Druck (Physik)

Der Druck ist eine systemeigene intensive physikalische Zustandsgröße und zudem eine lineare Feldgröße. Sein Formelzeichen ist p (von engl. pressure) und seine abgeleitete SI-Einheit ist das Pascal. Das Formelzeichen darf hierbei nicht mit der Leistung P (von engl. power) beziehungsweise mit dem Impuls p verwechselt werden.

Der Druck hat neben seiner Bedeutung als skalare Zustandsgröße in der Physik auch eine eher umgangssprachliche Bedeutung. Man kann etwa Druck auf einen Nagel ausüben, um ihn in ein Stück Käse zu pressen. Der Druck (eigentlich die Druckspannung) zwischen Käse und Nagel hängt dabei neben von der auf den Nagel ausgeübten Kraft auch von der Größe der Berührungsfläche zwischen Käse und Nagel ab. Je kleiner diese Berührungsfläche ist, desto größer ist der Druck zwischen Nagel und Käse und desto leichter ist es, den Nagel in den Käse zu drücken.

Die Druckspannung ist im Gegensatz zum Druck keine skalare Zustandsgröße.

Druck im Allgemeinen

Unter dem Druck p versteht man den Quotienten einer Kraft F (von engl. force) und der Fläche A (von engl. area), auf die diese Kraft senkrecht zur Fläche wirkt (entgegen der Flächennormalen). Hieraus ergibt sich die Gleichung:

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

Der Druck kann in dieser Vorstellung leicht mit der Kraft verwechselt werden:

Die Begriffe Druck und Kraft können oft nur schlecht voneinander abgegrenzt werden, da der Effekt der unterschiedlichen Auflageflächen im Alltag meist unscheinbar ist und somit die wirkende Kraft zum resultierenden Druck proportional ist bzw. als solches empfunden oder gar interpretiert wird. Hierzu ein Beispiel:

Ein Nagel hat an seiner Spitze eine sehr kleine Auflagefläche, was nach obiger Formel selbst bei einer geringen Kraft zu einem großen Druck führen kann. Diesen spürt man beim Ausüben einer Kraft auf den Nagel, wenn man ihn mit der Spitze auf die Haut drückt. Dreht man den Nagel um und übt die identische Kraft auf ihn aus, so ist der Druck aufgrund der höheren Auflagefläche wesentlich geringer. Dieser Effekt wird jedoch oft einer höheren Kraft zugeschrieben, anstatt der hierfür verantwortlichen geringeren Auflagefläche.

Es ist also wichtig, zwischen Druck und Kraft zu unterscheiden, denn abgesehen davon, dass es sich um grundverschiedene Größen handelt, besitzt die Kraft eine Richtung, der Druck hingegen nicht.

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

Das obige Konzept ist eine Vereinfachung des allgemeinen Spannungstensors, wie er aus der Mechanik bekannt ist.

Siehe auch: Hertzsche Pressung

Druck in Strömungen

statischer und dynamischer Druckanteil in einer Strömung

Der Druck in Strömungen setzt sich aus einem statischen und einem dynamischen Anteil zusammen. Während beide Teile von der Dichte abhängen, unterscheiden sie sich dadurch, dass der (hydro)statische Druck, für Fluide mit konstante Dichte, linear mit der Höhe der Fluidsäule steigt. Zudem ist er von der Erdbeschleunigung, also der Gravitation, abhängig. Der dynamische Anteil hingegen wächst quadratisch mit der Strömungsgeschwindigkeit des Fluids. Das Bild zur Rechten verdeutlicht die Konstanz der Summe aus dynamischem und statischem Anteil in einer reibungsfreien Strömung. Dies ist die Konsequenz aus der Energieerhaltung in der Strömung und für diesen Spezialfall als Gesetz von Bernoulli bekannt.

Hydrostatischer Druck

Der hydrostatische Druck übt auf jede Fläche, die mit dem Fluid in Verbindung steht, eine Kraft aus, die zur Größe der Fläche direkt proportional ist. Diese Form des Drucks ist somit eine spezielle Form der elastischen Spannungen, die idealen Flüssigkeiten und Gasen eigen ist: In der idealen, (reibungslosen) Flüssigkeit existieren ausschließlich Normalspannungen, eben dieser hydrostatische Druck. Anders ist es in einer zähen Flüssigkeit, denn hier können auch Tangential- oder Schubspannungen infolge der Reibungskräfte auftreten. Im Mohrschen Spannungskreis stellt sich der hydrostatische Druck daher als einfacher Punkt dar. Beispiele für einen hydrostatischen Druck sind sind der Wasserdruck und der Luftdruck.

Der hydrostatische Druck in einer Fluidsäule der Höhe h (auf einer y-Achse) und der Dichte ρ unter Wirkung der Erdbeschleunigung g, wobei mit p(y=0) der Druck auf der Oberfläche der Fluidsäule gemeint ist, ergibt sich als Sonderfall aus der hydrostatischen Grundgleichung zu:

$p(y=h)=\rho \cdot g\cdot h+p(y=0)$

Dynamischer Druck

Der dynamische Druck resultiert aus der kinetische Energie eines massebehafteten Körpers, welcher sich mit einer Geschwindigkeit, der Fluidgeschwindigkeit, fortbewegt. Der dynamische Druck ist nicht direkt messbar, wird aber zur Geschwindigkeitsmessung des Fluids verwendet. Es gilt:

$p={\frac {1}{2}}\rho v^{2}$

Näheres siehe unter hydrodynamischer Druck.

Gasdruck

Der Gasdruck entsteht als Summe aller durch ein Gas oder Gasgemisch wirkenden Kräfte auf eine Gefäßwand. Stößt ein Gasteilchen an eine Wand, so tauschen diese einen Impuls aus. Diese Impulsübertragung hängt zum einen 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. Man erhält den Gasdruck auch durch eine Addition aller Partialdrücke der Komponenten der Gasgemisches. Hierbei stellen auch Dampfdruck und Sättigungsdampfdruck Sonderformen des Gasdrucks dar. Der Luftdruck ist ein Beispiel für einen Gasdruck.

Die kinetische Gastheorie liefert aus den genannten mechanischen und statistischen Überlegungen die Zustandsgleichung:

$p=-{\frac {\partial U(S,V,n)}{\partial V}}$

die sich für die Thermodynamik auch als Definition des Druckes als intensive Größe anbietet (siehe auch Fundamentalgleichung). Für ein ideales Gas führt dies zur thermischen Zustandsgleichung:

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

Aus ihr lassen sich verschiedene Formeln für den Gasdruck ableiten:

$p={\frac {n\cdot R\cdot T}{V}}$

$p=\rho \cdot R_{s}\cdot T$

$p={\frac {m\cdot R_{s}\cdot T}{V}}\qquad$

$p={\frac {R\cdot T}{V_{m}}}$

Aus der kinetischen Gastheorie folgt:

$p={\frac {nM{\overline {v^{2}}}}{3V}}$

Hierbei stehen die einzelnen Formelzeichen für folgende Größen:

• V - Volumen
• T - Temperatur
• n - Stoffmenge
• m - Gasmasse
• ρ - Dichte
• V - Volumen
• V_m - molares Volumen
• k_B - Boltzmannkonstante
• R - Universelle Gaskonstante
• R_s - spezifische Gaskonstante
• ${\sqrt {\overline {v^{2}}}}$ - quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit

Der gemittelte Impulsübertrag ist im Produkt aus Gaskonstante und Temperatur der Zustandsgleichung enthalten. Beide Begriffe können durch Kolbenprobeexperimente ineinander überführt werden. Der Gasdruck kann äquivalent zur obigen Definition auch als hydrostatischer Spannungstensor, wie er aus der Mechanik bekannt ist, verstanden werden.

Einheiten

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/cm² = 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

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 im Gas.

Auch unsere Trommelfelle, die zu unserem Gehör gehören, sind Sensoren, die nur für Druck (Schallwechseldruck) empfindlich sind; desgleichen auch die Schalldruckempfänger, die Mikrofone mit der Richtcharakteristik Kugel.

Spezielle Drücke und Anwendungen

• Wasserdruck
• Turgor
• Schalldruck
• Staudruck
• Nenndruck
• Gasbetriebsdruck
• Prüfdruck
• Berstdruck

Weblinks

• Umrechnung aller internationaler Druckeinheiten