Verständnis der Flüssigkeitseigenschaften: Von Kapillarität bis Wärmeausdehnung
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Kapillarität
Die Kapillarität beschreibt das Steigen oder Fallen einer Flüssigkeit in einem engen Rohr aufgrund von Oberflächenspannungskräften. Die Höhe des Flüssigkeitsspiegels hängt vom Verhältnis zwischen der Oberflächenspannung und dem Gewicht der Flüssigkeitssäule ab. Die vertikale Komponente der Oberflächenspannungskraft an den Rohrwänden muss das Gewicht der Flüssigkeitssäule ausgleichen. Die Formel zur Berechnung der Höhe h lautet: h = 2s · cosθ / ρ · r · g, wobei s die Oberflächenspannung, θ der Kontaktwinkel, ρ die Dichte der Flüssigkeit, r der Radius des Rohres und g die Erdbeschleunigung ist. Bei einem Kontaktwinkel von 90° ist die Höhe h gleich Null. Je größer der Radius des Rohres, desto geringer die Steighöhe.
Tropfenbildung
In Abwesenheit äußerer Kräfte nimmt eine Flüssigkeit die Form mit der kleinsten Oberfläche und damit der niedrigsten Energie an. Wenn Flüssigkeit aus einem engen Rohr fließt, bildet sie Tropfen. Das Gewicht eines Tropfens muss der Oberflächenspannungskraft entsprechen. Im Moment des Ablösens herrscht ein Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung und dem Gewicht des Tropfens.
Dampfdruck
Der Dampfdruck ist der Druck, bei dem eine Flüssigkeit siedet und im Gleichgewicht mit ihrem Dampf steht. Wenn eine Flüssigkeit erhitzt wird, steigt ihr Dampfdruck. Wenn der Dampfdruck gleich dem äußeren Druck ist, beginnt die Flüssigkeit zu sieden.
Kavitation
Kavitation tritt auf, wenn der Druck in einer Flüssigkeit auf den Dampfdruck der Flüssigkeit bei konstanter Temperatur abfällt. Die Flüssigkeit beginnt dann bei Raumtemperatur zu sieden.
Thermische Ausdehnung
Der Wärmeausdehnungskoeffizient gibt die Volumenänderung einer Flüssigkeit aufgrund von Temperaturschwankungen an. Er ist definiert als βt = 1/V · ΔV/ΔT.
Koeffizienten von Viskosität und Temperaturleitfähigkeit
Mischbare Flüssigkeiten vermischen sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Sowohl der Viskositätskoeffizient als auch der Temperaturleitfähigkeitskoeffizient beschreiben, wie Flüssigkeiten transportiert werden. Der Viskositätskoeffizient bezieht sich auf die Geschwindigkeit des Flüssigkeitstransports, während der Temperaturleitfähigkeitskoeffizient die Geschwindigkeit des Wärmetransports in der Flüssigkeit beschreibt.
Diffusiver und konvektiver Transport
Konvektion: Bewegung von Masse von einem Ort zum anderen. Voraussetzung ist eine Strömung.
Diffusion: Molekulare Bewegung (z. B. Milch in Kaffee), die zu einer homogenen Mischung führt.