Druck (Physik): Definition, Einheiten, Formeln & Beispiele

Druck ist eines der wichtigsten Konzepte in der Physik. Während Sie zweifellos eine Vorstellung davon haben, wie hoch der Druck ist, z. B. aus atmosphärischen Druckmessungen in Wetterberichte oder Wasserdruck in der Heizungsanlage Ihres Hauses, wenn Sie Physik studieren, die Details wirklich Angelegenheit. Das Erlernen der genauen Definition von Druck hilft Ihnen, wichtige Konzepte in Bezug auf Gase, Thermodynamik, Auftrieb und vieles mehr zu verstehen.

Druck ist einfach definiert als derKraft pro Flächeneinheit. Der Schlüsselpunkt, wenn Sie versuchen, Druck zu verstehen, besteht darin, darüber nachzudenken, was auf atomarer Ebene in einer Flüssigkeit oder einem Gas bei hohem Druck passiert. Die Moleküle bewegen sich ständig und stoßen daher ständig gegen die Wände des Behälters. Je mehr sie sich bewegen (aufgrund höherer Temperaturen), desto mehr stoßen sie an die Behälterwände und desto höher ist der Druck.

Die Definition macht dann einfach dieses allgemeine Bild zu einer klaren, physikalischen Definition. Jedes Mal, wenn ein Molekül auf die Seite eines Behälters trifft, übt es eine Kraft auf dieses aus, und die Summe dieser Kräfte für einen kleinen Teil des Innenraums ergibt den Gesamtdruck. Der bequemste Weg, dies zu tun, besteht darin, eine Fläche zu wählen, die in Ihrem gewählten Maßsystem eine „Einheit“ zum Quadrat ist, was in der Definition „pro Flächeneinheit“ bedeutet.

Mathematisch können Sie Druck definieren als:

WoPist Druck,Fist die Kraft auf die Oberfläche undEINist Bereich.

Die SI-Einheit des Drucks ist derPascal (Pa), wobei 1 Pa = 1 N/m², also ein Newton pro Quadratmeter. Der Newton ist die Krafteinheit, daher ist leicht zu erkennen, dass der Pascal die Anforderungen an eine Druckeinheit erfüllt. Allerdings ist der Pascal für Dinge wie den atmosphärischen Druck eine recht kleine Einheit, so dass auch eine ganze Reihe von Alternativen im Einsatz sind. Eine der einfachsten Möglichkeiten, dies zu tun, besteht darin, einfach kPa (d. h. Kilopascal oder Tausende von Pascal) zu verwenden, aber es gibt auch andere Optionen.

Die bekannteste alternative Einheit istPfund pro Quadratzoll (psi), die in den USA für Dinge wie Wasserdruck verwendet wird. Für Atmosphärendruck wird häufig die entsprechend benannte Einheit „Atmosphären“ (atm) verwendet, da 1 atm dem Atmosphärendruck auf Meereshöhe entspricht. Der Torr ist eine alternative Einheit für atmosphärische Drücke, die als 1/760 an. definiert ist Atmosphäre oder 133,3 Pa. In der Meteorologie werden oft Millibar verwendet, wobei 1 bar = 100.000 Pa und 1 Millibar = 100 Pa.

Schließlich gibt es noch einige ungewöhnlichere Einheiten für den Druck, darunter Millimeter Quecksilbersäule (mmHg), die wird basierend auf dem Druck einer 1 mm hohen Quecksilbersäule definiert und wird oft für Blut verwendet Druck.

Dies war ursprünglich die Absicht der Torr, und so sollte es nicht überraschen, dass die beiden es sind im Wesentlichen gleich: 1 mmHg = 133,322 Pa. Schließlich wird der Druck in einigen Fällen als Wert in Dyn pro Quadrat gemessen Zentimeter. Hier ist Dyne eine Krafteinheit mit 1 Dyne = 0,00001 Newton, also entspricht 1 Dyne pro Quadratzentimeter 0,1 Pa.

Der atmosphärische Druck auf Meereshöhe beträgt 1 Atmosphäre oder etwa 101.325 Pa. Dies ist aenormWert – es ist mehr als die Schwerkraft auf 10.000 kg Materie, die auf dich drücktdie ganze Zeit. Der Druck ist im Wesentlichen genau das, aber die Sache ist eigentlich die Luft: Druck wird buchstäblich durch das Gewicht der Luft verursacht, die über die Erdoberfläche drückt.

Das mag seltsam erscheinen, weil du niebeachtenatmosphärischen Druck, obwohl er so massiv ist, aber Sie haben sich in dieser Umgebung entwickelt und bemerken es nicht. Es gibt ein Druckmaß, das dies ebenfalls berücksichtigt, genanntÜberdruck. Dies ist die Druckdifferenz zwischen dem Absolutdruck (also dem Gesamtdruck) und dem Atmosphärendruck.

Wenn Sie beispielsweise einen völlig platten Reifen an Ihrem Auto haben, würde beim Anschließen eines Messgeräts Null angezeigt. Allerdings gibt esLuftinnerhalb des Reifens, der atmosphärischen Druck hat; Diese Informationen sind nur nicht wirklich relevant, wenn Sie daran interessiert sind, ob so etwas wie ein Autoreifen angemessen unter Druck steht. Es gibt immer noch den absoluten Druck, aber in diesem Fall (und vielen anderen) ist der Überdruck wirklich das, was Sie wissen müssen.

Wasserdruck ist eine der bekanntesten Druckformen im täglichen Leben, jedoch in einer hydrostatischen Situation (einer, wo das Wasser nicht fließt), der Druck funktioniert anders als bei Ihrer Warmwasserbereitung System. Dies ist jedoch eine interessante Situation, die Sie sich ansehen sollten, wenn Sie zum ersten Mal etwas über Druck lernen, da der Druck in einer solchen Situation von der Tiefe abhängt.

Der Druck (P) in jeder Tiefe (d) ergibt sich aus der Gleichung:

Woρ(„rho“) ist die Dichte der Flüssigkeit undGist die Erdbeschleunigung (auf der Erde,G= 9,81 m/s²). Die Dichte von Wasser bei 20 °C beträgtρ= 998 kg/m²³, aber im Allgemeinen werden die Berechnungen stark vereinfacht, wenn man von einer Temperatur von 4 °C ausgeht, wobeiρ= 1000 kg/m²³ oder 1 g/cm²³. Wenn Sie also den Wasserdruck in einer Tiefe von 25 m berechnen, zeigt die Gleichung:

Ein Barometer ist ein Gerät zur Messung des atmosphärischen Drucks (manchmal auch Barometerdruck genannt), das mit einer Quecksilbersäule arbeitet. Ein quecksilberhaltiges Röhrchen – an einem Ende offen – wird umgedreht und in ein ebenfalls quecksilberhaltiges Reservoir gelegt. Wenn es aufgestellt ist, ist das Reservoir zur Atmosphäre hin offen, aber das Quecksilber im Röhrchen hat nur Kontakt mit dem Reservoir, und durch das Umdrehen des Röhrchens entsteht oben ein Vakuum.

Das Barometer misst den Druck, weil die Kraft aufgrund des atmosphärischen Drucks (im Grunde das Gewicht der Luft) drückt das Quecksilber im Vorratsbehälter nach unten und drückt dadurch das Quecksilber in die Röhre oben.

Wenn die Quecksilbersäule eine gleich große nach unten gerichtete Kraft erzeugt (die Wasserdruckgleichung aus dem vorherigen Abschnitt beschreibt den Ursprung dieser Kraft), ändert sich nichts, aber wenn der Luftdruck höher ist, muss der Quecksilbergehalt in der Röhre um einen entsprechenden Betrag ansteigen, um die Kräfte. Nach dem Kalibrieren der Waage kann mit diesem einfachen System der Luftdruck gemessen werden.

Es gibt auch andere Beispiele für Druck, die Sie aus dem täglichen Leben kennen, einschließlich des Blutdrucks. Dies ist der (Mess-)Druck, der von Ihrem Herzen erzeugt wird, das Blut durch Ihren Körper pumpt, und wird in mmHg (Millimeter von ) gemessen Quecksilber) und Sie haben zwei Messwerte: systolisch für den Druck, wenn Ihr Herz herausdrückt und diastolisch für den Druck zwischen schlägt. Natürlich ist der Druck während der Schläge die höhere Zahl der beiden, und zwischen 90/60 mmHg und 120/80 mmHg gilt als ideal.

Luftdruck ist auch ein entscheidendes Konzept in der Meteorologie, das die Positionen und Bewegungen von Hochdruck- und Tiefdrucksystemen abbildet, um Wetteränderungen vorherzusagen. Durch die Beziehung zwischen Atmosphärendruck und Temperatur und was passiert, wenn ein Niederdrucksystem auf ein Hochdrucksystem trifft, sagen Meteorologen die Temperaturen und Dinge wie Wind in verschiedenen Regionen voraus.