Kapillarität und Diffusion werden in der Holzbearbeitung des Öfteren genutzt. Beispielsweise ist die Kapillarität wichtig beim Tränken von Holz in Holzschutzmittel. Die Kapillarwirkung ist auch nötig, damit Holz überhaupt erst einmal entstehen kann: Das Wasser im Baum gelangt so bis in den Baumwipfel.
Aber was genau ist Kapillarität und Diffusion? Ich habe im Folgenden einmal versucht, es auf einfache Weise zu erklären.
Kapillarität
Kapillarität oder der Kapillareffekt ist das Verhalten von Flüssigkeiten, die in Kontakt mit Kapillaren kommen. Kapillaren sind Hohlräume oder enge Röhren.
Versuch 1:
Teil 1: Fülle ein Glas Wasser zur Hälfte. Was passiert am Wasserrand? Teil 2: Fülle das Glas dann randvoll. Was passiert am Glasrand?
Ergebnis: Bei Teil 1 unseres Versuchs zieht sich das Wasser am Rand leicht die Glaswand nach oben. Bei Teil 2 kannst du das Glas sogar etwas über den Rand füllen, ohne dass etwas verschüttet wird.
Das Ergebnis war uns allen klar. Wer hat als Kind nicht schon versucht so viel Wasser wie möglich in ein Glas zu füllen? Aber die große Frage ist: Warum ist das möglich?
Durch die Kapillarwirkung, die sich aus Kohäsion und Adhäsion zusammensetzt. Bei Teil 1 des Versuchs ist die Adhäsion (die Kraft der Moleküle zwischen dem Wasser und dem Glas) größer als die Kohäsion (die Kraft der Moleküle im Wasser selbst). Bei Teil 2 dagegen überwiegt die nach innen gerichtete Kohäsion der Flüssigkeit. Es gibt zwei Formen von Kapillarität:
Kapillaraszension
Die Kapillaraszension ist bei Flüssigkeiten sichtbar, die das Material des Gefäßes, in dem sie sich befinden, benetzen. Das ist zum Beispiel bei Wasser der Fall. Es steigt im Gefäß auf und bildet eine konkave Oberfläche. Wie sich die Kapillaraszension in schmalen Röhren zeigt, siehst du in Bild 2, links.
Kapillardepression
Die Kapillardepression tritt auf, wenn die Flüssigkeit das Gefäß nicht benetzt. Das ist zum Beispiel dann der Fall, wenn du die Gefäßoberfläche einfettest und dann Wasser einfüllst, oder bei Quecksilber. Wie du in Bild 2, rechts sehen kannst, sinkt der Pegel in dem schmalen Rohr und hat eine konvexe Oberfläche.
Wusstest du schon?
Je kleiner der Durchmesser des Gefäßes, desto größer ist der Kapillardruck und somit auch die Steighöhe. Die Flüssigkeit steigt aufgrund der hohen Adhäsionskräfte an. Deshalb kann es nur bis zum Ende des Gefäßes steigen, auch wenn die Kapillarität noch mehr Steigung erlauben würde.
Wofür brauchen wir das im Holzhandwerk? Zum Beispiel beim Tränken von Holz in Holzschutzmittel. Weinstockpfähle (Vollholz) werden beispielsweise in einen mit Holzschutz gefüllten Behälter gestellt. Durch die Kapillarwirkung durchdringt das Holzschutzmittel nach und nach das ganze Holz.
Versuch 2:
Stelle einen Mauerstein ist eine Schüssel Wasser. Was geschieht?
Ergebnis: Der Stein saugt sich voll. (Siehe Bild 1)
Auch das Ergebnis hatten wir erwartet. Aber warum saugt sich der Stein voll? Wegen der Kapillarität oder Kapillarwirkung! Der Versuch zeigt auch, dass die Kapillarität bei porösen Stoffen sehr hoch ist.
Poröse Oberflächen haben eine besonders gute Saugkraft. Das wird beispielsweise beim Auftragen von Lacken genutzt. Die Oberfläche wird angeraut und damit zusätzliche Vertiefungen (Kapillaren) geschaffen. Die Farbe kann so besser aufsteigen und sich verankern.
Diffusion
Die Kapillarität zwischen zwei Flüssigkeiten oder Gasen nennt sich Diffusion. Diffusion führt mit der Zeit zu einer vollständigen Durchmischung zweier Flüssigkeiten. Das geschieht durch Teilchenbewegung.
Bild 3 zeigt, was passiert, wenn man eine farbige Flüssigkeit in einen Becher Wasser gibt. Mit der Zeit diffundiert die komplette Farbe in das Wasser.
Wusstest du schon?
Die Diffusion ist auch mit zähflüssigeren Flüssigkeiten möglich, zum Beispiel mit farbigem Sirup und Honig. Es ist sowohl möglich, den Sirup in den Honig zu diffundieren wie auch den Honig in den Sirup.
Das Interessante bei der Diffusion ist, dass die Flüssigkeit dabei nicht umgerührt noch das Gefäß bewegt wird. Die Durchmischung entsteht durch die thermische Bewegung der Teilchen.
Die Bewegung ist bei Flüssigkeiten anders als bei Gasen und bei festen Körpern. Gase machen geradlinige Bewegungen bis auf einige Stöße. Flüssigkeitsteilchen machen schnelle Bewegungen und viele Stöße. In festen Körpern findet nur hin und wieder ein Platztausch von zwei Teilchen statt.
Wusstest du schon?
Die Diffusion muss auch bei der Dämmung beachtet werden. Sobald ein Druckunterschied zwischen drinnen und draußen besteht, findet Diffusion statt. In der Regel im Winter von innen nach außen und im Sommer von außen nach innen.
Fazit
Kapillarität ist also das Verhalten von Flüssigkeiten in Kapillaren. Diffusion ist die vollständigen Durchmischung zweier Flüssigkeiten. Wir können uns solche physikalischen und Vorgänge in der Bearbeitung von Holz zu nutzen machen. Die Kapillarität und Diffusion helfen uns beispielsweise bei der Lackierung und Dämmung.
Hier noch weitere Versuche und Infos zum Thema, die dir gefallen werden:
Die farbige Blume: Du brauchst dafür eine weiße Blume, wasserlösliche Lebensmittelfarbe (oder Wasserfarbe) und ein Glas Wasser. Füge die Farbe ins Wasser und stell die Blume hinein. Beobachte, wie die Blume die Farbe aufsaugt. Es ist die Kapillarität in Aktion. Du siehst, wie das Wasser durch die Stängel steigt und die Blütenblätter färbt.
Experiment 2: Diffusion in Flüssigkeiten. Du brauchst ein Glas, Wasser und verschiedene Lebensmittelfarben. Fülle das Glas mit Wasser und gib vorsichtig einen Tropfen Lebensmittelfarbe hinzu, ohne das Wasser zu rühren. Du wirst beobachten, wie die Farbe sich langsam im Wasser ausbreitet. Das ist Diffusion!
Experiment 3: Der Magische Farbwechsel. Du brauchst zwei Gläser, Wasser, Lebensmittelfarbe und ein Stück Küchenpapier. Fülle ein Glas mit gefärbtem Wasser und das andere mit klarem Wasser. Lege das Küchenpapier so in die Gläser, dass es das gefärbte und das klare Wasser verbindet. Beobachte, wie das gefärbte Wasser durch das Papier wandert und das klare Wasser einfärbt. Hier haben wir sowohl Kapillarität als auch Diffusion.
Holzschutzmittel soll ja meist nicht nur eine Schutzschicht bilden, sondern richtig in das Holz eindringen. Aber wie geht das?
Holz ist zwar einerseits stark und robust, andererseits hat es aber auch feine Poren, die es fast wie einen Schwamm wirken lassen. Hier kommt die Diffusion ins Spiel. Sie ermöglicht es, dass sich Flüssigkeiten und Gase in diesen Poren ausbreiten und sie durchdringen.
Tauchst du ein Stück Holz in eine Dose mit Holzschutzmittel, breitet sich wegen der Diffusion das Mittel langsam im Holz aus. Es wandert von den Bereichen hoher Konzentration – also da, wo viel Holzschutzmittel ist – zu den Bereichen niedriger Konzentration – den tieferen, noch ungeschützten Teilen des Holzes. Dieser Prozess dauert einige Zeit, aber schließlich ist das Holz durch und durch geschützt.
Diffusion ist also eine Art natürlicher Ausgleich. Moleküle bewegen sich von Gebieten hoher Konzentration zu Gebieten niedriger Konzentration. Und das tun sie, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Bei unserem Holz bedeutet das, dass das Schutzmittel so lange wandert, bis es sich gleichmäßig verteilt hat.
Wie kannst du das für dein nächstes Projekt nutzen?
Wenn du Holzschutzmittel aufträgst, solltest du Geduld haben. Gib dem Mittel Zeit, sich vollständig auszubreiten. Dann bist du sicher, dass dein Holz vollständig geschützt ist.
Tipp: Achte darauf, dass das Holz trocken ist, bevor du das Schutzmittel aufträgst. Feuchtigkeit im Holz kann die Diffusion beeinflussen und verhindern, dass das Schutzmittel richtig eindringt.
Holz ist ein natürliches Material und das macht es so einzigartig. Jedes Stück hat seine eigene Struktur, seine eigene Maserung. Aber diese Natürlichkeit bringt auch Herausforderungen mit sich. Holz ist anfällig für Feuchtigkeit, Schädlinge und andere Einflüsse von außen. Hier kommt die Diffusion ins Spiel.
Die Diffusion ermöglicht es, dass Schutzmittel und andere Behandlungen tief in das Holz eindringen. Sie sorgt dafür, dass diese Behandlungen gleichmäßig verteilt werden und das Holz von innen heraus schützen. Das stärkt das Holz und verlängert seine Lebensdauer. Ein gut behandeltes Stück Holz kann jahrzehntelang halten. Siehe: „Diffusion beim Holzschutz“
Die Farbe des Holzes kann auch durch die Diffusion beeinflusst werden. Hast du schon mal bemerkt, wie die Farbe eines frisch gestrichenen Holzstücks nach einiger Zeit etwas dunkler wird? Das liegt an der Diffusion. Die Farbe dringt tiefer in das Holz ein und das verändert ihre Wirkung.
Die Diffusion kann auch Nachteile haben. Manchmal können unerwünschte Stoffe in das Holz eindringen. Das kann zu Flecken oder sogar zu Schäden führen. Deshalb ist es wichtig, das Holz gut zu schützen und regelmäßig zu kontrollieren.
Frisch gefälltes Holz ist feucht, sehr feucht sogar. Bis zu 50 % des Gewichts können Wasser sein!
Du denkst jetzt sicher: „Na und? Wasser ist doch gut!“
Ja, für Bäume schon. Aber nicht unbedingt für unser Bauholz. Feuchtes Holz neigt dazu, zu schrumpfen, zu verziehen und zu reißen, wenn es trocknet.
Hier kommt die Kapillarität ins Spiel. Stell dir das Holz wie ein Bündel winziger Röhrchen vor, die von den Wurzeln bis zu den Blättern des Baumes reichen. Diese Röhrchen, oder Kapillaren, ziehen Wasser nach oben, gegen die Schwerkraft. Ja, Bäume sind echte Naturwunder!
Aber was passiert, wenn der Baum gefällt wird? Die Kapillaren sind immer noch da und sie sind voller Wasser. Und hier beginnt der Trocknungsprozess.
Die Kapillarität zieht das Wasser aus dem Inneren des Holzes an die Oberfläche. Dort verdunstet es in die Luft.
Wie du dir vorstellen kannst, ist das ein langsamer Prozess. Und er muss sorgfältig überwacht werden. Zu schnelles Trocknen kann zu Rissen führen, zu langsames Trocknen kann zu Schimmel und Fäulnis führen.
Und hier sind wir Zimmerer gefragt. Wir messen die Feuchtigkeit im Holz, überprüfen auf Risse und drehen das Holz regelmäßig, um eine gleichmäßige Trocknung zu gewährleisten.
Trockenes Holz ist stärker, leichter und einfacher zu bearbeiten. Es nimmt Farben und Schutzmittel besser auf und es hält länger.
Hallo Samuel
Ich versteh den Beitrag nicht. Klar, hab ich auch schon alles irgendwie gehört. Aber verstehen tue ich es nicht. Dieses Röhrchenbild hab ich auch gesehen. Aber die Röhrchen selbst, nie. Ok, ist schon möglich, will es nicht anzweifeln, nur verstehen. Ich meine folgendes. Du kannst ja auch einen Balken mit Leinöl befeuchten und der sickert durch einen gesamten Balkenquerschnitt durch und härtet aus (das aushärten ist ne Eigenart von Leinöl) und dass Quer zur Faser. Hat sicher nix mit kapillar zu tun. Ok, Ich brauche kein Holzschutz der Durchdringt und ob der Baum nun durch Wurzeldruck, Kappilardruck, Verdunstung und Saugeffekte, (wie Wiki sagt) oder einen Aktiven pumpmechanismus wie Peter Wohlleben sagt ist mir jetzt auch egal.
Aber das andere Thema: Diffusion. Beschäftigt mich schon ne weile und da wird es verwirrend.
Was mich bei dir getriggert hat ist der Ziegelstein. Wiederhol den Aufbau mit 2 Ziegelsteinen und nem Mörtel dazwischen und erkläre es mir. Und warum ist es ausgerechnet beim Ziegel so, und so schnell. Aber bitte mach den Ziegel nicht so schlecht. Hat einiges gemeinsam mit Holz und passen auch gut zusammen. Ich kann mir jetzt vorstellen dass Wasser meinen ganzen Keller hochwandert und in die Schwelle vom Fachwerk kriecht. deshalb lege ich ne Bitumenbahn darunter, die Wiederrum kann nicht meiner Schwelle gut tun. Den sinn einer Absperrbahn hat mir auch noch niemand erklären können.
Gerade die Grundlagen sollten verstanden werden um in den Gebieten weiterzukommen.
Zu dem Flachdachthema, keine Tendenz sondern ganz klar der Fall, auch so wie Sie es beschreibt. Ein Durchnässter Sparrenzwischenraum. Das Wasser kommt auch nicht von Oben und ganz sicher nicht durch das Holz durchgedrungen! Wenn dann durch ne Fuge und wäre 100% sichtbar.
Grüße
Moin,
erst mal: Ich hab nichts gegen Ziegelsteine. Keine Sorge 😀
Naja, um das ganz einfach zu erklären: Wenn du ein Schwamm ins Wasser legst – was passiert da? Der Schwamm zieht das Wasser an. Keine Frage. Jetzt wiederhol das Ganze, aber leg zwischen Wasser und Schwamm eine Plastikfolie. Was passiert? Ich denke, es liegt auf der Hand. Das Gleiche macht man beim Holz auch: Es muss eine Trennschicht zwischen potentieller Feuchtigkeit und dem Holz eingebaut werden. Hast du das gemeint? Wenn nicht… meld dich gerne 😉
Hallo Samuel,
danke für die tolle Seite. Natürlich habe ich gleich eine Frage an den Fachmann:
Ist es zwingend notwendig, dass man immer (alte) Wasserspuren an Holz erkennen kann/muss oder kann es auch sein, dass Wasser durch Holz ohne Spuren durchdringt? Wir haben ein Flachdach (mit entsprechender Pappe abgedichtet) und darunter eine Holzkonstruktion. In den darunter liegenden Raum ist Wasser eingetreten, an der Decke war Wasser sichtbar. Als die DAchpappe einige Wochen nach Wassereintritt entfernt wurde, war das darunter liegende Holz trocken und auch eine Feuchtigkeitsmessung ergab trockenes Holz. Ein vermeintlicher „Fachmann“ meint nun, dass da also kein Wasser eingetrungen sein kann, man müsste sonst zwingend Wasserspuren erkennen und eine Messung müsste Feuchtigkeit ergeben. Nun ist die die Preisfrage, ob nach einiger zeit der Trockenheit das Holz soweit abtrocknet, dass nichts mehr zu sehen und zu messen ist.
Wenn Du mir dazu was sagen könntest, wäre ich echt dankbar. Ich kann natürlich auch gerne mal Fotos schicken.
DANKE
Hallo Stephanie,
tendenziell würde ich die Meinung teilen, aber du kann mir gerne Bilder zusenden.