Luftdruck

Die Entdeckung des Luftdrucks war eng mit der Suche nach dem luftleeren Raum, dem Vakuum, verbunden.
Seit der Antike herrschte die Auffassung, dass es einen luftleeren Raum nicht geben könne. Wie sollte auch etwas im "Nichts" existieren. ARISTOTELES (um 384 - 322 v. Chr.) vertrat die Auffassung, dass die Natur eine "Abscheu vor dem Leeren" (horror vacui) hätte. Dieser Lehrsatz galt bis ins Mittelalter.

Erste Untersuchungen zum Luftdruck
Um 1630 wurde der berühmte italienische Naturforscher GALILEO GALILEI (1564-1642) von Brunnenbauern auf das Problem aufmerksam gemacht, dass sie mit ihren Pumpen Wasser nur bis aus einer Tiefe von ca. 10 m heben konnten. Er beauftragte seinen Schüler EVANGELISTA TORRICELLI (1608-1647), dieses Problem zu untersuchen.

TORRICELLI (Bild 1) experimentierte anstelle von Wasser mit langen Röhren, in die Quecksilber gefüllt war. Quecksilber hat eine wesentliche größere Dichte als Wasser. Bei diesen Experimenten entdeckte er, dass die Quecksilbersäule in einem quecksilbergefüllten Rohr, das man umdrehte und mit der Öffnung nach unten in Quecksilber brachte, so weit sank, bis sie nur noch eine Länge von ca. 760 mm hatte.

Weitere Untersuchungen zum Luftdruck
Von der Entdeckung TORRICELLIs erfuhr auch der französische Forscher BLAISE PASCAL (1623-1662). Er stellte mit den Versuchsaufbauten von TORRICELLI als Erster Luftdruckschwankungen fest und erfand das erste Barometer. PASCAL war der Auffassung, dass der Luftdruck aufgrund der Schwere der Luft entsteht. Er zog daraus den Schluss, dass dann der Luftdruck mit zunehmender Höhe, also z. B. beim Besteigen eines Berges, abnehmen muss. Da er selbst zu jener Zeit keine Gelegenheit hatte, das Experiment durchzuführen, schrieb er am 15. November 1647 an seinen Schwager PERIER in seiner Heimatstadt Clermont. Er bat ihn, zu prüfen, ob ein Barometer auf dem in der Nähe gelegenen etwa 900 m hohen Puy-de-Domê einen niedrigeren Wert anzeigt als in Clermont. PERIER war dazu bereit und führte den Versuch am 19. September 1648 mit viel Umsicht durch. Das Ergebnis bestätigte die Vermutung, womit die Auffassung vom "horror vacui" endgültig widerlegt war.

Bild 2 zeigt die Versuchsanordnung von TORRICELLI. Der Schweredruck dieser 760 mm langen Quecksilbersäule musste sich mit dem Luftdruck ausgleichen. Über der Säule befand sich offenbar ein Vakuum. Der Druck von 760 mm Quecksilbersäule entspricht dem normalen Luftdruck (Normdruck). Zu Ehren von TORRICELLI wurde später die entsprechende Einheit für den Luftdruck 1 Torr genannt:

Eine analoge Untersuchung mit Wasser ergibt: Die Wassersäule, die den normalen Luftdruck ausübt und damit dem Luftdruck entspricht, hat eine Länge 10,33 m. Das ist auch der Grund dafür, dass man mit einer Saugpumpe nur Wasser aus einer Tiefe bis ca. 10 m fördern kann.
Das folgende Zitat aus einem Brief an seinen Freund beschreibt eindeutig einen Erklärungsversuch TORRICELLIs für seine Ergebnisse:

Es kann wohl angenommen werden, die Kraft, die das Quecksilber daran hindert, seiner Natur entsprechend herabzufallen, wirke im Inneren des Gefäßes, entweder seitens des Vakuums oder aber seitens irgend eines sehr verdünnten Stoffes. Ich aber bin überzeugt davon, daß die Wirkung von außen herrührt. Es lastet nämlich eine Luftsäule von fünfzig Meilen Höhe auf der äußeren Fläche des Quecksilbers. So ist es durchaus nicht verwunderlich, daß das Quecksilber in die Glasröhre eindringt und so hoch steigt, bis es mit dem Gewicht der äußeren, Druck ausübenden Luft ins Gleichgewicht kommt.
(Aus: E. TORRICELLI: Brief an RICCI vom 11. Juni 1644)

In Magdeburg experimentierte OTTO VON GUERICKE (1602-1686) unabhängig von TORRICELLI und PASCAL mit Pumpen und erfand die Luftpumpe. Weltberühmt wurde er durch die "Magdeburger Halbkugeln".
OTTO VON GUERICKE (Bild 3) studierte in Leipzig, Helmstedt und Jena zunächst Jura und anschließend im holländischen Leiden Mathematik, Mechanik und Bauwesen. In seiner Heimatstadt Magdeburg, in die er 1626 zurückkehrte, wurde er Ratsherr und später Bürgermeister.

Daneben beschäftigte sich GUERICKE mit der Frage, ob es einen leeren Raum, ein Vakuum, gibt. Dazu führte er zahlreiche experimentelle Untersuchungen durch. Eine seiner Ideen war folgende: Wenn man ein Fass vollständig mit Wasser füllt und dieses Wasser anschließend herauspumpt, dann müsste anschließend das Fass leer sein. Es müsste sich in ihm ein Vakuum befinden.
Die experimentelle Realisierung dieser Idee stieß aber auf große Schwierigkeiten: Sobald ein Teil des Wassers aus dem Fass herausgepumpt war, strömte Luft durch alle Ritzen pfeifend in das Fass hinein. Bei Verwendung einer dünnwandigen Kugel wurde diese durch den Luftdruck völlig zusammengedrückt. Erst eine wesentlich stabilere Konstruktion aus zwei Halbkugeln hielt dem enormen Druck stand.

1654 führte GUERICKE vor dem Regensburger Reichstag sein berühmtes Experiment mit den zwei Halbkugeln vor (Bild 4). Aus den zwei zu einer Kugel zusammengesetzten Halbkugeln wurde die Luft herausgepumpt. 16 Pferde waren nicht imstande, den Druck der Luft zu überwinden, der die Halbkugeln zusammenhielt. Zu Ehren von GUERICKES Heimatstadt werden solche Halbkugeln heute als "Magdeburger Halbkugeln" bezeichnet.

Weitere Untersuchungen zur Physik der Gase verdanken wir dem irischen Physiker und Chemiker ROBERT BOYLE (1627-1691). Ein Hauptgegenstand seiner physikalischen Untersuchungen waren Experimente mit der von ihm wesentlich verbesserten Luftpumpe. Seine bedeutsamste Entdeckung war dabei das nach ihm und dem Franzosen MARIOTTE benannte Gesetz über den Zusammenhang zwischen Volumen und Druck der Luft.

Zustandekommen des Luftdrucks
Verdeutlichen kann man sich das Zustandekommen des Luftdrucks anhand einer Skizze (Bild 2): Befindet man sich z. B. am Erdboden, so wirkt an dieser Stelle auf eine Fläche A die Gewichtskraft der darüber liegenden Luftsäule. Die Kraft je Fläche ist gleich dem Druck, den die Luftsäule ausübt. Der Luftdruck ist somit ein Schweredruck, ähnlich wie der Schweredruck in Flüssigkeiten.
Befindet man sich dagegen in einer größeren Höhe, so hat die darüber liegende Luftsäule eine geringere Höhe. Der Druck der Luft ist geringer. Es besteht aber kein proportionaler Zusammenhang zwischen der Höhe über dem Erdboden und dem Luftdruck.

Der Normdruck
Der normale Luftdruck in Meereshöhe bei 0 °C wird als Normdruck bezeichnet. Er beträgt 101,325 kPa. Der Luftdruck wie auch der Normdruck werden mitunter in anderen Einheiten angegeben. Üblich sind für den Luftdruck auch die Einheiten ein Millibar (1 mbar), ein Hektopascal (1 hPa) oder ein Torr (1 Torr). Es gilt:

101,325 kPa = 1.013,25 mbar
101,325 kPa = 1.013,25 hPa
101,325 kPa = 760 Torr = 10,33 m Wassersäule

Der Luftdruck schwankt um diesen Normdruck und hat bei uns in der Regel Werte zwischen 970 hPa bei einem Tiefdruckgebiet und bis zu
1.030 hPa bei einem Hochdruckgebiet.

Messen des Luftdruckes
Gerätes zur Messung des Luftdruckes werden als Barometer bezeichnet. Es sind Druckmesser, die speziell für die Messung des Luftdruckes konstruiert sind und einen Messbereich um den Normdruck herum haben. Genauere Informationen dazu sind unter dem Stichwort "Barometer" zu finden.

Abhängigkeit des Luftdruckes von der Höhe
Der Luftdruck hängt von der Höhe über dem Erdboden ab. Es gilt:

Mit zunehmender Höhe nimmt der Luftdruck ab.

Genauer zeigt ein Luftdruck-Höhe-Diagramm den Zusammenhang (Bild 6): Der Luftdruck nimmt mit steigender Höhe erst stark, dann immer weniger ab. Zwischen Höhe und Luftdruck besteht aber keine Proportionalität. Es gilt die sogenannte barometrische Höhenformel:

So beträgt beispielsweise der Luftdruck auf dem höchsten Berg Deutschlands, der Zugspitze (Höhe: 2 962 m), noch etwa 700 hPa . Auf dem höchsten Berg der Erde, dem Mount Everest (8 848 m) beträgt er nur noch ca. 340 hPa und in Flughöhe moderne Passagierflugzeuge (10 000 m) noch 290 hPa .
Die Abhängigkeit des Luftdruckes von der Höhe wird bei Höhenmessern genutzt. Da der Druck von der Höhe abhängig ist, gilt: Für jede Höhe hat der normale Luftdruck einen bestimmten Wert. Misst man den Luftdruck, so kann man daraus auf die Höhe schließen.

Bedeutung des Luftdrucks für den Menschen
Für den Menschen ist der Luftdruck von erheblicher Bedeutung, da er an den normalen Luftdruck angepasst ist. Wesentlich kleinerer oder wesentlich größerer Druck ist für einen Menschen tödlich. So ist z. B. ein Überleben in einer Höhe von 10 km (Reiseflughöhe von Flugzeugen) nur möglich, wenn sich die Personen in einer Druckkabine befinden, in der meist ein etwas geringerer Druck als der normale Luftdruck herrscht. Selbst kleinere, schnelle Luftdruckänderungen machen sich teilweise unangenehm bemerkbar. So verspürt man z. B. beim Sinkflug eines Flugzeuges nicht selten einen Druck auf den Ohren, den man durch Schlucken ausgleichen sollte. Er kommt zustande, weil sich mit Verringerung der Flughöhe der Luftdruck vergrößert und ein Druckunterschied zwischen außen und dem Innenohr zustande kommt. Ähnliche Effekte kann man beim Bergabfahren mit dem Auto oder beim Fahren mit einem Fahrstuhl feststellen. Selbst die geringen Druckschwankungen, die aufgrund der unterschiedlichen Wetterlagen (Hochdruckgebiet, Tiefdruckgebiet) auftreten, beeinflussen teilweise unser Wohlbefinden. Eine erhebliche Anzahl von Personen spürt auch die relativ langsamen Luftdruckänderungen, die im Zusammenhang mit dem Wetter vor sich gehen. Man spricht dann von Wetterfühligkeit.
Der Zusammenhang zwischen Luftdruck und Wetter ist in einem gesonderten Beitrag auf der CD dargestellt.

Anwendungen des Luftdrucks
Der Luftdruck wird in Alltag und Technik in vielfältiger Weise genutzt. Nachfolgend sind einige Beispiele dargestellt.
Konservengläser müssen fest und luftdicht verschlossen sein, damit der Inhalt nicht schlecht wird. Um das zu erreichen, wird der Inhalt des Glases z. B. erwärmt und dann der Deckel aufgepresst. Nach dem Abkühlen sitzt der Deckel fest. Das kommt dadurch zustande, weil der Druck im Glas kleiner ist als der Luftdruck. Dadurch presst der Luftdruck den Deckel regelrecht auf das Glas. Wenn man ein solches Glas öffnen will, sollte man erst einen Druckausgleich zwischen außen und innen gewährleisten, z. B. dadurch, dass man ein Loch in der Deckel macht. Dann lässt sich das Glas sehr leicht öffnen.
Mithilfe von Pipetten (Bild 7) kann man kleine Flüssigkeitsmengen entnehmen. Dabei kann man feststellen: Auch wenn man die Pipette mit der Öffnung senkrecht nach unten hält, fließt keine Flüssigkeit aus. Das kommt zustande, weil auf die Öffnung der Luftdruck wirkt und ein Ausströmen der Flüssigkeit verhindert wird.
Saugfüße nutzt man z. B. bei Haken für Handtücher. Presst man einen Saugfuß gegen eine glatte Fläche, so strömt die im Saugfuß befindliche Luft zum größten Teil aus. Der Saugfuß bleibt haften. Das kommt zustande, weil im Inneren des Saugfußes ein kleinerer Druck als der Luftdruck herrscht. Somit wird der Saugfuß durch den Luftdruck von außen fest gegen die Wand gepresst. Gelangt allerdings Luft in den Saugfuß und erfolgt damit ein Druckausgleich, dann fällt der Saugfuß ab.
Auch beim Trinken mit einem Trinkröhrchen oder bei Saugpumpen wird der Luftdruck genutzt. Die Förderhöhe einer Saugpumpe ist durch den Luftdruck begrenzt. Sie liegt theoretisch bei ca. 10,3 m.