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Kapillarität und Diffusion

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Bild 1: Kapillarität in einem Mauerstein

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:

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Bild 2: Kapillaraszension von Wasser und Kapillardepression von Quecksilber

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.

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Diffusion

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Bild 3: 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.
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Bild 3: Thermische Teilchen-Bewegung in Wasser, aufgenommen mit einem SPI-Mikroskop

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.
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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.



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