Druckwirkung von Gasen

Bei den im vorangegangenen Beispielen zur Druckwirkung handelte es sich immer um feste Gegenstände, die Drücke aufeinander ausübten. Man spricht in diesem Zusammenhang auch vom sogenannten Auflagedruck. Aber nicht nur feste Körper können auf andere feste Gegenstände Kräfte und damit je nach Kontaktfläche entsprechende Drücke ausüben. Auch Gase üben auf Grenzflächen Kräfte und somit Drücke aus, wie bspw. die eingeschlossene Luft auf das Innere eines Autoreifens. Man spricht dann von Gasdrücken bzw. bei Flüssigkeiten von Flüssigkeitsdrücken.

Im Gegensatz zum Auflagendruck der salopp formuliert in eine bestimmte Richtung wirkt, ist die Druckwirkung von Gasen oder auch in Flüssigkeiten in alle Richtungen gleich. Auf diese Weise ist bspw. der Gasdruck eines Autoreifen in der Lage selbst tonnenschwere Fahrzeuge anzuheben. Fährt man hingegen in einen Nagel so sinkt die Druckwirkung im Inneren durch die entweichende Luft und der Autoreifen verliert seine Form [fahre hierzu mit der Maus über die Abbildung].

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Interaktive Abbildung: Gasdruck (Luftdruck) im Inneren eines Autoreifens

Mit dem Druck von Gasen werden auch bspw. in den Zylindern von Verbrennungsmotoren Kräfte auf die Kolben ausgeübt. Diese Kolben sind über Pleuelstangen mit der Kurbelwelle verbunden und wandeln die Linearbewegung in eine Rotationsbewegung und treiben damit die Räder an.

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Abbildung: Gasdruck (Verbrennungsdruck) im Inneren eines Motorzylinders

Die Druckwirkung von Gasen spielt also eine sehr wichtige Rolle im Alltag und in der Technik. Vor allem bei der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie (z.B. in Verbrennungsmotoren, Triebwerken, Dampfkraftwerken, etc.) kommt dem Gasdruck eine entscheidende Bedeutung zu. Denn schließlich kann mit einem höheren Druck auch mehr Kraft erzeugt und somit mehr mechanische Energie freigesetzt werden. Wie lässt sich nun aber das Zustandekommen einer Druckwirkung in Gasen anschaulich erklären?

An dieser Stelle sei zunächst nochmals daran erinnert, dass sich die Teilchen eines gasförmigen Stoffes innerhalb eines abgeschlossenen Volumens relativ frei bewegen können. Die untere Abbildung zeigt beispielhaft die freien Luftteilchen in einem Zylinder. Dabei prallen die Gasteilchen ständig mit der umgebenden Zylinderwand oder mit der Fläche eines eingebrachten Kolbens zusammen.

Beim Aufprall auf die jeweiligen Grenzflächen verursachen die Teilchen somit eine Stoßkraft – analog zu Tennisbällen, die gegen einen Gegenstand geschmettert werden. Die Druckwirkung in Gasen (oder auch in Flüssigkeiten) kommt auf mikroskopischer Ebene also durch Stoßprozesse der darin enthaltenen Teilchen zustande, die auf angrenzende Flächen prallen. Da die Teilchen dabei keine bevorzugte Flugrichtung aufweisen, sind die Stoßvorgänge an alle Grenzflächen gleichmäßig verteilt. Der Druck innerhalb eines Gases ist somit ebenfalls gleichmäßig verteilt und damit räumlich konstant.

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Abbildung: Druckwirkung in Gasen

Auf makroskopischer Ebene machen sich diese mikroskopischen Stoßprozesse durch eine Kraftwirkung bemerkbar und können entsprechend als Kraft pro Fläche („Stoßprozesse pro Fläche“) charakterisiert werden, d.h. als Druck. Schließt man ein Gas in ein Zylinder ein, der mit einem beweglichen Kolben verschlossen ist, so kann der dort herrschende Gasdruck relativ einfach gemessen werden. Hierzu ist lediglich entgegen des Gasdrucks eine gleich große Gegenkraft aufzubringen, um der Kraftwirkung des Gases entgegenzuwirken. In Kombination mit der Druckfläche (Kolbenfläche) kann dann schließlich der Gasdruck ermittelt werden. 

Beachte, dass in der Realität die Druckwirkung nicht einseitig vom eingeschlossenen Gas im Zylinder ausgeht. Auch auf der gegenüberliegenden Zylinderseite befinden sich in der Regel Teilchen, die eine gewisse Druckwirkung ausüben [fahre hierzu auch mit der Maus über die obere Abbildung]. Im einfachsten Fall sind dies die Luftteilchen der umgebenden Luft, die ihrerseits einen Druck auf den Kolben ausüben. Sind beide Drücke gleich groß, dann entsteht keine effektive Kraftwirkung auf den Kolben. Dies erklärt auch weshalb ein Kolben der frei in die Luft gehalten wird trotzt der ständig stattfindenden Stoßprozesse zwischen Luftteilchen und Kolben keine effektive Druckwirkung verspürt - die Stoßprozesse finden auf beiden Seiten des Kolbens nämlich gleichermaßen statt und halten sich somit das Gleichgewicht. Mehr zum Thema Luftdruck findet sich im nachfolgenden Abschnitt wieder. 

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Abbildung: Luftdruck der umgebenden Luftteilchen (Umgebungsdruck)

Beachte, dass es in der Technik historisch bedingt üblich ist den Gasdruck in der Einheit \(\text{bar}\) anzugeben. \(1 \text{ bar}\) entspricht dabei \(10^5 \frac{\text{N}}{\text{m²}}\):

\begin{align}\;\;\;\;\;
&\boxed{1 \text{ bar} \text{ ≙ } 10^5 \frac{\text{N}}{\text{m²}} } \\[5px]
\end{align}

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