Druck

Befindet in einem geschlossenen Raum Materie (z.B. Flüssigkeit oder Gas) und wird versucht, den Raum zu verkleinern, setzt die Materie gegen die Verkleinerung des Raums Widerstand entgegen. Dieselbe Wirkung tritt auch auf, wenn der geschlossene Raum zwar nicht verkleinert wird, dafür mehr Materie in den Raum zugeführt wird. Der Widerstand bewirkt, dass an den Wandflächen des Raums eine Kraft ausgeübt wird, das Druck genannt wird. Die physikalischen Größen Druck und Kraft werden dahingehend unterschieden, dass die Kraft angibt, wie stark ein Körper auf einen anderen Körper einwirkt und Druck dagegen die Kraft auf eine Fläche angibt.

Auch in ungeschlossenen Räumen entsteht Druck, der durch das Eigengewicht der Materie entsteht und Schweredruck genannt wird. Dabei wirken die Gewichte der oberen Schichten auf die unteren Schichten und bei zunehmender Tiefe lasten immer höhere Kräfte, so dass der Druck dabei zunimmt. Das macht sich z.B. in der Luft bemerkbar. Luft hat, wenn auch ein geringes, Eigengewicht. Je höher man steigt, umso "dünner" wird die Luft. Auf der Erdoberfläche ist die Luft dagegen "dicker", da die oberen Luftschichten mit ihrem Gewicht darauf lasten. Auch in den Ozeanen ist zu beobachten, dass der Druck größer wird, je tiefer man eintaucht. Dabei lasten die Gewichte der Wassermassen auf die jeweils darunter liegenden Schichten und sorgen so für den Schweredruck.

Auf Meereshöhe herrscht ein Luftdruck (Atmosphärendruck, p_amb) mit 1,013 bar. Pumpt man in dieser Umgebung z.B. einen Reifen auf, so gilt der gesamte Druck im Reifen als Absolutdruck (p_abs). Die Differenz zwischen Atmosphärendruck und Absolutdruck wird Überdruck (p_e) genannt. Der Überdruck kann auch negativ sein. Das ist dann der Fall, wenn der Druck im Reifen geringer ist als der Atmosphärendruck. Ein Vakuum entsteht, wenn man dem Reifen den gesamten Druck entzieht, so dass der Druck bei 0 bar liegt.

Die Formel zum Berechnen des Überdrucks p_e ist:

• p_e = p_abs - p_amb

Um das Verhalten eines Gases zu berechnen, z.B. bei Temperatur- oder Volumenänderung, verwendet man für das Gas häufig ein vereinfachtes Modell, das ideales Gas genannt wird. Dabei werden folgende Vereinfachungen angenommen:

• Die Glasteilchen werden als Massepunkte betrachtet, die sich nicht ausdehnen.
• Bei Stoßvorgängen haben die Glasteilchen nur ideal elastische Vorgänge.
• Die mittleren Abstände zwischen den Glasteilchen ist sehr viel größer als die Durchmesser der Glasteilchen.

Im Gegensatz zu Feststoffen und Flüssigkeiten gelten Gase als komprimierbar. Verringert sich z.B. das Volumen des Raumes, in dem sich das Gas befindet, verdichtet sich das Gas und der Druck nimmt zu. Bei einer Erhöhung der Temperatur steigt die Geschwindigkeit der Gasteilchen im Raum. Dadurch stoßen sie öfter an die Wände des Raumes und der Druck nimmt zu. Es kann natürlich auch der Fall eintreten, in dem die Temperatur steigt und gleichzeitig das Volumen geändert wird.

Aus diesen Zusammenhängen lassen sich die nachfolgenden Formeln ableiten, die für die konkrete Berechnung einer Größe umgestellt werden können. Als Temperatureinheit wird dabei Kelvin verwendet. 0° Celsius sind 273,15 Kelvin. Hat man es z.B. mit einer Temperatur von 15° Celsius zu tun, setzt man in Formeln als Temperatur 288,15 Kelvin ein (273,15 + 15).