Was ist hydrostatisches Gleichgewicht?
Ein Flüssigkeitsvolumen, das ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann, soll sich im hydrostatischen Gleichgewicht befinden, wenn die durch die Schwerkraft ausgeübte Abwärtskraft durch eine nach dem Druck des Fluids ausgeübte Aufwärtskraft ausgeglichen wird. Zum Beispiel wird die Erdatmosphäre durch Schwerkraft nach unten gezogen, aber in Richtung der Oberfläche wird die Luft durch das Gewicht der gesamten Luft oben komprimiert, sodass die Dichte der Luft von der Oberseite der Atmosphäre zur Erdoberfläche zunimmt. Diese Dichtedifferenz bedeutet, dass der Luftdruck mit der Höhe abnimmt, so dass der Aufwärtsdruck von unten größer ist als der Abwärtsdruck von oben und dieses Netto -Aufwärtskraft die Abwärtskraft der Schwerkraft ausbalanciert und die Atmosphäre in einer mehr oder weniger konstanten Höhe hält. Wenn sich ein Flüssigkeitsvolumen nicht im hydrostatischen Gleichgewicht befindet, muss es sich zusammenziehen, wenn die Gravitationskraft den Druck überschreitet, oder sich ausdehnen, wenn der Innendruck größer ist.
Dieses Konzept kann als hydrostatische Gleichgewichtsgleichung ausgedrückt werden. Es wird normalerweise als DP/ angegebenDZ = -Gρ und zu einer Flüssigkeitsschicht innerhalb eines größeren Volumens im hydrostatischen Gleichgewicht, wobei DP die Druckänderung innerhalb der Schicht ist, DZ die Dicke der Schicht ist, G ist die Beschleunigung aufgrund der Schwerkraft und ρ ist die Dichte der Flüssigkeit. Die Gleichung kann verwendet werden, um beispielsweise den Druck innerhalb einer planetarischen Atmosphäre in einer bestimmten Höhe über der Oberfläche zu berechnen.
Ein Gasvolumen im Weltraum, wie eine große Wasserstoffwolke, wird sich zunächst aufgrund der Schwerkraft zusammenziehen, wobei der Druck in Richtung des Zentrums zunimmt. Die Kontraktion wird fortgesetzt, bis eine äußere Kraft entspricht, die der inneren Gravitationskraft entspricht. Dies ist normalerweise der Punkt, an dem der Druck in der Mitte so groß ist, dass die Wasserstoffkerne zusammen verschmelzen, um Helium in einem Prozess zu produzieren, der als nukleare Fusion bezeichnet wird und große Mengen an Energie freigesetzt und einen Stern zur Welt bringt. Die resultierende Wärme erhöht den Druck vonDas Gas erzeugt eine äußere Kraft, um die innere Gravitationskraft auszugleichen, so dass der Stern im hydrostatischen Gleichgewicht sein wird. Wenn die Schwerkraft zunimmt, wird die Dichte und Temperatur des Gases möglicherweise auch durch mehr Gas in den Stern steigen, was mehr nach außen druckt und das Gleichgewicht aufrechterhalten wird.
Sterne bleiben über lange Zeiträume im hydrostatischen Gleichgewicht, typischerweise mehrere Milliarden Jahre, aber schließlich wird ihnen die Wasserstoff ausgehen und zunehmend schwerere Elemente verschmelzen. Diese Veränderungen bringen den Stern vorübergehend aus dem Gleichgewicht und verursachen Expansion oder Kontraktion, bis ein neues Gleichgewicht festgelegt ist. Eisen kann nicht in schwerere Elemente verschmolzen werden, da dies mehr Energie erfordern würde, als der Prozess erzeugen würde. Wenn sich der Kernbrennstoff des Sterns schließlich in Eisen verwandelt hat, kann keine weitere Fusion stattfinden und der Stern kollabiert. Dies kann je nach Masse von einen festen Eisenkern, einen Neutronenstern oder ein schwarzes Loch hinterlassender Stern. Bei einem schwarzen Loch kann kein bekanntes physikalischer Prozess einen ausreichenden inneren Druck erzeugen, um den Gravitationskollaps zu stoppen, sodass das hydrostatische Gleichgewicht nicht erreicht werden kann, und es wird angenommen