Akademik

Oberflächenspannung,

 

Erscheinung, die bei Flüssigkeiten in der Grenzfläche flüssig gegen gasförmig oder bei zwei nicht miteinander mischbaren Flüssigkeiten in deren Grenzfläche auftritt und die Oberfläche zu verkleinern sucht. Sie verursacht die Kugelform kleiner Tropfen, die »Oberflächenhaut« von Flüssigkeiten, den Überdruck im Inneren von Blasen oder die Erscheinungen der Kapillarität. Die Oberflächenspannung ist die Folge der gegenseitigen Anziehung der Flüssigkeitsmoleküle, wobei sich für ein Molekül im Inneren der Flüssigkeit die von den Nachbarmolekülen ausgeübten Kräfte aufheben, für ein Molekül der Oberfläche dagegen eine nach innen gerichtete Kraft resultiert, da im angrenzenden Raum gleichartige Nachbarn fehlen. Als physikalische Größe (SI-Einheit N/m) ist die Oberflächenspannung σ (auch γ) der Quotient aus der Energie (Arbeit) Δ E, die bei konstantem Druck p und konstanter Temperatur T zur Vergrößerung der Flüssigkeitsoberfläche um den Betrag ΔA erforderlich ist, und dieser Oberflächenvergrößerung, σ = (ΔE / ΔA)_{p, T}. Sie entspricht der spezifischen freien Oberflächenenergie in der Thermodynamik. Die Oberflächenspannung nimmt mit zunehmender Temperatur ab (Eötvös-Regel) und wird am kritischen Punkt null. Gelöste Stoffe erniedrigen die Oberflächenspannung stark, wenn sie in der Oberfläche angereichert werden.

 

Die Oberflächenspannung kann z. B. durch Messung der kapillaren Steighöhe oder mithilfe der Abreißmethode bestimmt werden. Hierbei verwendet man einen horizontal an einer Waage (Adhäsionswaage) hängenden Ring oder einen Bügel mit horizontal gespanntem Messdraht (Ring- oder Bügelverfahren), die man in die Flüssigkeit eintauchen lässt. Beim Senken des Flüssigkeitsspiegels entsteht durch die Oberflächenspannung eine zylindrische oder ebene Flüssigkeitsmembran. Das »Abreißgewicht« dieser Membran beträgt K = 2lσ. Dabei ist l der Umfang des Rings oder die Länge des Messdrahts, mit dem Faktor 2 wird berücksichtigt, dass die Membran durch zwei gleiche Oberflächen begrenzt wird.