Pfeiffer Vacuum

1.2.1 Druck – Definition

Der Druck ist definiert als der Betrag einer senkrecht und gleichmäßig auf eine Flächeneinheit wirkenden Kraft.

\[p = \frac FA\]

$p$ Druck [Pa]
$F$ Kraft [N]; 1 N = 1 kg m s-2
$A$ Fläche [m2]

Formel 1-3: Druckdefinition

In einem geschlossenen Behälter führen die Gasteilchen thermische Bewegungen aus. Bei der Wechselwirkung mit der Wand kommt es zu einer Vielzahl von Stößen auf atomarer und molekularer Ebene. Jeder einzelne Stoß übt durch Impulsübertragung eine Kraft auf die Wand des Behälters aus. Die Vielzahl der Stöße führt dazu, dass bei einem eingeschlossenen Gas ohne äußere Einflüsse an jeder Stelle immer der gleiche Druck unabhängig von Ort und Richtung der Messung herrscht.

Totaldruck

Abbildung 1.2: Definition des Totaldrucks

In der Praxis hat man es nur in Ausnahmefällen mit einem einheitlichen Gas zu tun. Wesentlich häufiger sind Gemische aus verschiedenen Gasarten. Jede einzelne Gaskomponente übt einen spezifischen Druck aus, den man unabhängig vom Druck der anderen Komponenten messen könnte. Dieser Komponentendruck wird als Partialdruck bezeichnet. Bei idealen Gasen addieren sich die Partialdrücke der einzelnen Komponenten zum Totaldruck, ohne sich gegenseitig zu stören. Die Summe aller Partialdrücke ist gleich dem Totaldruck.

Partialdrucks

Abbildung 1.3: Definition des Partialdrucks

Ein Beispiel für ein Gasgemisch ist unsere Umgebungsluft. Ihre Partialdruckzusammensetzung ist in Tabelle 1.1 [3] gezeigt.

Gasart Chem. Formel Volumen-% Partialdruck [hPa]
Stickstoff N2 78,09 780,9
Sauerstoff O2 20,95 209,5
Wasserdampf H2O < 2,3 < 23,3
Argon Ar 9,3·10 -1 9,3
Kohlendioxid CO2 3,0·10-2 3,0·10-1
Neon Ne 1,8·10 -3 1,8·10-2
Wasserstoff H2 < 1·10-3 < 1·10-2
Helium He 5,0·10 -4 5,0·10-3
Methan CH4 2,0·10-4 2,0·10-3
Krypton Kr 1,1·10 -4 1,1·10-3
Kohlenmonoxid CO < 1,6·10-5 < 1,6·10-4
Xenon Xe 9,0·10 -6 9,0 . 10-5
Distickstoffoxid N2O 5,0·10 -6 5,0·10-5
Ammoniak NH3 2,6·10-6 2,6·10-5
Ozon O3 2,0·10-6 2,0·10-5
Wasserstoffperoxid H2O 2 4,0·10-8 4,0·10-7
Iod I2 3,5·10-9 3,5·10-8
Radon Rn 7,0·10 -18 7,0·10-17

Tabelle 1.1: Zusammensetzung der atmosphärischen Luft. Die angegebenen Partialdrücke sind auf 1.000 hPa bezogen.
Hinweise: Der angegebene Wert für Wasserdampf ist der Sättigungszustand bei 293 K (20 °C). Die Werte für Kohlendioxid und Kohlenmonoxid schwanken in Abhängigkeit von Ort und Zeit. Die Angabe für Kohlenmonoxid ist der Spitzenwert einer Großstadt. Andere Quellen sprechen von einer natürlichen Wasserstoffkonzentration von 5·10-5 % und einem Partialdruck von 5 · 10-4 hPa.

Im Weltraum können je nach Nähe zu Galaxien Drücke unterhalb von 10-18 hPa herrschen. Auf der Erde wurde über technische erzeugte Drücke von weniger als 10-16 hPa berichtet. Der Bereich von Atmosphärendruck bis 10-16 hPa überstreicht 19 Zehnerpotenzen. Spezifisch auf den jeweiligen Druckbereich angepasste Arten der Vakuumerzeugung und -messung führen zu der in Tabelle 1.2 gezeigten Unterteilung der einzelnen Druckbereiche.

Druckbereich Druck in hPa Druck in Pa Teilchen pro cm3 Mittlere freie Weglänge in m
Atmosphärendruck 1.013,25 101.325 2,7·1019 6,8·10-8
Grobvakuum (GV) 300…1 30.000…100 1019…1016 10-8…10-4
Feinvakuum (FV) 1…10-3 100…10-1 1016 …1013 10-4…10-1
Hochvakuum (HV) 10-3…10-7 10-1…10-5 1013…109 10-1…103
Ultrahochvakuum (UHV) 10-7…10-12 10-5…10-10 109…104 103…108
Extrem hohes Vakuum (XHV) <10-12 <10-10 <104 >108

Tabelle 1.2: Druckbereiche in der Vakuumtechnik

Die Maßeinheit des Drucks ist das Pascal. Die Einheit wurde nach dem französischen Mathematiker, Physiker, Literaten und Philosophen Blaise Pascal (1623 – 1662) benannt. Die SI-Einheit Pascal setzt sich nach Formel 1-3 zusammen aus Pa = N m-2. In der Praxis sind auch die Einheiten mbar, Torr und die in der Tabelle 1.3 aufgeführten Einheiten gebräuchlich.

Pa bar hPa µbar Torr micron atm at mm WS psi psf
Pa 1 1·10-5 1·10-2 10 7,5·10-3 7,5 9,87·10-6 1,02·10-5 0,102 1,45·10-4 2,09·10-2
bar 1·105 1 1·103 1·106 750 7,5·105 0,987 1,02 1,02·104 14,5 2,09·103
hPa 100 1·10-3 1 1.000 0,75 750 9,87·10-4 1,02·10-3 10,2 1,45·10-2 2,09
µbar 0,1 1·10-6 1·10-3 1 7,5·10-4 0,75 9,87·10-7 1,02·10-6 1,02·10-2 1,45·10-5 2,09·10-3
Torr 1,33·102 1,33·10-3 1,33 1.330 1 1.000 1,32·10-3 1,36·10-3 13,6 1,93·10-2 2,78
micron 0,133 1,33·10-6 1,33·10-3 1,33 1·10-3 1 1,32·10-6 1,36·10-6 1,36·10-2 1,93·10-5 2,78·10-3
atm 1,01·105 1,013 1.013 1,01·106 760 7,6·105 1 1,03 1,03·104 14,7 2,12·103
at 9,81·104 0,981 981 9,81·105 735,6 7,36·105 0,968 1 1·10-4 14,2 2,04·103
mm WS 9,81 9,81·10-5 9,81·10-2 98,1 7,36·10-2 73,6 9,68·10-5 1·10-4 1 1,42·10-3 0,204
psi 6,89·103 6,89·10-2 68,9 6,89·104 51,71 5,17·104 6,8·10-2 7,02·10-2 702 1 144
psf 47,8 4,78·10-4 0,478 478 0,359 359 4,72·10-4 4,87·10-4 4,87 6,94·10-3 1

Tabelle 1.3: Umrechnungstabelle für Druckeinheiten

 

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