Was ist der minimale Druck eines Mediums, für den eine Schallwelle existieren kann?

Es ist offensichtlich keine scharfe Grenze, aber als allgemeine Richtlinie können sich Schallwellen nicht ausbreiten, wenn ihre Wellenlänge gleich oder kleiner als die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle ist. Das bedeutet, dass sich Schall auch bei beliebig niedrigen Drücken noch ausbreitet, sofern die Wellenlänge lang genug ist. Möglicherweise ist dies eine Überdehnung, aber selbst in interstellaren Gaswolken breiten sich Schallwellen (genauer Stoßwellen) aus, deren Längenskala jedoch in der Größenordnung von Lichtjahren liegt.

Ich erwarte, dass es keinen minimalen Druck gibt .

Eine Schallwelle ist eine Dichtewelle. Wenn die Teilchen nahe beieinander liegen, interagieren sie aufgrund starker Kräfte wie der Van-der-Waals-Kraft und der Coulomb-Kraft. Die Verringerung des Drucks bei konstantem Volumen führt zu großen Abständen zwischen den Partikeln.

Nehmen wir an, die Teilchen hätten einen riesigen Abstand und wir ignorieren sogar die noch verbleibenden schwächeren Kräfte wie die Gravitationskraft. Das Gas befindet sich nun in einem thermodynamischen Gleichgewicht . Dann erzeugt man eine Stoßwelle, indem man zwei Teilchen zusammenpresst. Diese Stoßwelle bewegt sich durch die Medien und zerfällt, wie es von Partikeln bei höherem Druck bekannt ist. Die Schallausbreitungsgeschwindigkeit nimmt mit dem Druck zu.

Es ist schwierig zu messen, da der Effekt durch zufällige thermische Bewegung der Partikel überlagert wird. Aber das ist eher ein technisches Problem.

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Effektiv null, aber es braucht eine mentale Anstrengung, um dorthin zu gelangen.

Wenn Sie es mit einem Gas zu tun haben, bedeutet niedrigerer Druck, dass es einen längeren mittleren freien Weg gibt, was bedeutet, dass erwartet werden kann, dass die Atome / Moleküle zwischen Kollisionen immer länger werden. Sie können dies entweder erreichen, indem Sie die Partikel weiter auseinander halten (geringere Dichte) oder indem Sie sie verlangsamen (niedrigere Temperatur). Wenn diese Zeit zwischen Kollisionen zunimmt, sieht Ihr System eher wie ein Bündel von Partikeln aus, die sich in eine Richtung bewegen, und nicht wie eine Gruppe von Partikeln, die hin und her "schwappen". In dieser Grenze des Nulldrucks erhalten Sie keine interessante Schallwellenausbreitung mehr, und ich bin mir ziemlich sicher, dass Ihre Intuition dies leitet.

Liquids hingegen sind vielversprechend. Flüssiges Helium-II (superfluides Helium) ist sehr seltsam – es kann bergauf fließen, um aus einem Behälter zu entkommen, und es leitet Wärme besser als jedes bekannte Material. Diese Wärmeleitung gilt als schallgetragen, obwohl man in der Literatur eher dem Begriff „Phonon“ begegnet. Phononen können bei sehr niedrigen Flüssigkeitsdrücken beobachtet werden, was bedeutet, dass sich Schall in diesem System bei sehr niedrigem Druck ausbreiten kann.

Empirisch kann die Höhe/der Druck, bei dem die Schallausbreitung aufhört, in einer Unterdruckkammer bestimmt werden. Platzieren Sie einfach ein schallemittierendes Gerät mit einem Mikrofon in der Kammer. Ein Quecksilbermanometer an der Kammer kann die „Höhe“ bestimmen, bei der der Schall nicht mehr zum Mikrofon übertragen wird.