Druck

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Einleitung

Druck, physikalische Größe, die praktisch einer Kraft pro Flächeneinheit entspricht. Beispielsweise übt ein Gas oder eine Flüssigkeit in einem Behälter einen senkrecht auf die Behälterwände gerichteten Druck aus; Gleiches geht von einem festen Körper auf dessen Unterlage aus. Früher wurde der Druck in Atmosphären (genauer: Physikalische Normalatmosphäre) angegeben, heutzutage sind besonders in den Naturwissenschaften SI-Einheiten üblich. Nach dem Internationalen Einheitensystem hat der Druck die Einheit Pascal (Einheitenzeichen: Pa), benannt nach Blaise Pascal. Ein Pascal ist der Druck, den eine Kraft von einem Newton gleichmäßig auf eine Fläche von einem Quadratmeter ausübt.

Für viele praktische Zwecke verwendet man allerdings noch heute die abgeleitete Einheit bar (Einheitenzeichen: bar). Ein bar entspricht 100 000 Pascal. Ebenfalls im täglichen Leben noch gebräuchlich sind die Einheiten Physikalische Atmosphäre (genauer: Physikalische Normalatmosphäre; Abkürzung: atm_n) und die Technische Atmosphäre (Abkürzung: at). Eine Physikalische Normalatmosphäre entspricht 1,01325 bar, eine Technische Atmosphäre hingegen nur 0,98067 bar. Der Druck einer 760 Millimeter hohen Quecksilbersäule entspricht 760 Torr bzw. etwa 101,32 Kilopascal (ein Kilopascal entspricht 1 000 Pascal). Die Druckeinheit Torr wurde nach Evangelista Torricelli benannt und findet heute nur noch selten Anwendung.

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Manometer

Viele Manometer messen direkt die Differenz der Drücke eines fluiden Mediums und der Atmosphäre am betreffenden Ort. Für kleine Druckdifferenzen kann man ein Manometer einsetzen, das aus einem U-förmigen Rohr besteht, in dem sich eine Messflüssigkeit befindet. Das eine Ende des U-Rohres wird mit dem Behälter verbunden, dessen Druck zu messen ist, und das andere Ende ist zur Atmosphäre hin offen. Aus dem Höhenunterschied der Flüssigkeitsoberflächen in beiden Rohrhälften kann man die Druckdifferenz leicht bestimmen. Als Manometerflüssigkeit wird meist Quecksilber, Öl, Wasser oder Alkohol verwendet.

Für höhere Druckdifferenzen ist eine so genannte Bourdon-Röhre geeigneter (benannt nach dem französischen Ingenieur Eugène Bourdon). Dieser Manometertyp besteht aus einer dünnwandigen, gekrümmten Metallröhre mit ovalem Querschnitt, die zu einem Dreiviertelkreis gebogen ist. Ein Ende der Röhre ist geschlossen, während an dem anderen Ende der Druck ermittelt wird. Zur Messung des Druckes wird die Röhre zunächst evakuiert. Ist der zu messende Druck höher als der Atmosphärendruck, dann ändert sich der Querschnitt der Röhre, sie wird also durch den Druck elastisch verformt. Die dadurch hervorgerufene Bewegung des Röhrenendes lässt sich über eine Feinmechanik auf einen Zeiger übertragen, der sich vor einer entsprechend geeichten Skala dreht.

Drücke, die sich schnell ändern, misst man mit Hilfe von piezoelektrischen oder elektrostatischen Druckaufnehmern. Ihr elektrisches Signal kann gespeichert und später in die entsprechenden Druckwerte umgerechnet werden.

Die meisten Manometer geben, wie gesagt, direkt die Differenz zwischen dem Druck eines fluiden Mediums und dem gerade herrschenden Atmosphärendruck an. Daher muss man letzteren zum abgelesenen Wert addieren, um den wirklichen Druck zu erhalten. Ein negativer Ablesewert entspricht einem (partiellen) Vakuum.

Sehr geringe Gasdrücke (bis herunter zu etwa 10^-8 Pascal) kann man mit dem so genannten McLeod-Vakuummeter messen. Die Ermittlung des gesuchten Druckes gelingt bei diesem Druckmessgerät über einen kleinen Umweg. Zunächst wird ein bestimmtes Volumen des Gases bei dem unbekannten, niedrigen Druck bei konstanter Temperatur komprimiert. Der dabei erzielte Druck wird konventionell gemessen. Im zweiten Schritt errechnet man dann den unbekannten Druck aus dem bei der Kompression erzielten Volumen. Grundlage der Berechnung ist das Boyle-Mariotte’sche Gesetz (siehe Gase). Für noch geringere Drücke gibt es Manometer, deren Funktionsweise auf Strahlung, Ionisierung oder bestimmten molekularen Effekten beruht (siehe Vakuumtechnik).

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Druckbereiche

Drücke können in der Vakuumtechnik größenordnungsmäßig zwischen 10-¹¹ und 10-⁶ Pascal liegen, während andererseits bei hydraulischen Pressen und Steuerungen Drücke von bis zu Hunderttausenden von Pascal auftreten können. In bestimmten Experimenten erreichte man Drücke von über einigen Millionen Kilopascal. Zur Herstellung künstlicher Diamanten benötigt man bei einer Temperatur von mehr als 2 770 °C Drücke von rund 7 × 10¹⁰ Pascal (das sind umgerechnet 70 000 bar).

In der Atmosphäre nimmt der Druck mit steigender Höhe über dem Meeresspiegel ab, weil die Höhe des noch darüber befindlichen Gases geringer wird. Der Druck auf Meereshöhe beträgt im Durchschnitt etwa 1 000 Hektopascal (1 Hektopascal entspricht 100 Pascal). In 1 500 Meter Höhe beträgt er rund 830 Hektopascal (0,83 bar) und in 11 000 Meter Höhe (in der Verkehrsflugzeuge fliegen) nur noch etwa 240 Hektopascal (0,24 bar).

Unter dem Partialdruck versteht man den Druck, den ein einzelnes Gas in einer Gasmischung ausübt. Er ist genauso groß, als befände sich dieselbe Menge dieses Gases allein im selben Gesamtvolumen. Deshalb ist der Atmosphärendruck gleich der Summe der Partialdrücke aller in der Luft vorhandenen Gase (vor allem Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid und einiger Edelgase). Weil die Luft zu etwa 20 Prozent aus Sauerstoff besteht, beträgt dessen Partialdruck in Meereshöhe etwa 200 Hektopascal (0,2 bar).

Siehe Bernoulli-Prinzip; Strömungsmechanik