Die Grenzflächenenergie beschreibt die potentielle Energie an einer Grenzfläche, die Grenzflächenspannung dagegen die Kraft pro Länge an der Grenzfläche. Mit einem Modellversuch kann gezeigt werden, dass die Grenzflächenspannung von flüssig-gasförmig und flüssig-flüssig Grenzflächen, der Grenzflächenenergie entspricht.

Was ist der Unterschied zwischen der Grenzflächenspannung und der Grenzflächenenergie?

Die Grenzflächenenergie ε ist die potenzielle Energie, die in einer Grenzfläche zwischen zwei Phasen gespeichert ist. Sie gibt an, wie viel Energie nötig ist bzw. wie viel Arbeit verrichtet werden muss, um die Grenzfläche zu vergrößern:

Je höher die Grenzflächenenergie, desto mehr Energie bzw. Arbeit ist erforderlich, um die Grenzfläche zu vergrößern. Dies hat zum Beispiel Auswirkungen auf Phänomene wie die Benetzung.

Ein anderes Konzept, um die Grenzfläche zu beschreiben ist die Grenzflächenspannung σ. Die Grenzflächenspannung betrachtet die tangential wirkende Zugkraft, die einer Vergrößerung der Grenzfläche entgegenwirkt. Diese Zugspannung ist definiert als die Kraft pro Länge, die entlang einer Linie in der Grenzfläche wirkt. Die Grenzflächenspannung wird in der Einheit Newton pro Meter angegeben:

Mit Hilfe eines Modellversuchs lässt sich zeigen, dass bei flüssig-flüssig oder flüssig-gasförmigen Grenzflächen die Grenzflächenenergie ε der Grenzflächenspannung σ entspricht. In der Literatur wird deshalb oft für Grenzflächenspannungen und Grenzflächenenergien das gleiche Formelzeichen, σ, verwendet.

Modellversuch: Grenzflächenenergie und Grenzflächenspannung sind für Flüssigkeiten äquivalent

An den Grenzflächen zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas sowie zwischen zwei Flüssigkeiten können die beiden Konzepte – die Grenzflächenenergie und die Grenzflächenspannung – gleichgesetzt werden. Warum dies so ist, lässt sich mit Hilfe eines Modellversuchs herausfinden.

Dafür sei ein dünner Flüssigkeitsfilm, etwa eine Seifenlauge, in einem U-förmigen Draht, an dessen offener Seite ein verschiebbarer Bügel angebracht ist, gespannt (vgl. Abbildung 2). Es stellt sich ein Gleichgewicht zwischen den Oberflächenkräften des Flüssigkeitsfilms und der Gewichtskraft des Bügels ein. Um den Bügel um Δs zu verschieben und damit die Oberfläche um ΔA = 2bΔs (doppelte Rechteckfläche, da der Film Vorder- und Rückseite hat) zu vergrößern, muss die Kraft F aufgebracht werden.

Durch die Flüssigkeitsoberfläche wirkt eine Zugspannung auf den Bügel, welche der Oberflächenvergrößerung entgegenwirkt. Diese Zugspannung wird auch als Oberflächenspannung bezeichnet. Entgegen diese Zugspannung wird demnach die Arbeit ΔW_Bgl am Bügel verrichtet um die Oberfläche zu vergrößern:

Bei Flüssigkeiten entspricht die Arbeit ΔW_Bgl, die am Bügel verrichtet wird, der Arbeit ΔW_Ob, die für die Vergrößerung der Oberfläche nötig ist:

Das heißt, dass bei Flüssigkeiten die Oberflächenspannung σ und die Oberflächenenergie ε übereinstimmen. Dieselben Überlegungen gelten auch bei einer flüssig-flüssig Grenzfläche.

Warum gilt die Äquivalenz der Grenzflächenspannung und Grenzflächenenergie nicht bei Festkörpern?

Die Gleichheit zwischen Grenzflächenenergie und Grenzflächenspannung gilt nur bei Flüssigkeiten, da hier die Atome oder Moleküle innerhalb der Phase ohne zusätzlichen Arbeitsaufwand verschoben werden können. Würde man den Modellversuch mit einem Festkörper durchführen, so müsste man zusätzlich die Arbeit berücksichtigen, welche für die Verschiebung der Atome oder Moleküle innerhalb der Phase nötig ist. Deshalb ist die einfache Gleichsetzung von Grenzflächenspannung und Grenzflächenenergie bei Festkörpern nicht möglich.