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Oberflächenspannung

Synonym: Grenzflächenspannung
Formelzeichen: σ
SI-Einheit: 1 kg/s2
Englisch: surface tension

1 Definition

Oberflächenspannung ist ein Begriff aus der Physik und beschreibt die Eigenschaften einer Oberfläche (Grenzfläche) zwischen Flüssigkeiten (z.B. Quecksilber) und Gasen (z.B. Luft).

2 Hintergrund

Schmilzt ein Kristall, nimmt seine Dichte leicht ab. Auch in der Schmelze liegen die Moleküle noch dicht aneinander, sodass die zwischenmolekularen Kräfte nach wie vor wirken. Hier ist jedoch die Wärmebewegung so groß geworden, dass sich die Bindungen auf feste Gitterplätze nicht länger aufrechterhalten lassen. Die darin befindlichen Moleküle sind jetzt frei verschiebbar, da die Flüssigkeit nun keine Schubfestigkeit mehr besitzt. Die Kräfte der Kohäsion reichen dennoch für eine Zerreißfestigkeit aus.

Die oberflächennahen Teilchen verspüren am deutlichsten die zwischenmolekularen Kräfte der Kohäsion, da sie einerseits nicht nur versuchen, die Moleküle - die sich im Gasraum ausbreiten wollen - zurückzuhalten, sondern sie behindern auch deren Eindringen in die letzte Moleküllage. Dies ist auch der Grund, weshalb Moleküle grundsätzlich die Oberfläche meiden und diese so klein wie möglich halten wollen. Deshalb ist auch die natürliche Form des Tropfens - der keinen äußeren Kräften unterliegt - eine Kugelform.

3 Herleitung

Will man die Oberfläche einer Flüssigkeit vergrößern, müssen Moleküle, die sich anfangs noch im Inneren (der Flüssigkeit) aufhalten durften, an die Oberfläche transportiert/gebracht werden. Das bedeutet, dass Arbeit gegen die Kräfte der Kohäsion aufgebracht werden müssen - für jedes neue Flächenelement A eine bestimmte Energie WA.

Daraus resultiert:

Oberflächenspannung σ = Oberflächenenergie WA ÷ Oberfläche A
SI-Einheit: 1 J/m2 = 1 N/m = 1 kg/s2

4 Messung

Grundsätzlich gibt es drei Möglichkeiten, die Oberflächenspannung zu messen:

5 Klinik

Bei Infusionen macht die Oberflächenspannung die semiquantitative Dosiskontrolle von Flüssigkeiten möglich. Der Behandelnde verlässt sich dabei darauf, dass alle in der Tropfkammer entstehenden Tropfen ungefähr die gleiche Größe aufweisen.

Weist ein Tropfen den Radius r auf, erzeugt die Oberflächenspannung einen Binnendruck
p = 2 · σ ÷ r
Somit gilt allgemein: Je kleiner die Tropfen, desto größer der herrschende Binnendruck.

6 Literatur

  • "Physik für Mediziner" - Ulrich Harten, Springer-Verlag, 13. Auflage

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