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Temperaturabhängigkeit der Viskosität

1850

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Für eine Newtonsche Flüssigkeit, Viskosität ist eine Funktion der Temperatur und Druck aber nicht die Scherrate. In Flüssigkeiten nimmt die Viskosität mit steigender Temperatur deutlich ab, da die Moleküle aufgrund der höheren Wärmeenergie die zwischenmolekularen Kohäsionskräfte leichter überwinden können. In Gasen hingegen nimmt die Viskosität mit der Temperatur zu, da häufigere Molekülzusammenstöße bei höheren Geschwindigkeiten zu einer größeren Impulsübertragung führen.

Die Beziehung zwischen Viskosität und Temperatur ist bei Flüssigkeiten und Gasen grundlegend verschieden, was auf die unterschiedlichen molekularen Mechanismen der Impulsübertragung zurückzuführen ist. In Flüssigkeiten sind die Moleküle dicht gepackt und werden durch starke intermolekulare Kohäsionskräfte zusammengehalten. Viskose Kräfte entstehen durch den Widerstand dieser Moleküle, aneinander vorbeizugleiten. Mit steigender Temperatur nimmt die kinetische Energie der Moleküle zu, so dass sie diese Kohäsionskräfte leichter überwinden können. Dies führt zu einer Verringerung des Fließwiderstands der Flüssigkeit und damit zu einer geringeren Viskosität. Dieser Effekt ist sehr ausgeprägt; so nimmt beispielsweise die Viskosität von Wasser zwischen 0°C und 100°C um einen Faktor von etwa 6 ab.

In Gasen sind die Moleküle weit voneinander entfernt und interagieren hauptsächlich durch Kollisionen. Die Viskosität eines Gases ist ein Maß für den Impulstransport zwischen Schichten, die sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen. Dieser Impuls wird durch Moleküle übertragen, die sich zwischen den Schichten bewegen und kollidieren. Mit steigender Temperatur erhöht sich die zufällige thermische Geschwindigkeit der Gasmoleküle. Dies führt zu häufigeren und energiereicheren Kollisionen, was zu einer effektiveren Impulsübertragung zwischen den Schichten und folglich zu einer Erhöhung der Viskosität führt. Dieses Verhalten war einer der frühen Erfolge der kinetischen Gastheorie, da es sich um eine kontraintuitive Vorhersage handelte, die später durch Experimente bestätigt wurde.

Chemische Gasphasenabscheidung (CVD), Umweltauswirkungen, Strömungsmechanik, Geothermische Energie, Prozessoptimierung, Rheologie, Thermische Alterung

UNESCO Nomenclature: 2212

- Thermodynamik

Typ

Physikalische Eigenschaft

Störung

Wesentliche

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

Entwicklung des Thermometers
Rudolf Clausius' und James Clerk Maxwells Arbeiten zur kinetischen Theorie der Gase
Studien zu intermolekularen Kräften von Johannes Diderik van der Waals
Frühe Experimente zur Flüssigkeitsströmung von Poiseuille und Hagen

Anwendungen

Motorölformulierung (Mehrbereichsöle)
industrielle Wärmetauscher
Glasherstellung und -formung
Lebensmittelverarbeitung (z. B. Kontrolle des Schokoladen- oder Honigflusses)
Geothermiegewinnung

Patente:

Potenzielle Innovationsideen

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Verwandte Themen: Viskosität, Temperaturabhängigkeit, Flüssigkeiten, Gase, kinetische Theorie, zwischenmolekulare Kräfte, Impulsübertragung, Flüssigkeitseigenschaften.

Historischer Kontext

Sonnenkollektoranlage zur Demonstration des photovoltaischen Effekts in der Festkörperphysik.

Der Photovoltaik-Effekt

Der Photovoltaikeffekt ist die Erzeugung von Spannung und elektrischem Strom in einem Material bei Lichteinwirkung. Es handelt sich um ein physikalisches und chemisches Phänomen. Eine häufige Anwendung ist die Solarzelle, die diesen Effekt nutzt, um Sonnenlicht direkt in Strom umzuwandeln. Der Effekt beruht darauf, dass Lichtphotonen Elektronen in einen höheren Energiezustand versetzen.

Labor aus dem 19. Jahrhundert mit thermodynamischen Instrumenten und den Mayerschen Beziehungsgleichungen.

Mayersche Relation (Thermodynamik)

Die Mayersche Beziehung verbindet die spezifischen Wärmen eines perfekten Gases mit der spezifischen Gaskonstante ([latex]R_s[/latex]). Die Beziehung lautet [latex]c_p - c_v = R_s[/latex]. Für molare spezifische Wärmewerte ([latex]C_p[/latex] und [latex]C_v[/latex]) lautet die Beziehung [latex]C_p - C_v = R[/latex], wobei [latex]R[/latex] die universelle Gaskonstante ist. Dies zeigt, dass [latex]c_p[/latex] immer größer ist als [latex]c_v[/latex].

Energieerhaltung

Ein Grundprinzip, das besagt, dass die Gesamtenergie eines isolierten Systems über die Zeit konstant bleibt. Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden, sondern nur von einer Form in eine andere umgewandelt werden, z. B. von potenzieller in kinetische Energie. In der klassischen Mechanik bleibt für Systeme mit ausschließlich konservativen Kräften die gesamte mechanische Energie [latex]E = T + V[/latex] erhalten.

Temperaturabhängigkeit der Viskosität

Laborexperiment zur Veranschaulichung des Ersten Hauptsatzes der Thermodynamik mit einem Wärmekraftmaschinenaufbau.

Erster Hauptsatz der Thermodynamik

Das erste Gesetz ist eine Aussage über die Erhaltung der Energie. Es besagt, dass die Änderung der inneren Energie eines geschlossenen Systems ([latex]\Delta U[/latex]) gleich der dem System zugeführten Wärme ([latex]Q[/latex]) abzüglich der vom System in seiner Umgebung verrichteten Arbeit ([latex]W[/latex]) ist. Die maßgebliche Gleichung lautet [latex]\Delta U = Q - W[/latex]. Dieses Gesetz stellt eine Verbindung zwischen Wärme, Arbeit und innerer Energie her und weist Wärme als eine Form der Energieübertragung aus.

Chemiker bei Experimenten mit Katalysatoren in einem historischen Labor, 1850.

Katalysator im chemischen Gleichgewicht

Ein Katalysator erhöht die Geschwindigkeit sowohl der Hin- als auch der Rückreaktion gleichermaßen, indem er einen alternativen Reaktionsweg mit geringerer Aktivierungsenergie bereitstellt. Ein Katalysator ermöglicht es einem System zwar, das Gleichgewicht deutlich schneller zu erreichen, verändert jedoch nicht die Lage des Gleichgewichts selbst. Die Gleichgewichtskonzentrationen der Reaktanten und Produkte sowie der Wert der Gleichgewichtskonstante K bleiben unverändert.

Chemiker aus dem 19. Jahrhundert, der das Gasvolumen misst, um das ideale Gasgesetz in der Thermodynamik zu veranschaulichen.

Ideales Gasgesetz (Molarform)

Das ideale Gasgesetz ist die Zustandsgleichung für ein hypothetisches ideales Gas, die das Verhalten vieler Gase unter verschiedenen Bedingungen annähernd beschreibt. Die molare Form setzt Druck ([latex]P[/latex]), Volumen ([latex]V[/latex]), Stoffmenge in Molen ([latex]n[/latex]) und absolute Temperatur ([latex]T[/latex]) über die universelle Gaskonstante ([latex]R[/latex]) in Beziehung: [latex]PV = nRT[/latex].

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Brennstoffzelle

Eine Brennstoffzelle ist ein elektrochemisches Gerät, das die chemische Energie eines Brennstoffs, typischerweise Wasserstoff, und eines Oxidationsmittels, oft Sauerstoff, direkt in elektrische Energie umwandelt. Im Gegensatz zu einer Batterie benötigt sie zum Betrieb eine kontinuierliche externe Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel. Die Kernkomponenten sind eine Anode, eine Kathode und ein Elektrolyt, der diese trennt und den Ionentransport ermöglicht.

Demonstration der Joule-Erwärmung in einem historischen Labor mit elektrischen Geräten.

Joule-Wärme und elektrische Energie

Die Joule'sche Erwärmung oder ohmsche Erwärmung ist ein Phänomen, bei dem durch einen elektrischen Strom, der durch einen Leiter fließt, Wärme erzeugt wird. Die Geschwindigkeit der Wärmeerzeugung bzw. die Verlustleistung ([latex]P[/latex]) wird durch das erste Joule'sche Gesetz [latex]P = VI[/latex] bestimmt. Kombiniert man dies mit dem ohmschen Gesetz, kann die Leistung als [latex]P = I^2 R[/latex] oder [latex]P = \frac{V^2}{R}[/latex] ausgedrückt werden.

Laborgerät zur Messung der inneren Energie und der Enthalpie eines perfekten Gases in der Thermodynamik.

Innere Energie und Enthalpie eines idealen Gases

Bei einem perfekten Gas sind die innere Energie ([latex]U[/latex]) und die Enthalpie ([latex]H[/latex]) nur von der Temperatur abhängig. Ihre Änderungen sind gegeben durch [latex]\Delta U = m c_v \Delta T[/latex] und [latex]\Delta H = m c_p \Delta T[/latex], wobei [latex]c_v[/latex] und [latex]c_p[/latex] die spezifischen Wärmewerte bei konstantem Volumen bzw. Druck sind und als konstant angenommen werden.

Forscher testen die viskoelastischen Eigenschaften eines synthetischen Polymers im Labor.

Viskoelastizität

Viskoelastizität ist die Eigenschaft von Materialien, bei Verformung sowohl viskose als auch elastische Eigenschaften zu zeigen. Viskose Materialien wie Honig widerstehen der Scherströmung und dehnen sich unter Belastung linear mit der Zeit. Elastische Materialien wie ein Gummiband dehnen sich beim Dehnen und kehren nach Wegfall der Belastung schnell in ihren Ausgangszustand zurück. Viskoelastische Materialien weisen beide Eigenschaften auf.

Wissenschaftler bei der Messung der Sublimation in einem alten Labor, Thermodynamikstudie.

Enthalpy of Sublimation

Die Sublimationsenthalpie, [latex]\Delta H_{\text{sub}}[/latex], ist die Wärme, die erforderlich ist, um ein Mol eines Stoffes bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck von einem festen in einen gasförmigen Zustand zu überführen. Da die Enthalpie eine Zustandsfunktion ist, ist diese Energieänderung nach dem Hess'schen Gesetz die Summe aus der Schmelzenthalpie ([latex]\Delta H_{\text{fus}}[/latex]) und der Verdampfungsenthalpie ([latex]\Delta H_{\text{vap}}[/latex]).

Ingenieure konstruieren in einem Labor einen effizienten Wärmemotor, der die Anwendungen der Thermodynamik veranschaulicht.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik

Der zweite Hauptsatz führt das Konzept der Entropie ein und definiert die Richtung spontaner Prozesse. Er lässt sich auf verschiedene Weise formulieren, eine wichtige Konsequenz ist jedoch, dass die Gesamtentropie eines isolierten Systems im Laufe der Zeit niemals abnehmen kann. Dieses Gesetz erklärt den „Zeitpfeil“ und warum Prozesse irreversibel sind, wie beispielsweise der spontane Wärmefluss von einem heißen zu einem kalten Körper.

Laborszene zur Veranschaulichung thermodynamischer Experimente mit dem Modell des perfekten Gases.

Das perfekte Gasmodell

Ein perfektes Gas ist ein theoretisches Modell eines Gases, bei dem die zwischenmolekularen Kräfte vernachlässigt werden und die spezifischen Wärmekapazitäten ([latex]C_P[/latex] und [latex]C_V[/latex]) als konstant in Bezug auf die Temperatur angenommen werden. Dies vereinfacht die thermodynamischen Berechnungen erheblich. Es handelt sich um einen Sonderfall des idealen Gases, bei dem die spezifischen Wärmekapazitäten mit der Temperatur variieren können, so dass es sich um ein stärker eingeschränktes Modell handelt.

Laborszene aus dem 19. Jahrhundert mit Ludwig Boltzmann, der das ideale Gasgesetz in der statistischen Thermodynamik untersucht.

Ideales Gasgesetz (statistische Form)

Die statistische Mechanik, die das Gesetz des idealen Gases formuliert, drückt die Beziehung in Bezug auf die mikroskopischen Eigenschaften des Gases aus. Es setzt Druck ([latex]P[/latex]) und Volumen ([latex]V[/latex]) über die Boltzmann-Konstante ([latex]k_B[/latex]) mit der Gesamtzahl der Teilchen ([latex]N[/latex]) und der absoluten Temperatur ([latex]T[/latex]) in Beziehung: [latex]PV = Nk_BT[/latex].

(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)