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Hydrostatischer Druck

Hydrostatischer Druck

Hydrostatischer Druck (abgeleitet von hydro für Wasser und statisch für ruhend), ist der Druck, der sich innerhalb einer ruhenden Flüssigkeit unter dem Einfluß der Gravitationskraft einstellt. Es ist eine statische Größe, die ausschliesslich von der Höhe des Flüssigkeitsspiegels über dem Messpunkt abhängt. Dieses Phänomen ist auch als hydrostatisches Paradoxon bekannt. Wenngleich das Wort hydro, dem griechischen Wort für Wasser entspricht wird die Bezeichnung hydrostatischer Druck (unpräziserweise) zum Teil auch für den statischen Druck in anderen Flüssigkeiten und ruhenden Gasen verwendet. So zum Beispiel für den Luftdruck. Der hydrostatische Druck berechnet sich nach dem Pascalschen Gesetz (benannt nach Blaise Pascal): :

p(h) = \rho \cdot g \cdot h

mit: :p(h) - Hydrostatischer Druck als Funktion der Wasserhöhe; [p] = Pa :g - Erdschwerebeschleunigung; [g] = m/s² :

\rho

- Dichte (für Wasser:

\rho

= 1000 kg/m³); [

\rho

] = kg/m³ :h - Höhe der Flüssigkeitssäule; [h] = m Zur vollständigen Beschreibung des Drucks einer ruhenden Flüssigkeit muss man zum hydrostatischen Druck noch den Umgebungsdruck addieren. So entspricht der auf einen Taucher wirkende Wasserdruck in einem ruhenden Gewässer der Summe aus Luftdruck, der auf die Gewässeroberfläche wirkt, und hydrostatischem Druck. Zur Beschreibung des hydrostatischen Druckes wird zum Teil die nicht SI-konforme alte Maßeinheit "Meter Wassersäule" (Abkürzung 1 m WS) verwendet.

Beispiele

- Für Taucher ist es wichtig zu wissen, welchem Druck ihre Körpergase (Stickstoff) ausgesetzt sind, um die Taucherkrankheit zu vermeiden.
- Wassertürme nutzen den hydrostatischen Druck, um den für die Versorgung der Endverbraucher notwendigen Leitungsdruck zu erzeugen.
- In der Hydrogeologie kann sich nach dem Darcy-Gesetz eine Strömung zwischen zwei Punkten nur dann einstellen, wenn die Druckdifferenz zwischen beiden Punkten ungleich dem durch die Höhendifferenz bedingten hydrostatischen Druck ist.

Weblinks

[http://www1.physik.tu-muenchen.de/~kressier/Versuche/Java/phys/druckdose.htm Schweredruck in Flüssigkeiten (Java Applet)] Siehe auch: Druck in Strömungen, hydrostatischer und hydrodynamischer Druck unter Druck (Physik), Wasserdruck, Hydrostatik Kategorie:Physik Kategorie:Mechanik Kategorie:Tauchen ms:Tekanan bendalir

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 Holz zu schlagen. Der Druck (eigentlich die Druckspannung) zwischen Holz und Nagel hängt dabei neben von der auf den Nagel ausgeübten Kraft auch von der Größe der Berührungsfläche zwischen Holz und Nagel ab. Je kleiner diese Berührungsfläche ist, desto größer ist der Druck zwischen Nagel und Holz und desto leichter ist es, den Nagel in das Holz 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

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

Hertzsche Pressung 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 konstanter 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 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)

Hydrodynamischer Druck

Der hydrodynamische, oder auch kürzer dynamische Druck, resultiert aus der kinetischen Energie eines massebehafteten Körpers, welcher sich mit einer Geschwindigkeit - der Fluidgeschwindigkeit - fortbewegt. Er ist daher nach Jakob Bernoulli die Bezeichnung für die Zunahme oder Verminderung des hydrostatischen Drucks, die aufgrund einer Bewegung einer Flüssigkeit auftritt. Im einfachsten Fall kann man sich ein horizontal angebrachtes Rohr vorstellen, das einen veränderlichen Durchmesser besitzt. Dieses wird gleichmäßig von der Flüssigkeit durchströmt, wobei von der Reibung abgesehen werden soll. In jeder Zeiteinheit muss durch jeden Querschnitt dieselbe Flüssigkeitsmenge strömen, und deshalb muss die Geschwindigkeit der Strömung dem Querschnitt umgekehrt proportional sein. Die Geschwindigkeit kann von größeren zu kleineren Querschnitten aber nur zunehmen, wenn der Druck in den kleineren Querschnitten höher ist und umgekehrt. Durch die Strömung entstehen also in größeren Querschnitten hydrodynamische Erhöhungen des Druckes, in kleineren Querschnitten Verminderungen des Drucks, infolge derer die in Ruhe befindlichen Druckverhältnisse - der hydrostatische Druck - verändert werden. Der hydrodynamische Druck ist dabei zwar nicht direkt messbar, wird aber zur Geschwindigkeitsmessung des Fluids verwendet. Es gilt: :

p = \frac \ \rho \cdot v^2

Einheiten

Die SI-Einheit des Druckes ist das Pascal mit dem Einheitenzeichen Pa. Ein Pascal entspricht einem Druck von einem Newton pro Quadratmeter: :

\mathrm

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 = 1/200 tn.sh.p.sq.in = 1/2240 tn.p.sq.in = 0,07030695796 kp/m² = 6894,757293168 Pa

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

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

p =\rho \cdot R_s \cdot T

p = \frac \qquad

p = \frac

Aus der kinetischen Gastheorie folgt: :

p = \frac

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
- $\sqrt$ - 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.
Druckmessgeräte
Hauptartikel: Druckmessgerät
Spezielle Drücke und Anwendungen

- Wasserdruck
- Turgor
- Schalldruck
- Staudruck
- Nenndruck
- Gasbetriebsdruck
- Prüfdruck
- Berstdruck
- Hochdruckphysik
Weblinks

- [http://www.sengpielaudio.com/RechnerDruck.htm Umrechnung aller internationaler Druckeinheiten]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m12_druck.htm Druckeinführung]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m14_schweredruck.htm Versuche und Aufgaben zum Druck] Kategorie:Mechanik Kategorie:Physik Kategorie:Physikalische Größe Kategorie:Tauchen Kategorie:Thermodynamik ja:圧力 ko:압력 ms:Tekanan

Gravitationskraft

Die Gravitation bezeichnet das Phänomen der gegenseitigen Anziehung von Massen. Sie ist die Ursache der irdischen Schwerkraft oder Erdanziehung, die die Erde auf Objekte ausübt. Sie bewirkt damit beispielsweise, dass Gegenstände zu Boden fallen. Die Gravitation bestimmt auch die Bahn der Erde und der anderen Planeten um die Sonne, und sie spielt eine bedeutende Rolle in der Kosmologie.

Einführung

Die Gravitation wurde erstmals von dem britischen Physiker und Mathematiker Isaac Newton mathematisch beschrieben. Das von ihm formulierte newtonsche Gravitationsgesetz war die erste physikalische Theorie, die sich in der Astronomie anwenden ließ. Es bestätigt die bereits zuvor entdeckten keplerschen Gesetze der Planetenbewegung und damit ein grundlegendes Verständnis der Dynamik des Sonnensystems mit der Möglichkeit präziser Vorhersagen bezüglich der Bewegung von Planeten, Monden und Kometen. In der 1916 von Albert Einstein aufgestellten allgemeinen Relativitätstheorie wird die Gravitation auf eine Krümmung der Raumzeit zurückgeführt, die unter anderem durch die beteiligten Massen provoziert wird. Das newtonsche Gravitationsgesetz ergibt sich dabei als nichtrelativistischer Grenzfall für die Situation hinreichend schwacher Raumzeitkrümmung, wie sie beispielsweise in unserem Planetensystem herrscht. Die korrekte Beschreibung von Neutronensternen und schwarzen Löchern oder die Erklärung der Periheldrehung des Merkur sind aber der allgemeinen Relativitätstheorie vorbehalten. Die Gravitation ist die schwächste der vier bekannten Grundkräfte der Physik. Aufgrund ihrer unbegrenzten Reichweite und des Umstandes, dass sie sich nicht abschirmen lässt, ist sie dennoch die Kraft, die die großräumigen Strukturen des Kosmos prägt. Sie spielt daher in der Kosmologie eine entscheidende Rolle.

Das newtonsche Gravitationsgesetz

Das newtonsche Gravitationsgesetz besagt, dass die Gravitationskraft

F

, mit der sich zwei Massen

m_1

und

m_2

anziehen, proportional zu den Massen beider Körper, der Gravitationskonstanten

G

und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes

r

der Massenschwerpunkte ist: :

F = G\,\frac

wobei :

G = (6,6742\pm 0,0010) \cdot 10^\;\mathrm

. Danach ist die Gravitationskraft eine Wechselwirkung, die auch wie im Falle der Anziehung zwischen Erde und Sonne durch das Vakuum wirkt. Man bezeichnet sie als Fernwirkungskraft, die sich mittels Kraftfeldern beschreiben lässt. Im Rahmen der newtonschen Physik wird dabei angenommen, dass sich Veränderungen des Feldes durch Bewegungen der Massen instantan im Raum ausbreiten. Aus dem newtonschen Gravitationsgesetz folgt, dass die Gravitation an einem Punkt einer sphärisch symmetrischen (kugelförmigen) Massenverteilung im Abstand r von ihrem Schwerpunkt stets so groß wie die Gravitation einer Punktmasse in diesem Schwerpunkt ist, deren Masse gerade der Teil der Gesamtmasse entspricht, der sich innerhalb der Kugel mit dem Radius r befindet. Innerhalb einer homogenen Kugel bedeutet das, dass die Gravitationskraft proportional zum Abstand vom Mittelpunkt ist. Die Gravitation einer homogenen Kugel im Vakuum ist daher an ihrer Oberfläche am größten. Das gilt auch für die Erde.

Allgemeine Relativitätstheorie

In der allgemeinen Relativitätstheorie werden Raum und Zeit als Einheit beschrieben, die als Raumzeit bezeichnet wird. Diese Raumzeit wird lokal durch die Anwesenheit von Massen gekrümmt. Ein Gegenstand, auf den keinerlei Kraft ausgeübt wird, bewegt sich zwischen zwei Punkten der Raumzeit stets entlang des geradlinigsten Weges, einer so genannten Geodäte. Die Gravitation lässt sich auf diese Weise auf ein geometrisches Phänomen in einer gekrümmten Raumzeit zurückführen. In diesem Sinne reduziert die allgemeine Relativitätstheorie die Gravitationskraft auf den Status einer Scheinkraft. In der Relativitätstheorie wird die Gravitation zwischen zwei Massen damit über die lokale Krümmung der Raumzeit vermittelt, wobei sich Änderungen nur mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten können. Die Gravitation hat daher den Status einer Nahwirkungskraft. Die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitation bedingt bei Systemen beschleunigter Massen die Existenz von Gravitationswellen.

Gravitation und Quantentheorie

Falls die Gravitation durch eine Quantenfeldtheorie beschreibbar ist (Quantengravitation), sollte das Graviton, ein bislang noch nicht nachgewiesenes, hypothetisches Teilchen, existieren. Das Graviton hätte dann eine dem Photon der elektromagnetischen Wechselwirkung analoge Rolle.

Literatur

- Charles W. Misner, Kip S. Thorne, John Archibald Wheeler, Gravitation, Freeman, 23rd Printing 2000, ISBN 0-7167-0344-0 (englisches Standardwerk für Physiker)
- Claus Kiefer:Gravitation, Fischer kompakt, 2002; ISBN 3-596-15357-3

Siehe auch

- Gewicht
- Träge Masse
- Wurfparabel
- Gravitationsfeld
- Schwerelosigkeit
- Gravitationswelle
- Einsteinsche Feldgleichungen
- Erdbeschleunigung
- Ortsfaktor
- Erdmessung
- Physikalische Konstanten
- Beschleunigung
- Oberflächenbeschleunigung

Weblinks

- [http://www.aei.mpg.de Max-Planck-Institut für Gravitations-Physik]
- [http://www.geo600.uni-hannover.de GEO 600 Home Page (Hannover)]
- [http://www.zeit.de/2003/02/N-Naturkonstanten Newtons Gravitationskonstante]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/didaktik/U_materialien/leifiphysik/web_ph11/materialseiten/m10_gravitation.htm Versuche und Aufgaben zum Gravitationsgesetz] Kategorie:Gravitation Kategorie:Himmelsmechanik Kategorie:Allgemeine Relativitätstheorie Kategorie:1666 ja:重力 zh-min-nan:Tāng-le̍k

Luftdruck

nach Barometrischer Höhenformel]] Der Luftdruck eines beliebigen Ortes der Erdatmosphäre ist der hydrostatische Druck der Luft, der an diesem Ort herrscht. Er bezeichnet zudem die Gewichtskraft der Luftsäule, die auf der Erdoberfläche oder einem auf ihr befindlichen Körper steht. Eine andere Verwendung hat das Wort Luftdruck in Bezug auf Reifen, wo es für deren Innendruck (oder Reifenfülldruck) steht. Für den Atmosphärendruck anderer Himmelskörper siehe den Artikel Atmosphäre.

Eigenschaften

Die Erdatmosphäre hat eine Masse von rund 5·10¹⁵ Tonnen und die Erdoberfläche beträgt etwa 510·10⁶ km². Da der Druck allgemein als Kraft pro Fläche definiert ist, ergibt sich für den Luftdruck, unter Berücksichtung der Schwerkraft, ein globaler Überschlagswert von 1,01·10⁵ kg/(m·s²). In Hochlagen ist die Entfernung zur Grenze der Erdatmosphäre wesentlich geringer als in Tieflagen. Dadurch ist auch die Luftsäule kürzer und damit der Luftdruck niedriger. Der Luftdruck am Boden ist folglich im Hochgebirge weitaus kleiner als im Flachland oder auf Meereshöhe. Der hydrostatische Luftdruck sinkt generell immer bei einer Höhenzunahme und sein Gradient wird über eine barometrische Höhenformel angenähert. In der Horizontalen erfährt jeder Mensch und neben ihm auch jegliche andere Störung der Erdatmosphäre aus jeder Richtung den gleichen Druck. Dieser ist im Normalfall nicht spürbar, weil sich unser Organismus darauf eingestellt hat. Er ist jedoch Grundvoraussetzung dafür, dass sich der Mensch nicht durch Verdampfung seiner Körperflüssigkeit auflöst, da ein Stoff verdampft, sobald sein Sättigungsdampfdruck identisch mit dem Luftdruck ist bzw. diesen übersteigt (vgl. Siedepunkt). Der Luftdruck stellt dabei also einen Außendruck dar.

Einheiten

Die SI-Einheit des Luftdrucks ist das Pascal (Einheitenzeichen Pa) oder die auch zulässige Einheit Bar (Einheitenzeichen bar = 10⁵ Pa). Da der Luftdruck auf Meereshöhe im Durchschnitt 101.325 Pa, also rund 100.000 Pa beträgt, wird er meist mit der Zahl um 1.000 in Hektopascal (1013,25 hPa) oder mit gleichem Zahlenwert Millibar (mbar) angegeben. Der Luftdruck wird meist mit einem Barometer gemessen, wobei oft noch veraltete Einheiten verwendet werden. Dabei ist 1 hPa = 1 mbar = 0,75 Torr (= mm Hg oder Millimeter Quecksilbersäule). Eine andere Einheit im Kontext des Luftdrucks ist die Atmosphäre, wobei diese alten Einheit wie Physikalische Atmosphäre, Technische Atmosphäre, Atmosphäre Absolutdruck, Atmosphäre Überdruck oder Atmosphäre Unterdruck nicht mehr zulässig sind.

Variabilität und Extremwerte

Der mittlere Luftdruck der Erdatmosphäre beträgt auf Meereshöhe 101.325 Pascal = 1013,25 hPa bzw. mbar oder 101,325 kPa und ist damit Teil der Normalbedingungen und auch vieler Standardbedingungen.

Abnahme mit der Höhe

Hauptartikel: barometrische Höhenformel Der Luftdruck sinkt rasch mit der Höhe – in Bodennähe um etwa 1 hPa (= früheres Millibar) alle 10 Meter – und kann genähert durch eine Exponentialfunktion abgeschätzt werden. Ohne Einfluss der Temperatur beträgt der Druck in der Höhe H (in km) etwa p = p₀·exp(H/8). Daraus ergibt sich halber Luftdruck in etwa 5-6 km Meereshöhe und 10 % des Bodenwertes p₀ in 15-20 km über dem Meer.

Tagesgang

Exponentialfunktion Der Luftdruck ist einer täglich wiederkehrenden Periodik unterworfen, die zwei Maximalwerte und zwei Minimalwerte pro Tag aufweist. Er folgt dabei den Schwankungen der Lufttemperatur, wodurch sich ein stärkerer 12-Stundeneinfluss (als semicircadian bezeichnet) und ein schwächerer 24-Stundenrhythmus (circadian von lateinisch dies der Tag) zeigen. Die Maxima finden sich gegen 10 und 22 Uhr, die Minima gegen 4 und 16 Uhr (Sommerzeit beachten). Die Amplituden sind breitengradabhängig. In Äquatornähe liegen die Schwankungen bei Werten bis zu 5 hPa. In den mittleren Breiten liegen die Schwankungen bei etwa 0,5 bis 1 hPa. Die Kenntnis des örtlichen Tagesgang des Luftdrucks erhöht die Aussagekraft eines Barogramms zur Einschätzung des Wettergeschehens, insbesondere in tropischen Gebieten. Direkt beobachtbar ist der Tagesgang in der Regel jedoch nicht, da er von dynamischen Luftdruckschwankungen überlagert wird. Nur bei hinreichend genauer Messapparatur und stabilen Hochdruckwetterlagen ist es möglich diese Schwankungen ungestört zu beobachten. Eine Darstellung des Tagesgangs so wie er in Norddeutschland aufgezeichnet wurde, ist hier rechts zu sehen. Extrem niederfrequente (0,2 Hz) und schwache Überlagerungen des Luftdrucks, die Bestandteil des Hintergrundrauschens sind und als Folge von Wettererscheinungen und Seegang auftreten, werden Mikrobarome genannt. Ihre Amplituden liegen unter einem Pascal.

Jahresgang

Der Jahresgang des Luftdrucks, basierend auf entweder Tages- oder Monatsmitteln als langjährige Durchschnittswerte, zeigt eine geringe, aber auch vergleichsweise komplexe Schwankung zwischen den einzelnen Monaten. Dabei zeigt sich ein Minimum im April, verantwortlich für den Begriff des Aprilwetters, und vergleichsweise hohe Werte für Mai und September (Altweibersommer).

Luftdruck-Rekorde

Der historische globale Niedrigstwert des Luftdrucks auf Meereshöhe beträgt 869.9 hPa und wurde am 12. Oktober 1979 im Nordwest-Pazifik gemessen (Taifun Tip). Für Deutschland beträgt der Niedrigstwert 948,6 hPa und wurde am 26. Februar 1989 in Osnabrück erfasst. Die historisch globalen Maximalwerte auf Meereshöhe wurden mit 1085,7 in Tosontsengel (Mongolei) am 19. Dezember 2001 und 1083,8 hPa am 31. Dezember 1968 am Agata-See (Sibirien 66N/93E) erfasst. Der Rekordhalter für Deutschland ist Berlin mit 1057,8 hPa am 23. Januar 1907. Der stärkste bis heute gemessene Luftdruckabfall innerhalb von 24 Stunden wurde im Oktober 2005 bei Hurrikan_Wilma mit 98 hPa gemessen. Der Kerndruck fiel bis auf 882 hPa. Bei Taifun Forrest wurde im September 1983 im nordwestlichen Pazifik ein Druckabfall von 92 hPa innerhalb von 24 Stunden gemessen.

Experimente und Messung

Hauptartikel: Barometer Otto von Guericke konnte 1663 den Luftdruck mit den Magdeburger Halbkugeln nachweisen. Dies waren zwei dicht aneinanderliegende halbe Hohlkugeln, die auch durch entgegen gesetzt ziehende Pferdegespanne, sobald die Luft zwischen den Hohlkugeln evakuiert worden war, nicht mehr voneinander getrennt werden konnten. Nach diesem Prinzip arbeiten auch heute noch Unterdruckkabinen. Unterdruckkabine Ein anderes Experiment, das auch zur genauen Messung verwendet werden kann, ist ein einseitig verschlossenes und mehr als zehn Meter langes Glasrohr. Es wird zu erst horizontal in ein Wassergefäß gelegt, so dass die Luft entweicht. Richtet man es auf mit der Öffnung unter Wasser und der verschlossenen Seite nach oben, so stellt sich eine maximale Höhe ein, bis zu der der Wasserspiegel sich durch den auf der umliegenden Wasseroberfläche lastenden Luftdruck empordrücken lässt. Dies sind etwa zehn Meter, bei hohem Luftdruck mehr, bei niedrigem Luftdruck weniger. Im Hohlraum ist dann beinahe ein Vakuum, das allerdings durch etwas Wasserdampf „verunreinigt“ ist. Man bezeichnet dies als ein Flüssigbarometer, wobei Evangelista Torricelli stattdessen Quecksilber nutze, das bereits nach 760 mm abreißt und kaum verdampft. Ein anderes Instrument zur Luftdruckmessung nach diesem Prinzip ist das Goethe-Barometer. Goethe-Barometer Heute werden meistens Dosen-Barometer verwendet, die eine sogenannte Vidie-Dose oder einen Stapel derartiger Dosen enthalten. Dabei handelt es sich um einen dosenartigen Hohlkörper aus dünnem Blech, welcher mit einem Zeiger verbunden ist. Steigt der Luftdruck, so wird die Dose zusammengedrückt, der Zeiger bewegt sich. Damit die Messung unabhängig von der Temperatur ist, befindet sich in der Dose ein Vakuum, da sich darin befindliche Luft bei Erwärmung ausdehnen würde. Trotzdem gibt es temperaturabhängige Messfehler. Um diese klein zu halten werden Legierungen mit einem geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet. Eine weitere Möglichkeit den Luftdruck zu erfassen bietet ein Sturmglasbarometer, welches sich die temperatur- und luftdruckabhängigen Kristallisationseigenschaften von Campher zunutze macht.

Bedeutung

Meteorologie

Regionale Schwankungen des Luftdruckes sind maßgeblich an der Entstehung des Wetters beteiligt, weshalb der Luftdruck in Form von Isobaren auch das wichtigste Element in Wetterkarten darstellt. Für die Wettervorhersage von Bedeutung ist der Luftdruck auf einer fest definierten Höhe in der Erdatmosphäre, die so gewählt ist, dass keine Störungen des Drucks durch Gebäude oder kleinräumige Geländeformen zu erwarten sind, also ohne eine Beeinträchtigung durch Reibung des Luftstromes am Boden in der sogenannten freien Atmosphäre. Eine Messung, die sich auf die Höhe der Erdoberfläche über Normalnull bezieht, würde in die Fläche übertragen eher die Topografie des Geländes als die tatsächlichen Schwankungen des Luftdrucks ergeben. Um dies auszugleichen und die Werte damit vergleichbar zu machen bedient man sich einer Reduktion auf Meereshöhe. Für das Wettergeschehen in Bodennähe sind vor allem die dortigen Unterschiede des Luftdrucks von Interesse. Sie führen zur Entstehung von Hoch- und Tiefdruckgebieten. Zwischen ihnen setzt der Wind als Ausgleichsströmung ein.

Luftfahrt

Der Luftdruck spielt in der Luftfahrt eine große Rolle, da die üblichen Höhenmesser im Prinzip Barometer sind und so die Höhe des Luftfahrzeugs über den Luftdruck nach der barometrischen Höhenformel bestimmt wird (siehe Luftdruckmessung in der Luftfahrt). Ein sehr niedriger örtlicher Luftdruck kann dem Piloten eine zu große Höhe vortäuschen („Von Hoch nach Tief geht schief“), daher muß für die Dauer des Fluges der örtliche Luftdruck bekannt sein. Um zu große Fehler bei der Höhenanzeige zu meiden, welche bis etwa 300 m betragen können, kompensiert der Pilot die Höhenanzeige durch Eingabe des örtlichen QNH Wertes am Höhenmesser. In größeren Höhen wird ein Druck von 1013 hPa angenommen, den alle Luftfahrzeuge als QNH eingeben müssen. So kann die Gefahr einer Kollision vermindert werden, denn große Messfehler bei der Höhenbestimmung sind so weniger wahrscheinlich.
- QFE: tatsächlicher Luftdruck am Messort
- QNH: rückgerechneter Luftdruck auf Meereshöhe und ICAO Atmosphäre (15 Grad, 2 Grad Temperaturgradient / 1000 m)
- QFF: rückgerechneter Luftdruck auf Meereshöhe unter Berücksichtigung von Ortshöhe, Luftfeuchte, Temperatur und weiterer Faktoren. Auf Flugplätzen wird meist der QNH Wert verwendet, während in der Meteorologie der QFF Wert verwendet wird um Luftdrücke an verschiedenen Orten und Ortshöhen vergleichen zu können. Die Q-Gruppen stammen noch aus der Zeit der drahtlosen Telegraphie (Morse Code).

Siehe auch

- Luftdichte
- Schallkennimpedanz
- Schallgeschwindigkeit

Weblinks

Kategorie:Meteorologie Kategorie:Physikalische Größe ja:気圧 ko:대기압

Pascal (Einheit)

Das Pascal ist die SI-Einheit des Drucks. Sie wurde nach Blaise Pascal benannt. ;1 Pa := 1 kg/(m·s²) = 1 N/m². Die Kraft in Newton pro Fläche von einem Quadratmeter. Der Luftdruck wird meistens in Hektopascal (hPa) angegeben, weil so zum einen die gesetzlich vorgeschriebene Einheit Pascal verwendet werden kann und man zum anderen eine Einheit hat, die dem gewohnten Millibar (mbar) entspricht. In der Forschung wird insbesondere bei der Vakuumtechnik vielfach das Millibar als Einheit verwendet. Anstatt auf Pascal umzusteigen ist vielmehr der vollständige Verzicht auf Torr ein Thema. In der Lüftungstechnik wird häufig die Einheit Dekapascal (daPa) verwendet, wobei ein Dekapascal 0,1 mbar entspricht.
- 100 Pa = 10 daPa = 1 hPa = 1 mbar
- 100 000 Pa = 0,1 MPa = 1 bar = 1000 mbar
- 1 000 000 Pa = 1 MPa = 10 bar = 1 N/mm² Der mittlere Luftdruck der Atmosphäre auf Meereshöhe und Standarddruck bzw. Normdruck ist 101325 Pascal = 1013,25 hPa oder 101,325 kPa. Kategorie:SI-Einheit ja:パスカル ko:파스칼

Schwerebeschleunigung

Die Schwerebeschleunigung (Erdbeschleunigung, Fallbeschleunigung) gibt an, wie schnell Gegenstände auf der Erde fallen. An der Erdoberfläche beträgt ihr Mittelwert g = 9,81 m/s², variiert aber wegen Zentrifugalkraft, Erdabplattung und Höhenprofil regional um einige Promille. Die Norm-Fallbeschleunigung ist definiert als 9,80665 m/s². Allgemein hängt die Schwerebeschleunigung von der Masse des Himmelskörpers ab. Die Formel v(t) = g · t gibt an, welche Fallgeschwindigkeit v ein Gegenstand im Vakuum nach der Fallzeit t erreicht. Sie erhöht sich theoretisch in jeder Sekunde um den Wert g. Ausserhalb des Vakuums verringert der Luftwiderstand je nach Körperform die Beschleunigung und führt zu einer maximalen Fallgeschwindigkeit (siehe auch Wurfparabel).

Probleme der Terminologie

Die Bezeichnungen Schwerebeschleunigung, Oberflächen- bzw. Fallbeschleunigung, Erdschwerebeschleunigung und neuerdings auch Ortsfaktor werden meist synonym eingesetzt. Gegen die im Internet meistverwendete "Erdbeschleunigung" wird eingewendet, dass sie auch jene Beschleunigung bedeuten kann, der die Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne unterliegt. Missverständlich ist auch Erdanziehung und insbesondere Erdschwere. Unter ersterer versteht man meist eine Kraft (die sog. Schwerkraft), während "Erdschwere" zu schwammig ist. Generell sollte die Terminologie beachten, ob es sich um eine Kraft (F = m·g) oder um eine Beschleunigung (g) handelt, wobei die Masse m den Unterschied ausmacht.

Herleitung

Die Schwerebeschleunigung bestimmt die Kraft F, mit der ein Körper m von einem Himmelskörper angezogen wird: :

F = m \cdot g

Das Gleichsetzen der Trägheitskraft F mit der Newtonschen Gravitationskraft liefert die Erdbeschleunigung g: :

g(r) = \frac

Für die Werte der Erde:
- Erdmasse:

M=5972 \cdot 10^\,\mathrm

- Erdradius:

r=6371\,\mathrm

(kugelförmig, ruhend) und mit der
- Gravitationskonstante:

G=6674 \cdot 10^\,

ergibt sich g = 9,82 m/s². Eine andere Methode beruht auf der Messung der Schwingungsdauer T eines Fadenpendels mit Fadenlänge L: :

g = \frac

Das sog. Sekundenpendel hat eine Länge von etwa 1m, doch ist eine solche Pendeluhr auf die geografische Breite zu eichen.

Einheiten

Die SI-Einheit der Schwerebeschleunigung ist m/s². Der Millionste Teil davon ist 1 µm/s², was etwa der durchschnittlichen Messgenauigkeit entspricht. Im alten CGS-Sytem heißt die Einheit Gal (nach Galileo Galilei oder γ, das in der Gravimetrie und Angewandten Geophysik oft in 1000 Milligal unterteilt wird: :1 Gal = 1γ = 1 cm/s² = 0,01 m/s² :1 mGal = 10^-5 m/s² = 10 µm/s² (siehe unten). Geophysiker verwenden γ aber meist als Formelzeichen für die theoretische Schwere (unten als g_N bezeichnet). Manchmal dient die Erdbeschleunigung g auch selbst als Einheit. Im Mittel der Erde gilt dann genähert : 1 g = 9,81 m/s² = 981 Gal = 981 000 mGal.

Ortsabhängigkeit der Erdbeschleunigung

Da die Erde keine Kugel, sondern annähernd ein Ellipsoid ist und zudem rotiert, hängt die Erdbeschleunigung von der geografischen Breite und zusätzlich von der Höhe über dem Meeresspiegel ab. Die Norm-Erdbeschleunigung ist definiert als die mittlere Erdbeschleunigung g_N mit dem Wert:
- 9,80665 m/s² auf dem 45.Breitengrad in Meereshöhe.
- 9,780 m/s² am Äquator.
- 9,832 m/s² an den Polen. Pro Meter Höhe (h) nimmt g um rund 3 µm/s² ab, solange h klein gegen den Erdradius und das Gelände eben ist. Der theoretische Gradient einer völig glatten Erde wäre 3,086 µm/s². Weitere Abweichungen sind auf die Strukturen unterschiedlicher Dichte im Untergrund zurückzuführen. Aus der genauen Vermessung der Erdbeschleunigung kann man deshalb Rückschlüsse auf Strukturen in der Erdkruste sowie deren Veränderungen ziehen. Eine Formel für die Abhängigkeit vom Breitengrad φ ist die Schwereformel für das Geodätische Referenzsystem 1980 (GRS 80) in Meereshöhe: :

g(\phi)
=g_\mathrm\frac

, wobei :

g_\mathrm=97803267715\,\mathrm

. die Schwerebeschleunigung am Äquator in Meereshöhe ist. Eine sehr gute (empfohlene) Schwereformel für die Abhängigkeit vom Breitengrad φ ist gegeben durch: :

g(\phi)=g_\mathrm(1+c_1\sin^2\phi+c_2\sin^4\phi+c_3\sin^6\phi+c_4\sin^8\phi)

, mit c₁ = 0,005 279 0414 c₂ = 0,000 023 2718 c₃ = 0,000 000 1262 c₄ = 0,000 000 0007. Diese Näherung ist auf etwa ±10 nm/s² genau. Eine oft erwähnte einfachere Formel mit etwa ±10 µm/s² Genauigkeit ist :

g(\phi)
=9780327\,\mathrm\,(1+0005\,3024\sin^2\phi+0000\,005\,8\sin^2(2\phi))

. Eine Korrektur für die Höhenabhängigkeit lautet: :

g(\phi,h)
=g(\phi)\cdot\left(1-k_1\left(1-k_2\sin^2\right)
+k_3\left(\right)^2\right)

mit :

k_1=315704\cdot10^\,;\quad k_2=000666031\,;\quad k_3=737452\cdot10^

Diese Korrektur ist für fliegerische Höhen recht genau; für den Weltraum (über ca. 100 Kilometer) divergiert sie jedoch. Eine einfache Näherungsformel in Abhängigkeit der geografischen Breite φ und Höhe h lautet: :

g = 9780327 \, (1 + 00053024 \, (\sin\varphi) ^ 2) \frac - 000000308 \, h \frac

In Deutschland ist die ortsabhängige Erdbeschleunigung im Deutschen Hauptschwerenetz 1996 (DHSN96) festgehalten. Es ist neben dem Gauß-Krüger-Koordinatensystem für den Ort und dem deutschen Haupthöhennetz für die Höhe die dritte Größe zur eindeutigen Festlegung eines geodätischen Bezugssystems. Das deutsche Schwerenetz stützt sich auf ca. 16.000 Meßpunkte, den Schwerefestpunkten (SFP) [http://www.lverma-mv.de/raum_festpunktfelder.htm].

Meßgenauigkeit

Ein modernes Gravimeter vermag die Erdbeschleunigung mit einer Genauigkeit von 0,01 µm/s² (0,001 mGal) zu vermessen. Man könnte damit eine Höhenverschiebung von weniger als einem Zentimeter registrieren. Schwankungen des Luftdrucks verursachen Änderungen in der gleichen Größenordnung. Wenn man aber Schweremessungen zur Rohstoff-Suche oder zur Bestimmung des Geoids verwendet, kann man sich mit 0,1 mGal begnügen. Denn die Unregelmäßigkeiten des Geländes können 30 mGal ausmachen und lassen sich wegen unsicherer Gesteinsdichte kaum genauer als auf 0,5 mGal oder 5 µm/s² berechnen. Bei Differenzmessungen (etwa zur Bestimmung unterirdischer Hohlräume) ist hingegen die 10-fache Messgenauigkeit sinnvoll. Der Einfluss der Gezeitenkräfte liegt bei 0,005 µm/s², am Meer mit großen bewegten Wassermassen bei 0,1 µm/s². Veränderungen des Grundwasserspiegels können die Meßwerte um 0,2 µm/s² beeinflussen. Aus der Beobachtung von Satellitenbahnen lassen sich Schwankungen des Erdschwerefeldes in der Größenordnung von 200 µm/s² erkennen; die modernste Gradiometrie kann auch noch wesentlich kleinere Bahnstörungen erfassen (siehe GRACE und GOCE).

Höhenabhängigkeit der Erdbeschleunigung

GOCE In Bodennähe nimmt g um etwa 3,1 µm/s² pro Meter ab. Für größere Höhen wird die Abnahme von g(r) mit dem Newtonschen Gravitationsgesetz abgeschätzt (siehe Diagramm). In niedrigen Satellitenhöhen von 300-400 km nimmt die Erdbeschleunigung um 10-15% ab, in 5000 km (Lasersatellit Lageos) ca. 70%. In großen Höhen wird sie keinesfalls Null, sonst würden hochfliegende Satelliten geradlinig davonfliegen. Ihre Besonderheit ist der fortgesetzte freie Fall, der ohne Luftwiderstand nie auf die Erdoberfläche aufschlägt, weil er einer Keplerellipse folgt.

Schwerebeschleunigung anderer Himmelskörper

Die Tabelle vergleicht die Schwerebeschleunigung der Erde mit den Himmelskörpern unseres Planetensystems in Einheiten von g: Zum Vergleich: Kurzzeitig überlebt ein Mensch 15 g, einige Minuten lang etwa 6 g, siehe G-Kraft.

Sprachgebrauch

Unter Erdschwerebeschleunigung oder allgemein Schwerebeschleunigung versteht man die Beschleunigung, die ein Gravimeter auf der Oberfläche eines Himmelskörpers misst (Gravimetrie). Die Zentrifugalkraft eines rotierenden Planeten ist in ihr enthalten. Hingegen bezieht sich die Gravitationsbeschleunigung auf die reine Massenanziehung. Im Umgangs-Sprachgebrauch bleiben die Unterschiede oft unberücksichtigt und müssen aus dem Zusammenhang erschlossen werden.

Siehe auch

- Beschleunigung
- Schweregradient
- Schwereanomalie
- Physikalische Konstanten
- Bezugssystem
- Erdgestalt
- Erdmessung

Weblinks

[http://www.bkg.bund.de/ Bundesamt für Kartographie und Geodäsie] Kategorie:Mechanik Kategorie:Physik Kategorie:Geodäsie Kategorie:Astronomie ja:重力加速度

Druck (Physik)

Druck im Allgemeinen

p = \frac

Druck in Strömungen

Hydrostatischer Druck

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

Hydrodynamischer Druck

p = \frac \ \rho \cdot v^2

Einheiten

Die SI-Einheit des Druckes ist das Pascal mit dem Einheitenzeichen Pa. Ein Pascal entspricht einem Druck von einem Newton pro Quadratmeter: :

\mathrm

Gasdruck

p = -\frac

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

p =\rho \cdot R_s \cdot T

p = \frac \qquad

p = \frac

Aus der kinetischen Gastheorie folgt: :

p = \frac

Wasserdruck

Wasserdruck im physikalischen Sinne bezeichnet den hydrostatischen Druck innerhalb des Wassers. Bei zunehmender Wassertiefe steigt auch der umgebende Druck. Man spricht von der Wassersäule. Besonders für Taucher ist es wichtig zu wissen, welchem Druck ihre Körpergase (Stickstoff) ausgesetzt sind, um die Taucherkrankheit zu vermeiden. Es können sich bei Tauchern Bläschen im Blut bilden. 1 Meter Wassersäule (mWS) = 9,807 kPa ≈ 0,1 bar Das Hydrostatische Prinzip machte man sich bei den Wassertürmen technisch zu nutze. Im technischen Sinn bezeichnet Wasserdruck, den Leitungsdruck des Wassers, mit dem er in die Leitung gepresst wird bzw. unter dem das Wasser in der Wasserleitung steht. Das wurde früher durch Wassertürme realisiert, in denen das Wasser unter natürlichen Druckverhältnissen der Schwerkraft ausgesetzt war. Je höher der Wasserbehälter, zumeist auf Anhöhen oder Bergen installiert, desto stärker der Druck in der Leitung. Heute wird der Druck künstlich durch Pumpen erzeugt. Man unterscheidet Leitungen mit gewöhnlichem Druck (Hauswasserleitungen) und Druckwasserleitungen, die unter erheblich höherem Druck stehen. Siehe auch: Wasserwerk, Hydraulik Kategorie:Tauchen Kategorie:Technik

Luftdruck

Eigenschaften

Einheiten

Variabilität und Extremwerte

Abnahme mit der Höhe

Tagesgang

Jahresgang

Luftdruck-Rekorde

Experimente und Messung

Bedeutung

Meteorologie

Luftfahrt

Siehe auch

- Luftdichte
- Schallkennimpedanz
- Schallgeschwindigkeit

Weblinks

Kategorie:Meteorologie Kategorie:Physikalische Größe ja:気圧 ko:대기압

Wassersäule

Die Wassersäule ist eine nicht SI-konforme Einheit zur Messung des Drucks. Verwendet wurde sie im Rahmen des CGS-Einheitensystems. Ein Meter Wassersäule (Abkürzung 1 m WS) entspricht unter Normbedingungen 9,80665 kPa (rund 0,1 bar). Obwohl die Einheit seit 1. Januar 1978 nicht mehr zulässig (verboten) ist, wird sie noch immer im Sanitärbereich, im Orgelbau und für Dichtigkeitsangaben (z.B. für Zelthäute) verwendet.
- 1 mm WS = 9,80665 Pa
- 10 mm WS = 1 p / c m² = 98,0665 Pa
- 1 m WS = 7453054/101325 mm Hg ~= 73,556 mm Hg = 73,556 Torr ~= 0,09678 atm
- 1 m WS = 9,80665 k Pa = 98,0665 h Pa = 98,0665 m bar = 0,0980665 bar
- 10 m WS = 1 at = 1 kp/c m² = 98,0665 k Pa

Dichtigkeit

Die Wassersäule ist auch eine Maßeinheit, um die Dichtigkeit z.B. von technischen Geweben (Zelte, Funktions- und Regenbekleidung) anzugeben. Dort wird die Wassersäule angegeben, die auf dem Gewebe lasten kann, bevor es Feuchtigkeit durchläßt. Ab einem fest definierten Wert (Regenkleidung 1,3 m, Oberzelte 1,5 m und Zeltböden 2 m nach DIN) gilt das Gewebe als wasserdicht. Kategorie: Maßeinheit Auch bei Uhren wird nach DIN 8310 (DIN 8306 bei Taucheruhren) ein Äquivalent zur Höhe einer Wassersäule (30 Minuten in 1 m Wassertiefe und 90 Sekunden in 20 m Wassertiefe) angegeben, das alle Dichtungen aushalten müssen, damit sie als wasserdicht bezeichnet werden dürfen. Bei diesen Meterangaben handelt es um eine bildliche Darstellung des Prüfdruckes, welcher aber bereits durch eine heftige Schwimmbewegung oder einen Schlag aufs Wasser um das Vielfache überstiegen werden kann. Siehe auch: Luftdruck, Pferdestärke, Kilopondmeter

Stickstoff

Der Name Stickstoff bezeichnet das chemische Element aus dem Periodensystem der Elemente mit dem Symbol N und der Ordnungszahl 7. Man spricht auch von atomarem Stickstoff. Elementar tritt Stickstoff jedoch nur in Form eines kovalenten Homodimers, einer chemischen Verbindung aus zwei Stickstoff-Atomen, auf (→ molekularer Stickstoff, auch Distickstoff (vgl. Disauerstoff), Summenformel N₂). Molekularer Stickstoff ist ein Hauptbestandteil der Luft. Er ist in der Umwelt ein wichtiger Dünger, der durch Stickstofffixierung auf natürlichem Wege im Humus angereichert wird. In atomarer Form ist er als Baustein der Proteine ein wichtiges Hauptnährelement aller Organismen. Stickstoff ist ein zentrales Element im Stickstoffkreislauf der Ökosysteme und wurde, da es in Mineralien relativ selten auftritt, auf der Erdoberfläche und im Wasser fast ausschließlich biotisch angereichert. Das Elementsymbol N leitet sich von der lateinischen Bezeichnung nitrogenium (von altgriech. νιτρον „Laugensalz“ und altgriech. γενος „Herkunft“) ab. Die deutsche Bezeichnung Stickstoff erinnert daran, dass molekularer Stickstoff Flammen löscht („erstickt“).

Geschichte

Nitrate und Ammoniumsalze wurden schon von Alchemisten verwendet. Carl Wilhelm Scheele wies 1771 Stickstoff als Bestandteil der Luft nach. Erstmals im Jahr 1774 wurde Ammoniak von Joseph Priestley dargestellt. Durch die Einführung des Frank-Caro-Verfahrens (Kalkstickstofferzeugung nach Adolf Frank und Heinrich Caro) wurde der Luftstickstoff erstmals Anfang des 20. Jh. nutzbar gemacht. Ebenfalls Anfang des 20. Jahrhunderts wurden weitere wichtige Verfahren großtechnisch verfügbar. Zu diesen Verfahren zählen unter anderem die Gewinnung von Salpetersäure (Birkeland-Eyde-Verfahren, nach Kristian Birkeland und Sam Eyde), die katalytische Ammoniakverbrennung nach Wilhelm Ostwald sowie die Ammoniaksynthese nach Fritz Haber und Carl Bosch. 1906 gelang es dem niederländischen Physiker Heike Kamerlingh Onnes erstmals flüssigen Stickstoff mit -195,80 °C herzustellen.

Vorkommen

In der Erdatmosphäre sind 75,5 Massen-Prozent oder 78,7 Volumen-Prozent Stickstoff enthalten. In der Erdkruste kommt Stickstoff nur zu 0,03 % vor. Stickstoffhaltige Mineralien sind relativ selten. In der Natur gibt es zahlreiche wichtige organische Stickstoffverbindungen, wie beispielsweise Eiweiße und Nukleinsäuren. In Form der anorganischen Nitrate und Ammoniumverbindungen erfolgt die Aufnahme bei Pflanzen über die Wurzeln. Umgekehrt werden beim Abbau organischen Materials (beispielsweise durch Verwesung) diese Verbindungen wieder frei gesetzt und stehen dem Stoffkreislauf wieder zur Verfügung (Stickstoffkreislauf).

Gewinnung/Darstellung

Primär wird Stickstoff heute durch die fraktionierte Destillation verflüssigter Luft gewonnen. Dieser ist aber meistens noch durch Sauerstoff und Edelgase verunreinigt. Für das Entfernen des verbliebenen Sauerstoffs gibt es eine biologische Methode unter Verwendung von Reis-Keimlingen. Großtechnisch erfolgt die Herstellung von Stickstoff im Rahmen des Haber-Bosch-Verfahrens zur Ammoniak-Synthese. Eine andere Möglichkeit ist das Binden des Luftsauerstoffs unter Erhitzen an Kohle und das anschließende Auswaschen des entstandenen Kohlendioxids. Der Luftsauerstoff kann auch durch das Überleiten der Luft über glühendes Kupfer oder durch eine alkalische Pyrogallol- bzw. Natriumdithionit-Lösung entfernt werden. Im Labor kann reiner Stickstoff durch Erhitzen auf einer wässrigen Ammoniumnitrit-Lösung oder einer Lösung des Gemisches Ammoniumchlorid/Natriumnitrit etwa 70 °C dargestellt werden:

\mathrmT\mathrm

Alternativ ist eine Thermolyse von Natriumazid möglich, die zur Darstellung von spektroskopisch reinem Stickstoff verwendet wird.

\mathrmT\mathrm

Eigenschaften

Molekularer Stickstoff ist ein farb-, geruch- und geschmackloses Gas, welches bei tiefen Temperaturen zu einer farblosen Flüssigkeit kondensiert. Stickstoff ist in Wasser wenig löslich (2,33 ml Stickstoff in 100 ml Wasser bei 0 °C). Stickstoff geht in seinen Verbindungen vorzugsweise kovalente Bindungen ein. In der 2s²p³ Elektronenkonfiguration führt die Bildung von drei Kovalenzen zur Oktettkomplettierung. Verbindungen, in denen dieser Bindungstypus vorkommt, sind beispielsweise:
- Ammoniak
- Amine
- Hydrazin
- Hydroxylamin Diesen Verbindungen ist allen eine trigonale pyramidale Struktur und ein freies Elektronenpaar zu eigen. Über dieses freie Elektronenpaar können diese Verbindungen als Nukleophile und als Basen agieren. Der in der Natur vorkommende molekulare Distickstoff N₂ ist durch die im Stickstoffmolekül vorhandene stabile Dreifachbindung und die damit verbundene hohe Bindungsdissoziationsenergie von 942 kJ/mol sehr reaktionsträge. Entsprechend hoch ist die erforderlichen Aktivierungsenergie, die gegebenenfalls durch geeignete Katalysatoren verringert werden kann. In einer Veröffentlichung im August 2004 gaben Forscher vom Max-Planck-Institut für Chemie in Mainz bekannt, dass sie unter Drücken von über 110 G Pa bei einer Temperatur von über 2000 K eine neue kristalline Form, sogenannten polymeren Stickstoff mit Einfachbindungen erzeugt haben [http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/dokumentation/pressemitteilungen/2004/pressemitteilung200408022/index.html].

Isotope

Neben den beiden natürlichen Isotopen ¹⁴N und ¹⁵N gibt es künstliche Isotope mit Massenzahlen von 12 bis 19. Deren Halbwertszeit beträgt zwischen 9,97 Minuten und 11 Millisekunden.

Verbindungen

Verbindungen, in denen Stickstoff vorkommt:
- Stickstoffmonoxid
- Stickstoffdioxid
- Stickstofftetroxid
- Distickstoffoxid
- Aminosäuren
- Peptide
- Proteine
- Spermin
- Jodstickstoff
- Farbstoffe
- Nitrate, Nitrite, Nitride

Verwendung

Technisch wird Stickstoff zur Synthese von Ammoniak und Kalkstickstoff sowie als Schutzgas beim Schweißen, als Lampenfüllung und bei chemischen Reaktionen verwendet. Darüber hinaus finden Stickstoffverbindungen mannigfaltige Anwendungen im Bereich der organischen Chemie und dienen als Düngemittel. Stickstoff wird auch zur Füllung von Autoreifen angeboten. Es ist bisher nicht nachgewiesen, dass dies für Fahrzeugreifen im Straßenverkehr irgendeinen Vorteil bewirkt. Kritiker vermuten, dass es sich lediglich um eine PR-Masche der Anbieter handelt. Aufgrund der geringen Siedetemperatur wird flüssiger Stickstoff als Kältemedium in der Kryotechnik eingesetzt. Der Stickstoff entzieht dabei dem Kühlgut die nötige Verdampfungswärme. Vorteilhaft gegenüber der Verwendung von flüssigem Sauerstoff bei ähnlichem Siedepunkt sind die inerten Eigenschaften des Stickstoffs. Flüssiger Stickstoff wird zur Kühlung von Hochtemperatursupraleitern sowie zur Lagerung biologischer und medizinischer Proben verwendet. Im Tiefbau wird er zur Bodenvereisung eingesetzt.

Nachweis

Stickstoff, der in organisch gebundener Form vorliegt, kann qualitativ mittels Lassaignesche Probe und quantitativ mittels der Kjeldahlsche Stickstoffbestimmung oder Elementaranalyse erfasst werden.

Weblinks

Kategorie:Gruppe-15-Element Kategorie:Periode-2-Element Kategorie:Nichtmetall Kategorie:Löschmittel Kategorie:Gas ja:窒素 ko:질소 simple:Nitrogen th:ไนโตรเจน

Wasserturm

Ein Wasserturm ist ein Gebäude, das zwei Zwecken dient. Zum einen enthält er einen Behälter zur Speicherung von (Trink-)Wasser und zum anderen sorgt die erhöhte Lage der Speicherbecken für einen konstanten Druck im Wassernetz der Stadt.

Funktionsprinzip

Wasser Die Gebäude der Stadt werden allein durch die Schwerkraft mit Wasser versorgt. Der Behälter hängt wie ein normaler Abnehmer am Netz. Bei geringem Trinkwasserverbrauch wird er aufgefüllt, bei Verbrauchsspitzen leert er sich. Auf diese Weise wird der Druck im Netz immer konstant gehalten. Es werden keine weiteren Pumpen benötigt als die, die den Turm befüllen. Damit das System funktioniert, darf kein Abnehmer höher als der oberste Einspeisungspunkt des Turmes liegen (Prinzip der kommunizierenden Röhren bzw. Hydrostatisches Paradoxon).

Konstruktion

Wassertürme unterscheiden sich sowohl in Hinblick auf die Behälter (Intze-Behälter / Hängebodenbehälter / Kugelbehälter) als auch in der äußeren Erscheinung. Es gibt massive Türme (aus Backstein oder Beton); im industriellen Bereich kamen allerdings hauptsächlich Stahl-Skelett-Konstruktionen zum Einsatz.

Geschichte

Hydrostatisches Paradoxon] Wassertürme entstanden in Deutschland in großer Zahl seit der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts. Beginnend mit der Notwendigkeit der Wasserversorgung der Dampflokomotiven auf dem sich ab 1840 rasant über den deutschen Staaten ausbreitenden Gleisnetz, entstanden die ersten Wasserhochbehälter. Diese waren noch keine selbstständigen Turmbauten, sondern als bloße Vorratsgefäße in Bahnhofsbauten integriert. Die öffentliche Versorgung mit sauberem Trinkwasser wurde in der Gründerzeit, der Zeit der zunehmenden Verstädterung und damit einhergehend der Verschlechterung der Lebensumstände, zum Problem. Die in dieser Zeit errichteten Wasserwerke mit großen Reservoirs und Hochbehältern trugen in Verbindung mit Versorgungs- und Abwasserleitungen wesentlich dazu bei, Epidemien vorzubeugen. Ohne die Versorgung der Industriestädte mit ihren häufig sehr beengt lebenden proletarischen Bevölkerungsmassen und große Mengen von Abwasser erzeugenden Betrieben kam es zuvor immer wieder zu Epidemien großen Ausmaßes.

Umnutzung von Wassertürmen

Gründerzeit] Heute sind die noch erhaltenen Wassertürme nicht selten eindrucksvolle bauliche und technische Denkmäler. Ihr Erhalt ist jedoch gefährdet, da sie zunehmend durch erdnahe Speicherbecken mit Pumpanlagen ersetzt werden. Verfall oder Abbruch sind die Folge. Eine Alternative zum Abriss ist die Umnutzung der Wassertürme. Zwar gehen dadurch oft die technischen Einbauten (Speicherbecken und Pumpenanlagen) verloren, aber so kann wenigstens die Hülle erhalten werden. Die Erhaltungkosten des Gebäudes stehen bei einer sinnvollen Nutzung des Gebäudes in (einigermaßen) reellem Bezug zum Nutzen.

Über die eigentliche Funktion hinausgehende Nutzung

Umnutzung in Berlin: Umnutzung als Wetterstation des Meteorologischen Instituts der FU]] Manche Wassertürme werden auch als Aussichtsturm genutzt. Es gibt sogar Wassertürme mit einem Turmrestaurant wie dem Goldbergturm in Sindelfingen. Im Regelfall gelangen bei Wassertürmen mit Aussichtsplattform die Besucher mit einem Aufzug zur Aussichtsplattform. Weit verbreitet ist auch die Nutzung von Wassertürmen als Standort von Sendeeinrichtungen im UKW-Bereich mit kleiner Leistung, wie für den nichtöffentlichen Landfunkdienst und den Mobilfunk. Der Heidelberger Fernsehturm diente ursprünglich auch als Wasserturm. Heute dient er noch als Grundnetzsender des SWRs für UKW und TV, nachdem 2002 auch seine Aussichtsplattform wegen einer dringend nötigen Sanierung geschlossen werden mußte. Auch der Sendeturm in Waldenburg wird als Wasserturm genutzt.

Beispiele

Umgenutzte Wassertürme:
- Wasserturm Belvedere in Aachen -> Büroräume und Restaurant
- Wasserturm in Delmenhorst -> Stadtverwaltung
- Wasserturm in Bebra -> Museum
- Wasserturm in Berlin-Steglitz -> Wetterstation der Freien Universität Berlin
- Wasserturm in Bocholt -> Schulgebäude
- Wasserturm von Braunsdorf (Niederwiesa) -> Wohnung
- Wasserturm in Dessau -> Landeshauptarchiv Sachsen-Anhalt
- Wasserturm des Dortmunder Südbahnhofs -> Büroräume, Ladengeschäft, Ausstellungsräume
- Wasserturm in Köln -> Hotel
- Wasserturm in Lüneburg -> soziales Zentrum
- Aquarius-Wassermuseum in Mülheim an der Ruhr -> Museum
- Wasserturm in Neunkirchen -> Kulturzentrum
- Wasserturm in Solingen -> Lichtturm, Labor und Veranstaltungsort
- Wasserturm Favoriten in Wien -> Ausstellungsraum
- Wasserturm in Bexbach -> Museum
- Wasserturm in Nörvenich-Wissersheim -> Einfamilienwohnhaus
- Wasserturm Berlin am Obersee -> Weinstube/Bar + Wohnung (www.berlin-wasserturm.de) Daneben existiert auch die Möglichke