten erfordert spezielle Geräte und Techniken. Ihre variable Viskosität erschwert die Durchflussvorhersage und die Pumpeneffizienz.

Grundlagen der Strömungsmechanik

Scherspannung

Scherspannung ist eine Kraft, die parallel zur Oberfläche eines Materials ausgeübt wird. In der Strömungsmechanik tritt sie auf, wenn sich benachbarte Flüssigkeitsschichten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit bewegen. Dadurch entsteht ein reibungsähnlicher Effekt zwischen den Schichten.

Die Stärke der Scherspannung hängt von den Eigenschaften der Flüssigkeit und dem Geschwindigkeitsgradienten ab. Sie spielt eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung des Flüssigkeitsverhaltens, insbesondere bei nicht-newtonschen Flüssigkeiten.

Schergeschwindigkeit

Die Schergeschwindigkeit misst, wie schnell sich benachbarte Flüssigkeitsschichten aneinander vorbei bewegen. Sie stellt die Geschwindigkeitsänderungsrate senkrecht zur Scherrichtung dar.

Bei einer Rohrströmung variiert die Schergeschwindigkeit über den Rohrdurchmesser. Sie ist an den Rohrwänden am höchsten und in der Mitte am niedrigsten. Diese Schwankung beeinflusst die Fließeigenschaften der Flüssigkeit.

Viskosität

Die Viskosität quantifiziert den Fließwiderstand einer Flüssigkeit. Sie beschreibt die innere Reibung einer sich bewegenden Flüssigkeit. Flüssigkeiten mit höherer Viskosität, wie Honig, fließen langsamer als Flüssigkeiten mit niedrigerer Viskosität, wie Wasser.

Viskosität kann als dynamisch oder kinematisch kategorisiert werden. Dynamische Viskosität setzt Scherspannung und Schergeschwindigkeit in Beziehung. Kinematische Viskosität ist das Verhältnis von dynamischer Viskosität zur Flüssigkeitsdichte.

Abschließend

Newtonsche und nicht-newtonsche Fluide unterscheiden sich in ihrem Verhalten unter Belastung. Das Verständnis dieser Eigenschaften ist in verschiedenen Branchen und im Alltag von entscheidender Bedeutung.

Erkunden Sie die Materie weiter, um herauszufinden, wie diese Flüssigkeiten Ihre Umgebung beeinflussen. Teilen Sie Ihr neu gewonnenes Wissen mit anderen, um die Neugier auf die Strömungsdynamik zu wecken.