Grenzflächenarbeit

Grenzflächenarbeit bezeichnet in der Thermodynamik die reversible Arbeit, die notwendig ist, um die Grenzfläche zwischen zwei Phasen zu schaffen oder deren Fläche zu verändern. Sie ist eng mit der interfacialen Spannung oder Grenzflächenspannung gamma verbunden, die die Energie pro Flächeneinheit der Grenzfläche angibt.

Bei konstantem Temperatur- und Druckverlauf gilt dW = gamma dA. Daraus folgt, dass die Arbeit, um eine Grenzfläche der Fläche A zu erzeugen, W = gamma A, vorausgesetzt, die Zusammensetzung und das Volumen bleiben im betrachteten Vorgang konstant. In mehrphasigen Systemen kann zusätzlich Linienspannung auftreten, insbesondere wenn Grenzflächen an Feststoffen angrenzen; diese Effekte sind meist klein im Vergleich zur Grenzflächenspannung.

Grenzflächenarbeit spielt eine zentrale Rolle in vielen Prozessen wie der Emulsionserzeugung, der Tropfenbildung in der Mikrofluidik, dem Benetzungsverhalten von Oberflächen, Reinigungs- und Waschprozessen sowie in der Kolloidchemie. Sie erklärt, warum bestimmte Zustände durch Bildung oder Verkleinern von Grenzflächen energetisch stabil oder instabil werden. Die Größe der Grenzflächenspannung hängt von Temperatur, Zusammensetzung und dem Zustand der beteiligten Phasen ab.

Messungen der Grenzflächenspannung gamma erfolgen durch verschiedene Verfahren, etwa Pendant-Drop- oder Spinning-Drop-Methoden, die die Energieänderung bei Änderung der Grenzfläche erfassen.

Siehe auch: Oberflächenspannung, Kapillarismus, Grenzflächenenergie, Young-Gleichung, Emulsion.