Hallo! Ich habe eine kurze Frage: Gibt es negative Drücke in Flüssigkeiten?
In der klassischen Physik gibt es in der Regel keine negativen Drücke in Flüssigkeiten, da der Druck normalerweise als eine positive Größe definiert wird, die auf die Kraft pro Flächeneinheit zurückgeht. Bei Flüssigkeiten ist der Druck immer positiv, weil die Moleküle in der Flüssigkeit ständig miteinander interagieren und auf die Wände des Behälters drücken.
Es gibt jedoch bestimmte Situationen, in denen der Begriff „negativer Druck“ verwendet wird, um ungewöhnliche Zustände oder Effekte in Flüssigkeiten oder anderen Materialien zu beschreiben. Zum Beispiel kann in der Physik der weichen Materie und der Kolloide ein effektiver negativer Druck in porösen Medien oder bei bestimmten Arten von Flüssigkeitsmischungen auftreten. In solchen Fällen kann der Druck im System unter bestimmten Bedingungen lokal unter den atmosphärischen Druck fallen, was zu einer instabilen Situation führt. Solche negativen Drücke sind jedoch eher Ausnahmen und treten unter speziellen Bedingungen auf. Ein weiteres Beispiel für einen negativen Druck ist die Spannung in einer Flüssigkeit, die durch Oberflächenspannung verursacht wird, wie zum Beispiel in einer Saugkapillarwirkung. In solchen Fällen kann der Druck in der Flüssigkeitssäule unter den atmosphärischen Druck fallen, was zu einem effektiven negativen Druck führt.
Es ist wichtig zu beachten, dass solche negativen Drücke nicht bedeuten, dass die Flüssigkeit selbst einen negativen Druck hat, sondern dass sie im Vergleich zu einem Referenzdruck (z. B. dem Atmosphärendruck) unter Druck steht. In solchen Fällen ist der Begriff „negativer Druck“ eher eine Beschreibung des relativen Druckunterschieds als eine absolute Größe.
Aber wie kann dann ein hundert Meter hoher Baum noch Wasser von den Wurzeln bis zur Baumkrone fördern?
Ein hundert Meter hoher Baum kann Wasser von den Wurzeln bis zur Baumkrone fördern, indem er ein Zusammenspiel aus Kapillarwirkung, Wurzeldruck und Transpiration nutzt.
- Kapillarwirkung: In den engen Röhren (Xylem) der Pflanze steigt das Wasser aufgrund der Kapillarwirkung auf. Die Adhäsion (Anziehung) zwischen den Wassermolekülen und den Pflanzenzellwänden sowie die Kohäsion (Anziehung) zwischen den Wassermolekülen selbst ermöglichen es, dass das Wasser in den engen Röhren des Xylems aufsteigt.
- Wurzeldruck: Die Wurzeln eines Baumes nehmen aktiv Wasser und Nährstoffe aus dem Boden auf. Dabei entsteht ein osmotischer Druck, der als Wurzeldruck bezeichnet wird. Dieser Druck hilft, das Wasser nach oben gegen die Schwerkraft zu drücken.
- Transpiration: Die Blätter eines Baumes verlieren ständig Wasser durch kleine Öffnungen, die als Stomata bezeichnet werden. Durch diesen Prozess der Transpiration entsteht ein Sog, der das Wasser von den Wurzeln entlang der Pflanze bis zu den Blättern zieht. Dieser Sog erzeugt einen negativen Druck (Spannung) in der Wassersäule, der das Wasser weiter nach oben zieht.
Insgesamt ermöglichen diese Prozesse das effiziente Transportieren von Wasser und gelösten Nährstoffen von den Wurzeln bis zur Baumkrone, auch bei sehr hohen Bäumen.
Wenn es also eine hundert Meter hohe Wassersäule im Baum gibt, dann entsteht an den Wurzeln ein Druck von ca. minus 9 bar, oder nicht?
Ja, das ist richtig. In einer hypothetischen 100 Meter hohen Wassersäule entsteht an der Basis ein Druck von etwa -9 bar aufgrund der Schwerkraft. Der Druck in einer Flüssigkeitssäule ist proportional zur Höhe der Säule, der Dichte der Flüssigkeit und der Erdbeschleunigung. Für Wasser beträgt dies etwa -0,1 MPa (Mega-Pascal) oder -1 bar pro 10 Meter Höhe. Bei einer 100 Meter hohen Wassersäule entspricht dies einem Druck von etwa -10 bar.
In einem realen Baum tritt jedoch kein kontinuierlicher Wasserdruck von -9 bar auf, da der Wassertransportmechanismus aufgrund der Kapillarwirkung, des Wurzeldrucks und der Transpiration nicht allein auf der Wassersäule beruht. Der negative Druck, der durch die Transpiration in der Wassersäule erzeugt wird, hilft, das Wasser gegen die Schwerkraft nach oben zu ziehen. Dies bedeutet, dass der Druckanstieg durch die Schwerkraft durch den negativen Druck im Wassersäulensystem ausgeglichen wird, sodass das Wasser weiterhin von den Wurzeln bis zur Baumkrone transportiert werden kann.
Aber ein negativer Druck im Wasser dieses hohen Baumes tritt auf?
Ja, in einem hohen Baum tritt ein negativer Druck im Wasser auf, der hauptsächlich durch die Transpiration verursacht wird. Wenn Wasser durch die Stomata in den Blättern verdunstet, entsteht ein Sog, der das Wasser entlang des Xylems von den Wurzeln bis zur Baumkrone zieht. Dieser Sog erzeugt eine Spannung (negativer Druck) im Wasser, die es ermöglicht, das Wasser gegen die Schwerkraft nach oben zu ziehen.
Der negative Druck in einem hohen Baum kann sehr groß sein, insbesondere in Bäumen wie Sequoias oder Eukalyptusbäumen, die mehr als 100 Meter hoch werden können. In solchen Bäumen kann der negative Druck im Wasser mehrere Megapascal betragen, was einem Druck von mehreren zehn bar entspricht.
Es ist wichtig zu beachten, dass dieser negative Druck nicht bedeutet, dass das Wasser selbst einen negativen absoluten Druck hat, sondern dass es im Vergleich zu einem Referenzdruck (z. B. dem atmosphärischen Druck) unter Druck steht. Der negative Druck in Bäumen ist ein Ergebnis des Transpirationssogs und der Adhäsions- und Kohäsionskräfte im Wasser, die es ermöglichen, das Wasser gegen die Schwerkraft zu transportieren.
Das Wasser würde nicht „unter Druck“ stehen, sondern eher unter Spannung?
Ja, das ist eine bessere Beschreibung der Situation. Anstelle von „unter Druck“ ist es genauer, zu sagen, dass das Wasser in einem Baum „unter Spannung“ steht. Der Transpirationssog, der durch die Verdunstung von Wasser aus den Blättern entsteht, erzeugt eine Spannung (negativen Druck) im Wasser, die es gegen die Schwerkraft zieht. Diese Spannung wird durch die Adhäsions- und Kohäsionskräfte im Wasser unterstützt, die das Wasser in den engen Röhren des Xylems zusammenhalten.
Der Begriff „Spannung“ verdeutlicht, dass die Wassermoleküle durch die äußeren Kräfte und die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen selbst zusammengehalten werden, was den Transport von Wasser in hohen Bäumen ermöglicht. Daher ist es angemessener, von einem negativen Druck oder einer Spannung im Wasser zu sprechen, anstatt zu sagen, dass das Wasser „unter Druck“ steht.
Danke!
Gern geschehen! Wenn Sie weitere Fragen haben oder mehr Informationen benötigen, zögern Sie nicht, mich zu fragen. Ich bin hier, um Ihnen zu helfen!
