Verhalten von Luft und Wasser

 
Hat Luft ein Volumen?

Durch den einfachen Versuch "Luftballon aufpusten" kann man feststellen, dass
Luft Volumen hat.

 
Wieviel wiegt Luft? (Besser gesagt: wie groß ist die Dichte von Luft?)

Versuch 1

0,30 l LUft hat die Masse 0,360 g
also ist die Dichte der Luft p =  m / V  =  0,360 g / 0,30 l  = 1,2 g/l  =  1,2 kg/m³

 
Versuch 2

Man gibt jeweils Festkörper, Flüssigkeit und Gas in ein Gefäß und anschließen die Gefäße kippen.

•  Die Teilchen der Festkörper sind fest miteinander verbunden.
   
•  Die Teilchen von Flüssigkeiten und Gasen sind leicht gegeneinander verschiebbar.
   
• Die Teilchen von Gasen nehmen den ganzen zur Verfügung stehenden Raum ein.

Teilchen von Festkörper	Teilchen von Flüssigkeiten	Teilchen von Gasen

Der Kolbendruck

Versuch 3
Drücke mit einem Finger jeweils auf einen Klotz und auf Wasser.

Ergebnis

• Auf feste Körper kann man Kräfte ausüben.
• Auf offene Flüssigkeiten kann man keine Kräfte ausüben, sie weichen aus!

 
Versuch 4
Kolbenprober mit eingeschlossenem Wasser

Ergebnis
Auf abgeschlossene Flüssigkeiten oder Gase kann man Kräfte ausüben

In welche Richtung wirkt die Kraft in der Flüssigkeit? (Welcher Wandteil wird besonders
belastet?)

 
Versuch 5

Ergebnis
Die verursachende Kolbenkraft F hat eine eindeutige Richtung. In der Flüssigkeit entsteht ein Druckzustand, der bewirkt, dass auf alle äußeren und inneren Begrenzungsflächen Kraft ausgeübt wird. Man sagt, es herrscht in ihr der Druck p.

Information
Druck wirkt allseitig. Es gibt keine Vorzugsrichtung!

 
Sind Druck p und Kraft F nicht dasselbe?

Versuch 6

 
Ergebnis

p2 = p1    aber:  F2 = 2 • F1

         Druck und Kraft sind nicht dasselbe!

Information
Auf die Fläche A2 wirken doppelt so viele Flüssigkeitsteilchen wie auf Fläche A1;
sie üben daher eine doppelt so große Kraft F2 nach oben aus. Daher muss man zum Erreichen des Stillstandes ein Massenstück m2 = 2 • m1 mit dem Gewicht G2 = 2 • G1 auflegen.

 Der Hydrostatische Druck ( = Gewichtsdruck)

Bisher:
äußere Kraft wirkt auf Stempel —› Druck in Flüssigkeit

Versuch 7
Tauchen —› Druckgefühl in den Ohren

Woher stammt dieser Druck?

Versuch 8
Drucksonde statt Trommelfell zur Druckmessung unter Wasser.

 
Ergebnis
Mit zunehmender Wassertiefe steigt der Druck.
Der Druck ist von der Stellung der gedrückten Fläche unabhängig

Information
Der Druck stammt vom Gewicht des über der Fläche lastenden Wassers.
Druck = hydrostatischer Druck (Statik = Physik der ruhenden Körper)

Berechnung des hydrostatischen Drucks über gesamte Wasserfläche A
Es gilt: p = F/A
Die wirkende Kraft F auf die gesamte Wasserfläche A ist das Gewicht G des darüber befindlichen Wassers: G = m • g
für m gilt: m = ρ • V       (ρ = Dichte der Flüssigkeit; ρWasser = 1g/cm³)
für V gilt: V = A • h

p = ρ • g • h

 
Ergebnis
Der Druck ist nur von der Flüssigkeitstiefe h und der Dichte ρ der Flüssigkeit, nicht aber von der Größe oder Stellung der Fläche abhängig.

Beispiel
Druck in 20 m Wassertiefe
p  =  ρ • g • h = 1000 kg/m³ • 10 N/kg • 20 m = 200 000 N/m² = 2000 hΡa = 2000 mbar = 2bar

! Achtung !
Das ist nur der hydrostatische Druck, verursacht durch das Wasser. An der Wasseroberfläche herrscht aber schon ein Luftdruck von ca. 1 bar, so dass der Gesamtdruck in 20 m Wassertiefe 3 bar beträgt.

 
Untersuchung von Gasen

Versuch
Fahrradpumpe/Kolbenprober:

Ergebnis
Gase lassen sich zusammendrücken; sie sind kompressibel.

Information
Zwischen den Gasmolekülen muss viel leerer Raum sein.

Gibt es auch einen Stempeldruck in Gasen?

Versuch
Geg: F1 = 100cN; A1 = 2cm²; A2 = 6cm²; F2 = 300cN

Es ist p1 = p2 weil F1/A1 = F2/A2

Ergebnis
Wirkt eine Stempelkraft auf eine abgeschlossene Gasmenge, so wird diese zusammengedrückt und es herrscht überall derselbe Stempeldruck.
 

Wo ist das Gas? Oben oder unten?

Ergebnis
Gase nehmen den ganzen zur Verfügung stehenden Raum ein. Ihre Moleküle bewegen sich und streben auseinander. Sie üben auf alle Wände Durchkräfte aus.

 
Versuch
Kolben mit Luft wiegen - Kolben mit mehr Luft wiegen

 
Ergebnis
çLuft = m/V = 0,12g / 100cm³ = 0,0012 g/cm³ = 1,2 g/dm³

Information
Haben Gase Masse und Gewicht so müsste in Gasen auch ein Schweredruck bestehen: das ist der Luftdruck. Wir leben am Grunde eines Luftmeeres.

 
Warum spüren wir Luftdruck nicht?

1. Er wirkt allseitig
2. Er bewirkt einen Gegendruck in unseren Körperzellen —› Druckgleichgewicht

Erst wenn der Gegendruck fehlt gibt es Probleme.