Luftdruck

Heute im PHYSIKUNTERRICHT: Die Atmosphäre ✔ | Luftdruck ✔ | Das Quecksilberbarometer ✔ | Normaler Luftdruck ✔ | Das Manometer ✔

Luftdruck

Die Atmoshpäre

Die Atmosphäre ist wie ein tiefer Ozean aus Luft, der die Erde umhüllt. In gewisser Weise verhält sich die Atmosphäre wie eine Flüssigkeit:

  • der Druck wirkt in alle Richtungen.
  • der Druck fällt, wenn du mit einem Ballon aufsteigst
    (weil mit steigender Höhe immer weniger Gewicht auf deinem Kopf lastet).

Blick auf die Erdatmosphäre von der ISS aus
Die Atmosphäre der Erde ist sehr dünn. Das Foto wurde von der Raumstation ISS gemacht und zeigt Norditalien mit den Alpen, Korsika und einen kleinen Teil von Sardinien

Trinken mit einem Strohalm.
Beim Trinken durch einen Strohhalm erweiterst du deine Lungen, um den Luftdruck im Strohhalm zu reduzieren. Infolgedessen drückt der Luftdruck dein Getränk in den Strohhalm.

Im Gegensatz zu einer Flüssigkeit kann Luft komprimiert (zusammengedrückt) werden. Daher ist die Atmosphäre nahe des Erdbodens dichter als beispielsweise auf dem Mount Everest. Die Atmosphäre der Erde reicht Hunderte von Kilometern in den Weltraum, doch der Großteil tummelt sich unterhalb von etwa 10 Kilometern.


Luftdruck

Auf Meereshöhe beträgt der atmosphärische Druck etwa 100 kPa (100.000 Newton pro Quadratmeter) - das entspricht etwa dem Gewicht von zehn Schrott-Autos, die auf nur einem Quadratmeter übereinander gestapelt sind. Von diesem riesigen Druck wird ein Mensch aber nicht zermalmt, da der Druck in der Lunge und der Druck im Blut-Kreislaufsystem darauf abgestimmt sind.



Das Quecksilberbarometer

Barometer zur Messung des Luftdrucks

Instrumente, die den atmosphärischen Druck messen, werden Barometer genannt. Das Barometer rechts enthält das flüssige Metall Quecksilber. Der atmosphärische Druck kann das Quecksilber in das Röhrchen drücken weil der Raum an der Oberseite des Röhrchens keine Luft enthält. Dort herrscht ein Vakuum.

Auf Meereshöhe bewirkt der atmosphärische Druck, dass eine Säule aus Quecksilber durchschnittlich 760 mm hoch ist. Weil es bequemer ist, bezeichnen Wissenschaftler den Luftdruck meistens nur als "760 Millimeter Quecksilber." Auf der anderen Seite ist es aber sehr leicht, diese "760 mm Quecksilber" in Pascal und andere Einheiten umzurechnen, wie du weiter unten sehen wirst.

Der tatsächliche Wert des atmosphärischen Drucks variiert leicht je nach dem, was für ein Wetter wir haben. In Gebieten mit niedrigerem Luftdruck bilden sich Regenwolken, so dass ein Druckabfall beim Ablesen eines Barometers bedeuten kann, dass schlechtes Wetter im Anmarsch ist. Der atmosphärische Druck nimmt aber auch mit der Höhe über dem Meeresspiegel ab. Diesen Vorgang macht man sich in Form eines Höhenmessers zunutze. Solche Geräte findet man in jedem Flugzeug, um die Flughöhe zu bestimmen.


Normaler Luftdruck

Der Druck, der eine Quecksilbersäule 760,0 mm hochdrückt, wurde früher als physikalische Atmosphäre oder 1 atm bezeichnet. Der Wert in Pascal kann durch Berechnung des Drucks aufgrund einer solchen Quecksilbersäule bestimmt werden.

In einer Tiefe h einer Flüssigkeit mit der Dichte $\rho$ herrscht ein Druck von:

$\rho \ \cdot \ g \ \cdot \ h$

wobei:

$\mathrm {g \ = \ 9,807 \ \tfrac {N}{kg}}$ (oder 10 $\mathrm {\tfrac {N}{kg}}$, wenn weniger Genauigkeit erforderlich ist).

Da die Dichte von Quecksilber $\mathrm {13590 \tfrac {kg}{m^3}}$ beträgt und die Höhe der Quecksilbersäule 0,7600 m, gilt folgendes:


$\mathrm {1 \ atm \ = \ \rho \ \cdot \ g \ \cdot \ h \ = \ 13590 \ \tfrac {kg}{m^2} \ \cdot \ 9,807 \ \tfrac {N}{kg} \ \cdot \ 0,7600 \ m \ = \ 101 300Pa}$


Barometer zur Messung des Luftdrucks

Bei den Taschenrechnern kann man der Einfachheit halber davon ausgehen, dass:

1 atm = 100.000 Pa

Bei der Wettervorhersage wird für den Luftdruck meistens Millibar (mb) als Druckeinheit verwendet:

1 mb = 100 Pa

so dass der normale atmosphärische Druck etwa 1000 Millibar beträgt.


Das Manometer

Mit einem Manometer misst man eine Druckdifferenz. Das Gerät oben rechts ist mit Quecksilber gefüllt. Durch das Verschieben der Quecksilbersäule wird der Druck angezeigt, den das eingeleitete Gas zusätzlich zum Luftdruck hat. Dieser zusätzliche Druck wird als Überdruck bezeichnet. Um den tatsächlichen Druck der Gasleitung zu bestimmen, addiert man zu diesem Überdruck den Luftdruck hinzu.


Fragen


Richtig ist:
Durch das Saugen wird der Druck im Strohhalm reduziert und der Luftdruck drückt die Flüssigkeit dann nach oben.

Richtig ist:
Sie würde niedriger sein

3. Schau dir das Bild oben mit dem Manometer an. Wenn der Luftdruck 760 mm Quecksilber beträgt:

  1. Wie hoch ist der Überdruck der Gasleitung in mm Quecksilber?
  2. Wie hoch ist der tatsächliche Druck der Gasleitung in mm Quecksilber?
  3. Was ist der tatsächliche Druck der Gasleitung in Pascal?

Richtig ist:

  1. 100 mm
  2. 860 mm
  3. 113.000 Pa

Richtig ist:

  1. 96.000 Pa
  2. 0,96 atm
  3. 960 mb

5. Die Dichte von Quecksilber beträgt 13590 $\mathrm {\smash {\tfrac {kg}{m^3}}}$, die Wasserdichte beträgt 1000 $\mathrm{\smash {\tfrac {kg}{m^3}}}$ und $\mathrm{\smash {g \ = \ 9,81 \tfrac {N}{kg}}}$

  1. Wie groß ist der Druck (in Pa) am Boden einer 1 Meter hohen Wassersäule?
  2. Wenn ein Barometer mit Wasser anstelle von Quecksilber gefüllt ist und ein sehr langes Rohr hat, wie hoch ist die Wassersäule bei atmosphärischem Druck 1 atm (760 mm Quecksilber)?

Richtig ist:

  1. 9810 Pa
  2. 10,3 m

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