Kapillarwirkung

Wie kann das Wasser, das Bäume zum Überleben benötigen, bis in die Spitzen der Bäume gelangen?

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

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

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.

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.

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.

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.

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:

$$\begin{gathered} \mathrm{\sigma }=\mathrm{Oberflächenspannung}\mathrm{der}\mathrm{Flüssigkeit} \\ \mathrm{\theta }=\mathrm{Kontaktwinkel}\mathrm{der}\mathrm{Flüssigkeit}\mathrm{an}\mathrm{der}\mathrm{Kontaktstelle} \\ \mathrm{\rho }=\mathrm{Dichte}\mathrm{der}\mathrm{Flüssigkeit} \\ \mathrm{g}\hspace{0.17em}=\mathrm{Schwerebeschleunigung}(\mathrm{ist}\mathrm{ortsabhängig}: \\ \mathrm{am}\mathrm{Äquator}\mathrm{der}\mathrm{Erde}:9,79\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}, \\ \mathrm{an}\mathrm{den}\mathrm{Polen}\mathrm{der}\mathrm{Erde}:9,83\frac{\mathrm{N}}{\mathrm{kg}}) \\ \mathrm{r}\hspace{0.17em}=\hspace{0.17em}\mathrm{Radius}\mathrm{der}\mathrm{Röhre} \\ \mathrm{h}\hspace{0.17em}=\mathrm{Steigungshöhe}\mathrm{der}\mathrm{Flüssigkeit} \end{gathered}$$

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.