Druck (Physik)

Druck (Formelzeichen: p von engl. pressure) ist eine physikalische Zustandsgröße.
Achtung: Es gibt die Verwechslungsmöglichkeit mit groß P (von engl. power) = Leistung bzw. mit dem Impuls, der ebenfalls mit klein p bezeichnet wird.
Zu unterscheiden sind der Auflagendruck und der Gasdruck.

Auflagendruck

Der Auflagendruck, der physikalisch auch Normalspannung genannt wird, ist unter dem Quotienten einer Kraft F (von engl. force) und der Fläche A (von engl. area), auf die diese Kraft entgegen der Flächennormalen wirkt, bekannt:

$p={\frac {F}{A}}$

Der Druck kann in dieser Vorstellung leicht mit der Kraft verwechselt werden, wie am Beispiel eines Nagels deutlich wird: Ein Nagel hat eine kleine Auflagefläche, was nach obiger Formel bei nur wenig Kraft dennoch zu einem großen Druck führt. Doch erleben wir beim Drücken eines Nagels in die Haut eine große Kraft. Die Begriffe Druck und Kraft können in dieser Vorstellung nur schwer voneinander abgegrenzt werden und die Eigenschaft des Drucks als Zustandsgröße wird nicht deutlich.

"Druck ist eine skalare Größe, nur Lehrer und Autoren scheinen dieses im Grunde ihres Herzens nicht zu glauben." (McClelland, 1987)

Gasdruck

Der Gasdruck entsteht als Summe aller Kräfte auf eine Wand. Stößt ein Gasteilchen an eine Wand, so tauschen Gasteilchen und Wand einen Impuls aus. Dieser Impulsübertrag hängt zum Einem von der kinetischen Energie des Gasteilchens und von der Richtung des Teilchens auf die Wand ab. Für viele Teilchen addieren sich diese Impulsüberträge zu einer Gesamtkraft. Diese hängt hauptsächlich von der Anzahl der Teilchen ab, die pro Zeiteinheit auf die Wand treffen.

Für ein ideales Gas führt dies zu der thermischen Zustandsgleichung:

$p\cdot V=n\cdot R\cdot T$

Der gemittelte Impulsübertrag steckt im RT der Zustandsgleichung.

Beide Begriffe können durch Kolbenproberexperimente ineinander überführt werden.

Die SI-Einheit des Druckes ist das Pascal mit dem Einheitenzeichen Pa. Ein Pascal entspricht einem Druck von einem Newton pro Quadratmeter:

$\mathrm {1\ Pa=1\ {\frac {N}{m^{2}}}=1\ {\frac {kg}{m\cdot s^{2}}}}$

Die üblicherweise in Westeuropa benutzte Druckeinheit "bar" entspricht 100000 Pa, 1000 hPa oder 100 kPa.

Andere teilweise noch zu findende, aber nicht mehr zulässige Druckeinheiten sind:

• 1 Torr = 1 mm Hg = 1 mm Quecksilbersäule = ca. 133,3 Pa
• 1 Meter Wassersäule (mWS) = 0,1 at = 9,807 kPa
• 1 Technische Atmosphäre (at) = 1 kp/m² = ca. 98069 Pa
• 1 Physikalische Atmosphäre (atm) = 760 Torr = 101325 Pa = 1013,25 hPa = 101,325 kPa.
• 1 psi = 1 lb.p.sq.in. = 144 lb.p.sq.ft = 1/2000 tn.sh.p.sq.in = 1/2240 tn.p.sq.in = 0,07030695796 kp/m² = 6894,757293168 Pa

Druckeinheiten und Umrechnungsfaktoren

	Pascal	bar	N/mm2	kp/m2	kp/cm2 (="1" at)	atm	Torr
1 Pa (N/m2)=	1	10-5	10-6	0,102	0,102×10-4	0,987×10-5	0,0075
1 bar (daN/cm2) =	100000	1	0,1	10200	1,02	0,987	750
1 N/mm2 =	105	10	1	1,02×105	10,2	9,87	7500
1 kp/m2 =	9,81	9,81×10-5	9,81×10-6	1	10-4	0,968×10-4	0,0736
1 kp/cm2 (1 at) =	98100	0,981	0,0981	10000	1	0,968	736
1 atm (760 Torr) =	101325	1,013	0,1013	10330	1,033	1	760
1 Torr =	133	0,00133	1,33×10-4	13,6	0,00132	0,00132	1

Druckmessgeräte

Zur Bestimmung des Auflagendrucks wird die Definition des Druckes benutzt und auf eine Kraftmessung zurückgeführt. Es eignen sich somit sämtliche Messverfahren die auch für die Kraft- und Gewichtsmessung verwendet werden, wie Piezoelektrische Sensoren, Dehnungsmessstreifen aber auch Druckwaagen.

Zur Bestimmung des Luftdruckes werden in der Regel Relativdruckmessgeräte eingesetzt, die den Druck gegenüber einem Referenzdruck messen. Dieser Druckunterschied führt wieder zu einer Kraft, die auf eine Fläche (meist eine Membran) ausgeübt wird und wieder mit Kraftmessung bestimmt werden können.

Daneben existieren noch Absolutdruck-Messgeräte, die über andere physikalische Zusammenhänge den Druck in einem Volumen bestimmen. Diese werden insbesondere zur Vakuummessung eingesetzt:

• Pirani-Druckmessgerät, bestimmt den Absolutdruck anhand des Wärmetransportes des Gases
• Ionen-Druckmessgerät, bestimmt den Absolutdruck anhand der Ionisierfähigkeit des Gases
• Viskositätsmanometer, bestimmt den Absolutdruck anhand der Reibung eines Körpers in dem Gas

Weblinks

• Umrechnung von vielen unterschiedlichen Druckeinheiten
• Umrechnung von englischen und amerikanischen Druck-Maßen in metrische Einheiten
• Internationale Druckeinheiten

Siehe auch: osmotischer Druck