Druck

Druck Druckdarstellung infolge von Kollisionen zwischen Partikeln eines in einem Behälter enthaltenen Fluids und dessen Wänden. Schlüsseldaten
SI-Einheiten Pascal (Pa)
Andere Einheiten bar , Atmosphäre ( atm ), Pfund pro Quadratzoll ( psi ), Torr oder Millimeter Quecksilbersäule (mmHg), Zentimeter Wassersäule (cmH 2 O)
Abmessungen M · L  -1 · T  -2
Natur Größe Skalar intensive
Übliches Symbol ,
Link zu anderen Größen


mit Kraft und Fläche

mit Kraftdichte und Steigung

Der Druck ist eine physikalische Größe , die den Impulsaustausch in einem thermodynamischen System , insbesondere in einem Festkörper oder einer Flüssigkeit , widerspiegelt . Es wird üblicherweise als die definierte Intensität der Kraft durch ein Fluid pro Einheit ausgeübt Bereich .

Es ist eine intensive skalare (oder tensorielle ) Größe . Im Internationalen Einheitensystem wird er in Pascal ausgedrückt , Symbol Pa. Die Dimensionsanalyse zeigt, dass der Druck bei einer Oberflächenkraft ( 1 Pa = 1 N / m 2 ) wie bei einer Volumenenergie ( 1 Pa = 1 J / m / ) homogen ist 3 )).

Wir nennen manchmal "Druck ausgeübt" (von einer Flüssigkeit auf eine Wand) die Kraft (genannt "Druckkraft"), die sie pro Flächeneinheit der Wand ausübt, aber es ist dann eine lokal definierte Vektorgröße. , während der Druck ist eine skalare Größe, die an einem beliebigen Punkt des Fluids definiert ist.

Geschichte des Begriffs Druck

Der Begriff des Drucks, eine Folge des Vakuums , ist ursprünglich mit dem Problem des aufsteigenden Wassers durch eine Saugpumpe verbunden . Heron von Alexandria gibt die erste Beschreibung von Pumpen dieses Typs und interpretiert ihren Betrieb in Bezug auf ein Vakuum, das durch "eine bestimmte Kraft" erzeugt wird. Aristoteles lehnt den Begriff der Leere ab. Das mittelalterliche scholastische Denken verallgemeinert: "Die Natur verabscheut ein Vakuum" ( horror vacui ), was den technischen Fortschritt des islamischen goldenen Zeitalters wie die von Al-Jazari beschriebene Saug-Trittpumpe nicht verhindert . Diese Fortschritte werden das Europa der Renaissance mit den Techniken des stufenweisen Pumpens erreichen.

Das wissenschaftliche Problem aufgetaucht XVIII - ten  Jahrhundert . 1630 schlug Jean-Baptiste Baliani in einem Brief an Galilei die Rolle des Luftgewichts beim Ausgleich des Wassergewichts vor . Dies stellt die Inexistenz des Vakuums im Jahr 1638 in Frage, aber das Zeitalter stoppt seine Überlegungen zu diesem Thema. Evangelista Torricelli greift das Problem der Brunnen von Florenz im Zusammenhang mit der Beschränkung der ursprünglich Galileo anvertrauten Saugpumpen auf, bestätigt die Hypothese vom "Gewicht der Atmosphäre" und erfindet 1643 das Barometer . Gilles Person de Roberval klärt das Konzept durch concept bei der Untersuchung 1647 die Expansion von Gasen, dann Blaise Pascal veröffentlichte seine berühmte Abhandlung über Atmosphärendruck in 1648 . Robert Boyle gegründet , um die Beziehung zwischen Druck und Volumen in 1660 und Edmé Mariotte in 1676 ( Boyle-Mariotte ). Zu dieser Zeit haben wir eine ziemlich vollständige, aber empirische Beschreibung des Drucks von Gasen.

Die kinetische Gastheorie beginnt mit Daniel Bernoulli im Jahr 1738. Ludwig Boltzmann führt sie 1872 und 1877 auf eine Genauigkeit nahe dem heutigen Stand . Satyendranath Bose erweiterte die Domäne um 1924 zu erreichen.

Definitionen

Beim Druck interessieren wir uns für die Impulsübertragung in einem flüssigen oder gasförmigen Medium und deren Auswirkungen auf eine reale oder virtuelle Wand. Wir bezeichnen x den Einheitsvektor senkrecht zur Wand.

In der Mechanik

Grundansatz

Druck wird üblicherweise durch seine Wirkung auf eine Elementarfläche definiert . Die ausgeübte Kraft ist senkrecht zur Oberfläche:

wo ist der Einheitsvektor senkrecht zur Oberfläche, nach außen gerichtet. Dieser Ausdruck definiert den Skalar p , den Druck.

Für ein endliches Flächenmedium :

Diese aus didaktischer Sicht bequeme Grunddefinition reicht nicht aus, da der Druck ohne Wand vorhanden ist.

Allgemeiner Ansatz

Betrachten wir zunächst den Fall eines eindimensionalen Mediums, bei dem

eine Menge von Teilchen bewegt sich mit der Geschwindigkeit v . Der Druck p ist definiert als die Strömung von Impulse pro Volumeneinheit ½ ρ v  :

wobei ρ die Dichte des Fluids und v die Modulgeschwindigkeit v ist.

[fragwürdige Informationen]

Diese Definition ist eine physikalische Definition von Druck. Er entspricht in einer Raumdimension dem dynamischen Druck bei einer makroskopischen Beschreibung des Problems einer Strömung und lässt sich bei isotroper Geschwindigkeitsverteilung leicht auf ein dreidimensionales Medium mit Kugelsymmetrie verallgemeinern. Dies ist bei der mikroskopischen Beschreibung eines Gases im thermodynamischen Gleichgewicht der Fall (siehe unten). Tatsächlich ist in diesem Fall die Strömung in alle Richtungen identisch.

Allgemeiner gesagt sind diese Impulsaustausche weder isotrop noch vollständig direktiv, und in diesem Fall verwendet man den Spannungstensor   (oder Drucktensor), um sie zu beschreiben. Ohne internes Drehmoment im System ist dieser Tensor symmetrisch. Dies wird für eine Newtonsche Flüssigkeit (aber nicht nur) bestätigt. Für eine ruhende Flüssigkeit ist dieser Tensor isotrop

wo     ist der Einheitstensor und p der hydrostatische Druck. Den Tensor viskoser Spannungen definiert man wie den Deviator

wobei δ ij das Kronecker-Symbol ist .

Für ein Newtonsches Fluid und mit der Stokes Hypothese σ ij ein Null diagonal Tensor. Diese Eigenschaft wird für das Standardschreiben von Navier-Stokes-Gleichungen verwendet .

In der statistischen Physik

Kinetischer Ansatz

Druck ist definiert als die Wirkung des Aufpralls von Teilchen (Atom, Molekülen) auf eine Wand, eine Wirkung, die aus der Impulsübertragung resultiert.

wobei n die Volumendichte der Teilchen ist, m ihre Masse und v ihre mikroskopische Geschwindigkeit. <v²> ist der statistische Mittelwert des Quadrats des Geschwindigkeitsmoduls.

Für ein Gas im lokalen thermodynamischen Gleichgewicht wird der statistische Mittelwert auf den Zeitmittelwert am betrachteten Punkt reduziert und die Geschwindigkeit gehorcht der statistischen Maxwell-Verteilung . Wir können schreiben

wobei T die thermodynamische Temperatur und k die Boltzmann-Konstante ist .

Bei diesem Ansatz wird angenommen, dass die Wand perfekt reflektierend ist, was nicht der Realität entspricht. Tatsächlich definiert die Bedingung der perfekten Reflexion eine Symmetriebedingung, also die Negation einer Wand: Diese Art von Randbedingung wird in der Physik verwendet, um Probleme beim Schreiben einer physikalisch realistischen Bedingung zu vermeiden.

Wirkung auf einer massiven Wand

Die Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung in einem Gas im thermodynamischen Gleichgewicht resultiert aus Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungen im freien Medium. Die Wand-Partikel-Wechselwirkungen sind sehr unterschiedlicher Natur und die Geschwindigkeitsverteilung wird durch das Vorhandensein der Wand über eine Höhe von einigen mittleren freien Wegen l tiefgreifend verändert . Wir können eine makroskopische Skala für jede skalare Variable a durch . definieren

Wenn l vor a groß ist , befinden wir uns in einem molekularen Regime, das durch die Boltzmann-Gleichung beschrieben wird . Die Berechnung der Kraft auf die Wand erfolgt aus der der einzelnen Wechselwirkungen.

Im Fall l << l a beeinflusst die Wand die Geschwindigkeitsverteilung in einem dicken Bereich weniger mittlerer freier Pfade, der Knudsen-Schicht. Wir können zeigen, dass die Normalspannung an der Wand p xx der Druck p außerhalb der Knudsen-Schicht bis zu einem Korrekturfaktor von in ist . Dieser Term tendiert daher gegen 0, wenn die Dichte des Gases zunimmt. Für ein monoatomares Gas ist sie ohne Strömung und Wärmeübertragung strikt null. Ebenso gibt es Scherterme p yy und p zz (Oberflächenspannung) in .

Wenn der Einfluss auf den Druck immer vernachlässigbar ist, muss dieser auf die Geschwindigkeit und die Temperatur in bestimmten Situationen berücksichtigt werden, zum Beispiel bei der Strömung in porösem Medium, beschrieben durch die Darcy-Klinkenberg-Gleichung .

Flüssigkeitsoberfläche

Die Grenzflächenspannung zwischen einer Flüssigkeit und einem Gas oder zwischen zwei Flüssigkeiten hängt mit den Wechselwirkungsphänomenen zwischen Molekülen zusammen. Dieser Effekt ist analog zu dem oben beschriebenen in einem gasförmigen Medium nahe einer festen Wand. Allerdings sind molekulare Wechselwirkungen in einer Flüssigkeit viel komplexer als in einem Gas und es gibt keine Oberfläche als Diskontinuität wie in einem Festkörper. Die analytische Analyse des Phänomens ist viel schwieriger. Wir reduzieren uns auf das Experiment oder auf eine Berechnung der Moleküldynamik , also ein numerisches Experiment. Der qualitative Ansatz unter Verwendung des Drucktensors ermöglicht es jedoch, das Phänomen zu veranschaulichen.

Der Drucktensor ist wegen der Symmetrien des Problems diagonal. Das Gleichgewicht in x (Achse senkrecht zur Oberfläche) impliziert p xx (x) = C ste = p.

Die Querterme p yy und p zz sind durch Symmetrie gleich und variieren mit x. Wir bezeichnen ihren Wert mit p t (x). Diese Terme induzieren eine Einschränkung entsprechend der Abweichung von p

wobei die Integration über eine Domäne ausgeführt wird, die den Bereich der nanometrischen Dicke der belasteten Schicht umfasst. γ ist die Oberflächenspannung, die nur eine Eigenschaft der Flüssigkeit ist.

Im Allgemeinen basiert die Modellierung des Phänomens auf einem mechanischen oder thermodynamischen Ansatz, der nichts über die zugrunde liegenden Mechanismen aussagt.

Strahlung

Die Thermodynamik des Photonengases ( Bosonen , die der Statistik von Bose-Einstein gehorchen ) ermöglicht es, einen Strahlungsdruck zu definieren, der die gleichen Eigenschaften hat wie der Druck von Atomen und Molekülen. Es existiert in einem leeren Medium oder einem, das ein nicht undurchsichtiges Material enthält, und wird bei der Strahlungsübertragung verwendet . In Gasen mit sehr hoher Temperatur liegt er in der gleichen Größenordnung oder sogar höher als der Gasdruck.

Im Vergleich zu Gasen wird das Problem jedoch durch das Fehlen einer Photon-Photon-Wechselwirkung vereinfacht. Zur Berechnung des Phänomens ist es daher möglich, die einfallende Strahlung und die von der Wand emittierte Strahlung zu überlagern. Es gibt keine Knudsen-Schicht. Die resultierende Kraft auf die Wand kann jede beliebige Richtung haben. Beim Auftreffen eines parallelen Strahls auf eine absorbierende Fläche hat die resultierende Kraft die Richtung des Strahls.

Entartetes Gas aus Elektronen oder Neutronen

In dichten Sternen wie Weißen Zwergen oder Neutronensternen ist die Dichte so groß, dass sich Materie in einem entarteten Zustand befindet . Die mit der Bewegung der Teilchen verbundene Druckkomponente ist vernachlässigbar im Vergleich zu dem Quantenteil, der mit der Unmöglichkeit für die Elektronen oder Neutronen verbunden ist, sich über eine bestimmte Entfernung zu nähern, unter Androhung des Verstoßes gegen das Pauli-Ausschlussprinzip . Die Thermodynamik ermöglicht es, diesem Medium einen isotropen Druck, den sogenannten Degenerationsdruck, zuzuschreiben. Sie variiert als Potenz von 5/3 der Dichte und ist temperaturunabhängig. Die Domäne wird durch die Fermi-Temperatur begrenzt durch

wobei μ das chemische Potential ist .

Bei der elektronischen Degeneration liegt die Fermi-Temperatur der Körper in der Größenordnung von einigen zehntausend Kelvin.

In der Thermodynamik

In der Thermodynamik wird der Druck aus der inneren Energie definiert durch

wobei V das eingenommene Volumen, S die Entropie und N die Anzahl der Teilchen im Volumen V bezeichnet .

Im Allgemeinen ist der Druck streng positiv , weil es zu Versorgungsenergie (notwendig ist , Δ U > 0 ) das Volumen (verringern Δ V <0 ).

Diese Definition stimmt mit der des Drucks für ein Medium im thermodynamischen Gleichgewicht in der Kinetik von Gasen überein.

Wir nennen reduzierten Druck die dimensionslose Größe, die sich ergibt, indem man den Druck durch einen Referenzdruck, oft den kritischen Druck, dividiert  :

.

In der Strömungsmechanik

Es gibt viele Probleme, bei denen die Grenzschicht durch den Zustand der Wand verändert wird: Rauhigkeit im Millimeterbereich in der Aerodynamik , im Zentimeterbereich in der Hydraulik oder im metrischen Maßstab für Winde in der Atmosphäre. Um nicht jedes Detail der Oberfläche detaillieren zu müssen, definieren wir eine äquivalente ebene Oberfläche und übertragen die Rauheitseffekte auf eine Ad-hoc- Randbedingung . Wenn wir uns das Geschehen auf der elementaren Ebene ansehen, sehen wir, dass es im Aufwindbereich der Rauhigkeit einen Überdruck und im Vorwindbereich eine Depression gibt (siehe Abbildung). Die aus diesem Druck resultierende Kraft hat daher eine Komponente parallel zur Ersatzwand. Dies ist im Vergleich zum normalen Bauteil klein, aber nicht immer völlig vernachlässigbar. Sie ist im Allgemeinen in der Reibung enthalten und kann daher einen überwiegenden Teil des scheinbaren Wertes der letzteren ausmachen.

Das Problem der Strömungen an einer rauen Wand ist ein ungelöstes Problem in der Strömungsmechanik , mit Ausnahme der Stokesschen Strömung, bei der eine Homogenisierung möglich ist.

Dieses Beispiel macht deutlich, dass die übliche Zerlegung des Spannungstensors in einen Diagonalterm (den Druck) und einen Deviator (die Scherung) selbst bei einer Newtonschen Flüssigkeit nicht immer relevant ist.

Druckwelle

Jede Störung in einem festen oder flüssigen Medium erzeugt ein Ungleichgewicht, das sich in verschiedenen Formen ausbreitet. Da sich der Druck in Form einer Welle schnell ausbreitet, trägt dies die Information über diese Störung in die Umgebung.

Einfache Welle

Der Einfachheit halber interessieren wir uns zunächst für ein gleichförmiges Medium, in dem sich eine ebene Welle in x- Richtung ausbreitet . Die vermeintlich schwache Störung stört die Verteilung von Atomen oder Molekülen im mikroskopischen Maßstab nur geringfügig über eine Entfernung von einigen durchschnittlichen freien Pfaden . Zwei Fälle sind möglich:

  • In einer Flüssigkeit, die durch einen isotropen Drucktensor beschrieben wird, bedeutet die Symmetrie in Bezug auf jede Ebene senkrecht zu x , dass die Störung der Geschwindigkeiten der Teilchen diese Verteilung nicht ändert: Eine Transversalwelle kann nicht erzeugt werden. Die Druckwelle ist daher notwendigerweise longitudinal.
  • in einem Festkörper oder bestimmten nicht-newtonschen Flüssigkeiten, die Kopplungsterme zwischen den Richtungen umfassen, verursacht eine Längsverformung eine Querspannung und erzeugt daher eine Querwelle.

Beim Gas wissen wir, wie man die Ausbreitungsgeschwindigkeit berechnet, wenn die Störung gering genug ist, um die adiabatische Transformation anzunehmen . Dann können wir aus den Euler-Gleichungen eine Ausbreitungsgleichung schreiben , aus der sich die Schallgeschwindigkeit ergibt .

Diese Welle ist schwach gedämpft. Tatsächlich bezieht sich die dynamische Viskosität nur auf die Scherbedingungen, die hier fehlen. Andererseits spielt die Volumenviskosität , die den Phänomenen der Kompression und Expansion entspricht und mit dem mikroskopischen Austausch zwischen innerer Energie und kinetischer Energie verbunden ist, eine Rolle bei der Dämpfung der Welle. Der Wert dieser Größe ist gering, ihr Einfluss für die Berechnungen der Strömungsmechanik vernachlässigbar . Es beeinflusst jedoch die Schallausbreitung über große Entfernungen.

Wellen im Fluss

In einer Strömung sprechen wir von einer einfachen Welle, um eine Welle zu beschreiben, die lokale Druckschwankungen wie Expansions- oder isentropische Kompressionswellen verursacht . Ihre Analyse bildet die Grundlage für das Verständnis der Lösungen der Eulerschen Gleichungen durch die Analyse von Merkmalen .

Druckmessung

Einheiten

Die im Internationalen System definierte Standardeinheit ist das Pascal (Symbol Pa). Ein Druck von einem Pascal entspricht einer Kraft von einem Newton, die auf eine Fläche von einem Quadratmeter ausgeübt wird  : 1  Pa = 1  N / m 2 = 1  kg m −1  s −2 .

Es werden noch verschiedene Einheiten verwendet, oft historischen Ursprungs, wie das Barya (ba) des CGS-Systems , der Millimeter Quecksilber (mmHg) oder Torr (Torr), die Atmosphäre (atm) und der Bar (bar). Alle diese Einheiten werden noch immer in verschiedenen Bereichen verwendet. In der angelsächsischen Welt gibt es noch spezifische Einheiten wie die Pound-force per Square Inch (psi, Pound per Square Inch ).

Größenordnungen

Der Druck kann negativ sein. Der Fall tritt insbesondere bei Flüssigkeiten auf, deren Zusammenhalt durch intermolekulare Kräfte ( van-der-Waals-Kräfte ) außerhalb ihrer üblichen Stabilitätsbedingungen aufrechterhalten wird . Eine in eine Zentrifuge eingebrachte Flüssigkeit erfährt eine Kraft, die als Unterdruck interpretiert werden kann . Unterdrücke werden auch in Wasser beobachtet, das in einem konstanten Volumen gekühlt wird, das bei einer Temperatur von -15  ° C flüssig bleiben kann und einen Druck von -1.200  bar ( -1,2  × 10 8  Pa ) erzeugt. Bei Bäumen kann der Luftdruck nur durch Kapillarwirkung das Wasser bis auf maximal 10  m ansteigen lassen , bei über 90 m hohen Baumkronen wie dem Riesenmammutbaum hingegen findet sich flüssiges Wasser  , dessen Kreislauf der Saft ist jedoch ohne eine Pumpe, die dem Herzen des Blutkreislaufs entspricht. Dies wird durch negative Drücke erklärt, die durch die Verdunstung von Wasser in den Blättern erzeugt werden, in der Größenordnung von -4,8  atm ( -4,9  × 10 5  Pa ) bei Bäumen von 60  m

Der theoretische Druck des absoluten Vakuums ist null. Der Druck des interstellaren Vakuums beträgt etwa 1  fPa oder 10 -15  Pa .

Der theoretische Maximaldruck ist der Planck-Druck (≈ 4,63  × 10 113  Pa ). Die höchsten aus Beobachtungen abgeleiteten Drücke befinden sich im Herzen der Sterne, der Druck in der Sonne beträgt beispielsweise etwa 35  PPa , oder 3,5  × 10 16  Pa .

Im Labor wird das höchste statische Drücke in erhalten Diamantstempelzellen  : bis zu 0,425  TPa ( 4,25  Mbar oder 4,25 Millionen mal Atmosphärendruck ). Im Jahr 2020 wurden erstmals Drücke von mehr als 10  TPa (bis zu 45  TPa oder 450  Mbar ) erreicht, jedoch nur für wenige Nanosekunden , indem kugelförmige Stoßwellen auf eine Probe mit einem Radius von einem Millimeter konvergiert wurden .

Messgeräte

Statischer Druck kann experimentell über mehr als zwei Größenordnungen variiert werden: für 10 -10  Pa für leer geschoben bis zu 5 x 10 11  Pa für höhere Drücke hergestellte Ambosse Diamantzelle , verwendet zum Beispiel zur Bestimmung der Zustandsgleichung von Metallen oder Gesteinen im Zentrum der Planeten. Je nach Zieldruckbereich nutzen die Messgeräte ganz unterschiedliche physikalische Prinzipien. Messmethoden lassen sich in direkte und indirekte Methoden einteilen. Erstere basieren auf der direkten Messung einer Kraft, die beispielsweise auf eine Membran ausgeübt wird, und kommen der ersten Definition von Druck nahe. Die indirekten Methoden basieren auf der Messung einer anderen physikalischen Größe (Widerstand, Temperatur usw.), die durch eine Kalibrierung mit dem Druck verknüpft werden kann .

Diese Drucksonden können je nach Einsatz und damit Wirkungsweise sehr unterschiedliche Bezeichnungen haben. Als traditionelle Geräte können wir anführen:

Einige Technologien wurden speziell für einen Bereich entwickelt, zum Beispiel druckempfindliche Lacke (PSP) für Windkanalversuche .

Die Druckmessung kann absolut (physikalischer Wert) oder relativ zu einem Referenzwert, in der Regel Normaldruck (1 bar), erfolgen. Im letzteren Fall spricht man immer von Druck, während es sich um eine Druckdifferenz handelt, die also negativ sein kann.

Es gibt auch eine Einrichtung zum Erhalten von sehr hohen dynamischen Belastungen ( hohe Leistungslaser , hohe gepulste Kräfte ). Die hohen Temperaturen, die diese Experimente begleiten, führen zum Einsatz optischer Diagnostik.

Einige Anwendungen

Allgemeine Anwendungen

Da der Begriff des Drucks von sehr allgemeiner Bedeutung ist, beschränken wir uns auf einige Beispiele, die zum Zweck der Popularisierung verwendet werden können . Es ist ziemlich einfach, Websites zu finden, die die Grundlagen zu jedem dieser Aspekte veranschaulichen.

Auf eine Oberfläche ausgeübte Kraft

Eine sehr verbreitete Anwendung besteht darin, die Angriffsfläche zu variieren, um die ausgeübte Kraft lokal zu erhöhen. Dies kann durch einen festen Gegenstand, beispielsweise einen spitzen Gegenstand wie einen Nagel oder eine Ahle, erreicht werden . Es ist auch möglich, eine Flüssigkeit wie bei der hydraulischen Presse zu verwenden . Der gegenteilige Effekt der Reduzierung wird durch die Verwendung einer signifikanten Oberflächenunterstützung veranschaulicht, um eine Kraft auf einen verformbaren Boden auszuüben.

Der Begriff der Kraftintensität durch atmosphärischen Druck wird durch die historische Erfahrung der Magdeburger Halbkugeln illustriert .

Die Verbindung mit der Schwerkraft macht es möglich, ein Phänomen wie den archimedischen Schub wie beim Thermometer von Galileo oder die Funktionsweise des Barometers wie das von Huygens zu erklären .

Das Konzept des Strahlungsdrucks erklärt die Funktionsweise eines Sonnensegels oder eines Radiometers .

Grundlagen der Strömungsmechanik

Ein den Druck in der Strömungsmechanik charakterisierendes Element ist seine Entstehung von Strömungen. Eine einfache Rechnung macht es möglich, es zu zeigen: Nehmen wir ein Element vom inkompressiblen Flüssigkeitsvolumen dV = dS dl, der Dicke dl, genannt „Fluidteilchen“. Bei einer Druckdifferenz dp wirkt eine Kraft:

Wir drücken dies allgemeiner aus, indem wir sagen, dass die pro Volumeneinheit ausgeübte Kraft proportional zum Druckgradienten ist:

Durch Anwendung der grundlegenden Dynamikgleichung findet man die Impulserhaltungsgleichung für eine nicht viskose Flüssigkeit, geschrieben im Lagrangeschen Koordinatensystem.

Messung einer anderen Größenordnung

Während Druck durch ein davon abhängiges Phänomen gemessen werden kann, werden einige Größen durch ihre Abhängigkeit vom Druck gemessen.

Tiefe, Höhe, Niveau

Die Höhe (im mathematischen Sinne) auf der Erde kann durch ihre Beziehung zum Druck durch das Gesetz des hydrostatischen Gleichgewichts gemessen werden  :

wo ist die Dichte und die angenommene konstante Erdbeschleunigung im betrachteten Höhenintervall. Wir berechnen das Profil, aus dem wir ableiten .

Verschiedene Anwendungen veranschaulichen diesen Zusammenhang:

  • im Wasser ( Tauchen ) ist konstant:
mit Unter Berücksichtigung der starken Variation von mit muss der Wert von nicht genau bekannt sein: Wir nehmen = 1  bar. wo ist die universelle Konstante idealer Gase . Die Temperatur variiert auch mit der Höhe: Dieses Integral wird aufgelöst, indem es sich selbst ein Standardtemperaturprofil mit der Höhe gibt ( standardisierte Atmosphäre ). Die Genauigkeit wird verbessert, wenn die Berechnung mit Daten einer von einer Bodenstation versorgten Station nachjustiert wird . Unter Annahme einer isothermen Atmosphäre  :
  • Füllstandsmessung:
Eine gängige industrielle Anwendung ist die Füllstandsmessung in einem Reservoir, das eine flüssige Phase und einen gasförmigen Himmel enthält. Zwei Drucksensoren sind angebracht, einer oben im Tank, der andere am Fuß des Tanks. Die Druckdifferenz zwischen den beiden Messungen hängt nach dem Pascalschen Prinzip mit der Höhe der Flüssigkeit zusammen  :mit:
  • die zwischen den beiden Sensoren gemessene Druckdifferenz (positiv: Fußdruck - Himmelsdruck);
  • und die jeweiligen Dichten der Flüssigkeit und des Gases;
  • die Flüssigkeitshöhe zwischen dem Fußsensor und der Flüssig-Gas-Grenzfläche;
  • die Höhe des Gases zwischen der Flüssig-Gas-Grenzfläche und dem Himmelssensor.
Da der Höhenunterschied zwischen den beiden Sensoren bekannt ist , haben wir mit :Wenn wir den Beitrag von Gas zur Druckdifferenz vernachlässigen können: Temperatur

Die thermodynamische absolute Temperaturskala basiert auf der Zustandsgleichung des idealen Gases und der Messung von Druck oder Volumen. Das Wasserstoffthermometer ist ein sekundäres Messnormal.

Geschwindigkeit und Fluss

Die Strömungsrate eines Fluids in einem unter Verwendung eines Systems , das Ergebnisse geschätzt werden kalibrierte Druckabfall Lochplatte oder Membrane). Die Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang des Differenzdrucksystems ist an die Geschwindigkeit des Mediums gekoppelt durch:

mit:

  • der Druckabfall über den Durchflusssensor;
  • der Druckabfallkoeffizient des Durchflusssensors;
  • die Dichte des durch den Durchflusssensor strömenden Fluids unter der Annahme, dass das Fluid inkompressibel ist;
  • die Geschwindigkeit der Flüssigkeit, die in den Durchflusssensor eindringt.

Wir berechnen die Geschwindigkeit wie folgt:

In einem Staurohr , das insbesondere die Geschwindigkeitsmessung von Flugzeugen ermöglicht, misst einer der Sensoren den Gesamtdruck (Summe aus statischem Druck und dynamischem Druck ) im Fluidstrom und der andere nur den statischen Druck. Der Druckverlustkoeffizient .

Mit der Fläche der Eintrittsstrecke des Sensors beträgt der Massenstrom :

Hinweise und Referenzen

Anmerkungen

  1. Die Verwirrung ergibt sich aus der Tatsache, dass im Gleichgewicht die Intensität der Presskraft pro Flächeneinheit gleich dem Druck der Flüssigkeit ist, die mit der Wand in Kontakt steht. Unter Umständen ist die Gleichheit nicht gewährleistet, beispielsweise bei einer ein extrem verdünntes Gas enthaltenden Vorrichtung , der Druck kann nicht mehr definiert werden, wenn die mittlere freie Weglänge vergleichbar oder größer wird als die Abmessungen der Vorrichtung.
  2. Eine solche Mauer wäre der heilige Gral der Aerodynamiker, weil sie keine Grenzschicht induzieren würde .
  3. In der Strömungsmechanik wird jedoch meistens die Eulersche Beschreibung übernommen und das an jedem Punkt des Fluids definierte Geschwindigkeitsfeld eingeführt, anstatt den einzelnen „Fluidpartikeln“ zu „folgen“. Wir müssen dann die "gesamte" Ableitung betrachten, die geschrieben wird , die die Euler-Gleichung ergibt .

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Siehe auch

Literaturverzeichnis

  • Druck: Ein Werkzeug für die Wissenschaft , Paris, CNRS-Ausgaben , Coll.  "Ingenieurwissenschaften und -techniken",2003, 305  S. ( ISBN  2-271-06106-7 )

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