Wie können Kerzen so lange brennen und wieso steht das Wasser in Glasstrohhalmen höher als im restlichen Glas?
Wenn Du drei verschiedene Antworten erwartest, liegt Du falsch. Alle drei Fragen lassen sich mit einem Begriff beantworten: der Kapillarwirkung.
Definition einer Kapillare
Eine Kapillare ist ein länglicher Hohlraum, mit kleinem Durchmesser, in einem Feststoff.
Einige Beispiele für solche Kapillaren sind:
- Glasröhrchen
- Schwämme (bestehen aus Fasern, die kleine Hohlräume besitzen)
- Kerzendochte
In diesen Kapillaren können sogenannte Kapillarkräfte entstehen. Diese werden später näher beschrieben.
Kapillarwirkung
Die Kapillarwirkung wird auch Kapillareffekt oder Kapillarität genannt. Übersetzt aus dem Lateinischen (lat.: capillaris) bedeutet Kapillarität "das Haar betreffend". "Haar" deutet in diesem Fall auf die dünnen Kapillaren hin. Die Kapillarwirkung beschreibt also das Verhalten von Flüssigkeiten, auf Kapillaren bezogen. Wie sich die Flüssigkeit bei Kontakt mit Kapillaren verhält, hängt von der Größe der Adhäsionskraft und der Kohäsionskraft ab.
Adhäsion
Die Adhäsionskraft wirkt an Grenzflächen, zwischen zwei Phasen. Sie beschreibt wie groß die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen der unterschiedlichen Körper sind. Die Adhäsion beschreibt die Anwesenheit dieser Anziehungskräfte.
Das Wort Adhäsion kommt aus dem Lateinischen (lat.: adhaerere) und bedeutet so viel wie "anhaften". Die Adhäsionskraft, auch Anhangskraft genannt, beschreibt wie stark die Teilchen von verschiedenen Körpern aneinander haften. Wie groß die Adhäsionskraft ist, hängt von den jeweiligen Stoffen ab, die miteinander in Wechselwirkung stehen.
Je größer die Adhäsionskraft ist, desto höher steigt auch die Flüssigkeit. Jedoch steigt sie höchstens bis zum Ende der Kapillare, nicht aber höher. Außerdem kann sich die Adhäsionskraft der Schwerkraft widersetzen, da das Gewicht der aufsteigenden Menge an Flüssigkeit relativ gering ist.
In Bezug auf die Adhäsion gibt es bisher einige Theorien, allerdings ist noch nicht vollständig geklärt, worauf diese Kräfte beruhen.
Kohäsion
Während die Adhäsionskraft die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen unterschiedlicher Körper beschreibt, beschreibt die Kohäsionskraft die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen des gleichen Körpers.
Die Kohäsionskraft beschreibt, wie groß die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen desselben Körpers (= Stoffs) sind. Die Kohäsion beschreibt die Anwesenheit dieser Anziehungskräfte zwischen den Teilchen desselben Körpers.
Das Wort Kohäsion kommt aus dem Lateinischen (lat.: cohaesum) und bedeutet so viel wie "zusammenhängen". Die Aggregatzustände von Stoffen hängt mit der Kohäsion zusammen. So sind die Kohäsionskräfte bei festen Stoffen sehr hoch, während sie bei flüssigen Stoffen geringer und bei gasförmigen Stoffen sehr klein sind.
Kapillarwirkung – Kapillaraszension
Bei der Kapillaraszension steigt eine Flüssigkeit in der Kapillare etwa einem dünnen Glasröhrchen, in die Höhe. Dabei bildet die Flüssigkeit eine konkave (nach Innen gekrümmte) Oberfläche, man spricht auch von einem konkaven Meniskus.
Als Meniskus wird allgemein eine Wölbung der Oberfläche einer Flüssigkeit bezeichnet. Dabei kann der Meniskus konkav (nach Innen gewölbt) oder konvex (nach Außen gewölbt) sein.
Der Grund für das Ansteigen der Flüssigkeit liegt bei der Adhäsionskraft. Ist diese größer als die Kohäsionskraft, so handelt es sich um eine Kapillaraszension. In diesem Fall steigt, wie schon erwähnt, die Flüssigkeit entgegen der Schwerkraft nach oben.
Füllt man ein Trinkglas mit Wasser und stellt ein Glasstrohhalm hinein, so steigt das Wasser in dem Röhrchen an. Die Höhe des Wasserstands hängt dabei von dem Radius des Glasstrohhalms ab. Dieses paradoxe Verhalten des Wassers kannst Du beobachten, da die Adhäsionskraft größer als die Kohäsionskraft ist. Das Wasser steigt, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft und der Kapillarkraft eingestellt hat. Die Kapillarkraft ist ein Ergebnis aus dem Zusammenwirken der Kohäsions- und Adhäsionskraft.
Die Adhäsionskraft führt dazu, dass das Wasser die Oberfläche des Glasstrohhalms möglichst großflächig benetzen möchte. Dies führt, dass die Flüssigkeit an Energie gewinnt. Diese Energie nutzt das Wasser, um im Glasstrohhalm anzusteigen. Ist die Wechselwirkung des Wassers mit dem Glas attraktiv genug, so kann die Kapillarkraft die Schwerkraft tatsächlich bis zu einem gewissen Wasseranstieg überwinden. Das Wasser steigt so hoch, bis sich die Kapillarkraft mit der Schwerkraft im Gleichgewicht befindet, an diesem Punkt sind sie also gleich groß. Durch die Wechselwirkung zwischen Wasser und Glas bildet sich eine konkave Wasseroberfläche.
Dieselbe Wechselwirkung zwischen Wasser und Glas findet zum Beispiel auch bei Messzylindern statt. Möchte man das Volumen des Wassers in einem Messzylinder ablesen, sollte man den Wasserstand immer am tiefsten Punkt des Meniskus’ ablesen. Wichtig ist hierbei, dass das Volumen immer auf Augenhöhe abgelesen wird.
Kapillarwirkung – Kapillardepression
Im Gegensatz zur Kapillaraszension, sinkt die Flüssigkeit bei der Kapillardepression in der Kapillare ab. Das heißt die Flüssigkeit in der Kapillare hat einen niedrigeren Stand als in der restlichen Umgebung. Dabei bildet die Flüssigkeit eine konvexe (nach Außen gekrümmte) Oberfläche, man spricht auch von einem konvexen Meniskus.
Um eine Kapillardepression handelt es sich, wenn die Kohäsionskraft größer ist als die Adhäsionskraft.
Ersetzt man Wasser beim Beispiel der Kapillaraszension mit dem Trinkglas und dem Glasröhrchen durch Quecksilber, so kann man folgendes beobachten:
Anders als beim Wasser sinkt der Quecksilberspiegel im Glasröhrchen. Zudem fällt bei genauer Betrachtung auf, dass das Wasser an den Rändern ebenfalls tiefer steht. Die Quecksilberoberfläche ist also konvex (nach Außen gewölbt).
Kapillarwirkung – Kapillargleichung
Die Steighöhe einer Flüssigkeit in einer Kapillare kann man mithilfe der Kapillargleichung berechnen. Diese lautet:
Auf den ersten Blick sieht diese Formel ziemlich kompliziert aus, doch sie wird klarer, wenn man sich die einzelnen Komponenten anschaut:
Möchte man die Steighöhe von 20° Celsius warmem Wasser in einer 1 mm dicken Kapillare am Äquator berechnen, so geht man folgendermaßen vor:
Es sind folgende Angaben gegeben:
- Radius: r = 1 mm = 0,001 m
- Dichte:
- Oberflächenspannung von 20° Celsius warmem Wasser:
- Kontaktwinkel von 20° Celsius warmem Wasser: 20°
- Schwerebeschleunigung am Äquator: g =
Kapillarwirkung – Alltagsbeispiele
Am Anfang des Artikels wurden drei Fragen gestellt:
- Wie kann das Wasser, das Bäume zum Überleben benötigen, bis in die Spitzen der Bäume gelangen?
- Wie können Kerzen so lange brennen?
- Wieso steht das Wasser in Glasstrohhalmen höher als im restlichen Glas?
All diese Beispiele sind Alltagsbeispiele für die Kapillarwirkung, die im folgenden Abschnitt näher beschrieben werden.
Kapillarwirkung Pflanzen
Pflanzen nehmen Wasser mithilfe ihrer Wurzeln aus dem Boden auf. Dieses Wasser wird dann entgegen der Schwerkraft bis in die Blätter transportiert. Durch die Verdunstung von Wasser über die Blätter der Bäume entsteht ein Sog, der sogenannte Transpirationssog. Für den Wassertransport der Pflanzen sind:
- der Transpirationssog
- der Wurzeldruck (durch Osmose aufgebaut)
- und die Kapillarkräfte
verantwortlich. So kann Wasser von den Wurzeln, entgegen der Schwerkraft, über Kapillaren in die Blätter befördert werden. Berechnungen zufolge können Bäume aufgrund dessen nur höchstens 130 Meter groß werden. Wären sie höher, würde das Wasser die Schwerkraft nicht mehr überwinden können.
Kapillarwirkung Wasser
Schaut man sich ein Glasröhrchen in einem Glas mit Wasser an, so fällt auf, dass der Wasserspiegel in dem Glasstrohhalm höher steht als im Glas. Der dünne Glasstrohhalm ist eine Kapillare, in dem Kapillarkräfte wirken, sodass das Wasser im Röhrchen ansteigt.
In diesem Fall ist die Kapillaraszension zu beobachten. Das bedeutet auch, dass die Adhäsionskraft größer ist als die Kohäsionskraft. Der Kapillardruck steigt dabei an, sodass sich der Wasserspiegel erhöht. Das Wasser steigt, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Kraft der Oberflächenspannung und der Gewichtskraft des Wassers gebildet hat.
Dabei steigt das Wasser nie höher als das Röhrchen, egal, wie dünn dieses ist.
Zudem bildet sich eine konkave Form an der Wasseroberfläche.
Kapillarwirkung Kerze
Der Docht einer Kerze ist so geflochten, dass in kleinen Spalten zwischen den einzelnen Fasern des Dochts Kapillarkräfte wirken. Durch die Kapillarkräfte wird der Flamme dauerhaft Brennstoff, in Form von Wachs, zugeführt. Daher wird die Kapillarität auch als Dochteffekt bezeichnet.
Kapillarwirkung – Das Wichtigste
- Die Kapillarwirkung beschreibt das Verhalten von Flüssigkeiten in Bezug auf Kapillaren.
- Kapillaren sind lange Hohlräume mit kleinem Durchmesser.
- Die Adhäsionskraft wirkt an Grenzflächen zwischen zwei Phasen. Sie beschreibt, wie groß die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen der unterschiedlichen Körper sind.
- Die Kohäsionskraft beschreibt, wie groß die Anziehungskräfte zwischen den Teilchen desselben Körpers sind.
- Ist die Adhäsionskraft größer als die Kohäsionskraft, so ist eine Kapillaraszension zu beobachten, die Flüssigkeit steigt in der Kapillare an und bildet einen konkaven Flüssigkeitsspiegel.
- Ist die Kohäsionskraft größer als die Adhäsionskraft, so ist die Kapillardepression zu beobachten, die Flüssigkeit sinkt in der Kapillare ab und bildet einen konvexen Flüssigkeitsspiegel.
- Mithilfe der Kapillargleichung kann man die Steighöhe der Flüssigkeit berechnen.
Nachweise
- Chemie.de: Kapillarität. (09.06.2022)
- Chemie.de: Adhäsion. (09.06.2022)
- Chemie.de: Kohäsion_(Chemie). (09.06.2022)
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Häufig gestellte Fragen zum Thema Kapillarwirkung
Wie funktioniert Kapillarwirkung?
Der Kapillareffekt ist in Kapillaren zu beobachten. Kapillaren sind Hohlräume, in Feststoffen, mit kleinem Radius. In diesen Kapillaren können sich Kapillarkräfte ausbilden, die zu einem Ansteigen bzw. Absinken einer Flüssigkeit im Kapillar führen kann.
Wie hoch kann Wasser durch die Kapillarwirkung steigen?
Wasser kann durch die Kapillarwirkung höchstens bis zum Ende des Kapillars steigen. Es steigt solange, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Kraft der Oberflächenspannung und der Gewichtskraft des Wassers gebildet hat.
Was ist der Kapillareffekt?
Die Kapillarwirkung, auch Kapillareffekt oder Kapillarität genannt, beschreibt das Verhalten von Flüssigkeiten im Bezug auf Kapillaren.
Dabei kann die Flüssigkeit im Kapillar ansteigen (Kapillaraszension) oder absinken (Kapillardepression).
Wo findet die Kapillarwirkung statt?
Die Kapillarwirkung beschreibt das Verhalten von Flüssigkeiten im Bezug auf Kapillaren. Dies sind Holhräume, in Feststoffen, die einen kleinen Radius besitzen. In diesen Kapillaren können sich Kapillarkräfte ausbilden.
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