2.3 Molekulare Kräfte (in Flüssigkeiten) Flüssigkeit kondensierte Form der Materie molekulare Kräfte zwischen den mikroskopischen Teilchen (Atome, Moleküle) Größe solcher Kräfte: Kompressibilität k der Flüssigkeit inner-(intra-) molekulare Kräfte zwischen-(inter-) molekulare Kräfte Unterschied Laplace-Gesetz Zerreißfestigkeit einer Flüssigkeitssäule Beispiel Wasser: k = 4·10-10 Pa-1 DV/V = 4·10-5 bei Druck von 105Pa=1 bar Flüssigkeiten sind elastisch hart! Kräfte zwischen zwei polierten Glasflächen als Modell für zwei benachbarte Flüssigkeitsschichten Kohäsion Kontakt Gewicht mit 10kg 100N
Mikroskopische Betrachtung Kräfte auf ein Molekül durch die umgebenden Moleküle R F D x mittlere Schichtdicke Oberfläche Kohäsion intermolekulare Kräfte F = R Arbeitsleistung zur Vergrößerung der Oberfläche Oberflächenspannung s Schwimmende Rasierklinge Spannen einer Oberfläche z.B. Lamelle b Wenn Vor- und Rückseite der Lamelle beachtet wird, ist dieser Ausdruck 2s. F Dx Beispiel s(H2O) = 7.3·10-2J/m2
Oberflächenspannung und Tropfenbildung Pipettenende Tropfen reißt ab, wenn: Schwerkraft > Kraft durch Oberflächenspannung Geometrie Material Tropfenform: Kugel, wenn frei schwebend Hg Druck in der Kugel durch Oberflächenspannung: r Volumenvergrößerung Hubarbeit: p·DV Oberflächenvergrößerung Oberflächenenergie: sDA Beispiel Wasser s(20°C) = 7,3·10-2J/m2 r =1 mm Innendruck p =14,6 Pa = 0,1 mmHg ziemlich klein sehr kleiner Tropfen (Modell: ein Molekül umgeben von einer Schicht Moleküle) R 2Å = 2·10-10m p = 7,3·108 Pa 104bar, etwa eine Wassersäule von 100km Schwerkraft des Tropfens nur 2Å Säule molekularen Kräfte sind groß gegenüber Schwerkraft
Hg-Tropfen 30 Sekunden 15 Tropfen 0 Sekunden 205 Tropfen Statistische Verkleinerung der Gesamtoberfläche Minimum der Oberflächenenergie Hg-Tropfen Video
Adhäsion Zwischen-(inter-) molekulare Kräfte zwischen Grenzflächen unterschiedlicher Materialien Gleichgewicht zwischen Kohäsion und Adhäsion Form der Grenzflächen unvollkommen benetzend benetzend nicht benetzend Meniskus Adhäsion>>Kohäsion Adhäsion>Kohäsion Adhäsion<<Kohäsion Wasser/Glas Quecksilber Hg /Glas Kapillarkräfte: Spezialfall von Kohäsion und Adhäsion biologische Systeme Hg/Glas H2O/Glas Aszension Depression Saugfähigkeit Zellstoff