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Als '''Grenzfläche''' oder '''Phasengrenze''' wird in der Physik und Materialwissenschaft die [[Fläche (Mathematik)|Fläche]] zwischen zwei [[Phase (Materie)|Phasen]] bezeichnet, beispielsweise die Fläche zwischen zwei nicht mischbaren [[Flüssigkeit]]en wie Öl und Wasser. | Als '''Grenzfläche''' oder '''Phasengrenze''' wird in der [[Physik]] und [[Materialwissenschaft und Werkstofftechnik|Materialwissenschaft]] die [[Fläche (Mathematik)|Fläche]] zwischen zwei [[Phase (Materie)|Phasen]] bezeichnet, beispielsweise die Fläche zwischen zwei nicht mischbaren [[Flüssigkeit]]en wie Öl und Wasser.<ref>{{Literatur |Autor=J. T. Davies |Titel=Stabile Kontaktpotentiale an der Grenzfläche Öl-Wasser |Sammelwerk=[[Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie]] |Band=55 |Nummer=6 |Datum=1951 |DOI=10.1002/bbpc.19510550618 |Seiten=559–560}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Wolfgang H. Binder |Titel=Supramolekulare Anordung<!--sic!--> von Nanopartikeln an Flüssig-flüssig-Grenzflächen |Sammelwerk=[[Angewandte Chemie (Zeitschrift)|Angewandte Chemie]] |Band=117 |Nummer=33 |Datum=2005 |DOI=10.1002/ange.200501220 |Seiten=5300–5304}}</ref> | ||
Als Grenzflächen ''im engeren Sinn'' werden nur die folgenden Flächen bezeichnet: | Als Grenzflächen ''im engeren Sinn'' werden nur die folgenden Flächen bezeichnet: | ||
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Die Unterscheidung zwischen Grenz- und Oberflächen ist historisch bedingt und teilweise willkürlich. Dass auch der dritte oben angesprochene Fall (Grenzflächen innerhalb eines Festkörpers) Bedeutung hat, zeigen die zahlreichen [[Diskontinuität (Geologie)|Diskontinuitäten]] in der [[Erdkruste]] und im [[Erdmantel]]. | Die Unterscheidung zwischen Grenz- und Oberflächen ist historisch bedingt und teilweise willkürlich. Dass auch der dritte oben angesprochene Fall (Grenzflächen innerhalb eines Festkörpers) Bedeutung hat, zeigen die zahlreichen [[Diskontinuität (Geologie)|Diskontinuitäten]] in der [[Erdkruste]] und im [[Erdmantel]]. | ||
Mit den Eigenschaften von Grenzflächen ''im weiteren Sinne'' beschäftigen sich die [[Oberflächenchemie]] und [[Oberflächenphysik]]. | Mit den Eigenschaften von Grenzflächen ''im weiteren Sinne'' beschäftigen sich die [[Oberflächenchemie]] und [[Oberflächenphysik]]. | ||
== Grenz- und Oberfläche == | == Grenz- und Oberfläche == | ||
Eine Oberfläche lässt sich weniger klar definieren, als man annehmen könnte. Die geometrische Definition als ''Gesamtheit der Flächen, die einen Körper von außen begrenzen'', wird ab dem mikroskopischen Bereich problematisch. Die „Oberflächenatome“ sind keine scharf begrenzten Kugeln und zwischen ihnen können Lücken vorliegen, die um vieles größer sein können, als die Atome selbst. Die Größe einer „Grenz- oder Oberfläche“ ist ''skalenabhängig'', also vom verwendeten Beobachtungsmaßstab abhängig. | Eine Oberfläche lässt sich weniger klar definieren, als man annehmen könnte. Die geometrische Definition als ''Gesamtheit der Flächen, die einen Körper von außen begrenzen'', wird ab dem mikroskopischen Bereich problematisch. Die „Oberflächenatome“ sind keine scharf begrenzten Kugeln und zwischen ihnen können Lücken vorliegen, die um vieles größer sein können, als die Atome selbst. Die Größe einer „Grenz- oder Oberfläche“ ist ''skalenabhängig'', also vom verwendeten Beobachtungsmaßstab abhängig. | ||
Daher ist auch eine Unterscheidung von ''äußerer'' und ''[[Innere Oberfläche|innerer Oberfläche]]'' bei allen [[porös]]en Materialien gegeben: Diese bilden „von außen“ betrachtet einen kompakten Körper, sind aber von zahlreichen Hohlräumen erfüllt. Für zahlreiche physikalische und chemische Vorgänge sind diese innenliegenden Oberflächen aber genauso relevant wie die äußere Oberfläche. Dabei übersteigt die innere Oberfläche die äußere oft um viele [[Größenordnung]]en. | |||
An der Grenzfläche zwischen Gasen und Festkörpern kommen [[Temperatursprung|Temperatursprünge]] zustande, wenn Gas und Festkörper verschiedene Temperaturen besitzen. | |||
Typische Beispiele sind: | Typische Beispiele sind: | ||
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* die [[Freie Oberfläche (Strömungslehre)|freie Oberfläche]] einer Flüssigkeit unter Gasdruck | * die [[Freie Oberfläche (Strömungslehre)|freie Oberfläche]] einer Flüssigkeit unter Gasdruck | ||
* in der Technik die zu [[Oberflächenbehandlung (Fertigungsverfahren)|bearbeitende Oberfläche]] eines Werkstücks, als [[Gestaltabweichung]] vom idealen Körper in der [[Oberflächenangabe]] vermerkt | * in der Technik die zu [[Oberflächenbehandlung (Fertigungsverfahren)|bearbeitende Oberfläche]] eines Werkstücks, als [[Gestaltabweichung]] vom idealen Körper in der [[Oberflächenangabe]] vermerkt | ||
* eine [[dünne Schicht]] auf einem Objekt, siehe auch [[Oberflächenveredelung]] (Beschichtung) | * eine [[dünne Schicht]] auf einem Objekt, siehe auch [[Oberflächenveredelung]] (Beschichtung) | ||
* die Messgröße für [[Schüttgut|Pulver]], [[Haufwerk]]e und Ähnliches, die ''[[spezifische Oberfläche]]'' als gesamtvolumen- oder massenbezogene Oberfläche | * die Messgröße für [[Schüttgut|Pulver]], [[Haufwerk]]e und Ähnliches, die ''[[spezifische Oberfläche]]'' als gesamtvolumen- oder massenbezogene Oberfläche | ||
* [[Körperoberfläche]] des Menschen, Abschätzungsformeln für eine skalenabhängige Größe | * [[Körperoberfläche]] des Menschen, Abschätzungsformeln für eine skalenabhängige Größe | ||
== Grundlagen == | == Grundlagen == | ||
Innerhalb einer [[Phase (Materie)|Phase]] wechselwirken | Innerhalb einer [[Phase (Materie)|Phase]] wechselwirken [[Atom]]e bzw. [[Molekül]]e in alle Raumrichtungen mit Atomen bzw. Molekülen in ihrer Nachbarschaft. Hier wirken in alle Richtungen gleiche Wechselwirkungskräfte ([[Kohäsion (Chemie)|Kohäsionen]]). In der Nähe der Grenzfläche ist dies nicht der Fall. An der Grenzfläche stehen in Richtung der Nachbarphase unter Umständen keine oder nur ganz andere Nachbarn für eine Wechselwirkung zur Verfügung. Für Atome bzw. Moleküle ist es in der Regel energetisch ungünstig, sich in der Nähe der Grenzfläche aufzuhalten. Daraus resultiert eine [[Grenzflächenspannung]], im Fall flüssig-gasförmig die [[Oberflächenspannung]]. | ||
* [[Grenzflächenaktive Substanzen]], wie die [[Tenside]] ([[Emulgatoren]]), verringern die Grenzflächenspannung und können die Durchmischung zweier Phasen zu einer [[Emulsion]] oder [[Dispersion (Chemie)|Dispersion]] fördern. | * [[Grenzflächenaktive Substanzen]], wie die [[Tenside]] ([[Emulgatoren]]), verringern die Grenzflächenspannung und können die Durchmischung zweier Phasen zu einer [[Emulsion]] oder [[Dispersion (Chemie)|Dispersion]] fördern. | ||
* An Grenzflächen zwischen festen und gasförmigen Phasen kommt es in der Regel zu einer [[Adsorption]] von Stoffen aus der Gasphase. Dieses Phänomen wird in vielen technischen Prozessen genutzt und spielt eine Rolle bei der [[Heterogene Katalyse|heterogenen Katalyse]]. | * An Grenzflächen zwischen festen und gasförmigen Phasen kommt es in der Regel zu einer [[Adsorption]] von Stoffen aus der Gasphase. Dieses Phänomen wird in vielen technischen Prozessen genutzt und spielt eine Rolle bei der [[Heterogene Katalyse|heterogenen Katalyse]]. | ||
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== Phasengrenze im Phasendiagramm == | == Phasengrenze im Phasendiagramm == | ||
Die Phasengrenze wird im [[Phasendiagramm]] eines Stoffes durch die ''[[Phasengrenzlinie]]'' in Abhängigkeit von Temperatur und kinetischem Druck dargestellt. Dieses Verhalten ist eine für den Stoff typische Eigenschaft. | Die Phasengrenze wird im [[Phasendiagramm]] eines Stoffes durch die ''[[Phasengrenzlinie]]'' in Abhängigkeit von Temperatur und kinetischem Druck dargestellt. Dieses Verhalten ist eine für den Stoff typische Eigenschaft. | ||
== Siehe auch == | == Siehe auch == | ||
* [[Gaspermeabilitätsmethode]] | * [[Gaspermeabilitätsmethode]] | ||
== | == Weblinks == | ||
* [ | * [https://www.spektrum.de/lexikon/physik/grenzflaeche/6130 ''Grenzfläche''] im Lexikon der Physik auf ''spektrum.de'' | ||
* {{RömppOnline|ID=RD-07-01874|Name=Grenzflächen|Abruf=2019-12-16<!--Datum unter Weblinks irrelevant, aber Pflichtparameter-->}} | |||
== Einzelnachweise == | |||
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Als Grenzfläche oder Phasengrenze wird in der Physik und Materialwissenschaft die Fläche zwischen zwei Phasen bezeichnet, beispielsweise die Fläche zwischen zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten wie Öl und Wasser.[1][2]
Als Grenzflächen im engeren Sinn werden nur die folgenden Flächen bezeichnet:
während die Fläche
meist als Oberfläche (Feststoffoberfläche) bezeichnet wird.
Die Unterscheidung zwischen Grenz- und Oberflächen ist historisch bedingt und teilweise willkürlich. Dass auch der dritte oben angesprochene Fall (Grenzflächen innerhalb eines Festkörpers) Bedeutung hat, zeigen die zahlreichen Diskontinuitäten in der Erdkruste und im Erdmantel.
Mit den Eigenschaften von Grenzflächen im weiteren Sinne beschäftigen sich die Oberflächenchemie und Oberflächenphysik.
Eine Oberfläche lässt sich weniger klar definieren, als man annehmen könnte. Die geometrische Definition als Gesamtheit der Flächen, die einen Körper von außen begrenzen, wird ab dem mikroskopischen Bereich problematisch. Die „Oberflächenatome“ sind keine scharf begrenzten Kugeln und zwischen ihnen können Lücken vorliegen, die um vieles größer sein können, als die Atome selbst. Die Größe einer „Grenz- oder Oberfläche“ ist skalenabhängig, also vom verwendeten Beobachtungsmaßstab abhängig.
Daher ist auch eine Unterscheidung von äußerer und innerer Oberfläche bei allen porösen Materialien gegeben: Diese bilden „von außen“ betrachtet einen kompakten Körper, sind aber von zahlreichen Hohlräumen erfüllt. Für zahlreiche physikalische und chemische Vorgänge sind diese innenliegenden Oberflächen aber genauso relevant wie die äußere Oberfläche. Dabei übersteigt die innere Oberfläche die äußere oft um viele Größenordnungen.
An der Grenzfläche zwischen Gasen und Festkörpern kommen Temperatursprünge zustande, wenn Gas und Festkörper verschiedene Temperaturen besitzen.
Typische Beispiele sind:
Innerhalb einer Phase wechselwirken Atome bzw. Moleküle in alle Raumrichtungen mit Atomen bzw. Molekülen in ihrer Nachbarschaft. Hier wirken in alle Richtungen gleiche Wechselwirkungskräfte (Kohäsionen). In der Nähe der Grenzfläche ist dies nicht der Fall. An der Grenzfläche stehen in Richtung der Nachbarphase unter Umständen keine oder nur ganz andere Nachbarn für eine Wechselwirkung zur Verfügung. Für Atome bzw. Moleküle ist es in der Regel energetisch ungünstig, sich in der Nähe der Grenzfläche aufzuhalten. Daraus resultiert eine Grenzflächenspannung, im Fall flüssig-gasförmig die Oberflächenspannung.
Die Phasengrenze wird im Phasendiagramm eines Stoffes durch die Phasengrenzlinie in Abhängigkeit von Temperatur und kinetischem Druck dargestellt. Dieses Verhalten ist eine für den Stoff typische Eigenschaft.