Flüssigkeitsoberflächen

Die Flüssigkeitsoberfläche ist die Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und dem umgebenden Medium, meist Luft. Durch die Anziehungskräfte zwischen Molekülen entsteht eine Oberflächenspannung, die die Oberfläche dazu neigen lässt, eine möglichst kleine Fläche einzunehmen und Tropfen oder Blasen zu bilden. Form und Lage der Oberfläche ergeben sich aus dem Gleichgewicht von Oberflächenspannung, Gravitation, Druckunterschieden und äußeren Feldern sowie aus chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit.

Wichtige Größen sind die Oberflächenspannung gamma, die Dichte der Flüssigkeit, Temperatur und der Einfluss von Verunreinigungen oder Tensiden. Der Kontaktwinkel theta beschreibt, wie eine Flüssigkeit an einer festen Oberfläche haftet, und beeinflusst das Verhalten von Tropfen auf Oberflächen. In mikroskopischen Maßstäben dominiert die Oberflächenspannung, während bei größeren Längen die Gravitation dominiert. Die charakteristische Kapillarlänge l_c = sqrt(gamma/(rho g)) trennt die beiden Zonen.

Zu den typischen Phänomenen gehören Oberflächenwellen, Kapillareffekte in engen Röhren und Tropfenbildung. Dynamische Eigenschaften werden durch Größen wie Reynoldszahl, Viskosität und Oberflächenspannung bestimmt. Verunreinigungen oder Tenside können die Oberflächenspannung senken und das Verhalten der Oberfläche erheblich beeinflussen.

Messungen erfolgen mithilfe von Tensiometern, Pendant-Droplet- oder Wilhelmy-Plattenverfahren sowie durch Messung des Kontaktwinkels. Anwendungen reichen von Tropfenbildung in Spritzen und Mikrofluidik bis zu Verdunstungsprozessen, Materialprüfungen und meteorologischen Phänomenen wie Tropfen- und Wolkenbildung.