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Vorlesung Physik - Fluide Medien | |
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Stoffe verschiedener Dichte (z.B. Öl-Wasser oder Flüssigkeit und Gas) sind durch
Grenzflächen getrennt. Diese Grenzflächen, bzw. Oberflächen zeigen besondere
Eigenschaften, von denen die Oberflächenspannung näher behandelt werden soll.
Ursache für die Oberflächenspannung sind Wechselwirkungen zwischen den
Flüssigkeitsmolekülen (Molekularkräfte), die sich in der Regel gegenseitig anziehen. Es
bestehen Wechselwirkungen zwischen einem Molekül im Innern der Flüssigkeit und allen
benachbarten Molekülen. Die resultierende Kraft ist im Mittel Null und das Molekül
befindet sich im Gleichgewicht. Betrachten wir ein Molekül an der
Flüssigkeitsoberfläche, so fehlt ein Teil der Wechselwirkungen mit anderen Molekülen.
Zwar findet eine Wechselwirkung mit den Molekülen des darüberliegenden Gases bzw.
Dampfes statt, doch sind diese Kräfte i.a. schwächer. Als resultierende Kraft wirkt auf
das Molekül an der Oberfläche also eine nach innen, senkrecht zur Oberfläche gerichtete
Kraft.
Abbildung: Ein Molekül an der Oberfläche erfährt eine resultierende
Kraft, die senkrecht zur Oberfläche nach innen gerichtet ist.
Um ein Molekül aus dem Inneren der Flüssigkeit an die Oberfläche zu bringen, muß
gegen die Resultierende der Molekularkräfte Arbeit geleistet werden, d.h. es bedarf einer
zusätzlichen Energie. Der umgekehrte Vorgang ist mit einem Gewinn von Energie verbunden.
Diese Energie wird Oberflächenenergie genannt.
Es gilt also: Oberfläche enthält Energie!
Die Oberflächenkräfte können gemessen werden. Im Prinzip geschieht dies über eine
Oberflächenvergrößerung, da zur Vergrößerung der Oberfläche Energie notwendig ist.
Abbildung: Bestimmung der Oberflächenspannung 
einer Flüssigkeit.
Die Oberflächenvergrößerung ist 
, die damit verbundene Arbeit
Es wird nun eine spezifische Oberflächenenergie definiert:
Die spezifische Oberflächenenergie
wird auch als Oberflächenspannung bezeichnet. Beide Ausdrücke sind
bei Flüssigkeiten gleichberechtigt.
In der Praxis wird zur Messung ein ringförmiges Blech mit dem Umfang U langsam aus
dem Wasser gezogen und die nötige Kraft gemessen.
Die Oberflächenspannung ergibt sich dann zu
. Der Literaturwert für reines Wasser ist 
. Gesehen werden kann weiterhin die Unabhängigkeit der Oberflächenspannung
von der Größe der Oberfläche, d.h. Höhe der Flüssigkeitslamelle (Unterschied zur
elastischen Spannung einer Gummimembran).
Die Größe der Oberflächenspannung ist abhängig von der Molekülart und somit für
jeden Stoff verschieden. Durch Zugabe einer oberflächenaktiven Substanz (Spülmittel)
kann z.B. die Spannung reduziert werden. Wir werden auf diesen Punkt noch näher eingehen,
da er auch in der Physiologie eine wichtige Rolle spielt.
Beispiele für Oberflächenspannungen:
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