mini|Wasser bildet im freien Fall aufgrund der Oberflächenspannung Tropfen, die annähernd kugelförmig sind.
Die Oberflächenspannung (Symbol: , ersatzweise ) ist die infolge von Molekularkräften auftretende Erscheinung bei Flüssigkeiten, ihre Oberfläche klein zu halten. Die Oberfläche einer Flüssigkeit verhält sich ähnlich einer gespannten, elastischen Folie. Dieser Effekt ist zum Beispiel die Ursache dafür, dass Wasser Tropfen bildet,Charles E. Mortimer, Ulrich Müller, Johannes Beck: Chemie: Das Basiswissen der Chemie. Stuttgart 2015, ISBN 978-3-13-484312-5, S. 174. und trägt dazu bei, dass einige Insekten über das Wasser laufen können oder eine Rasierklinge auf Wasser „schwimmt“. mini|Wasserläuferpaar nutzt die Oberflächenspannung
Eine Oberflächenspannung ist im engeren Sinne nur dann gegeben, wenn die Flüssigkeit an ihre eigene gesättigte Dampfphase grenzt. In allen anderen Fällen handelt es sich korrekterweise um Grenzflächenspannungen. Auf ein Randmolekül wirken dann sowohl Kohäsionskräfte in die Flüssigkeit hinein als auch Adhäsionskräfte in Richtung des angrenzenden Mediums. Gemessen wird sie in der SI-Einheit N/m.
Verschiedene von Oberflächen- und Grenzflächenspannung verursachte Phänomene werden unter dem Begriff Kapillarität zusammengefasst.
Bedeutung mini|Links: Querschnitt eines Flüssigkeitstropfens. An der gekrümmten Stelle ist die Wirkungsrichtung der Oberflächenspannung eingezeichnet. Rechts: Das Resultat der Wirkung der Oberflächenspannung. Der Tropfen hat infolge des Zuges an der Flüssigkeitsoberfläche kugelförmige Gestalt angenommen.
Die Oberflächenspannung ist eine ziehende Kraft, die an der Oberfläche einer Flüssigkeit lokalisiert ist und ihre Wirkungsrichtung ist parallel zur Flüssigkeitsoberfläche. Demnach steht eine Flüssigkeitsoberfläche stets unter Spannung. Eine Flüssigkeitsoberfläche kann somit mit einer leicht gespannten dünnen Folie verglichen werden, bloß dass die Spannung nicht von der Dehnung abhängt.
mini|Die Oberflächenspannung des Wassers trägt eine Büroklammer
Die Oberflächenspannung verleiht einer Flüssigkeitsoberfläche spezielle Eigenschaften. So können nichtbenetzte Objekte von einer Wasseroberfläche getragen werden, solange ihr Gewicht nicht ausreicht, um die Oberflächenspannung zu überwinden. Anschaulich wird dies, wenn man beispielsweise eine Büroklammer – aus fettigem Eisendraht – auf eine Wasseroberfläche legt. Sie wird nicht oder nur teilweise benetzt, sinkt etwas unter den Wasserspiegel, nimmt dabei aber die Oberfläche mit, dellt sie ein. Die Oberflächenspannung greift mit vertikalen Kraftkomponenten an der Büroklammer an und trägt diese. Dieser Effekt wird auch von Lebewesen wie dem Wasserläufer ausgenutzt, um auf einer Wasseroberfläche laufen zu können.
Die Oberflächenspannung ist die Ursache dafür, dass Flüssigkeiten kugelförmige Gestalt annehmen, wenn keine anderen Kräfte auf sie wirken. Ein Beispiel dafür sind Flüssigkeitstropfen in der Schwerelosigkeit einer Raumstation. Auch in Abwesenheit der Gravitation baut sich in Tropfen ein Druck auf, dort ist jedoch der Innendruck kein Resultat der Schwerebeschleunigung, sondern der Oberflächenspannung.
Nach Quecksilber als Spitzenreiter unter den Reinstoffen hat Wasser eine besonders hohe Oberflächenspannung. Diese sinkt mit steigender Temperatur deutlich und kann durch Hinzufügen schon geringer Mengen oberflächenaktiver Stoffe (Tenside) deutlich reduziert werden.
Bei Flüssigkeiten, bei denen oberflächenaktive Moleküle zugegeben wurden, ist die resultierende Oberflächenspannung bis zur Einstellung eines Gleichgewichts zeitabhängig, da sich die zugegebenen Tenside erst in der Flüssigkeit verteilen müssen. Wird der zeitabhängige Wert erfasst, handelt es sich um die dynamische Oberflächenspannung. Ist dieses Gleichgewicht eingetreten, wird von der statischen Oberflächenspannung gesprochen.
Löst man ein Salz in einer Flüssigkeit, nimmt die Oberflächenspannung zu, da aufgrund der gelösten Ionen zusätzliche Coulomb-Kräfte in der Lösung auftreten.
Ein praktisches Beispiel sind besonders kleine Wassertröpfchen. Zur Erklärung denke man sich eine Flüssigkeit, deren Gestalt nicht kugelförmig ist. Die Oberflächenspannung greift parallel zur Flüssigkeitsoberfläche an und gleicht lokal abweichende Krümmungen aus.
Wenn andere Kräfte auf einen Flüssigkeitstropfen wirken, so weicht dessen Gestalt von der kugelförmigen ab. Ein Beispiel dafür sind Regentropfen von mehr als 1 mm Durchmesser und Flüssigkeitstropfen auf einer Festkörperoberfläche, wo zusätzlich anziehende Kräfte zwischen Festkörper und Flüssigkeit wirken (Adhäsion). Je höher die Adhäsion zwischen Festkörper und Flüssigkeit ist, desto mehr weicht die Form des Tropfens von der kugelförmigen ab: er wird flacher oder es bildet sich ein durchgehender Flüssigkeitsfilm, der die Festkörperoberfläche benetzt. Angemerkt sei außerdem, dass ein Zusammenhang zwischen der Viskosität einer Flüssigkeit und ihrer Oberflächenspannung existiert.
Physikalischer Hintergrund mini|Flüssigkeit eingespannt in einem Bügel. Eine Kraft zieht parallel zum Flüssigkeitsfilm und vergrößert dessen Oberfläche (vorder- und rückseitig) um . Es gibt zwei Definitionen der Oberflächenspannung, die konsistent sind. Einerseits die mechanische Definition, nach der die Oberflächenspannung eine Kraft pro Länge ist, und die thermodynamische, wonach die Oberflächenspannung eine Energie pro Fläche ist.
Mechanische Definition Die mechanische Definition lässt sich anhand eines Bügels mit der Breite erklären, in dem ein Flüssigkeitsfilm eingespannt ist. Wenn der Flüssigkeitsfilm durch eine Kraft parallel zur Oberfläche und senkrecht zu um auseinandergezogen wird, so wird am Film die Arbeit verrichtet und die Oberfläche wächst um (Faktor 2 wegen Vorder- und Rückseite des Films). Die Oberflächenspannung ist das Verhältnis . Demnach handelt es sich bei der Oberflächenspannung um eine Kraft pro Länge, die parallel zur Flüssigkeitsoberfläche gerichtet ist.
Die Richtigkeit der Vorstellung der Oberflächenspannung als Kraft parallel zur Oberfläche zeigt sich in zahlreichen Messmethoden und Effekten wie der Bügelmethode, der Kapillarität oder dem Kontaktwinkel.B. Lautrup: Physics of Continuous Matter. CRC Press, Boca Raton 2011, ISBN 978-1-4200-7700-1.
Thermodynamische Definition Die thermodynamische Vorstellung der Oberflächenspannung als Energie pro Fläche rührt von dem Bild her, dass an der Flüssigkeitsoberfläche die Symmetrie der Flüssigkeitsmoleküle gestört ist. Das Fehlen von Flüssigkeitsmolekülen vertikal zur Flüssigkeitsoberfläche und die somit „fehlende“ Bindungsenergie muss durch eine positive Energie kompensiert werden. Um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern, benötigt man Energie, wobei die Oberflächenspannung definiert ist als Energie, die man benötigt, um die Flüssigkeitsoberfläche um eine Einheitsfläche zu vergrößern. Somit folgt , womit die Analogie der Vorstellung „fehlender Bindungsenergie“ zur mechanischen Definition gezeigt ist.
Diese anschauliche Interpretation ist jedoch noch nicht ausreichend um die Oberflächenspannung thermodynamisch zu definieren. Um dies zu tun geht man von der Änderung der freien Enthalpie bei konstanter Temperatur und konstantem Druck aus, welche durch Gleichung (1) beschrieben wird, wobei die Enthalpie, die Temperatur und die Entropie kennzeichnet.
Man kann diese Gleichung umschreiben, indem man die Definition der Enthalpie einsetzt und berücksichtigt, dass gilt.
mini|Durch die Oberflächenspannung wölbt sich das Getränk über dem Glas.
Für die Änderung der inneren Energie wird eingesetzt, wobei für die verrichtete Arbeit steht. Für die Wärmemenge gilt . Daraus folgt:
Der Ausdruck für die Arbeit kann in einen Term für die Volumenarbeit und nicht expansive Arbeit zerlegt werden.
Bei konstanter Temperatur und konstantem Druck entspricht die Änderung der freien Enthalpie der nicht expansiven Arbeit. Dieser Ausdruck kann nun in Verbindung mit der Oberflächenspannung gebracht werden. Sofern nur Arbeit aufgewendet wird um die Oberfläche einer Flüssigkeit zu vergrößern so entspricht diese dem Ausdruck . Da nun die Oberflächenspannung als Arbeit pro Einheitsfläche definiert ist, muss noch die Oberfläche der Flüssigkeit berücksichtigt werden. Somit folgt:
Die Oberflächenspannung ist somit thermodynamisch als partielle Ableitung der freien Enthalpie nach der Oberfläche bei konstanter Temperatur und konstantem Druck definiert.
Molekulare Theorie zur Oberflächenspannung mini|Schematische Darstellung des Lennard-Jones-Potentials in Abhängigkeit von der Distanz r. Die Vorstellung der fehlenden Flüssigkeitsmoleküle an der Oberfläche verleitet intuitiv zu der Annahme, dass die Oberflächenspannung eine Kraft vertikal zur Flüssigkeitsoberfläche sei. Dies stimmt jedoch nicht mit der mechanischen Definition der Oberflächenspannung überein. Um die mechanische Definition hierbei in Einklang mit der thermodynamischen zu bringen, muss man berücksichtigen, dass innerhalb einer Flüssigkeit sowohl anziehende als auch abstoßende Kräfte auf ein Molekül wirken. Während in einem Festkörper lokal entweder anziehende oder abstoßende Kräfte wirken, da sich die Teilchen an fixierten Plätzen befinden, so sind in einer Flüssigkeit die Moleküle beweglich. Die Abstände zwischen den Flüssigkeitsmolekülen können sich verändern und somit können auf ein Flüssigkeitsteilchen abstoßende und auch anziehende Kräfte wirken. Dieser Sachverhalt kann auch in einem Lennard-Jones-Potential veranschaulicht werden. Dieses beschreibt allgemein das Potential zwischen zwei ungeladenen Teilchen in Abhängigkeit von deren Distanz. Geraten die Teilchen bei kurzen Distanzen in Kontakt, so stoßen sie sich ab, während sie sich bei größeren Distanzen anziehen. Während in einem Festkörper der Abstand zwischen zwei Teilchen fixiert ist, kann sich dieser in einer Flüssigkeit aufgrund der thermischen Bewegung ändern, was anziehende und auch abstoßende Kräfte auf ein Flüssigkeitsmolekül ermöglicht. Im Bild rechts ist eine schematische Darstellung eines Lennard-Jones-Potentials abgebildet, das die Kräfte zwischen Flüssigkeitsmolekülen erklärt. Haben die Flüssigkeitsmoleküle Kontakt, so stoßen sie sich ab (oranger Bereich), während sie sich bei großen Distanzen anziehen (blauer Bereich). In einer Flüssigkeit ändern sich die Abstände zwischen den Teilchen ständig aufgrund der Wärmebewegung, was durch den schwarzen Doppelpfeil in der Abbildung dargestellt ist. Somit können auf ein Flüssigkeitsmolekül sowohl anziehende als auch abstoßende Kräfte wirken.
Man kann die abstoßenden Kräfte als Kontaktkräfte interpretieren. Aufgrund dessen kann deren Wirkung im Raum als richtungsunabhängig, also isotrop angesehen werden. Die anziehenden Kräfte innerhalb einer Flüssigkeit wirken bei weiteren Entfernungen, sind bedingt durch die Struktur der Moleküle und können als richtungsabhängig im Raum, also anisotrop angesehen werden.
mini|Darstellung der Kräfte, die auf ein Molekül an der Flüssigkeitsoberfläche und im Flüssigkeitsinneren wirken. An der Phasengrenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gasphase ändert sich die Dichte der Flüssigkeit sprunghaft im Bereich weniger Moleküllängen, bis sie konstant auf dem Wert des Flüssigkeitsinneren bleibt. Dies bewirkt, dass auch die abstoßenden Kräfte in der Flüssigkeit sprunghaft an der Oberfläche größer werden, bis sie den konstanten Wert des Flüssigkeitsinneren erreichen, wobei dieser Anstieg in alle Raumrichtungen gleich groß ist aufgrund der isotropen Natur der abstoßenden Kräfte.