Druckdefinition, Einheiten und Beispiele

In der Wissenschaft, Druck ist ein Maß für die Kraft pro Flächeneinheit. Die SI-Druckeinheit ist das Pascal (Pa), was N / m entspricht² (Newton pro Quadratmeter).

Grundlegendes Beispiel

Wenn Sie 1 Newton (1 N) Kraft auf 1 Quadratmeter (1 m) verteilt hätten²) ergibt sich 1 N / 1 m² = 1 N / m² = 1 Pa. Dies setzt voraus, dass die Kraft senkrecht zur Oberfläche gerichtet ist.

Wenn Sie den Kraftaufwand erhöhen, ihn aber auf dieselbe Fläche ausüben, steigt der Druck proportional an. Eine Kraft von 5 N, die über dieselbe Fläche von 1 Quadratmeter verteilt ist, würde 5 Pa betragen. Wenn Sie jedoch auch die Kraft erweitern, würden Sie feststellen, dass der Druck umgekehrt proportional zur Flächenerhöhung zunimmt.

Wenn Sie 5 N Kraft auf 2 Quadratmeter verteilt hätten, würden Sie 5 N / 2 m erhalten² = 2,5 N / m² = 2,5 Pa.

Druckeinheiten

Ein Bar ist eine andere metrische Druckeinheit, obwohl es nicht die SI-Einheit ist. Es wird als 10.000 Pa definiert. Es wurde 1909 vom britischen Meteorologen William Napier Shaw erstellt.

Luftdruck, oft notiert als p_ein, ist der Druck der Erdatmosphäre. Wenn Sie draußen in der Luft stehen, ist der atmosphärische Druck die durchschnittliche Kraft der gesamten Luft über und um Sie herum, die auf Ihren Körper einwirkt.

Der Durchschnittswert für den atmosphärischen Druck auf Meereshöhe wird als 1 Atmosphäre oder 1 atm definiert. Da es sich um einen Durchschnitt einer physikalischen Größe handelt, kann sich die Größe im Laufe der Zeit aufgrund genauerer Messmethoden oder möglicherweise aufgrund tatsächlicher Änderungen der Umgebung ändern, die sich global auf den durchschnittlichen Luftdruck auswirken könnten.

• 1 Pa = 1 N / m²
• 1 bar = 10.000 Pa
• 1 atm ≤ 1,013 × 10⁵ Pa = 1,013 bar = 1013 Millibar

So funktioniert Druck

Der allgemeine Kraftbegriff wird oft so behandelt, als würde er idealisiert auf ein Objekt einwirken. (Dies ist in den meisten Bereichen der Wissenschaft und insbesondere der Physik tatsächlich üblich, da wir idealisierte Modelle erstellen, um die Phänomene hervorzuheben, denen wir unsere besondere Aufmerksamkeit widmen und die wir vernünftigerweise ignorieren können.) Bei diesem idealisierten Ansatz sollten wir Wenn eine Kraft auf ein Objekt einwirkt, zeichnen wir einen Pfeil, der die Richtung der Kraft angibt, und tun so, als ob die Kraft alle an diesem Punkt stattfindet.

In Wirklichkeit sind die Dinge jedoch nie so einfach. Wenn Sie mit der Hand auf einen Hebel drücken, wird die Kraft tatsächlich auf Ihre Hand verteilt und drückt gegen den Hebel, der auf diesen Bereich des Hebels verteilt ist. Um es in dieser Situation noch komplizierter zu machen, ist die Kraft mit ziemlicher Sicherheit nicht gleichmäßig verteilt.

Hier kommt der Druck ins Spiel. Physiker wenden das Konzept des Drucks an, um zu erkennen, dass eine Kraft über eine Fläche verteilt ist.

Obwohl wir in einer Vielzahl von Zusammenhängen über Druck sprechen können, bestand eine der frühesten Formen, in denen das Konzept in der Wissenschaft zur Diskussion stand, darin, Gase zu betrachten und zu analysieren. Lange bevor die Wissenschaft der Thermodynamik im 19. Jahrhundert formalisiert wurde, wurde erkannt, dass Gase beim Erhitzen eine Kraft oder einen Druck auf das Objekt ausübten, das sie enthielt. Erhitztes Gas wurde zum Schweben von Heißluftballons verwendet, beginnend in Europa im 18. Jahrhundert, und die Chinesen und andere Zivilisationen hatten schon lange zuvor ähnliche Entdeckungen gemacht. In den 1800er Jahren kam auch die Dampfmaschine auf den Markt (siehe Abbildung), die den in einem Kessel aufgebauten Druck nutzt, um mechanische Bewegungen zu erzeugen, wie sie zum Bewegen eines Flussboots, eines Zugs oder einer Fabrikwebmaschine erforderlich sind.

Dieser Druck erhielt seine physikalische Erklärung mit der kinetischen Theorie der Gase, in der die Wissenschaftler erkannten, dass, wenn ein Gas eine große Vielfalt von Partikeln (Molekülen) enthielt, der erfasste Druck physikalisch durch die durchschnittliche Bewegung dieser Partikel dargestellt werden konnte. Dieser Ansatz erklärt, warum Druck in engem Zusammenhang mit den Konzepten von Wärme und Temperatur steht, die nach der kinetischen Theorie auch als Bewegung von Partikeln definiert werden. Ein besonderer Fall von Interesse für die Thermodynamik ist ein isobarer Prozess, bei dem es sich um eine thermodynamische Reaktion handelt, bei der der Druck konstant bleibt.

Herausgegeben von Anne Marie Helmenstine, Ph.D..