Kapillarität

Kapillarwirkung von Wasser (polar) im Vergleich zu Quecksilber (unpolar), jeweils in Bezug auf eine polare Oberfläche wie Glas (≡Si-OH) ⓘ

Die Kapillarwirkung (manchmal auch Kapillarität, Kapillarbewegung, Kapillaraufstieg, Kapillareffekt oder Dochtwirkung genannt) ist der Vorgang, bei dem eine Flüssigkeit in einem engen Raum ohne Unterstützung durch äußere Kräfte wie die Schwerkraft oder sogar gegen sie fließt. Der Effekt kann beim Aufsaugen von Flüssigkeiten zwischen den Haaren eines Pinsels, in einer dünnen Röhre, in porösen Materialien wie Papier und Gips, in einigen nicht porösen Materialien wie Sand und verflüssigter Kohlefaser oder in einer biologischen Zelle beobachtet werden. Sie entsteht durch die intermolekularen Kräfte zwischen der Flüssigkeit und den umgebenden festen Oberflächen. Wenn der Durchmesser des Rohrs klein genug ist, wird die Flüssigkeit durch die Kombination von Oberflächenspannung (die durch die Kohäsion innerhalb der Flüssigkeit verursacht wird) und Adhäsionskräften zwischen der Flüssigkeit und der Behälterwand angetrieben. ⓘ

Kapillarfluss-Experiment zur Untersuchung von kapillarem Fluss und Phänomenen auf der Internationalen Raumstation. ⓘ

Kapillarität bewirkt, dass flüssiges Wachs im Docht zur Flamme aufsteigt und dass sich poröse Materialien wie Ziegel, Textilien und Papier mit Wasser vollsaugen. ⓘ

In nicht-porösem Material müssen feine Spalte vorliegen, um Wasser aufsteigen zu lassen. So steigt Wasser in einer engen Glasröhre und in genügend feinem Sand gegen die Gravitationskraft nach oben. ⓘ

Etymologie

Der Begriff Kapillare leitet sich vom lateinischen Wort capillaris ab, was so viel bedeutet wie "aus Haaren oder haarähnlich". Die Bedeutung rührt von dem winzigen, haarähnlichen Durchmesser einer Kapillare her. Das Wort Kapillare wird in der Regel als Substantiv verwendet, aber auch als Adjektiv, wie z. B. in Kapillarwirkung", bei der eine Flüssigkeit entgegen der Schwerkraft nach oben bewegt wird, da sie von der inneren Oberfläche der Kapillaren angezogen wird. ⓘ

Transpiration

Der Massenfluss von flüssigem Wasser von den Wurzeln zu den Blättern wird zum Teil durch Kapillarwirkung, in erster Linie aber durch Wasserpotenzialunterschiede angetrieben. Ist das Wasserpotenzial in der Umgebungsluft niedriger als das Wasserpotenzial im Blattluftraum an der Stomata-Pore, wandert der Wasserdampf den Gradienten hinunter und bewegt sich vom Blattluftraum in die Atmosphäre. Durch diese Bewegung sinkt das Wasserpotenzial im Blattluftraum und es kommt zur Verdunstung von flüssigem Wasser aus den Mesophyll-Zellwänden. Diese Verdunstung erhöht die Spannung auf die Wassermenisken in den Zellwänden und verringert deren Radius und damit die Spannung, die auf das Wasser in den Zellen ausgeübt wird. Aufgrund der kohäsiven Eigenschaften des Wassers überträgt sich die Spannung durch die Blattzellen auf das Blatt- und Stammxylem, wo ein vorübergehender Unterdruck entsteht, da das Wasser von den Wurzeln das Xylem hinaufgezogen wird. Bei der Verdunstung an der Blattoberfläche wirken die Eigenschaften von Adhäsion und Kohäsion zusammen, um Wassermoleküle von den Wurzeln durch das Xylemgewebe und durch die Spaltöffnungen aus der Pflanze zu ziehen. Bei höheren Pflanzen und Bäumen kann die Schwerkraft nur durch die Abnahme des hydrostatischen (Wasser-)Drucks in den oberen Pflanzenteilen überwunden werden, der durch die Diffusion von Wasser aus den Spaltöffnungen in die Atmosphäre entsteht. Das Wasser wird an den Wurzeln durch Osmose absorbiert, und alle gelösten Mineralstoffe werden durch das Xylem mitgeführt. ⓘ

Geschichte

Die erste dokumentierte Beobachtung der Kapillarwirkung stammt von Leonardo da Vinci. Ein ehemaliger Schüler von Galilei, Niccolò Aggiunti, soll die Kapillarwirkung untersucht haben. Im Jahr 1660 war die Kapillarwirkung für den irischen Chemiker Robert Boyle noch ein Novum, als er berichtete, dass "einige neugierige Franzosen" beobachtet hatten, dass das Wasser, wenn ein Kapillarrohr in Wasser getaucht wurde, "bis zu einer gewissen Höhe im Rohr" aufstieg. Boyle berichtete dann von einem Experiment, bei dem er ein Kapillarrohr in Rotwein tauchte und dann ein Teilvakuum anlegte. Er stellte fest, dass das Vakuum keinen erkennbaren Einfluss auf die Höhe der Flüssigkeit in der Kapillare hatte, so dass das Verhalten von Flüssigkeiten in Kapillarrohren auf ein anderes Phänomen zurückzuführen war als das, das Quecksilberbarometer beeinflusste. ⓘ

Andere folgten bald Boyles Beispiel. Einige (z. B. Honoré Fabri, Jacob Bernoulli) glaubten, dass Flüssigkeiten in Kapillaren aufstiegen, weil Luft nicht so leicht in Kapillaren eindringen konnte wie Flüssigkeiten, so dass der Luftdruck in Kapillaren geringer war. Andere (z. B. Isaac Vossius, Giovanni Alfonso Borelli, Louis Carré, Francis Hauksbee, Josia Weitbrecht) gingen davon aus, dass die Flüssigkeitsteilchen voneinander und von den Wänden der Kapillare angezogen werden. ⓘ

Obwohl die experimentellen Studien im 18. Jahrhundert fortgesetzt wurden, gelang es erst 1805 zwei Forschern, die Kapillarwirkung quantitativ zu beschreiben: Thomas Young aus dem Vereinigten Königreich und Pierre-Simon Laplace aus Frankreich. Sie leiteten die Young-Laplace-Gleichung der Kapillarwirkung ab. Bis 1830 hatte der deutsche Mathematiker Carl Friedrich Gauß die Randbedingungen für die Kapillarwirkung (d. h. die Bedingungen an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Festkörper) bestimmt. Im Jahr 1871 bestimmte der britische Physiker William Thomson, 1. Baron Kelvin, den Einfluss des Meniskus auf den Dampfdruck einer Flüssigkeit - eine Beziehung, die als Kelvin-Gleichung bekannt ist. Der deutsche Physiker Franz Ernst Neumann (1798-1895) bestimmte anschließend die Wechselwirkung zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten. ⓘ

Albert Einsteins erste Arbeit, die 1900 in den Annalen der Physik veröffentlicht wurde, befasste sich mit der Kapillarität. ⓘ

Phänomene und Physik

Kapillarströmungsexperiment zur Untersuchung von Kapillarströmungen und -phänomenen an Bord der Internationalen Raumstation ⓘ

Die Kapillardurchdringung in porösen Medien hat ihren dynamischen Mechanismus mit der Strömung in hohlen Rohren gemeinsam, da beiden Prozessen viskose Kräfte entgegenstehen. Ein gängiges Gerät zur Demonstration dieses Phänomens ist daher das Kapillarrohr. Wenn das untere Ende eines Glasrohrs in eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, getaucht wird, bildet sich ein konkaver Meniskus. Zwischen der Flüssigkeit und der festen Innenwand entsteht Adhäsion, die die Flüssigkeitssäule mitreißt, bis eine ausreichende Flüssigkeitsmasse vorhanden ist, so dass die Schwerkraft diese intermolekularen Kräfte überwindet. Die Kontaktlänge (um den Rand herum) zwischen der Spitze der Flüssigkeitssäule und dem Rohr ist proportional zum Radius des Rohrs, während das Gewicht der Flüssigkeitssäule proportional zum Quadrat des Rohrradius ist. Ein schmales Rohr zieht also eine Flüssigkeitssäule weiter als ein breiteres Rohr, sofern die inneren Wassermoleküle ausreichend mit den äußeren zusammenhängen. ⓘ

Beispiele

In der baulichen Umwelt ist die durch Verdunstung begrenzte Kapillardurchdringung für das Phänomen der aufsteigenden Feuchtigkeit in Beton und Mauerwerk verantwortlich, während dieses Phänomen in der Industrie und der diagnostischen Medizin zunehmend im Bereich der papierbasierten Mikrofluidik genutzt wird.

Wirkung des Einlegens eines porösen Ziegels in eine flache Wasserwanne

Mäßig aufsteigende Feuchtigkeit an einer Innenwand ⓘ

In der Physiologie ist die Kapillarwirkung für den Abfluss der kontinuierlich produzierten Tränenflüssigkeit aus dem Auge unerlässlich. Im inneren Augenlidwinkel befinden sich zwei Kanäle mit winzigem Durchmesser, die auch als Tränenkanäle bezeichnet werden; ihre Öffnungen sind mit bloßem Auge in den Tränensäcken zu sehen, wenn die Augenlider gekippt sind. ⓘ

Dochtwirkung ist die Absorption einer Flüssigkeit durch ein Material, ähnlich wie bei einem Kerzendocht. Papiertücher nehmen Flüssigkeit durch Kapillarwirkung auf, so dass eine Flüssigkeit von einer Oberfläche auf das Handtuch übertragen werden kann. Die kleinen Poren eines Schwamms wirken wie kleine Kapillaren, so dass er eine große Menge an Flüssigkeit aufnehmen kann. Man sagt, dass einige Textilgewebe die Kapillarwirkung nutzen, um Schweiß von der Haut wegzuleiten. In Anlehnung an die Kapillareigenschaften von Kerzen- und Lampendochten werden diese oft als Dochtgewebe bezeichnet. ⓘ

Die Kapillarwirkung wird bei der Dünnschichtchromatografie beobachtet, bei der sich ein Lösungsmittel durch Kapillarwirkung vertikal auf einer Platte nach oben bewegt. In diesem Fall sind die Poren Lücken zwischen sehr kleinen Partikeln. ⓘ

Durch die Kapillarwirkung wird Tinte aus einem Reservoir oder einer Patrone im Inneren des Füllfederhalters an die Spitze der Feder gezogen. ⓘ

Bei einigen Materialpaaren wie Quecksilber und Glas übersteigen die zwischenmolekularen Kräfte innerhalb der Flüssigkeit die Kräfte zwischen dem Festkörper und der Flüssigkeit, so dass sich ein konvexer Meniskus bildet und die Kapillarwirkung umgekehrt wirkt. ⓘ

In der Hydrologie beschreibt die Kapillarwirkung die Anziehungskraft von Wassermolekülen auf Bodenpartikel. Die Kapillarwirkung ist dafür verantwortlich, dass Grundwasser aus feuchten Bereichen des Bodens in trockene Bereiche fließt. Unterschiede im Bodenpotenzial ($\Psi _{m}$) bewirken die Kapillarwirkung im Boden. ⓘ

Eine praktische Anwendung der Kapillarwirkung ist der Siphon mit Kapillarwirkung. Anstelle eines hohlen Rohrs (wie bei den meisten Siphons) besteht dieses Gerät aus einem Stück Schnur aus einem faserigen Material (Baumwollschnur oder Faden eignen sich gut). Nachdem die Schnur mit Wasser gesättigt wurde, wird ein (beschwertes) Ende in ein mit Wasser gefülltes Reservoir und das andere Ende in ein Auffanggefäß gelegt. Das Reservoir muss höher sein als das Auffanggefäß. Ein verwandter, aber vereinfachter Kapillarsiphon besteht nur aus zwei hakenförmigen Edelstahlstäben, deren Oberfläche hydrophil ist, so dass Wasser die schmalen Rillen zwischen ihnen benetzen kann. Aufgrund der Kapillarwirkung und der Schwerkraft fließt das Wasser langsam vom Reservoir in das Aufnahmegefäß. Mit diesem einfachen Gerät lassen sich Zimmerpflanzen bewässern, wenn niemand zu Hause ist. Diese Eigenschaft macht man sich auch bei der Schmierung von Dampflokomotiven zunutze: Mit Dochten aus Kammwolle wird das Öl aus den Reservoirs in die zu den Lagern führenden Leitungen gezogen. ⓘ

Bei Pflanzen und Tieren

Die Kapillarwirkung ist bei vielen Pflanzen zu beobachten. Bei Bäumen wird das Wasser durch Verzweigung in die Höhe befördert; durch Verdunstung an den Blättern entsteht ein Unterdruck; wahrscheinlich durch osmotischen Druck an den Wurzeln; und möglicherweise an anderen Stellen in der Pflanze, insbesondere bei der Aufnahme von Feuchtigkeit durch Luftwurzeln. ⓘ

Die Kapillarwirkung für die Wasseraufnahme wurde bei einigen Kleintieren beschrieben, z. B. bei Ligia exotica und Moloch horridus. ⓘ

Höhe eines Meniskus

Kapillarer Aufstieg einer Flüssigkeit in einer Kapillare

Wasserhöhe in einer Kapillare aufgetragen gegen den Kapillardurchmesser ⓘ

Die Höhe h einer Flüssigkeitssäule ist durch das Jurinsche Gesetz gegeben

$h={{2\gamma \cos {\theta }} \over {\rho gr}},$

wobei $\scriptstyle \gamma$ die Oberflächenspannung Flüssigkeit-Luft (Kraft/Längeneinheit), θ der Kontaktwinkel, ρ die Dichte der Flüssigkeit (Masse/Volumen), g die lokale Erdbeschleunigung (Länge/Quadrat der Zeit) und r der Radius des Rohrs ist. ⓘ

Da r im Nenner steht, steigt die Flüssigkeit umso weiter nach oben, je dünner der Raum ist, in dem sie sich bewegen kann. Ebenso gilt: Je leichter die Flüssigkeit und je geringer die Schwerkraft, desto höher die Säule. ⓘ

Für ein mit Wasser gefülltes Glasrohr in Luft unter Standard-Laborbedingungen gilt γ = 0,0728 N/m bei 20 °C, ρ = 1000 kg/m³ und g = 9,81 m/s². Da sich Wasser auf sauberem Glas ausbreitet, ist der effektive Gleichgewichts-Kontaktwinkel annähernd Null. Für diese Werte beträgt die Höhe der Wassersäule

$h\approx {{1.48\times 10^{-5}\ {\mbox{m}}^{2}} \over r}.$ ⓘ

Bei einem Glasrohr mit einem Radius von 2 m (6,6 ft) würde das Wasser also unter den oben genannten Laborbedingungen unmerklich um 0,007 mm (0,00028 in) ansteigen. Bei einem Rohr mit einem Radius von 2 cm würde das Wasser jedoch um 0,7 mm steigen, und bei einem Rohr mit einem Radius von 0,2 mm würde das Wasser um 70 mm steigen. ⓘ

Messung des Kontaktwinkel θ ⓘ

so ergibt sich für die Steighöhe:

$h\approx {\frac {1{,}4\cdot 10^{-5}\,\mathrm {m} ^{2}}{r}}\quad \Rightarrow \quad h\approx {\frac {1{,}4\cdot 10^{-5}\cdot 10^{6}\,\mathrm {mm} ^{2}}{r}}=14\,{\frac {\mathrm {mm} ^{2}}{r}}$ ⓘ

Die Washburn-Gleichung beschreibt kapillare Strömungen in porösen Materialien ohne Berücksichtigung der Gravitation. ⓘ

Kapillarer Aufstieg einer Flüssigkeit zwischen zwei Glasplatten

Das Produkt der Schichtdicke (d) und der Höhe des Anstiegs (h) konstant ist (d·h = konstant), die beiden Größen sind umgekehrt proportional. Die Wasseroberfläche zwischen den Scheiben ist hyperbolisch. ⓘ

• Wasser zwischen zwei Glasplatten
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Flüssigkeitstransport in porösen Medien

Kapillarströmung in einem Ziegelstein mit einer Sorptionsfähigkeit von 5,0 mm-min-1/2 und einer Porosität von 0,25. ⓘ

Wenn ein trockenes poröses Medium mit einer Flüssigkeit in Berührung kommt, nimmt es die Flüssigkeit mit einer Geschwindigkeit auf, die mit der Zeit abnimmt. Betrachtet man die Verdunstung, so erreicht die Flüssigkeitsdurchdringung eine Grenze, die von den Parametern Temperatur, Feuchtigkeit und Durchlässigkeit abhängt. Dieser Prozess wird als verdunstungsbegrenzte Kapillardurchdringung bezeichnet und ist in vielen Situationen zu beobachten, z. B. bei der Absorption von Flüssigkeiten in Papier und aufsteigender Feuchtigkeit in Beton- oder Mauerwerkswänden. Für einen stabförmigen Materialabschnitt mit der Querschnittsfläche A, der an einem Ende benetzt wird, ist das kumulative Volumen V der absorbierten Flüssigkeit nach einer Zeit t

$V=AS{\sqrt {t}},$

wobei S die Sorptionsfähigkeit des Mediums in Einheiten von m-s-1/2 oder mm-min-1/2 ist. Diese zeitabhängige Beziehung ähnelt der Gleichung von Washburn für die Dochtwirkung in Kapillaren und porösen Medien. Die Größe

$i={\frac {V}{A}}$

wird als kumulative Flüssigkeitsaufnahme bezeichnet, mit der Dimension der Länge. Die benetzte Länge des Stabes, d. h. der Abstand zwischen dem benetzten Ende des Stabes und der so genannten Benetzungsfront, ist abhängig von dem Anteil f des Volumens, der von Hohlräumen eingenommen wird. Diese Zahl f ist die Porosität des Mediums; die benetzte Länge ist dann

$x={\frac {i}{f}}={\frac {S}{f}}{\sqrt {t}}.$

Einige Autoren verwenden die Größe S/f als Sorptionsvermögen. Die obige Beschreibung bezieht sich auf den Fall, dass Schwerkraft und Verdunstung keine Rolle spielen. ⓘ

Die Sorptionsfähigkeit ist eine wichtige Eigenschaft von Baumaterialien, da sie die Menge der aufsteigenden Feuchtigkeit beeinflusst. Einige Werte für die Sorptionsfähigkeit von Baumaterialien sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. ⓘ

Verdunstungsfähigkeit ausgewählter Materialien (Quelle:) ⓘ

Werkstoff	Verdunstungsfähigkeit (mm-min-1/2)
Porenbeton	0.50
Gipsputz	3.50
Lehmziegel	1.16
Mörtel	0.70
Ziegel aus Beton	0.20

Molekulare Betrachtung

Grundsätzlich beruht der Effekt der Kapillarität auf den Molekularkräften, die innerhalb eines Stoffes (Kohäsionskräfte) und an der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit, einem festen Körper (Gefäßwand) und einem Gas (z. B. Luft) auftreten (Adhäsionskräfte). Häufig hat der Kapillareffekt auch die Bedeutung von Oberflächenspannung. ⓘ

Im Innern eines Körpers heben sich die auf ein bestimmtes Molekül wirkenden Kräfte aus seiner Umgebung gegenseitig auf. An den Rändern jedoch ergibt sich eine resultierende Kraft, die in Abhängigkeit vom jeweiligen Material entweder in die Flüssigkeit hinein oder aus ihr heraus gerichtet ist. Ist die Wirkung der Gefäßwandung gegenüber den Kohäsionskräften in der Flüssigkeit klein, dann zeigt die resultierende Kraft ins Innere der Flüssigkeit. Deren Oberfläche ist an der Kontaktstelle zur Wand nach unten gekrümmt und benetzt die Gefäßwand nicht (z. B. Quecksilber im Glasgefäß). Ist jedoch die Wirkung der Gefäßwandung gegenüber den Kohäsionskräften in der Flüssigkeit groß, dann zeigt die resultierende Kraft in die Gefäßwandung hinein, und die Flüssigkeit ist am Rande nach oben gebogen. Die Flüssigkeit benetzt die Wandung (z. B. Wasser oder Petroleum im Glasgefäß). ⓘ

Praktische Anwendungen

Füller: Ein Beispiel für eine Anwendung ist der Füller oder Füllfederhalter: Dessen Tintenleiter speichert Tinte und ersetzt die an der Federspitze verbrauchte Tinte mittels Kapillarkräften. Dabei wird Tinte aus einem Reservoir nachgefördert und zugleich die Belüftung dieses Reservoirs ermöglicht. Auch Schreibfedern speichern Tinte mittels Kapillarkräften, entweder in einem Loch oder in einem Spalt zwischen der eigentlichen Feder und einer Überfeder, um von dort durch die Kapillarwirkung durch einen sehr feinen Schlitz an die Spitze transportiert zu werden. ⓘ

Ein Kapillarspalt in der Stahlfeder eines Füllfederhalters führt die Tinte vom kreisförmigen Zutrittsloch zur Schreibspitze der Feder. Da die Kapillarkraft gegenüber der Schwerkraft überwiegt, schreibt ein Füller in jeder Lage. ⓘ

Papier: Papier saugt durch den Kapillareffekt die Tinte auf; es ist sogar möglich, über Kopf zu schreiben. Auf glatten Oberflächen wie etwa Glas ist Schreiben mit einem Füller kaum möglich, da die Tinte die Glasoberfläche nur oberflächlich benetzt, aber nicht aufgenommen wird. ⓘ

Pflanzen: In Bäumen und anderen Pflanzen wird das Wasser von den Wurzeln aufgenommen und dann bis in die Krone transportiert, wo es aus den Spaltöffnungen der Blätter (oder Nadeln) verdunstet oder für die Photosynthese benötigt wird. Die Verdunstung im oberen Bereich der Pflanze bewirkt einen Transpirationssog, Kohäsionskräfte des Wassers in der Pflanze verhindern ein Abreißen des Flüssigkeitsstroms, und der Kapillareffekt begünstigt mit dem osmotischen Effekt (Wurzeldruck) den Aufstieg. Nach neuen Erkenntnissen können Bäume maximal 130 Meter hoch werden, da dann der osmotische Druck zusammen mit den Kapillarkräften nicht mehr ausreicht, die Schwerkraft zu überwinden. Siehe Wassertransport in Pflanzen ⓘ

Chemie: In der Papierchromatographie nutzt man den Kapillareffekt, indem eine Lösung auf ein Spezialpapier getropft wird und an diesem aufsteigt, wobei Bestandteile der Lösung mitgetragen werden. Aufgrund der unterschiedlichen Laufweite können die Stoffe getrennt werden. ⓘ

Medizin: Um kleine Mengen Blut abzuzapfen, kann man einen kleinen Einstich in die Gefäße an den Fingern oder am Ohrläppchen vornehmen und an das austretende Blut ein dünnes Sammelröhrchen halten, in dem das Blut aufgrund des Kapillareffektes aufsteigt und somit gesammelt werden kann. ⓘ

Textilien: Eine ähnliche Saugwirkung wie beim Papier lässt sich auch bei Putzlappen bzw. Stoffen beobachten. Das Gleiche gilt auch für Schwämme. Für Papier, Putzlappen und Schwämme gilt dabei: Je größer die innere Oberfläche (pro Volumen), desto größer auch die Saugwirkung. ⓘ

Darstellung eines SMD-Keramik-Vielschichtkondensators (MLCC) mit gut ausgebildeten Lötmenisken an den Löt-Anschlussflächen ⓘ

Löten: Auch beim Löten tritt der Effekt auf: Das flüssige Lot fließt durch die Kapillarwirkung beispielsweise in den Spalt von Kupferrohrfittings. Zum Entlöten von elektronischen Bauelementen von Leiterplatten wird häufig ein Drahtgeflecht, die Entlötlitze, verwendet. ⓘ

An der Form des Lötkegels wird die Qualität des Lötergebnisses unmittelbar erkennbar. Sollte dieser nicht konkav und auf der Platine flach auslaufend sein, handelt es sich höchstwahrscheinlich um eine kalte Lötstelle. Wegen der Kapillarität sind auch Lötungen „über Kopf“ möglich. ⓘ

Kapillarer Fluss in einem Backstein, mit einer Sorptivität von 5,0 mm min^−1/2 und einer Porosität 0,25. ⓘ

Bauwesen: Im Bauwesen spielt die Kapillarität eine herausragende Rolle. Ein Großteil der Maßnahmen zur Bauwerksabdichtung richtet sich gegen die in Bodenplatte und Wänden kapillar aufsteigende Feuchte. Bei oberirdischen Bauteilen haben kapillare Baustoffe demgegenüber den willkommenen Effekt, Feuchtigkeitsansammlungen großflächig zu verteilen. Wenn die Feuchtigkeit dabei eine Bauteiloberfläche erreicht, kann sie verdunsten. Durch den sogenannten Transpirationssog wird dann stetig Wasser nachgefördert, bis die Ausgleichsfeuchte erreicht ist. Kapillare Baustoffe können so auch größere Wassermengen aufnehmen und verteilen, die etwa als Folge eines Rohrbruchs Decken und Wände durchfeuchtet haben, bevor es zu Bauschäden und Schimmelbildung kommt. ⓘ

Im Winter wird gewöhnlich an kalten Stellen der Außenwand der Taupunkt der Innenraumluft unterschritten, so dass Kondensat entsteht, das beim Lüften verdunstet und an die Außenluft abgegeben wird. Bildet sich zu viel Kondensat oder wird zu wenig gelüftet, dann sammelt sich die Feuchtigkeit in der Wand. Wände und Decken, die durchgehend aus kapillaraktiven Baustoffen bestehen, können die Feuchtigkeit absorbieren und an die Außenseite der Wand oder in Räume mit geringerem Feuchtigkeitsanfall leiten, wo sie verdunstet. ⓘ

Sehr saugfähig sind traditionelle Ziegelsteine und Kalksandsteine, eine deutlich geringere Kapillarwirkung besteht bei hartgebrannten Ziegelsteinen (Klinker), Porenbeton und Beton. Um den Kapillarstrom in Gebäuden zu unterbrechen, werden im Fundamentbereich wasserdichte Trennschichten wie z. B. Bitumenbahnen eingebaut. ⓘ

Önologie: In der Önologie werden zum Messen des Ethanolgehalts von Weinen Vinometer verwendet, in denen der Wein je nach Ethanolgehalt mehr oder weniger weit aufsteigt. Als nicht-polare Flüssigkeit setzt Ethanol die Kapillarkraft des Weines in einem Glasröhrchen herab. ⓘ

Kapillarsperre

Eine Kapillarsperre ist eine Konstruktion, die verhindert, dass ein Kapillareffekt Flüssigkeit absaugen kann. Sie wird verwendet beispielsweise:

• bei Folienteichen, dort wird Teichfolie am Ufer hochgezogen, um zu verhindern, dass durch Kapillareffekte in Sand oder Erdreich Wasser aus dem Teich gesaugt wird. Die etwa 5 cm nach oben überstehende Folie wird mit Steinen, kapillarbrechendem Feinkies oder Betonmörtel abgedeckt oder durch Pflanzenbewuchs (wasserseitig und außerhalb des Teichs) oder einen Ufersteg getarnt.
• Bei der Oberflächenabdichtung für Deponien und Altlasten werden Kapillarsperren zur Ableitung der Oberflächenabwässer eingesetzt. Dabei wird ein Kapillarblock (eine grobkörnige Kiesschicht) aufgetragen und darüber eine feinkörnige Kapillarschicht (beispielsweise Sand). Bei Zusickerung von Wasser stellt sich im feinkörnigen Material ein höherer Wassergehalt ein als in den gröberen Poren im grobkörnigen Material. Das Wasser wird im feinkörnigen Material durch Kapillarkräfte in der Kapillarschicht gehalten, rinnt entlang der Böschungsneigung ab und wird am Böschungsfuß über Drainagerohre abgeleitet (siehe).
• Eine Horizontalsperre hindert Wasser in Mauerwerk kapillar aufzusteigen, siehe dazu auch Aufsteigende Feuchte.
• Eine kapillarbrechende Schicht erfüllt dies unterhalb der Gründungssohle oder des Fußbodens eines Bauwerkes
• Manchmal wird eine Dampfsperre bei Wärmedämmungen auch wasserdicht ausgeführt um gleichzeitig kapillares Saugen zu verhindern. ⓘ

Weblinks

• Vorlesung Medizinische Physik: Oberflächenspannung und Kapillarität, Veterinärmedizinische Universität Wien (Memento vom 26. März 2012 im Internet Archive) ⓘ

Literatur und Weblinks

• H. Schubert: Kapillarität in porösen Feststoffsystemen. Springer, Berlin 1982, ISBN 3-540-11835-7.
• Valentin L. Popov: Kontaktmechanik und Reibung. Ein Lehr- und Anwendungsbuch von der Nanotribologie bis zur numerischen Simulation. Springer, 2009, ISBN 978-3-540-88836-9.
• Video: YOUNGscher Randwinkel und Kapillarität – wie hoch steigt Wasser in einer Kapillare?. Jakob Günter Lauth (SciFox) 2013, zur Verfügung gestellt von der Technischen Informationsbibliothek (TIB), doi:10.5446/15673. ⓘ