Physik der Flüssigkeiten und Gase

Festkörper im Vergleich zu Flüssigkeiten und Gase

Wasser ist das prominenteste Beispiel im Bezug auf Aggregatzustände der Stoffe. Es kann flüssig auftreten, auch fest in Form von Eis und sogar gasförmig als Wasserdampf. Fest, flüssig und gasförmig sind die drei wichtigsten Aggregatzustände der Materie. Jeder Stoff liegt in einem der drei Aggregatzuständen vor und kann seinen Aggregatzustand auch wechseln, wie im Beispiel von Wasser gezeigt. In der Physik wird hingegen häufig nur zwischen Festkörpern und Stoffen, die nicht fest sind, unterschieden. Du könntest also sagen, dass physikalisch gesehen Flüssigkeiten und Gase oft dasselbe sind.

Nun könnte man argumentieren, dass flüssiges Wasser und Wasserdampf doch keinesfalls gleich sind. Der Grund, warum Flüssigkeiten und Gase oft als Eins aufgefasst werden, liegt in den Eigenschaften der kleinsten Teilchen eines Stoffes. Der Aggregatzustand wird nämlich über den Bewegungsspielraum der kleinsten Teilchen definiert: Im Festkörper sind diese starr, in Flüssigkeiten schwach gebunden und in Gasen gänzlich frei. Das Entscheidende aber ist, dass die Teilchen sich in Flüssigkeiten und Gasen (Fluiden) bewegen können und in Festkörpern nicht, daher werden erstere zusammengefasst.

Strömungsmechanik

Der Themenbereich Mechanik befasst sich mit der Dynamik und der Statik verschiedenster Systeme. Und die sind grundlegend anders, wenn du Stoffe betrachtest, deren kleinste Teilchen beweglich sind, also strömen können. Die Strömungsmechanik oder Fluidmechanik befasst sich mit den statischen und dynamischen Eigenschaften der Gase und Flüssigkeiten.

Druck

Wenn Teilchen sich bewegen können, dann können sie sich auch gegenseitig anstoßen und Kräfte übertragen. Dies nennt man in der Physik den Druck. Dies kannst du dir vorstellen wie in einer großen Menschenmasse wie bei einem Konzert oder in der Fußgängerzone, in der man sich ständig gegenseitig berührt und anrempelt. Dann fühlst du dich ebenfalls erdrückt. Der Druck ist wie auch das Volumen und die Temperatur eine skalare Zustandsgröße und gut geeignet um Flüssigkeiten und Gase zu beschreiben.

Jedes Fluid übt einen Druck aus: An der Luft ist dies der Luftdruck, der in der Meteorologie benutzt wird, um das Wetter vorherzusagen. Flugzeuge können anhand des Luftdrucks ihre Flughöhe bestimmen. Der Luftdruck in Pressluftflaschen gibt den Füllstand an. Druck spürst du aber auch wenn du tief unter Wasser tauchst.

Auftrieb

Ein Phänomen, was du sicherlich aus dem Schwimmbad kennst, ist der Auftrieb. Der Auftrieb gehorcht dem archimedischen Prinzip. Er ist dafür verantwortlich, dass im Wasser alles leichter ist. Hier könntest du problemlos Menschen auf den Armen tragen, was außerhalb des Wassers sofort schwieriger wird. Der Auftrieb ist eng mit dem Druck verwand. Wenn du also verstanden hast, was Druck ist, kannst du dich diesem Thema zuwenden.

Der Auftrieb ist unter anderem auch dafür verantwortlich, dass tonnenschwere, aus Metall gefertigte Schiffe trotzdem auf dem Wasser schwimmen können, wohingegen U-Boote die Gesetze des Auftriebs nutzen um ab- oder aufzutauchen. Dieses Verhalten tritt nicht nicht nur in Flüssigkeiten wie Wasser auf, sondern auch in Gasen wie der Luft (erneut ein Grund für das Zusammenfassen von Flüssigkeiten und Gasen). Daher können Heißluftballons in der Luft schweben wie ein U-Boot unter Wasser. Daher passt der Ausruck Luftschiff auch besonders gut. Aber auch du erfährst einen Auftrieb in der Luft, der dafür sorgt, dass dir deine Waage ein Gewicht anzeigt, das ein kleines bisschen leichter ist als du tatsächlich bist.

Strömungsenergie

Wie du im Themenbereich Mechanik inzwischen gelernt haben solltest, gibt es Bewegungsenergie. Wenn sich Teilchen in Flüssigkeiten und Gasen bewegen können, müssen sie folglich auch Bewegungsenergie tragen. Tatsächlich ist die Menschheit schon seit gut 2500 Jahren in der Lage, diese Bewegungsenergie zu nutzen, indem sie Wasserräder baut. In Flüssen und den Meeren gibt es tonnenweise Wasser, das sich in Bewegung befindet, also strömt. Über Wasserräder wurde diese Energie lange genutzt um Korn zu mahlen. Heutzutage nutzen Wasserkraftwerke die Strömungsenergie der Flüsse, Meere, Gezeiten und Wellen aus, um Strom zu erzeugen.

Leider treiben die Strömungen auch viel Plastikmüll in die Meere, der von Fischen gefressen wird und so schließlich auf den Tellern der Menschen landet.