Was ist Druck – Physik – Definition

Was ist Druck?

Der Druck ist ein Maß für die Kraft, die pro Flächeneinheit auf die Grenzen eines Stoffes ausgeübt wird . Die Standardeinheit für den Druck im SI-System ist Newton pro Quadratmeter oder Pascal (Pa) . Mathematisch:

p = F / A.

wo

• p ist der Druck
• F ist die Normalkraft
• A ist der Bereich der Grenze

Pascal ist definiert als eine Kraft von 1 N, die auf die Einheitsfläche ausgeübt wird.

• 1 Pascal = 1 N / m ²

Druckskalen – Druckeinheiten

Pascal – Druckeinheit

Wie bereits erwähnt, ist die SI-Einheit von Druck und Spannung der Pascal .

• 1 Pascal 1 N / m ² = 1 kg / (ms ² )

Pascal ist definiert als ein Newton pro Quadratmeter. Bei den meisten technischen Problemen handelt es sich jedoch um eine relativ kleine Einheit, sodass es bequem ist, mit Vielfachen des Pascal zu arbeiten: dem kPa , dem Balken und dem MPa .

• 1 MPa 10 ⁶ N / m ²
• 1 bar 10 ⁵ N / m ²
• 1 kPa 10 ³ N / m ²

Die als Standardatmosphäre ( atm ) bezeichnete Maßeinheit ist definiert als:

• 1 atm = 101,33 kPa

Die Standardatmosphäre entspricht in etwa dem durchschnittlichen Druck auf Meereshöhe bei 45 ° N. Beachten Sie, dass zwischen der Standardatmosphäre (atm) und der technischen Atmosphäre (at) ein Unterschied besteht .

Eine technische Atmosphäre ist eine Nicht-SI-Druckeinheit, die einer Kilogrammkraft pro Quadratzentimeter entspricht.

• 1 at = 98,67 kPa

Pfund pro Quadratzoll – psi

Die Standardeinheit im englischen System ist die Pfundkraft pro Quadratzoll (psi) . Dies ist der Druck, der sich aus einer Kraft von einem Pfund ergibt, die auf eine Fläche von einem Quadratzoll ausgeübt wird.

• 1 psi 1 lbf / in ² = 4,45 N / (0,0254 m) ² ≤ 6895 kg / m ²

Daher entspricht ein Pfund pro Quadratzoll ungefähr 6895 Pa.

Die als Standardatmosphäre (atm) bezeichnete Maßeinheit ist definiert als:

• 1 atm = 14,7 psi

Die Standardatmosphäre entspricht in etwa dem durchschnittlichen Druck auf Meereshöhe bei 45 ° N. Beachten Sie, dass zwischen der Standardatmosphäre (atm) und der technischen Atmosphäre (at) ein Unterschied besteht .

Eine technische Atmosphäre ist eine Nicht-SI-Druckeinheit, die einer Kilogrammkraft pro Quadratzentimeter entspricht.

• 1 at = 14,2 psi

Bar – Druckeinheit

Der Balken ist eine metrische Druckeinheit . Es ist nicht Teil des Internationalen Einheitensystems (SI). Der Balken wird üblicherweise in der Industrie und in der Meteorologie verwendet , und ein Instrument, das in der Meteorologie zur Messung des atmosphärischen Drucks verwendet wird, wird als Barometer bezeichnet.

Ein Balken entspricht genau 100 000 Pa und liegt geringfügig unter dem durchschnittlichen Luftdruck auf der Erde auf Meereshöhe ( 1 bar = 0,9869 atm). Der atmosphärische Druck wird häufig in Millibar angegeben, wobei der Standard-Meeresspiegeldruck als 1013 mbar, 1,013 bar oder 101,3 (kPa) definiert ist.

Manchmal werden “Bar (a)” und “Bara” verwendet, um absolute Drücke anzuzeigen, und “Bar (g)” und “Barg” für Manometerdrücke.

Absoluter vs. Manometerdruck

Der oben diskutierte Druck wird als absoluter Druck bezeichnet . Oft ist es wichtig, zwischen Absolutdruck und Manometerdruck zu unterscheiden . In diesem Artikel bezieht sich der Begriff Druck auf den absoluten Druck, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben. In der Technik beschäftigen wir uns jedoch häufig mit Drücken, die von einigen Geräten gemessen werden. Obwohl in thermodynamischen Beziehungen Absolutdrücke verwendet werden müssen, zeigen Druckmessgeräte häufig die Differenz zwischen dem Absolutdruck in einem System und dem Absolutdruck der Atmosphäre außerhalb des Messgeräts an. Sie messen den Manometerdruck .

• Absoluter Druck. Wenn der Druck relativ zu einem perfekten Vakuum gemessen wird, spricht man von absolutem Druck (psia). Pfund pro Quadratzoll absolut (psia) werden verwendet, um zu verdeutlichen, dass der Druck relativ zu einem Vakuum und nicht zum atmosphärischen Umgebungsdruck ist. Da der atmosphärische Druck auf Meereshöhe etwa 101,3 kPa (14,7 psi) beträgt, wird dies zu jeder Druckmessung in Luft auf Meereshöhe addiert.
• Manometerdruck. Wenn der Druck relativ zum atmosphärischen Druck (14,7 psi) gemessen wird, spricht man von Überdruck (psig). Der Begriff Manometerdruck wird verwendet, wenn der Druck im System größer als der lokale atmosphärische Druck p _{atm ist} . Die letztere Druckskala wurde entwickelt, weil fast alle Manometer im offenen Zustand Null registrieren. Manometerdrücke sind positiv, wenn sie über dem atmosphärischen Druck liegen, und negativ, wenn sie unter dem atmosphärischen Druck liegen.

p _Spur = p _absolut – p _{absolut; Geldautomat}

• Luftdruck. Atmosphärendruck ist der Druck in der Umgebungsluft an oder nahe an der Erdoberfläche. Der atmosphärische Druck variiert mit Temperatur und Höhe über dem Meeresspiegel. Der Standardatmosphärendruck entspricht ungefähr dem Durchschnittsdruck auf Meereshöhe bei 45 ° N. Der Standardatmosphärendruck wird auf Meereshöhe bei 273 ^o K (0 ^o C) definiert und beträgt:
  • 101325 Pa
  • 1,01325 bar
  • 14,696 psi
  • 760 mmHg
  • 760 Torr
• Unterdruck – Vakuumdruck. Wenn der lokale atmosphärische Druck größer als der Druck im System ist, wird der Begriff Vakuumdruck verwendet. Ein perfektes Vakuum würde einem absoluten Nulldruck entsprechen. Es ist sicherlich möglich, einen negativen Überdruck zu haben, aber nicht, einen negativen absoluten Druck zu haben. Beispielsweise kann ein absoluter Druck von 80 kPa als Manometerdruck von –21 kPa (dh 21 kPa unter einem atmosphärischen Druck von 101 kPa) beschrieben werden.

p _Vakuum = p _{absolut; atm} – p _absolut

Beispielsweise hat ein Autoreifen, der bis zu 2,5 atm (36,75 psig) über dem lokalen atmosphärischen Druck (sagen wir 1 atm oder 14,7 psia lokal) gepumpt wird, einen absoluten Druck von 2,5 + 1 = 3,5 atm (36,75 + 14,7 = 51,45 psia oder 36,75 psig).

Andererseits entlüften kondensierende  Dampfturbinen (in Kernkraftwerken ) Dampf mit einem Druck weit unter der Atmosphäre (z. B. bei 0,08 bar oder 8 kPa oder 1,16 psia) und in einem teilweise kondensierten Zustand. In relativen Einheiten ist es ein negativer Überdruck von etwa – 0,92 bar, – 92 kPa oder – 13,54 psig.

Ideales Gasgesetz

Jede Gleichung, die den Druck, die Temperatur und das spezifische Volumen einer Substanz in Beziehung setzt, wird als Zustandsgleichung bezeichnet . Die einfachste und bekannteste Zustandsgleichung für Substanzen in der Gasphase ist die ideale Gaszustandsgleichung . Es wurde erstmals 1834 von Émile Clapeyron als eine Kombination aus dem empirischen Boyle-Gesetz, dem Charles-Gesetz und dem Avogadro-Gesetz angegeben. Diese Gleichung sagt das pvT-Verhalten eines Gases für verdünnte Gase oder Niederdruckgase ziemlich genau voraus . In einem idealen Gas haben Moleküle kein Volumen und interagieren nicht. Nach dem idealen Gasgesetz ändert sich der Druck linear mit Temperatur und Menge und umgekehrt mit dem Volumen .

pV = nRT

wo:

• p ist der absolute Druck des Gases
• n ist die Menge der Substanz
• T ist die absolute Temperatur
• V ist die Lautstärke
• R  ist die ideale oder universelle Gaskonstante , die dem Produkt der Boltzmann-Konstante und der Avogadro-Konstante entspricht.

In dieser Gleichung ist das Symbol R eine Konstante, die als universelle Gaskonstante bezeichnet wird und für alle Gase den gleichen Wert hat, nämlich R = 8,31 J / mol K.

Die Kraft des idealen Gasgesetzes liegt in seiner Einfachheit . Wenn eine beliebige zwei der thermodynamischen Variablen, p, v und T sind gegeben , das dritte kann leicht gefunden werden. Ein ideales Gas ist definiert als eines, bei dem alle Kollisionen zwischen Atomen oder Molekülen vollkommen elastisch sind und bei dem keine intermolekularen Anziehungskräfte vorhanden sind. Ein ideales Gas kann als eine Ansammlung perfekt harter Kugeln dargestellt werden, die kollidieren, aber ansonsten nicht miteinander interagieren. In der Realität sind keine realen Gase wie ein ideales Gas und daher folgen keine realen Gase vollständig dem idealen Gasgesetz oder der idealen Gasgleichung. Bei Temperaturen nahe einem Gassiedepunkt führt ein Druckanstieg zur Kondensation und zu einer drastischen Volumenverringerung. Bei sehr hohen Drücken sind die intermolekularen Kräfte eines Gases signifikant. Die meisten Gase stimmen jedoch bei Drücken und Temperaturen über ihrem Siedepunkt ungefähr überein.

Typische Drücke in der Technik – Beispiele

Der Pascal (Pa) als Maßeinheit für den Druck ist weltweit weit verbreitet und hat die Einheit für Pfund pro Quadratzoll (psi) weitgehend ersetzt , außer in einigen Ländern, in denen das imperiale Messsystem noch verwendet wird, einschließlich der USA. Für die meisten technischen Probleme ist Pascal (Pa) eine relativ kleine Einheit, daher ist es praktisch, mit Vielfachen des Pascal zu arbeiten: dem kPa, dem MPa oder dem Balken. Die folgende Liste fasst einige Beispiele zusammen:

• Typischerweise betreiben die meisten Kernkraftwerke mehrstufige Kondensationsdampfturbinen . Diese Turbinen entlüften Dampf mit einem Druck weit unter dem atmosphärischen Wert (z. B. bei 0,08 bar oder 8 kPa oder 1,16 psia) und in einem teilweise kondensierten Zustand. In relativen Einheiten ist es ein negativer Überdruck von etwa – 0,92 bar, – 92 kPa oder – 13,54 psig.
• Der Standardatmosphärendruck entspricht ungefähr dem Durchschnittsdruck auf Meereshöhe bei 45 ° N. Der Standardatmosphärendruck wird auf Meereshöhe bei 273 ^o K (0 ^o C) definiert und beträgt:
  • 101325 Pa
  • 1,01325 bar
  • 14,696 psi
  • 760 mmHg
  • 760 Torr
• Der Überdruck der Autoreifen beträgt etwa 2,5 bar, 0,25 MPa oder 36 psig.
• Dampflokkessel: 150–250 psig
• Eine Hochdruckstufe einer kondensierenden Dampfturbine im Kernkraftwerk arbeitet im stationären Zustand mit Einlassbedingungen von 6 MPa (60 bar oder 870 psig), t = 275,6 ° C, x = 1
• Ein Siedewasserreaktor wird wie ein PWR durch Wasser gekühlt und moderiert , jedoch bei einem niedrigeren Druck (z. B. 7 MPa, 70 bar oder 1015 psig), wodurch das Wasser im Druckbehälter sieden kann und den Dampf erzeugt, der die Turbinen antreibt.
• Druckwasserreaktoren werden durch flüssiges Hochdruckwasser (z. B. 16 MPa, 160 bar oder 2320 psig)gekühlt und moderiert. Bei diesem Druck kocht Wasser bei ungefähr 350 ° C (662 ° F), was einen Unterkühlungsspielraum von ungefähr 25 ° C ergibt.
• Der überkritische Wasserreaktor (SCWR) wird bei überkritischem Druck betrieben . Der Begriff überkritisch bezieht sich in diesem Zusammenhang auf den thermodynamischen kritischen Punkt von Wasser (T _CR = 374 ° C; p _CR = 22,1 MPa)
• Common-Rail-Direkteinspritzung: Bei Dieselmotoren verfügt sie über einen Hochdruck- Kraftstoffverteiler (über 1 000 bar oder 100 MPa oder 14500 psi).

Druckverlust – Flüssigkeiten

Zusammenfassung von: Kopfverlust – Druckverlust

• Druckverlust oder Druckabfall  ist die Verringerung der Gesamtförderhöhe (Summe des Potentialkopfes , Geschwindigkeitskopfes und Druckkopf ) einer durch die verursachten Flüssigkeitsreibung in der Flüssigkeit der Bewegung.
• Druckverlust und Druckverlust stellen dasselbe Phänomen dar – Reibungsverluste in Rohren und Verluste in Hydraulikkomponenten, sie werden jedoch in verschiedenen Einheiten ausgedrückt .
• Der Druckverlust des Hydrauliksystems wird in zwei Hauptkategorien unterteilt :
  • Großer Kopfverlust – aufgrund von Reibung in geraden Rohren
  • Geringer Druckverlust – aufgrund von Komponenten wie Ventilen, Biegungen…

• 

  Darcys Gleichung kann verwendet werden, um Hauptverluste zu berechnen.

• Eine spezielle Form der Darcy-Gleichung kann verwendet werden, um geringfügige Verluste zu berechnen .
• Der Reibungsfaktor für den Flüssigkeitsfluss kann mithilfe eines Moody-Diagramms bestimmt werden .
• Der Reibungsfaktor  für die laminare Strömung ist unabhängig von der Rauheit der Rohrinnenfläche. f = 64 / Re
• Der Reibungsfaktor  für turbulente Strömung  hängt stark von der relativen Rauheit ab. Es wird durch die Colebrook-Gleichung bestimmt. Es ist zu beachten, dass bei sehr großen Reynolds-Zahlen der Reibungsfaktor unabhängig von der Reynolds-Zahl ist.

• Die geringfügigen Verluste sind ungefähr proportional zum Quadrat der Durchflussrate und können daher durch den Widerstandskoeffizienten K leicht in die Darcy-Weisbach-Gleichung integriert werden .
• Als lokaler Druckverlust kann auch eine Flüssigkeitsbeschleunigung in einem beheizten Kanal in Betracht gezogen werden.

Kritischer Wasserdruck

Bei einem Druck, der  höher als der kritische Druck ist, befindet sich   Wasser in einem speziellen Zustand, der als überkritischer Flüssigkeitszustand bekannt ist . Ein überkritisches Fluid ist ein Fluid, dessen Drücke höher sind als seine thermodynamischen kritischen Werte. Bei den kritischen und überkritischen Drücken wird eine Flüssigkeit als einphasige Substanz betrachtet, obwohl alle thermophysikalischen Eigenschaften innerhalb der kritischen und pseudokritischen Bereiche signifikante Änderungen erfahren .

Für Wasser sind die kritischen Parameter die folgenden:

• P _cr = 22,09 MPa
• T _cr = 374,14 ° C (oder 647,3 K)
• v _cr = 0,003155 m³ / kg
• U _f = U _g = 2014 kJ / kg
• h _f = h _g = 2084 kJ / kg
• s _f = s _g = 4,406 kJ / kg K.

Siehe auch: Kritischer Punkt des Wassers

Siehe auch: Überkritische Flüssigkeit