Techniklexikon

Oberflächenspannung

Strömungsmechanik, spezifische Oberflächenenergie, eine Kraft, die bei Flüssigkeiten an der Grenze zu einem Gas oder zum Vakuum tangential zur Grenzfläche wirkt und die Oberfläche der Flüssigkeit zu verkleinern sucht. Die Oberflächenspannung ist definiert als die Arbeit dW, die pro Fläche dA geleistet werden muss, um die Oberfläche der Flüssigkeit zu vergrössern:

In der Flüssigkeit heben sich die Kohäsionskräfte (Kohäsion) zwischen den Molekülen gegenseitig auf, während an der Oberfläche die nach aussen gerichteten Kräfte fehlen und so eine resultierende Kraft ins Flüssigkeitsinnere entsteht, die Ursache der Oberflächenspannung s ist (siehe Abb.). Moleküle an der Flüssigkeitsoberfläche besitzen daher eine grössere potentielle Energie als solche im Innern, und bei Abwesenheit äusserer Kräfte wird die Flüssigkeitsoberfläche eine Minimalfläche. Das erklärt die Kugelgestalt kleiner Quecksilbertropfen (Tropfen) sowie den Überdruck in Seifenblasen. Die Oberflächenspannung kann im Alltag durch eine vorsichtig auf Wasser gelegte Stecknadel oder durch das Treiben von Wasserläufern beobachtet werden. Die Oberflächenspannung sinkt mit der Temperatur (Eötvös-Regel) und kann durch Lösung bestimmter Stoffe stark herabgesetzt werden. Zur Messung der Oberflächenspannung kann eine in einem Drahtbügel eingespannte Flüssigkeitslamelle der Fläche A = 2dl (Ober- und Unterseite) benutzt werden. Eine infinitesimale Vergrösserung der Oberfläche in Richtung der Länge l erfordert eine Kraft F; man erhält also

Das Abreissgewicht der Lamelle liefert die gesuchte Oberflächenspannung. Eine Bestimmung der Oberflächenspannung aus der Steighöhe der Flüssigkeit in einer Kapillaren (Kapillarität) ist ebenfalls möglich. Begrifflich verwandt mit der Oberflächenspannung ist die Grenzflächenspannung, die an der Grenzfläche verschiedener Stoffe wirkt.

Oberflächenspannung: Kräfte auf ein Molekül an der Oberfläche (A) und im Innern (B) eines Körpers.