Grundlagen der Fluidmechanik: Eigenschaften, Druck und Prinzipien

Fluid: Definition und Typen

Der Begriff Fluid beschreibt nicht nur einen Aggregatzustand, sondern insbesondere das Verhalten bestimmter Partikel des betreffenden Stoffes. Für industrielle Anwendungen werden Fluide in zwei Haupttypen unterteilt:

Inkompressible Fluide

Dies sind Fluide, die unter der Einwirkung einer äußeren Kraft keine Volumenänderungen erfahren und Energie effizient übertragen (z. B. Flüssigkeiten).

Kompressible Fluide

Dies sind Fluide, die Volumenänderungen erfahren und stets exzellente Energiespeicher sind (z. B. Gase und Dämpfe).

Eigenschaften von Fluiden

Fluide besitzen zwei Haupttypen von Eigenschaften:

• Qualitative Eigenschaften: Beschreiben die Beschaffenheit ohne numerische Werte.
• Quantitative Eigenschaften: Sind messbar und werden mit einer Einheit ausgedrückt.

Dichte (ρ)

Die Dichte gibt an, wie viel Masse (m) in einem bestimmten Volumen (V) verteilt ist. Sie wird berechnet als:

ρ = m / V

Die Standardeinheit ist Kilogramm pro Kubikmeter (kg/m³).

Relative Dichte

Die relative Dichte ist ein dimensionsloses Verhältnis, das die Dichte eines Stoffes mit der Dichte eines Referenzstoffs vergleicht:

• Für inkompressible Fluide (Flüssigkeiten) ist der Referenzstoff destilliertes Wasser bei 4 °C.
• Für kompressible Fluide (Gase und Dämpfe) ist der Referenzstoff Luft unter Normalbedingungen.

Spezifisches Gewicht (γ)

Das spezifische Gewicht ist das Gewicht einer Substanz pro Volumeneinheit. Es beschreibt, wie das Gewicht einer Substanz oder Flüssigkeit in ihrem Volumen verteilt ist. Es wird berechnet als:

γ = W / V = (ρ * g)

Die Einheit ist Newton pro Kubikmeter (N/m³).

Oberflächenspannung (σ)

Die Oberflächenspannung wird als eine dünne, elastische Membran auf der Oberfläche einer Flüssigkeit beschrieben. Sie entsteht durch molekulare Wechselwirkungen, insbesondere durch Kohäsions- und Adhäsionskräfte.

Druck (p)

Druck ist die Kraft (F), die senkrecht auf eine bestimmte Fläche (A) in einer Flüssigkeit ausgeübt wird.

p = F / A

Die Einheit ist Newton pro Quadratmeter (N/m²) oder Pascal (Pa).

Druckarten

Man unterscheidet zwischen:

• Absolutdruck (p_absolut): Der Gesamtdruck, gemessen relativ zum Vakuum.
• Relativdruck (p_relativ): Der Druck, gemessen relativ zum Umgebungsdruck.
• Atmosphärischer Druck (p_atm): Der Druck der Erdatmosphäre.

Die Beziehung zwischen ihnen ist:

pabsolut = prelativ + patm

Hydrostatischer Druck

Der hydrostatische Druck beschreibt den Druck, der in einer ruhenden Flüssigkeit aufgrund der Schwerkraft und der Flüssigkeitssäule über einem bestimmten Punkt entsteht. Er wird hauptsächlich für inkompressible Fluide betrachtet.

Die Höhe (h) der Flüssigkeitssäule über dem Messpunkt ist die entscheidende Variable.

Die Formel lautet:

phydro = ρ * g * h

Wobei:

• phydro = Hydrostatischer Druck
• ρ = Dichte der Flüssigkeit
• g = Erdbeschleunigung
• h = Höhe der Flüssigkeitssäule über dem Messpunkt

Hydrostatische Kräfte

Hydrostatische Kräfte sind die Kräfte, die eine ruhende Flüssigkeit auf eine bestimmte Oberfläche ausübt. Bei der Analyse dieser Kräfte können verschiedene Oberflächenformen berücksichtigt werden:

• Ebene Flächen: Horizontal, vertikal oder geneigt.
• Gekrümmte Flächen.

Pascalsches Prinzip

Das Pascalsche Prinzip besagt, dass ein in einer eingeschlossenen, ruhenden Flüssigkeit erzeugter Druck sich unvermindert und mit gleicher Größe in alle Richtungen und an alle Punkte der Flüssigkeit ausbreitet.

Dies ermöglicht einen Multiplikatoreffekt bei Kräften, insbesondere in hydraulischen Systemen. Wenn eine kleine Kraft auf eine kleine Fläche wirkt, kann sie eine proportional größere Kraft auf eine größere Fläche erzeugen.

Die Beziehung zwischen Kräften und Flächen ist:

F1 / A1 = F2 / A2

Wenn man Durchmesser (d) anstelle von Flächen (A) betrachtet, ist die Beziehung quadratisch (da A proportional zu d² ist):

F1 / d1² = F2 / d2²

Das bedeutet: Wird der Durchmesser verdoppelt, vervierfacht sich die resultierende Kraft (2² = 4).