Kapillarwirkung

Kapillarwirkung, auch Kapillarität, ist die Eigenschaft von Flüssigkeiten, in engen Spalten, Röhren oder Poren aufgrund der Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Feststoff aufzusteigen oder abzusinken. Sie beruht auf Adhäsion der Flüssigkeit an der Wand und Kohäsion der Flüssigkeit selbst; durch diese Kräfte entsteht ein gekrümmter Meniskus, und die Oberflächenspannung wirkt so, dass eine vertikale Komponente der Kraft wirkt, die den Flüssigkeitskolumnenaufstieg ermöglicht, sofern die Flüssigkeit die Wand gut benetzt (kleiner bzw. negativer Kontaktwinkel θ).

Die Höhe des in einem vertikalen Kapillarröhrchen aufsteigenden oder absenkenden Wassers lässt sich durch Jurins Gesetz beschreiben: h = (2 σ cos θ) / (ρ g r). Dabei ist σ die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, θ der Kontaktwinkel zur Wand, ρ die Dichte der Flüssigkeit, g die Erdbeschleunigung und r der Radius des Kapillarröhrchens. Ist θ kleiner als 90°, steigt die Flüssigkeit; bei θ größer als 90° sinkt sie. Je kleiner das Rohrradius, desto höher steigt die Flüssigkeit (bis zu praktischen Grenzen durch Viskosität und Gravitation).

Bedeutende Einflussfaktoren sind der Radius der Kapillare, die Oberflächenspannung, der Kontaktwinkel und die Flüssigkeitsdichte. In Porenmaterialien wirkt die Kapillarwirkung zusammen mit Tortuosität und Heterogenität, wodurch Kapillarzug oder -druck in Böden, Pelz, Papier oder Gewebe entsteht.

Anwendungen finden sich in Pflanzen (Xylemtransport), in der Bodenkunde (Kapillaraufstieg von Wasser), in der Papier- und Drucktechnik sowie in der Chromatographie und in mikrofluidischen Systemen. Der Begriff Kapillarität leitet sich aus dem lateinischen capillus „Haar“ ab und verweist auf die haarfeinen Strukturen, in denen das Phänomen sichtbar wird.