Entdeckung des Luftdrucks

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 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. Zu Ehren von TORRICELLI wurde später die entsprechende Einheit für den Luftdruck 1 Torr genannt:

$\begin{array}{l}1\text{ Torr}\stackrel{\wedge}{=}1\text{ mm Quecksilbersäule}\\ \text{760 Torr }\stackrel{\wedge}{=}760\text{ mm Quecksilbersäule}\end{array}$

Eine analoge Untersuchung mit Wasser ergibt: Die Wassersäule, die den normalen Luftdruck ausübt und damit dem Luftdruck entspricht, hat eine Länge von 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 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. 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.