לחץ הוא גודל פיזי שממלא תפקיד מיוחד בטבע ובחיי האדם. תופעה זו, שאינה מורגשת לעין, משפיעה לא רק על מצב הסביבה, אלא גם מורגשת היטב על ידי כולם. בואו להבין מה זה, אילו סוגים שלו קיימים וכיצד למצוא את הלחץ (נוסחה) בסביבות שונות.
מה שנקרא לחץ בפיזיקה וכימיה
מונח זה מתייחס לגודל תרמודינמי חשוב, המתבטא כיחס בין כוח הלחץ המופעל בניצב לשטח הפנים עליו הוא פועל. תופעה זו אינה תלויה בגודל המערכת בה היא פועלת, ולכן היא מתייחסת לכמויות אינטנסיביות.
במצב של שיווי משקל, לפי חוק פסקל, הלחץ זהה בכל הנקודות במערכת.
בפיזיקה ובכימיה, זה מסומן באות "P", שהיא קיצור של השם הלטיני של המונח - pressūra.
אם אנחנו מדברים על הלחץ האוסמוטי של נוזל (האיזון בין לחץבתוך ומחוץ לכלוב), האות "P" משמשת.
יחידות לחץ
בהתאם לסטנדרטים של מערכת ה-SI הבינלאומית, התופעה הפיזיקלית הנחשבת נמדדת בפסקל (קירילי - Pa, לטינית - Ra).
בהתבסס על נוסחת הלחץ, מתברר ש-Pa אחד שווה ל-N אחד (ניוטון - יחידת כוח) חלקי מטר מרובע אחד (יחידת שטח).
עם זאת, בפועל, די קשה ליישם פסקל, מכיוון שהיחידה הזו קטנה מאוד. בהקשר זה, בנוסף לתקני SI, ניתן למדוד ערך זה בצורה שונה.
להלן האנלוגים המפורסמים ביותר שלו. רובם נמצאים בשימוש נרחב בברית המועצות לשעבר.
- ברים. פס אחד שווה ל-105 Pa.
- טוררים, או מילימטרים של כספית. טור אחד בקירוב תואם ל-133.3223684 פאה.
- מילימטרים של עמודת מים.
- מטרים של עמודת מים.
- אטמוספרות טכניות.
- אטמוספרות פיזיות. כספומט אחד שווה ל-101,325 Pa ו-1.033233 at.
- כוח קילוגרם לסנטימטר רבוע. יש גם כוח טון וכוח גרם. בנוסף, יש כוח פאונד אנלוגי לאינץ' רבוע.
נוסחה כללית ללחץ (פיזיקה בכיתה ז')
מההגדרה של כמות פיזיקלית נתונה, אתה יכול לקבוע את שיטת מציאתה. זה נראה כמו התמונה למטה.
בתו, F הוא כוח, ו-S הוא שטח. במילים אחרות, הנוסחה למציאת הלחץ היא הכוח שלו חלקי שטח הפנים עליו הואמשפיע.
ניתן לכתוב זאת גם כך: P=mg / S או P=pVg / S. לפיכך, כמות פיזיקלית זו קשורה למשתנים תרמודינמיים אחרים: נפח ומסה.
עבור לחץ, העיקרון הבא חל: ככל שהחלל המושפע מהכוח קטן יותר, כך עוצמת הלחיצה שלו גדולה יותר. עם זאת, אם השטח גדל (באותו כוח), הערך הרצוי יורד.
נוסחת לחץ הידרוסטטי
מצבים מצטברים שונים של חומרים, מספקים נוכחות של תכונותיהם השונות זו מזו. על סמך זה, גם השיטות לקביעת P בהן יהיו שונות.
לדוגמה, הנוסחה ללחץ מים (הידרוסטטי) נראית כך: P=pgh. זה חל גם על גזים. עם זאת, לא ניתן להשתמש בו לחישוב לחץ אטמוספרי, בגלל ההבדל בגבהים ובצפיפות האוויר.
בנוסחה זו, p היא הצפיפות, g היא תאוצת הכבידה, ו-h הוא הגובה. על בסיס זה, ככל שחפץ או חפץ שוקע עמוק יותר, כך הלחץ המופעל עליו בתוך הנוזל (הגז) גבוה יותר.
הגרסה הנבדקת היא עיבוד של הדוגמה הקלאסית P=F / S.
אם נזכור שהכוח שווה לנגזרת המסה לפי מהירות הנפילה החופשית (F=mg), ומסת הנוזל היא הנגזרת של הנפח לפי הצפיפות (m=pV), אז ניתן לכתוב את נוסחת הלחץ כ-P=pVg / S. במקרה זה, הנפח הוא השטח כפול הגובה (V=Sh).
אם אתה מכניס את הנתונים האלה, יתברר שהשטח במונהניתן להקטין את המכנה ואת הפלט - הנוסחה לעיל: P=pgh.
בהתחשב בלחץ בנוזלים, כדאי לזכור שבניגוד למוצקים, לעתים קרובות שכבת פני השטח יכולה להיות מעוותת בהם. וזה, בתורו, תורם להיווצרות לחץ נוסף.
במצבים כאלה, נעשה שימוש בנוסחת לחץ מעט שונה: P=P0 + 2QH. במקרה זה P0 הוא הלחץ של השכבה הלא מעוקלת, ו-Q הוא משטח המתח הנוזל. H הוא העקמומיות הממוצעת של פני השטח, אשר נקבעת לפי חוק לפלס: H=½ (1/R1+ 1/R2). הרכיבים R1 ו-R2 הם רדיוסי העקמומיות העיקריות.
לחץ חלקי והנוסחה שלו
למרות ששיטת P=pgh ישימה הן לנוזלים והן לגזים, עדיף לחשב את הלחץ באחרון בצורה מעט שונה.
העובדה היא שבטבע, ככלל, חומרים טהורים לחלוטין אינם נפוצים במיוחד, כי תערובות שולטות בו. וזה חל לא רק על נוזלים, אלא גם על גזים. וכידוע, כל אחד מהרכיבים הללו מפעיל לחץ אחר, הנקרא לחץ חלקי.
די קל לזהות. זה שווה לסכום הלחץ של כל רכיב של התערובת הנבדקת (גז אידיאלי).
מכאן נובע שנוסחת הלחץ החלקי נראית כך: P=P1+ P2+ P3… וכן הלאה, לפי מספר הרכיבים.
לעיתים קרובות יש מקרים שבהם יש צורך לקבוע את לחץ האוויר.עם זאת, חלקם מבצעים בטעות חישובים רק עם חמצן לפי הסכימה P=pgh. אבל אוויר הוא תערובת של גזים שונים. הוא מכיל חנקן, ארגון, חמצן וחומרים אחרים. בהתבסס על המצב הקיים, נוסחת לחץ האוויר היא סכום הלחצים של כל מרכיביה. לכן, עליך לקחת את P=P1+ P2+ P3… לעיל
מדדי הלחץ הנפוצים ביותר
למרות שלא קשה לחשב את הכמות התרמודינמית הנחשבת באמצעות הנוסחאות לעיל, לפעמים פשוט אין זמן לבצע את החישוב. אחרי הכל, אתה תמיד חייב לקחת בחשבון ניואנסים רבים. לכן, מטעמי נוחות, פותחו במשך מאות שנים מספר מכשירים כדי לעשות זאת במקום אנשים.
למעשה, כמעט כל המכשירים מהסוג הזה הם סוגים של מנומטר (עוזר לקבוע את הלחץ בגזים ובנוזלים). עם זאת, הם שונים בעיצוב, דיוק והיקף.
- לחץ אטמוספרי נמדד באמצעות מד לחץ הנקרא ברומטר. אם יש צורך לקבוע את הוואקום (כלומר הלחץ נמוך מהלחץ האטמוספרי), משתמשים בגרסה אחרת שלו, מד ואקום
- כדי לגלות את לחץ הדם של אדם, משתמשים במד לחץ דם. לרוב, הוא מוכר יותר בתור טונומטר לא פולשני. ישנם סוגים רבים של מכשירים כאלה: ממכני כספית ועד דיגיטלי אוטומטי לחלוטין. הדיוק שלהם תלוי בחומרים מהם הם עשויים והיכן הם נמדדים.
- ירידות לחץ בסביבה (לפיאנגלית - ירידת לחץ) נקבעים באמצעות מדי לחץ דיפרנציאליים או דיפנמומטרים (לא להתבלבל עם דינמומטרים).
סוגי לחץ
בהתחשב בלחץ, בנוסחה למציאתו ובווריאציות שלו עבור חומרים שונים, כדאי ללמוד על הזנים של כמות זו. יש חמישה מהם.
- Absolute.
- ברומטרי
- עודף.
- וואקומטרי.
- דיפרנציאל.
Absolute
זהו השם של הלחץ הכולל שבו נמצא חומר או חפץ, מבלי לקחת בחשבון את ההשפעה של מרכיבים גזים אחרים של האטמוספירה.
הוא נמדד בפסקל והוא סכום הלחץ העודף והאטמוספרי. זה גם ההבדל בין סוגי ברומטרי לוואקום.
זה מחושב לפי הנוסחה P=P2 + P3 או P=P2 - R4.
לנקודת הייחוס ללחץ מוחלט בתנאי כדור הארץ, נלקח הלחץ בתוך המיכל שממנו מסירים אוויר (כלומר ואקום קלאסי).
רק סוג זה של לחץ משמש ברוב הנוסחאות התרמודינמיות.
ברומטרי
מונח זה מתייחס ללחץ האטמוספירה (כוח הכבידה) על כל העצמים והעצמים המצויים בה, כולל פני השטח של כדור הארץ עצמו. לרוב הוא ידוע גם כאטמוספרי.
הוא מסווג כפרמטר תרמודינמי, והערך שלו משתנה בהתאם למקום וזמן המדידה, כמו גם לתנאי מזג האוויר ולהיות מעל/מתחת לפני הים.
ערך לחץ ברומטרישווה למודול הכוח של האטמוספירה על אזור של אחדות לאורך הנורמלי אליו.
באווירה יציבה, גודלה של תופעה פיזיקלית זו שווה למשקל של עמוד אוויר על בסיס ששטחו שווה לאחד.
לחץ ברומטרי נורמאלי - 101 325 Pa (760 מ"מ כספית ב-0 מעלות צלזיוס). יתרה מכך, ככל שהאובייקט גבוה יותר מפני השטח של כדור הארץ, לחץ האוויר עליו הופך נמוך יותר. כל 8 ק"מ הוא יורד ב-100 פאה.
הודות לנכס הזה בהרים, מים בקומקומים רותחים הרבה יותר מהר מאשר בבית על הכיריים. העובדה היא שהלחץ משפיע על נקודת הרתיחה: עם הירידה שלו, האחרון פוחת. ולהיפך. העבודה של מכשירי מטבח כגון סיר לחץ ואוטוקלאב בנויה על נכס זה. העלייה בלחץ בתוכם תורמת להיווצרות טמפרטורות גבוהות יותר בכלים מאשר במחבתות רגילות על הכיריים.
נוסחת הגובה הברומטרי משמשת לחישוב לחץ אטמוספרי. זה נראה כמו התמונה למטה.
P הוא הערך הרצוי בגובה, P0 הוא צפיפות האוויר ליד פני השטח, g הוא תאוצת הנפילה החופשית, h הוא הגובה מעל כדור הארץ, m הוא המסה המולארית של הגז, t היא הטמפרטורה של המערכת, r הוא קבוע הגז האוניברסלי של 8.3144598 J⁄(מול x K) ו-e הוא מספר האוקלייר השווה ל-2.71828.
לעתים קרובות, בנוסחת הלחץ האטמוספרי לעיל, במקום R, נעשה שימוש ב-Kהוא קבוע בולצמן. קבוע הגז האוניברסלי מתבטא לעתים קרובות במונחים של התוצר שלו על ידי מספר אבוגדרו. זה נוח יותר לחישובים כאשר מספר החלקיקים ניתן בשומות.
בעת ביצוע חישובים, תמיד יש לקחת בחשבון את האפשרות של שינויים בטמפרטורת האוויר עקב שינוי במצב המטאורולוגי או בעת טיפוס מעל פני הים, וכן קו רוחב גיאוגרפי.
מד ומד ואקום
ההבדל בין הלחץ האטמוספרי ללחץ הסביבה הנמדד נקרא לחץ יתר. בהתאם לתוצאה, שם הערך משתנה.
אם זה חיובי, זה נקרא מד לחץ.
אם התוצאה המתקבלת היא עם סימן מינוס, היא נקראת ואקום. כדאי לזכור שזה לא יכול להיות יותר מברומטרי.
דיפרנציאל
ערך זה הוא הפרש הלחץ בנקודות מדידה שונות. ככלל, הוא משמש לקביעת ירידת הלחץ על כל ציוד. זה נכון במיוחד בתעשיית הנפט.
לאחר שהבנו איזה סוג של כמות תרמודינמית נקראת לחץ ובאיזה נוסחאות היא נמצאת, נוכל להסיק שתופעה זו חשובה מאוד, ולכן ידע עליה לעולם לא יהיה מיותר.
