Kapillarität

framed|right|Kapillarwirkung

Der Begriff Kapillarität oder Kapillareffekt ist lateinisch für Haarröhrchenwirkung. Sie hängt mit der Oberflächenspannung zusammen. Der Kapillareffekt ist eine Erscheinung, bei der eine Flüssigkeit in eine mit ihr in Verbindung stehende dünne Röhre (Kapillare) entweder hineingezogen oder aus ihr verdrängt wird.

So genannte benetzende Flüssigkeiten (Flüssigkeiten mit einer geringen Oberflächenspannung) wie z. B. Wasser steigen in einem Röhrchen etwas auf und haben eine Oberfläche die aussieht wie ein Hohlspiegel. (Sie ist konkav). Diese Wirkung nennt man Kapillaraszension.

Die Kapillardepression dagegen tritt bei Flüssigkeiten auf, die nicht benetzend sind (Flüssigkeiten mit einer hohen Oberflächenspannung) , was bedeutet, sie perlen ab. Ein Beispiel für eine solche Flüssigkeit ist Quecksilber. Solche Flüssigkeiten haben in einem Röhrchen einen niedrigeren Pegel als in der Umgebung und sind nach oben gekrümmt. (Sie ist konvex).

Die Oberfläche der Flüssigkeit strebt immer von ihrem Mittelpunkt weg, da die benetzenden Flüssigkeiten versuchen die Wand zu benetzen. Durch diese Wechselwirkung der Kapillarwand mit der Flüssigkeit steigt diese in begrenztem Maße. An einem bestimmten Punkt heben sich Schwerkraft und Kapillarkräfte auf.

Die Höhe der Flüssigkeitssäule verhält sich dabei zum Röhrchendurchmesser umgekehrt proportional. Das heißt, bei halben Durchmesser steigt die Flüssigkeit doppelt so hoch. Der Effekt zeigt sich also besonders ausgeprägt in dünnen Glasröhren (Kapillaren).

Die Höhe h läßt sich für dünne Glasröhren nach folgender Formel bestimmen:
h = \frac {2 \gamma \cdot \cos \theta_K}{r g \rho}
Hierbei sind γ die Oberflächenspannung, θK der Kontaktwinkel zur Wand der Kapillare, r der innere Radius der Röhre, g die Fallbeschleunigung und ρ die Dichte der Flüssigkeit.

Grundsätzlich beruht der Effekt auf den Molekularkräften, die innerhalb eines Stoffes (Kohäsionskräfte) und an der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit, einem festen Körper (Gefäßwand) und einem Gas (z. B. Luft) auftreten (Adhäsionskräfte). Häufig hat der Kapillareffekt auch die Bedeutung von Oberflächenspannung.

Im Innern eines Körpers heben sich die auf ein bestimmtes Molekül wirkenden Kräfte aus seiner Umgebung gegenseitig auf. An den Rändern jedoch ergibt sich eine resultierende Kraft, die in Abhängigkeit vom jeweiligen Material entweder in die Flüssigkeit hinein oder aus ihr heraus gerichtet ist. Ist die Wirkung der Gefäßwandung gegenüber den Kohäsionskräften in der Flüssigkeit klein, dann zeigt die resultierende Kraft ins Innere der Flüssigkeit. Deren Oberfläche ist an der Kontaktstelle zur Wand nach unten gekrümmt und benetzt die Gefäßwand nicht (z. B. Quecksilber im Glasgefäß). Ist jedoch die Wirkung der Gefäßwandung gegenüber den Kohäsionskräften in der Flüssigkeit groß, dann zeigt die resultierende Kraft in die Gefäßwandung hinein und die Flüssigkeit ist am Rande nach unten gebogen. Die Flüssigkeit benetzt die Wandung (z. B. Wasser oder Petroleum im Glasgefäß).

Praktische Anwendungen

Ein Beispiel für eine Anwendung ist der Füller oder Füllfederhalter, bzw. seine Feder. Sie besitzt in der Regel auf halber Länge ein kleines, rundes Loch, in dem sich die Tinte sammelt um von dort durch die Kapillarwirkung durch einen sehr feinen Schlitz an die Spitze transportiert zu werden.

thumb|Füllfederhalter

Papier: Es fällt etwas schwer mit einem Füller auf Glas zu schreiben. Was fehlt, ist die Saugfähigkeit. Beim Papier sieht es da schon besser aus. Die Saugfähigkeit des Papiers rührt von feinen Furchen und Löchern, kurz, der Struktur des Papiers. Ein sehr saugfähiges Papier ist das Löschpapier.

Pflanzen: In Bäumen und anderen Pflanzen wird das Wasser von den Wurzeln bis in die Krone transportiert (siehe auch: Osmose).

Chemie: In der Papierchromatographie macht man sich die Kapillarität zu Nutzen in dem man eine Lösung auf ein Spezialpapier tropft und beobachtet, wie sich die einzelnen Bestandteile ausbreiten. Unterschiedlich schwere Stoffe werden dabei unterschiedlich schnell transportiert.

Medizin: Um kleine Mengen Blut abzuzapfen kann man einen kleinen Stich in die Kapillargefäße an den Fingern machen und an das austretende Blut ein dünnes Sammelröhrchen halten, um es aufzufangen.

Textilien: Eine ähnliche Saugwirkung wie beim Papier läßt sich auch bei Putzlappen bzw. Stoffen beobachten. Das gleiche gilt auch für Schwämme.

Für Papier, Putzlappen und Schwämme gilt dabei, je größer die Oberfläche (pro Volumen) um so größer auch die Saugwirkung. Auch beim Löten tritt der Effekt auf: Das heiße Lot fließt durch die Kapillarwirkung in den bereich zwischen Draht und Bohrloch. Auch in ein Drahtgeflecht saugt sich das Lot hinein (Entlötdraht). An der Form der Lötkegels dagegen kann man erkennen, dass es sich um eine benetzende Flüssigkeit handelt. Sollte dieser nicht hyperbelförmig sein hat man höchstwahrscheinlich eine kalte Lötstelle produziert.

thumb|Lötkegel

Durch die Kapillarität könnte man theoretisch sowohl überkopf löten als auch schreiben.

Weblinks

See also: Kapillarität, Adhäsion, Dichte, Durchmesser, Fallbeschleunigung, Feder, Flüssigkeit, Furche, Füllfederhalter, Hohlspiegel