Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 26.10.15


Rheologie

Vortrag von Anna-Lena Fechter im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - PC", WS 14/15


Gliederung:


Einleitung: Jeder weiß genau, dass Wasser flüssig und Eis fest ist. Betrachtet man Honig weist dieser auch den Aggregatszustand flüssig auf. Zieht man aber aus dem Honigbehälter den Löffel schnell heraus, wird der ganze Behälter hoch gehoben, da der Honig sich scheinbar "verfestigt". Warum Honig, obwohl er flüssig ist, ein ganz anderes Verhalten als Wasser zeigt, kann mit Hilfe der Rheologie erklärt werden.

1 Vergleich von Honig und Wasser

  • Viskosität: Maß für die Zähflüssigkeit eines Fluids.
  • Fließverhalten: Das Verhalten von Flüssigkeiten bei Bewegung.
  • Scherung: Verformung eines Körpers oder einer Flüssigkeit bei Krafteinwirkung.
Experiment Krafteinwirken auf Honig und Wasser durch Herausziehen eines Löffels, verschiedenes Viskositätsverhalten
Material
  • 2 Plastikschnapsgläser
  • Teelöffel
Chemikalien
  • Honig
  • Wasser
Durchführung Der Löffel wird schnell aus einem Schnapsglas mit Wasser gezogen und anschließend aus einem Schnapsglas mit Honig.
Beobachtung Das Glas mit Honig hebt sich an, das Wasserglas bleibt stehen.
Interpretation
  • Honig wird viskoser bei Krafteinwirkung
  • Wasser behält sein Fließverhalten bei
  • Begründung: Honig besteht aus großen Saccharid-Molekülen, welche bei Scherung wechselwirken
  • erzeugen größere Reibung als kleine Wassermoleküle.

2 Messen der Viskosität


Abb. 1: Versuchsaufbau Zwei-Platten-Modell

Experiment Modellhafte Darstellung des Zwei-Platten-Modells.
Material
  • zwei Glasplatten ca. 70*70mm (eine ca. 5mm größer)
  • Nagel ca. 8*200mm
  • Muffe
  • Stativ
  • Sekundenkleber
Chemikalien
  • Honig
  • Wasser
Durchführung Modellhaft wird eine Glasplatte der Fläche A über eine ruhende Platte, ebenfalls mit Fläche A, mit einer Kraft F bewegt. Zwischen den Platten befindet sich die zu messende Flüssigkeit.
Beobachtung Bei Krafteinwirken bewegt sich die Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit v, wobei der Plattenabstand h kleiner wird.
Interpretation
  • auf Grund von Schichtreibung führt dies durch die Krafteinwirkung zu einer bestimmten Geschwindigkeit
  • die einzelnen „Schichten“ der Flüssigkeit werden nacheinander bewegt, der Plattenabstand ändert sich.

Aus dem Experiment lassen sich die Formeln für Schubspannung, Scherrate und Viskosität herleiten.


Abb. 2: Formeltabelle


3 Fließkurve und Viskositätskurve

Trägt man Scherrate gegen Schubspannung auf, ergibt sich die sogenannte Fließkurve. Je nach verschiedenem Fließverhalten ändert sich das Aussehen der Kurve. Für Newtonsche Fluide, welche die dynamische Viskositätsgleichung nach Newton erfüllen, ergibt sich ein linearer Zusammenhang. Dilatante (scherverdickende) und pseudoplastische (scherverdünnende) Substanzen werden in exponentiell-ähnlichen steigenden bzw. fallenden Kurven dargestellt. Viskösitätskurven zeigen den Zusammenhang zwischen Scherrate und Viskosität. Aus diesen Kurven lässt sich leichter der Zusammenhang zwischen Krafteinwirkung und Viskosität erkennen und somit das dilatante Verhalten von Honig bei Krafteinwirkung erklären.


Abb. 3: Fließkurven


Abb. 4:
Viskositätskurven


Zusammenfassung. Rheologie befasst sich mit dem Deformationsverhalten von Flüssigkeiten, Festkörpern und Gasen. Bei Flüssigkeiten ist die maßgebende Größe die Viskosität. Diese erhält man aus Scherrate und Schubspannung. Man unterscheidet zwischen Newtonschen und Nicht-Newtonschen Fluiden. Nicht-Newtonsche Fluide sind abhängig von der Scherrate. Zwei Beispiele sind dilatante und pseudoplastische Flüssigkeiten. Um verschiedenes Verhalten von Flüssigkeiten graphisch darzustellen, werden Fließkurven und Viskositätskurven benutzt. Der Viskositätskurve kann man den direkten Zusammenhang von Scherrate und Viskosität entnehmen.

Abschluss. Es handelt sich bei Wasser um ein Newtonsches-Fluid. Honig hingegen zeigt dilatantes Verhalten und kann somit den Nicht-Newtonschen Fluiden zugeordnet werden. Der Honig wird deshalb bei Krafteinwirkung (Herausziehen des Löffels) dickflüssig. Stärkelösung zeigt ebenfalls dilatantes Verhalten, allerdings in einem höheren Ausmaß. Bei Klopfen auf die Stärkelösung, wird diese so fest, dass keine Tropfen aus der Petrischale herausspritzen und das Glas bei Herausziehen des Löffels in die Luft gehoben wird.

Experiment Stärkelösung und Wasser im Vergleich
Material
  • zwei Petrischalen d=100mm
  • Becherglas 50mL
  • 2 Löffelspatel
Chemikalien
  • Stärkelösung w=80%
  • Wasser
Vorbereitung 100mL der Stärkelösung herstellen.
Durchführung
  • ca. 30mL der Stärkelösung in Petrischale 1 geben
  • ca. 30mL Wasser in Petrischale 2 geben
  • Mit Löffelspatel auf Stärke und auf Wasser klopfen 
Beobachtung
  • Wasser spritzt bei Krafteinwirkung
  • Stärkelösung spritz nicht
Interpretation Stärkelösung zeigt dilatantes Verhalten und wird bei Krafteinwirken fest.

Literatur:

  1. Mezger, T.: Das Rheologie Handbuch, Vincentz Verlag, Hannover, 2000.
  2. Goodwin, J.W.; Hughes, R.W.: Rheology for Chemists , RSC Publishing, Cambridge, 2008.
  3. Persönliche Mitteilung: Präsentation S. Conrad, Th. Lachner, Nicht-Newtonsche Fluide, Universität Bayreuth, 2014.
  4. http://www.huckauf.de/ruehrtechnik/anwendungen_begriffe.html, 19.3.2015
  5. http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/9 /mac/reaktionstechnik/viskositaet/viskositaet.vlu.html, 19.3.2015
  6. http://de.wikipedia.org/wiki/Rheologie, 19.3.2015

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 26.10.15