Kapillarität

Kapillarität oder Kapillareffekt (lat. capillaris, das Haar betreffend) ist das Verhalten von Flüssigkeiten, das sie bei Kontakt mit Kapillaren, z.B. engen Röhren, Spalten oder Hohlräumen, in Feststoffen zeigen.

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Beispiel: Taucht man ein Glasröhrchen senkrecht in Wasser, steigt das Wasser in der engen Glasröhre ein Stück gegen die Gravitationskraft nach oben.

Diese Effekte werden durch die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten selbst und der Grenzflächenspannung von Flüssigkeiten mit der festen Oberfläche (im Beispiel: des Glases) hervorgerufen.

Effekte

Die Kapillaraszension tritt bei Flüssigkeiten auf, die das Material des Kapillargefäßes benetzen, wie beispielsweise Wasser auf Glas. Das Wasser steigt in einem Glasröhrchen auf und bildet eine konkave Oberfläche (Meniskus). Dieses Verhalten ist auf die Adhäsionskraft (Kraft, die zwischen zwei Stoffen wirkt) zurückzuführen.

Die Kapillardepression tritt auf, wenn die Flüssigkeit das Material der Gefäßoberfläche nicht benetzt. Beispiele dafür sind Quecksilber auf Glas oder Wasser auf Glas mit eingefetteter Oberfläche. Solche Flüssigkeiten haben in einem Röhrchen einen niedrigeren Pegel als in der Umgebung und eine konvexe Oberfläche.

Je kleiner der Durchmesser, desto größer sind der Kapillardruck und die Steighöhe. Eine Kapillare von 1 µm Durchmesser erzeugt einen Saugdruck von 2,8 bar, entsprechend einer Saughöhe bei benetzendem Wasser von 28 Metern.

Zwei Glasplatten, zwischen denen sich ein Wasserfilm der Dicke 1 µm befindet, werden vom Wasser mit einem Druck von 2,8 bar aneinander gehalten. Deshalb zerbrechen feucht gewordene Objektträger, wenn man versucht, sie auseinander zu ziehen.

Es gibt kein Perpetuum Mobile, bei dem aus einem zu kurzen Glasröhrchen aufgrund des Kapillareffektes laufend Flüssigkeit sprudelte – hierbei würde schließlich potentielle Energie gewonnen. Die Flüssigkeit steigt aufgrund von Adhäsionskräften an die Wand des Röhrchens und somit lediglich bis zu dessen Ende, selbst wenn die Kapillarität eine größere Steighöhe erlaubte.

Formel

Die Steighöhe h (in Metern) einer Flüssigkeitssäule ist gegeben durch:

Dabei ist:

σ = Oberflächenspannung (J/m² oder N/m)

θ = Kontaktwinkel

ρ = Dichte der Flüssigkeit (kg/m³)

g = Beschleunigung durch die Schwerkraft (m/s²)

r = Radius der Röhre (m)

Für eine wassergefüllte Glasröhre, die gegen die Luft auf Meereshöhe offen ist,

σ = 0,0728 J/m² bei 20 °C

θ = 20° = 0,35 rad

ρ = 1000 kg/m³

g = 9,8 m/s²

so ergibt sich für die Steighöhe:

Für eine breite Röhre mit r = 1 m folgt daraus eine Steighöhe um nicht merkliche 0,014 mm. Bei 1 cm würde das Wasser um 1,4 mm und bei einer Kapillare mit einem Radius von 0,1 mm um 14 cm steigen.

Literatur

• H. Schubert: Kapillarität in porösen Feststoffsystemen, Springer-Verlag, Berlin, 1982, ISBN 3-540-11835-7