Druck ist die physikalische Größe, die die Kraft misst, die auf eine Flächeneinheit in einer dazu senkrechten Richtung ausgeübt wird. Sie lässt sich berechnen, indem man die ausgeübte Kraft durch die Fläche dividiert, über die diese Kraft ausgeübt wird.
Die mathematische Formel zur Berechnung des Drucks lautet:
Druck = Kraft / Fläche
Diese physikalische Größe kann je nach Anwendungskontext unterschiedliche Auswirkungen haben. Insbesondere in der Dynamik und Strömungsmechanik hängt der Druck beispielsweise mit Eigenschaften wie der Dichte und der Höhe der Flüssigkeit zusammen. Viele physikalische Phänomene wie die Flotation und die Funktion von Flüssigkeiten in Rohren und Hydrauliksystemen hängen vom Druck ab.
Im Bereich der Kernenergie ist der Druck in einem Kernreaktor wichtig, um eine effiziente Wärmeübertragung sicherzustellen, die Reaktivität zu kontrollieren, die Integrität des Sicherheitsbehälters aufrechtzuerhalten, die Sicherheit zu gewährleisten und zur Energieeffizienz beizutragen.
Arten von Druck
Es gibt folgende Typen:
-
Hydrostatischer Druck : Der Druck, den Flüssigkeiten, die nicht komprimiert werden können, auf die mit ihnen in Berührung kommenden Gegenstände ausüben.
-
Absoluter Druck: Er ist die Summe der Kraft pro Flächeneinheit eines bestimmten Systems und der Kraft der es umgebenden Luft.
-
Der Manometerdruck (auch Relativdruck genannt) ist die Differenz zwischen absolutem (realem) und atmosphärischem Druck.
-
Atmosphärischer Druck : Dies ist die Kraft pro Flächeneinheit, die die Luft auf die Erdoberfläche ausübt. Auf Meereshöhe entspricht 1 atm 101325 Pa.
-
Arterie oder Blut: wenn wir uns auf die Kraft beziehen, die Blut auf die Innenfläche der Arterien ausübt.
-
Osmotisch: ist die Kraft, die pro Flächeneinheit einer Lösung auf eine geschlossene semipermeable Membran ausgeübt wird.
Druckeinheiten
Die Druckeinheit im Internationalen Einheitensystem ist das Pascal (Pa), zu Ehren von Blaise Pascal. Ein Pascal ist der Druck, den eine Gesamtkraft von einem Newton ausübt, die gleichmäßig auf einen Quadratmeter wirkt (Pa = N/m2).
Pascal (Pa) ist eine kleine Einheit, und manchmal ist es praktisch, andere Maßeinheiten zu verwenden:
-
Millimeter Quecksilbersäule (mmHg): ist eine Einheit, die immer noch zur Druckmessung in der Medizin, Meteorologie und Luftfahrt verwendet wird und 133.322 387 415 Pa entspricht.
-
Bar. Die Verwendung dieser Einheit wird innerhalb der SI akzeptiert, wird jedoch nicht empfohlen. Es wird häufig verwendet, da sein Wert sehr nahe bei 1 atm liegt. 1 bar = 100.000 Pa
-
Hektopascal (HPa): Diese Einheit wird in der Meteorologie verwendet und entspricht 100 Pa.
-
Atmosphäre (atm): Die Atmosphäre ist eine Einheit, die den Druck angibt, den die Erdatmosphäre im Durchschnitt an der Erdoberfläche erzeugt.
-
Kilopond pro Quadratzentimeter (kp/cm²): Diese Einheit wird im Ingenieurwesen verwendet. Das Kilopond entspricht dem Gewicht einer Masse von einem Kilogramm (9,8 N).
-
Pfund Kraft pro Quadratzoll (lbf/in²): ist eine Einheit, die zum angelsächsischen System gehört. Zur Bezeichnung wird auch das Akronym psi (Pounds-Force per Square Inch) verwendet.
Druckmessgeräte
In der Physik wird der Druck je nach untersuchtem System oder Phänomen mit einer Vielzahl von Instrumenten und Techniken gemessen. Hier sind einige Beispiele:
-
Manometer: dienen zur Messung des Drucks in Gasen und Flüssigkeiten. Diese Instrumente messen den Druck anhand der Verformung eines druckempfindlichen Elements oder durch Messung der Höhe einer Flüssigkeitssäule im Gleichgewicht mit dem Druck.
-
Barometer: Barometer sind Instrumente, die speziell zur Messung des Luftdrucks entwickelt wurden.
-
Drucksensoren: In fortgeschritteneren Anwendungen werden elektronische Drucksensoren verwendet, die Druck in ein elektrisches Signal umwandeln.
-
U-Rohre: Ein Ende des Rohrs wird an das System angeschlossen, in dem der Druck gemessen werden soll, und das andere Ende bleibt offen oder ist mit einem bekannten Referenzpunkt verbunden. Der Höhenunterschied der Flüssigkeiten auf den beiden Seiten des U-Rohrs liefert ein Maß für den Druckunterschied.
Druck in Flüssigkeiten, Feststoffen und Gasen
Der Druck in Flüssigkeiten, Feststoffen und Gasen verhält sich aufgrund der intrinsischen Eigenschaften jedes Materiezustands unterschiedlich, wie Sie unten sehen können:
Druck in Flüssigkeiten
In Flüssigkeiten erfolgt die Druckübertragung nach dem Pascalschen Prinzip isotrop, also in alle Richtungen gleichermaßen.
Der Druck in einer Flüssigkeit hängt von der Tiefe, in der sie sich befindet, und der Dichte der Flüssigkeit ab. In größeren Tiefen steigt der Druck aufgrund des Gewichts der darüber liegenden Flüssigkeit. Dies ist auf den hydrostatischen Druck zurückzuführen, der das Ergebnis der Kraft ist, die das Gewicht der Flüssigkeit auf eine bestimmte Fläche ausübt.
Der hydrostatische Druck wird mit der Formel P = ρgh berechnet, wobei P der Druck, ρ die Dichte der Flüssigkeit, g die Erdbeschleunigung und h die Höhe oder Tiefe der Flüssigkeit ist.
Druck in Feststoffen
In Festkörpern äußert sich Druck als Kraft, die auf eine bestimmte Oberfläche ausgeübt wird. Der Druck in einem Festkörper ist das Ergebnis der Kraftverteilung über die Kontaktfläche.
Mit zunehmender Kraft steigt auch der Druck. Der Druck in Festkörpern kann berechnet werden, indem man die ausgeübte Kraft durch die Fläche dividiert, über die diese Kraft ausgeübt wird.
Druck in Gasen
Bei Gasen entsteht der Druck durch die Kollisionen der Gasmoleküle mit den Wänden des Behälters, in dem sie sich befinden. Je größer die Anzahl der Moleküle bzw. je größer die kinetische Energie der Moleküle, desto mehr Stöße kommt es und desto größer ist der Druck.
Der Druck eines Gases kann mithilfe des idealen Gasgesetzes berechnet werden, das besagt, dass der Druck direkt proportional zur absoluten Temperatur und der Anzahl der vorhandenen Moleküle und umgekehrt proportional zum Volumen ist.
Dieses Gesetz wird mathematisch ausgedrückt als P = nRT/V, wobei P der Druck, n die Anzahl der Gasmole, R die ideale Gaskonstante, T die absolute Temperatur und V das Volumen des Gases ist.
Bedeutung des Drucks in einem Kernkraftwerk
In einem Kernreaktor ermöglicht die Druckregelung, dass Wasser bei Temperaturen über 100 °C, seinem normalen Siedepunkt bei Atmosphärendruck, in flüssigem Zustand gehalten wird. In einem Druckwasserreaktor (PWR) kann Wasser beispielsweise einen Druck von etwa 155 bar (15,5 MPa) haben, wodurch es Temperaturen von nahezu 300 °C erreichen kann, ohne zu sieden.
Druck beeinflusst auch die Effizienz der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie. In Dampferzeugern erzeugt Hochdruckwasser Dampf mit höherer Wärmeenergie. Beispielsweise kann in einem typischen Kernkraftwerk Dampf mit einem Druck von rund 70 Bar (7 MPa) erzeugt werden, was die Leistung der Turbinen verbessert und die Stromproduktion erhöht.
Nukleare Sicherheit
Darüber hinaus ist der Druck in vielen Aspekten des Kernkraftwerksbetriebs von entscheidender Bedeutung für die Reaktorsicherheit. Nachfolgend zeigen wir zwei bemerkenswerte Beispiele:
Erstens wird in einem Kernkraftwerk Druck eingesetzt, um zu verhindern, dass radioaktive Partikel nach außen gelangen. Der Reaktor ist in einer robusten Struktur untergebracht, die hohen Drücken standhält und die Freisetzung radioaktiver Stoffe bei Druckerhöhungen verhindert. Hochdruckkühlsysteme halten Wasser bei erhöhten Temperaturen im flüssigen Zustand und verhindern so seine Umwandlung in Dampf und ein mögliches Entweichen.
Die Lüftungssysteme sind mit hocheffizienten Filtern ausgestattet, die unter Differenzdruck arbeiten und radioaktive Partikel einfangen, bevor sie die Anlage verlassen. In bestimmten Bereichen herrscht ein geringerer Druck (Unterdruck) als draußen, sodass bei Undichtigkeiten Luft nachströmen kann. Darüber hinaus sind die Verbindungen und Dichtungen in den Rohren so ausgelegt, dass sie hohen Drücken standhalten und das Austreten radioaktiver Stoffe verhindern.
Der Druck auf die Menschen
Im Zusammenhang mit der Gesundheit bezieht sich Druck im Allgemeinen auf den Blutdruck. Dabei handelt es sich um die Kraft, die das Blut auf die Wände der Arterien ausübt, wenn das Herz schlägt und sich entspannt. Der Blutdruck wird durch zwei Werte ausgedrückt: systolischer Druck und diastolischer Druck.
- Systolischer Druck: Er ist der erste Wert, der bei der Blutdruckmessung erfasst wird und stellt den Druck in den Arterien dar, wenn sich das Herz zusammenzieht und Blut in den Körper pumpt.
- Diastolischer Druck: Dies ist der zweite aufgezeichnete Wert und stellt den Druck in den Arterien dar, wenn sich das Herz zwischen den Schlägen entspannt.
Der Blutdruck wird in Millimeter Quecksilbersäule (mmHg) gemessen und als Bruchteil ausgedrückt, beispielsweise 120/80 mmHg. Die erste Zahl (der systolische Druck) ist höher, weil sie während der Kontraktion des Herzens gemessen wird, während die zweite Zahl (der diastolische Druck) niedriger ist, weil sie während der Entspannung des Herzens gemessen wird.