Kapillarkräfte

Kapillarkräfte sind Kräfte, die an der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit und einem Feststoff wirken und dazu führen, dass eine Flüssigkeit in engen Spalten, Röhren oder porösen Materialien angezogen wird oder in ihnen steigt. Sie entstehen aus dem Zusammenspiel von Adhäsion (Anziehung zwischen Flüssigkeit und Feststoff), Kohäsion (Anziehung zwischen Flüssigkeitsmolekülen) und der Oberflächenspannung der Flüssigkeit.

Der grundlegende Mechanismus beruht darauf, dass Flüssigkeit an der Feststoffoberfläche eine gekrümmte Grenzfläche bildet (Meniskus). Diese Krümmung erzeugt einen capillaren Druck, der durch Δp = 2γ cos θ / r beschrieben wird, wobei γ die Oberflächenspannung, θ der Kontaktwinkel der Flüssigkeit mit dem Feststoff und r der Radius des betrachteten Kapillars ist. In einem vertikalen Kapillarröhrchen führt das Gleichgewicht zwischen diesem Druck und dem Gewicht der Flüssigkeit zu einer aufwärts gerichteten Kapillarkraft, die die Flüssigkeit gegen die Gravitation steigen lässt. Dies wird durch Jurin’s Gesetz beschrieben: h = 2γ cos θ / (ρ g r), wobei h die maximale Aufstiegshöhe, ρ die Dichte der Flüssigkeit, g die Erdbeschleunigung und r der Innenradius des Röhrchens ist.

Die Stärke der Kapillarkraft hängt wesentlich vom Kontaktwinkel ab: Hydrophile Oberflächen (kleiner θ) fördern das Aufsteigen, hydrophobe Oberflächen (großer θ) hemmen es oder verursachen Entwässerung. Kleiner Rohrdurchmesser (kleines r) verstärkt die Kraft.

Kapillarkräfte sind besonders bedeutend in Mikro- und Nanoumgebungen sowie inPorenstrukturen: Pflanzenwasserführung, Tintenstrahldruck, Papiereinlagerung, Textilien und mikrofluidische Systeme.