Einen dicken Nagel kann man verbiegen. Ein Kugelschreiber behält eine bestimmte Form. Kreide haftet an der Tafel, Farbe an der Wand. Das alles zeigt, dass sowohl zwischen den Teilchen eines Körpers (z. B. Nagel) als auch zwischen den Teilchen verschiedener Stoffe (z. B. Farbe und Wand) anziehende Kräfte wirken.
Kohäsion und
Kohäsionskräfte
Die Erscheinung, dass zwischen den Teilchen eines Körpers anziehende
Kräfte wirken, wird als Kohäsion
bezeichnet. Die entsprechenden Kräfte nennt man Kohäsionskräfte
(Bild 1). Kohäsionskräfte bewirken die Festigkeit und Elastizität
von Körpern. Sie sind bei festen Körpern groß, bei Flüssigkeiten
geringer und bei Gasen sehr klein. Die Kohäsionskräfte sind
elektrischen Ursprungs und werden auch nach ihrem Entdecker, dem niederländischen
Physiker JOHANNES DIDERIK VAN DER WAALS (1837-1923), van
der waalssche Kräfte genannt.
Fallen die Schwerpunkte der positiven und negativen Ladung eines Moleküls
oder Atoms nicht zusammen, so entsteht ein elektrischer Dipol.
Der ruft im benachbarten Molekül oder Atom eine entgegengerichtete
Polarisation hervor, was eine schwache Anziehung zur Folge hat, die Kohäsionskraft.
Adhäsion
und Adhäsionskräfte
Die Erscheinung, dass zwischen den Teilchen verschiedener Körper
anziehende Kräfte wirken, wird als Adhäsion
bezeichnet. Die entsprechenden Kräfte nennt man Adhäsionskräfte
(Bild 2).
Adhäsionskräfte bewirken das Haften verschiedener Körper
aneinander (Kreide an der Tafel, Farbe an der Wand, Leim an Holz). Auch
die Wirkungsweise von Klebstoffen
beruht auf der Adhäsion. Der Betrag von Adhäsionskräften
hängt von den jeweiligen Stoffen ab und kann sehr unterschiedlich
sein. Bei Klebstoffen, Farben und Lacken ist er besonders groß,
bei den meisten anderen Stoffen relativ klein.
Adhäsion tritt z. B. auch zwischen Wasser und
den Gefäßwänden auf, etwa bei Messzylindern. Aufgrund
der Adhäsionskräfte kommt es zu einer Randkrümmung (Bild
3). Beim Ablesen an Messzylindern muss man diese Randkrümmung
beachten. So beträgt das Volumen in Bild 3 nicht 8 ml, sondern 7
ml.
Vollkommene und
unvollkommene Benetzung
Berührt eine Flüssigkeit eine feste Unterlage, so können
zwei unterschiedliche Situationen auftreten.
- Sind die wirkenden Adhäsionskräfte zwischen
der Flüssigkeit und der Unterlage größer als die Kohäsionskräfte
im Innern der Flüssigkeit, so läuft sie auseinander (Bild
4). Man nennt das eine vollkommene
Benetzung. Für den Winkel (Bild 4 links) gilt:
- Sind die wirkenden Adhäsionskräfte kleiner
als die Kohäsionskräfte der Flüssigkeit, so zieht sie
sich tropfenförmig zusammen (Bild 4 rechts). Es liegt dann eine
unvollkommene Benetzung
vor. Für den Winkel gilt nun:
Die Oberflächenspannung
- eine Folge der Kohäsion
Im Innern einer Flüssigkeit heben sich die Kohäsionskräfte
auf, da jedes Molekül von gleichartigen Molekülen umgeben ist.
Anders dagegen ist die Situation an der Oberfläche. Dort fehlen die
nach außen gerichteten Kräfte, was eine resultierende Kraft
in Richtung Inneres der Flüssigkeit zur Folge hat. Um ein Molekül
an die Wasseroberfläche zu bringen, muss daher Arbeit gegen diese
resultierende Kraft geleistet werden. Die Teilchen der oberen Flüssigkeitsschicht
besitzen demzufolge auch eine größere potenzielle Energie,
die man Oberflächenenergie
nennt.
Da ein System stets in den Zustand kleinster Energie anstrebt, sind Flüssigkeitsoberflächen
immer Minimalflächen.
Dies erklärt, warum ein Tropfen eine Kugelform besitzt. Unter den
Körpern gleichen Volumens ist die Kugel der mit der kleinsten Oberfläche.
Will man eine Flüssigkeitsoberfläche vergrößern,
so muss eine bestimmte Arbeit aufgebracht werden. Der Quotient 
ist eine für die Flüssigkeit charakteristische Größe
und wird Oberflächenspannung
genannt. Es gilt also:
