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Lexikon Physik

Oberflächenspannung

Die Oberflächenspannung tritt an der Oberfläche einer Flüssigkeit, aber auch an der Grenzfläche zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten auf und wirkt einer Vergrößerung der Ober- bzw. Grenzfläche entgegen, die das mehr Energie erfordern würde. Die Grenzfläche verhält sich dabei wie eine gespannte elastische „Haut“. Die Oberflächenspannung spielt u. a. bei der Strömung durch Kapillaren eine wichtige Rolle.

Ursache der Oberflächenspannung sind die zwischen den Molekülen der Flüssigkeit wirkenden anziehenden Kohäsionskräfte. Sie sind nach allen Seiten gleich stark und heben sich daher im Innern der Flüssigkeit gegenseitig auf. An der Oberfläche aber wirken sie nur in Richtung des Flüssigkeitsinnern, weswegen die Oberflächenmoleküle eine geringere Anziehung und daher auch eine geringere Bindungsenergie spüren. Die Bindungsenergie wird also am größten (und damit die Gesamtenergie des Systems am niedrigsten!), wenn die Oberfläche so klein wie möglich wird. Aus diesem Grund nehmen beispielsweise Tropfen oder Seifenblasen (annähernd) kugelförmige Gestalt an.

Die physikalische Größe Oberflächenspannung wird auch als Kapillarkonstante \(\sigma\) bezeichnet. Sie ist definiert als das Verhältnis aus der Arbeit W, die bei konstantem Druck und konstanter Temperatur erforderlich ist, um die Oberfläche um einen Betrag \(\Delta A\) zu vergrößern, und dieser Fläche A selbst:

\(\sigma = \dfrac W A\)

SI-Einheit der Oberflächenspannung ist Joule pro Quadratmeter (J/m2). Die Oberflächenspannung ist eine Materialkonstante, die mit zunehmender Temperatur abnimmt. Ihr Wert wird durch Verunreinigungen oder Netzmittel, z. B. Spülmittel, herabgesetzt, wodurch sich die  Benetzung erhöht. Typische Werte bei Zimmertemperatur sind für reines Wasser 0,07 J/m2, für Quecksilber 0,468 J/m2 und für Alkohol 0,022 J/m2.

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