Der Luftdruck

Da unsere Umgebung ebenfalls Teilchen enthält, übt grundsätzlich auch die Umgebungsluft auf angrenzende Flächen einen Druck aus (zur Druckwirkung in Gasen siehe Kapitel hier). Dieser beträgt auf Meereshöhe 1,01325 bar und kann für die meisten Fälle mit hinreichender Genauigkeit als 1 bar angenommen werden. In der Regel verspüren wir diesen Umgebungsdruck allerdings nicht, da im zeitlichen Mittel gleich viele Teilchen von der einen Seite wie von der anderen Seite auf die Grenzfläche wirken. So heben sich bei einem Kolben der frei in die Luft gehalten wird die Wirkungen der Stoßprozesse auf beiden Seiten auf. Der Umgebungsdruck verursacht somit effektiv keine resultierende Kraft auf den Kolben.

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Abbildung: Druckwirkung der umgebenden Luftteilchen (Umgebungsdruck)

Anmerkung: Sollte man im oberen Beispiel nicht ein leichtes Variieren der Kolbenkraft feststellen? Schließlich ist es doch unwahrscheinlich, dass zu jedem Zeitpunkt immer gleich viele Teilchen von der einen wie von der anderen Seite gegen die Kolbenfläche prallen? Diese Frage ist für die meisten thermodynamischen Vorgänge allerdings nur von theoretischer Natur, denn in einem Gas befinden sich im Allgemeinen unzählig viele Teilchen. So finden sich in einem Volumen von 1 Liter, das mit einem idealen Gas gefüllt ist, unter Normalbedingungen weit über 10 Trilliarden Teilchen wieder (1 Trilliarde ≈ \(10^{21}\))! Ein Unterschied von ein paar Millionen oder gar Milliarden Teilchen fällt dabei auf makroskopischer Ebene nicht ins Gewicht und ein Variieren der Kolbenkraft lässt sich praktisch nicht nachweisen.

Wird der oben betrachtete Kolben hingegen in einen Zylinder eingefasst und auf der rechten Seite zusätzliche Teilchen eingepumpt, so wird das Gleichgewicht zwischen linker und rechter Kolbenseite zerstört. Es stoßen nun mehr Teilchen von rechts gegen den Kolben und verursachen eine entsprechende Kraftwirkung nach links. Da in der rechten Kammer des Zylinders der Gasdruck über dem Umgebungsdruck liegt, spricht man auch von Überdruck. In diesem Zustand muss der Kolben mit einer zusätzlichen Kraft in Stellung gehalten werden. Wird der Kolben hingegen losgalssen so wird dieser durch den größeren Druck in der rechten Kammer nach links geschoben. Das rechte Gasvolumen vergrößert sich dabei und der Gasdruck sinkt dementsprechend. Das Gasvolumen auf der linken Seite des Kolbens wird hingegen verkleinert und der Gasdruck erhöht sich dort, bis sich ein neuer Gleichgewichtszustand einstellt und beide Druckwirkungen gleich groß sind [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung und entferne sie anschließend wieder].

Gas-Druck, Zylinder, Überdruck, Kolben, Luftpumpe

Interaktive Abbildung: Druckwirkung auf den Kolben durch Überdruck

Als Überdruck bezeichnet man also denjenigen Druckanteil der über dem Umgebungsdruck liegt. Herrscht bspw. im oberen Beispiel in der rechten Kammer ein Überdruck von 3 bar, so bedeutet dies, dass der Gasdruck auf dieser Seite um insgesamt 3 bar höher liegt als auf der linken Umgebungsseite mit 1 bar. Insgesamt liegt der Druck auf der rechten Seite somit bei einem sogenannten Absolutdruck von 4 bar. Als Absolutdruck bezeichnet man folglich den Druck der tatsächlich als Gasdruck herrscht, in diesem Fall ermittelt sich der Absolutdruck also aus "Umgebungsdruck plus Überdruck".

Dieselbe Wirkung im Vergleich zu einem Überdruck in der rechten Kammer lässt sich auch erzielen, wenn man anstatt Teilchen auf der rechten einzupumpen, Teilchen einfach auf der linken Seite absaugt. In diesem Zusammenhang spricht man auch von Unterdruck, der der Gasdruck in der linken Kammer unter dem Umgebungsdruck liegt. Auch in diesem Zustand muss der Kolben mit einer zusätzlichen Kraft in Stellung gehalten werden. Wird der Kolben anschließend wieder losgalssen so wird dieser durch den größeren Druck in der rechten Kammer nach links geschoben. Das rechte Gasvolumen vergrößert sich wieder und der Gasdruck sinkt, während der Gasdruck auf der gegenüberliegenden Seite durch die Volumenverkleinerung ansteigt. Schließlich wird sich auch dabei wieder ein neuer Gleichgewichtszustand einstellen [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung und entferne sie anschließend wieder].

Gas-Druck, Zylinder, Unterdruck, Kolben, Luftpumpe

Interaktive Abbildung: Druckwirkung auf den Kolben durch Unterdruck

Als Unterdruck bezeichnet also man denjenigen Druckanteil der unter dem Umgebungsdruck liegt. Liegt bspw. der Unterdruck im oberen Beispiel bei 0,8 bar, so bedeutet dies, dass auf dieser Seite der Druck um 0,8 bar unterhalb des Umgebungsdruckes der rechten Seite mit 1 bar liegt. Dies macht folglich ein Absolutdruck von 0,2 bar der in der linken Kammerhälfte herrscht. Im Falle eines Unterdrucks ermittelt sich der Absolutdruck folglich aus "Umgebungsdruck minus Unterdruck".

Beachte, dass der Druck letztlich durch Stoßprozesse begründet ist und dieser folglich (wir der Name bereits andeutet) nur eine Druckkraft aufbringen kann, niemals eine Zugkraft! So führt bspw. der Satz „Der Kolben wird durch den Unterdruck in der linken Kammer nach links gesogen“ zu grundsätzlichen Missverständnissen über die tatsächlich ablaufenden Vorgänge auf mikroskopischer Ebene. Richtigerweise müsste der Satz demnach lauten "Durch den größeren Druck in der rechten Kammer wird der Kolben nach links gedrückt!". Es existiert folglich kein negativer Druck im Sinne einer Zugkraft, d.h. der Druck ist immer positiv.

Im oberen Beispiel hat das Absaugen der Teilchen auf der linken Kammerhälfte zur Erzeugung eines Unterdrucks natürlich Grenzen. Denn schließlich kann nur bis maximal dahin abgesaugt werden, bis alle Teilchen restlos entfernt sind. Man bezeichnet diesen Zustand, in dem ein Volumen keine Teilchen mehr enthält als Vakuum.

Da keinerlei Teilchen in einem solchen Vakuum mehr vorhanden sind, geht von der entsprechenden Kammerhälfte folglich auch keine Druckkraft mehr aus. Die Druckwirkung auf den Kolben kommt damit ausschließlich durch die Teilchen in der rechten Zylinderhälfte zustande (abgesehen vom Luftdruck der auf die außerhalb des Zylinders liegende Stirnseite der Kolbenstange wirkt!). Man hat also durch das restlose Absaugen der Teilchen nicht wie häufig eingenommen eine unendlich große "Sogwirkung" sondern die Kraftwirkung ist in diesem Fall durch den Umgebungsdruck auf der gegenüberliegenden Kolbenseite (bei geöffnetem Ventil) somit fest vorgegeben und damit begrenzt.

Gas-Druck, Zylinder, Unterdruck, Kolben, Luftpumpe, Vakuum

Interaktive Abbildung: Druckwirkung auf den Kolben durch ein Vakuum

Der Absolutdruck im Vakuum beträgt also 0 bar. Dies bedeutet, dass auf Meereshöhe maximal ein Unterdruck von 1 bar erzeugt werden kann, bis in jenem Punkt folglich alle Teilchen abgesaugt sind. Zusammenfassend ist in der unteren Abbildung nochmals ein Überblick über die unterschiedlichen Druckbezeichnungen gegeben.

Druck, Überdruck, Unterdruck Vakuum, Umgebungsdruck, Luftdruck, Absolutdruck

Abbildung: Unterdruck und Überdruck

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