Unterschied zwischen Newtonsche Flüssigkeit und Nicht-newtonsche Flüssigkeit
Kurz gesagt
Bei einer Newtonschen Flüssigkeit bleibt die Viskosität bei gleichbleibender Temperatur und gleichem Druck unabhängig davon, wie schnell die Flüssigkeit verformt oder bewegt wird. Bei einer nicht-newtonschen Flüssigkeit hängt das Fließverhalten dagegen von der Scherung, der Zeit oder teilweise von einer Mindestschubspannung (Fließgrenze) ab.
Der HauptunterschiedBei Newtonschen Flüssigkeiten bleibt die Viskosität bei konstanter Temperatur und konstantem Druck unabhängig von der Schergeschwindigkeit; bei nicht-newtonschen Flüssigkeiten hängt sie von Scherung oder Belastungsdauer ab.
Beide Begriffe beschreiben das Fließverhalten von Flüssigkeiten, unterscheiden sich aber darin, wie ihre Viskosität auf Belastung reagiert.
Steckbriefe
Steckbrief: Newtonsche Flüssigkeit
Eine Newtonsche Flüssigkeit hat bei gleichbleibender Temperatur und gleichem Druck eine konstante Viskosität. Die Schubspannung steigt proportional zur Schergeschwindigkeit.
- konstante Viskosität
- proportionale Schubspannung
- keine Scherverdünnung
Beispiel Wasser fließt beim Umrühren schneller, wird dadurch aber nicht merklich dünnflüssiger.
Steckbrief: Nicht-newtonsche Flüssigkeit
Bei einer nicht-newtonschen Flüssigkeit ist die Viskosität nicht unabhängig von der Belastung. Sie kann sich etwa mit der Schergeschwindigkeit oder der Dauer der Belastung ändern.
- belastungsabhängiges Fließen
- Scherverdünnung möglich
- Scherverdickung möglich
Beispiel Durch Schütteln oder Drücken steigt die Schergeschwindigkeit im Ketchup; dadurch sinkt seine scheinbare Viskosität und er lässt sich leichter aus der Flasche drücken.
Auf einen Blick
| Merkmal | Newtonsche Flüssigkeit | Nicht-newtonsche Flüssigkeit |
|---|---|---|
| Was ist es? | Flüssigkeit mit konstanter Viskosität bei festen Bedingungen | Flüssigkeit mit belastungsabhängiger Viskosität |
| Typisch | Schubspannung und Schergeschwindigkeit sind proportional | Fließverhalten hängt etwa von Scherung oder Zeit ab |
| Wofür / wann? | Zur Beschreibung einfacher, gleichmäßiger Strömungen | Zur Beschreibung komplexer Stoffe und Suspensionen |
| Beispiel | Wasser | Ketchup |
| Scherverdünnung | Nicht typisch: Viskosität bleibt gleich. | Viskosität sinkt bei stärkerer Scherung. |
| Scherverdickung | Nicht typisch: Viskosität bleibt gleich. | Viskosität steigt bei stärkerer Scherung. |
| Zeitabhängigkeit | Viskosität hängt nicht von der Belastungsdauer ab. | Manche Flüssigkeiten verändern sich mit der Belastungsdauer. |
Im Detail
Was Viskosität und Scherung bedeuten
Die Viskosität beschreibt, wie stark eine Flüssigkeit dem Fließen widersteht. Wasser hat eine geringe, zähflüssiger Sirup eine höhere Viskosität. Bei einer Newtonschen Flüssigkeit ist dieser Wert nicht bei jeder Temperatur gleich, sondern bleibt nur dann konstant, wenn die Bedingungen vergleichbar sind.
Scherung entsteht, wenn benachbarte Flüssigkeitsschichten unterschiedlich schnell bewegt werden, zum Beispiel beim Umrühren. Für Newtonsche Flüssigkeiten wächst die nötige Schubspannung proportional zur Schergeschwindigkeit. Verdoppelt sich diese Geschwindigkeit, verdoppelt sich im idealen Modell auch die Schubspannung.
Verschiedene Arten nicht-newtonschen Fließens
Bei scherverdünnenden Stoffen sinkt die scheinbare Viskosität, wenn stärker gerührt oder gedrückt wird. Ketchup ist ein bekanntes Beispiel: In Ruhe fließt er zäh; durch Schütteln oder Drücken steigt die Schergeschwindigkeit im Ketchup, dadurch sinkt seine scheinbare Viskosität und er lässt sich leichter aus der Flasche drücken. Auch Farben und manche kosmetischen Produkte zeigen dieses Verhalten.
Scherverdickende Stoffe reagieren umgekehrt: Bei schneller oder kräftiger Belastung werden sie scheinbar widerstandsfähiger. Eine Mischung aus Wasser und Maisstärke kann sich unter einem schnellen Stoß fest anfühlen, während sie bei langsamer Bewegung fließt. Andere nicht-newtonsche Stoffe brauchen zunächst eine Mindestschubspannung (Fließgrenze), bevor sie zu fließen beginnen.
Nicht jede Veränderung hat dieselbe Ursache
Nicht-newtonsches Verhalten kann außerdem von der Zeit abhängen. Bei manchen Stoffen nimmt die Viskosität unter anhaltender Bewegung ab und erholt sich in Ruhe wieder; bei anderen kann sie mit der Belastungsdauer zunehmen. Solche zeitabhängigen Effekte sind von der bloßen Abhängigkeit der Viskosität von der Schergeschwindigkeit zu unterscheiden.
Auch Temperatur spielt eine Rolle: Viele Flüssigkeiten werden beim Erwärmen dünnflüssiger. Das allein macht eine Flüssigkeit nicht nicht-newtonsch. Entscheidend ist, ob sich die Viskosität bei gleicher Temperatur und unter sonst gleichen Bedingungen mit der Scherung oder der Zeit verändert.
Modelle und praktische Bedeutung
„Newtonsch“ und „nicht-newtonsch“ sind Bezeichnungen für das rheologische Verhalten, nicht für eine bestimmte Zutat oder einen Aggregatzustand. In der Praxis kann ein Stoff je nach Zusammensetzung und Messbedingungen unterschiedlich komplex reagieren. Viele reale Flüssigkeiten lassen sich deshalb nur näherungsweise einem einfachen Modell zuordnen.
Die Unterscheidung ist wichtig, wenn Strömungen berechnet oder Produkte verarbeitet werden. Eine konstante Viskosität reicht für die Beschreibung von Wasser in vielen Anwendungen aus. Für Pasten, Suspensionen oder Farben muss man dagegen oft berücksichtigen, wie gerührt, gepumpt oder aufgetragen wird.
Woran erkennt man den Unterschied?
- Vergleichen Sie das Fließen bei langsamer und schneller Bewegung, ohne die Temperatur zu verändern.
- Beobachten Sie, ob kräftiges Rühren einen Stoff leichter fließen lässt oder ihn widerstandsfähiger macht.
- Prüfen Sie, ob ein Stoff erst nach Klopfen, Drücken oder einer anderen Mindestbelastung zu fließen beginnt.
- Beachten Sie, dass eine Alltagprobe nur Hinweise liefert; genaue Einordnung erfordert kontrollierte Messbedingungen.
Gemeinsamkeiten
- Beide sind Kategorien zur Beschreibung des Fließverhaltens.
- Beide können je nach Temperatur eine andere Viskosität haben.
- Beide reagieren auf Kräfte, die Flüssigkeitsschichten gegeneinander verschieben.
Häufiger Irrtum
Irrtum: „Nicht-newtonsche Flüssigkeiten sind immer dickflüssig.“
Richtig: Der Begriff beschreibt die Abhängigkeit des Fließverhaltens von der Belastung, nicht eine bestimmte Grundviskosität.
Irrtum: „Wenn eine Flüssigkeit beim Erwärmen dünner wird, ist sie nicht-newtonsch.“
Richtig: Eine Temperaturänderung allein genügt nicht; entscheidend ist das Verhalten bei gleichbleibender Temperatur.
Häufige Fragen
Ist Wasser eine Newtonsche Flüssigkeit?
Ja, Wasser gilt unter üblichen Bedingungen als Newtonsche Flüssigkeit. Seine Viskosität verändert sich zwar mit der Temperatur, bleibt bei gleicher Temperatur aber weitgehend unabhängig von der Schergeschwindigkeit.
Warum wird Ketchup beim Schütteln dünnflüssiger?
Durch Schütteln oder Drücken steigt die Schergeschwindigkeit im Ketchup; dadurch sinkt seine scheinbare Viskosität und er lässt sich leichter aus der Flasche drücken.
Ist Honig eine nicht-newtonsche Flüssigkeit?
Honig verhält sich unter vielen üblichen Bedingungen näherungsweise Newtonsch: Seine Viskosität bleibt bei fester Temperatur weitgehend unabhängig von der Schergeschwindigkeit. Er ist jedoch sehr zähflüssig, und die Temperatur beeinflusst sein Fließen deutlich.
