לחץ – הבדלי גרסאות

נוספו 3,613 בתים ,  לפני שנה
שינויים רבים. משוואת מצב, יחידות, הסבר אינטואיטיבי...
אין תקציר עריכה
(שינויים רבים. משוואת מצב, יחידות, הסבר אינטואיטיבי...)
 
לחץ יכול להיות מוגדר גם בתוך חומר, כאשר אין משטח ממשי שעליו פועל כוח. ב[[נוזל]]ים וב[[גז]]ים, לחץ הוא הכוח שיוצרת התנגשות של מספר רב של [[מולקולה|מולקולות]] החומר על דפנות הכלי שבו הוא מוכל. הלחץ במקרה זה מוגדר ככוח החיצוני שפועל על [[פאה (גאומטריה)|פאה]] של קובייה קטנה בתוך החומר, חלקי שטח הפאה.
 
גם ב[[מוצק|מוצקים]] מושג הלחץ קיים ומוגדר, אך מושג זה לא מספיק כדי לתאר את הכוחות הפועלים על משטחים, זאת בגלל תכונות החוזק שגורמים גם לשינויי צורה.
 
מדידת [[לחץ אטמוספירי]] מאפשרת [[חיזוי מזג אוויר]] ומציאת [[גובה מעל פני הים]]. חישובי לחץ משמשים בכל תחומי ההנדסה (למשל ב[[הנדסה אזרחית|הנדסת בניין]], [[הנדסת מכונות]] ו[[הנדסת רכב]]), ובמדע בתחומים רבים.
 
ניתן להסתכל על הנוסחה גם בכיוון ההפוך. כלומר, אם רוצים ליצור כוח מסוים על גוף, כדי להקטין את הלחץ ניתן להגדיל את השטח שבו הכוח מופעל (כך כל חתיכה מאלמנט השטח מרגישה פחות כוח בפני עצמה). לדוגמה: אם ננסה לשכב על מסמר נרגיש כאב חד, והמסמר אף עלול לפצוע. לעומת זאת, אם נשכב על [[מיטת מסמרים]] עם מספר רב של מסמרים, שטח המגע בין המסמרים לגופנו יגדל. כתוצאה מכך, הכח הנקודתי הדרוש לכל מסמר להנעץ לאותו עומק כמו במקרה הקודם גם יגדל. אך הכוח הכולל המופעל (המשקל שלנו) לא ישתנה. במלים אחרות, הלחץ על העור יקטן (כל חתיכת עור מרגישה פחות כוח בפני עצמה ולכן אף חתיכה לא נקרעת).
 
== משוואת מצב ==
לחץ המערכת קשור לגדלים תרמודינמיים אחרים כמו טמפרטורת המערכת או צפיפותה. לדוגמה, באופן אינטואיטיבי ניתן להבין שאם לוקחים את אותה כמות גז ושמים במיכל עם נפח גדול פי 2, הגז יתפרס במיכל ובכל רגע קיר המיכל ירגיש פי 2 פחות התנגשויות. לעומת זאת, אם באותו מיכל נכניס פי 2 חלקיקי גז, גם השפה של המיכל תרגיש פי 2 יותר התנגשויות. בנוסף, אם נחמם את הגז, המולקולות בו ינועו מהר יותר ויתנגשו ביותר עוצמה בקירות המיכל, מה שיגרום ליותר כוח. באופן כללי הקשר בין לחץ המערכת לטמפרטורה בה היא נמצאת וצפיפותה נקרא [[משוואת מצב|משוואת המצב]] של המערכת, ועבור הדוגמה האינטואיטיבית המתארת [[גז אידיאלי]], משוואת המצב היא <math>P=\frac{Nk_B T}{V}</math> כאשר:
 
<math>N</math> כמות חלקיקי הגז
 
<math>V</math> נפח המערכת
 
<math>T</math> טמפרטורת המערכת
 
<math>k_B </math> קבוע בולצמן
 
מקובל יותר להציג את משוואת המצב הזו כ-<math>PV=Nk_B T</math>.
 
עבור צפיפויות מאוד גבוהות של הגז, המולקולות מתחילות למשוך אחת את השנייה דרך [[קשרי ואן דר ואלס|כוחות ואן דר ואלס]], מה שיגרום לכך שבשלב הזה הלחץ על דפנות המיכל לא עולה בצורה פרופורציונלית לצפיפות (עבור יותר מולקולות הן תמשוכנה אחת את השניה קצת יותר ולכן הכוח על שפת המיכל לא תעלה באותה כמות שיכלה להיות בלי המשיכה הזו). במקרה זה, כאשר הקירוב של גז אידאלי לא תקף, משוואת המצב היותר מדויקת נהיית המשוואה של [[גז ואן דר ואלס]]
 
<math>\left(P + a \frac{N^2}{V^2}\right)\left(V-Nb\right) = Nk_BT
</math>
 
כאשר <math>a,b</math> קבועים שקשורים לחוזק כוחות המשיכה בין מולקולות הגז ולגודלן.
 
באופן כללי, משוואת מצב היא תכונה של החומר עצמו - למים, אוויר, חנקן נקי, ולברזל כולן משוואות מצב שמתארות את הקשר בין הגדלים התרמודינמיים השונים. עבור מקרים ספציפיים ניתן להסיק את משוואת המצב מעקרונות בסיסיים (כמו במקרה של גז אידאלי), אך באופן כללי הבעיה הזו נחשבת קשה ולרוב משוואת מצב של חומר מתקבלת על ידי ניסויים.
 
==יחידות==
ב[[מערכת היחידות הבינלאומית]] נמדד הלחץ ב[[פסקל (מידה)|פסקל]] שמוגדר כלחץ שמפעיל [[כוח (פיזיקה)|כוח]] של [[ניוטון (מידה)|ניוטון]] אחד על משטח בעל [[שטח]] של [[מטר רבוע]] אחד: <math>\operatorname{Pa} = \frac{N}{m^2}</math>.
 
עם זאת, לחץ נחשב מאוד קטן בחיי היום יום ולכן מקובל להשתמש ביחידות יותר גדולות כמו [[לחץ אטמוספירי|אטמוספירה]] או [[בר (מידה)|בר]] ועבור שינויים בלחץ מקובל להשתמש ב[[מילימטר כספית]] או מיליבר. בארצות דוברות אנגלית מקובל גם השימוש ביחידה [[PSI]], ראשי תיבות של Pound per Square Inch - כוח של [[ליברה]] אחת לשטח של [[אינץ']] רבוע.
 
פירוש היחידות השונות:
 
יחידות נפוצות אחרות:
* [[PSI]] - Pound per Square Inch - כוח של [[ליברה]] אחת לשטח של [[אינץ']] רבוע.
* inHg - אינץ' כספית - הלחץ שיצור עמוד [[כספית]] בגובה אינץ' אחד בתחתיתו.
* mmHg - [[מילימטר כספית]] - הלחץ שיצור עמוד כספית בגובה מילימטר אחד בתחתיתו. יחידה זו מכונה גם טור.
* [[אטמוספירה (מידה)|אטמוספירה]] - אטמוספירה אחת היא בקירוב הלחץ הממוצע שמפעילה [[אטמוספירה|אטמוספירת]] [[כדור הארץ]] בגובה [[פני הים]], והיא שווה ל-101,325 [[פסקל (מידה)|פסקל]] לערך או 760 מ"מ כספית.
* [[בר (מידה)]] - יחידה השווה בדיוק ל-100,000 פסקל. בר אחד מאוד קרוב לאטמוספירה אחת, אך הוא כפולה פשוטה של יחידת הלחץ הבסיסית פסקל, ולכן נפוץ מאוד ובגלל הסטייה הקטנה (1%) ביניהם, ניתן לשמוע אנשים משתמשים ביחידה כקירוב טוב ליחידה אטמוספירה.
* inHgmmHg - אינץ'[[מילימטר כספית]] - הלחץ שיצור עמוד [[כספית]] בגובה אינץ'מילימטר אחד בתחתיתו.
* טור (Torr) - הלחץ השווה ל1 חלקי 760 הלחץ של אטמוספירה אחת. ההבדל בינו לבין mmHg זניח ולכן כמעט ולא מבחינים בין השניים.
 
{| class="wikitable" style="text-align:center;"
|+טבלת המרות בין יחידות נפוצות
|-
!
! [[פסקל (מידה)|פסקל]]
! [[בר (מידה)|בר]]
! [[אטמוספירה (מידה)|אטמוספירה]]
! N/mm<sup>2</sup>
! [[מילימטר כספית]]
! kg/m<sup>2</sup> *
!PSI
! kg/cm<sup>2</sup> *
! [[אטמוספירה (מידה)|אטמוספירה]]
! [[מילימטר כספית]]
|-
! 1 פסקל
| 1
| 10<sup>-5</sup>
| 10<sup>-6</sup>
| 0.102
| 0.102&times;10<sup>-4</sup>
| 0.987&times;10<sup>-5</sup>
| 0.0075
| 1.45038&times;10<sup>-64</sup>
|-
! 1 בר
| 100,000
| 1
| 0.1
| 10,200
| 1.02
| 0.987
| 750
|14.5038
|-
! 1 N/mm<sup>2</sup>
| 10<sup>6</sup>
| 10
| 1
| 1.02&times;10<sup>5</sup>
| 10.2
| 9.87
| 7,500
|-
! 1 kg/m<sup>2</sup>
| 9.81
| 9.81&times;10<sup>-5</sup>
| 9.81&times;10<sup>-6</sup>
| 1
| 10<sup>-4</sup>
| 0.968&times;10<sup>-4</sup>
| 0.0736
|-
! 1 kg/cm<sup>2</sup>
| 98,100
| 0.981
| 0.0981
| 10,000
| 1
| 0.968
| 736
|-
! 1 אטמוספירה
| 101,325
| 1.013
| 0.1013
| 10,330
| 1.033
| 1
| 760
|14.6959
|-
! מילימטר כספית (torr)
| 133
| 0.00133
| 1.33&times;10<sup>-4</sup>
| 13.6
| 0.00136
| 0.00132
| 1
|0.0193368
|-
!PSI
|6894.76
|0.0689476
|0.068046
|51.7149
| 1
|}
<br />
<small>* kg בטבלה הוא ק"ג כוח, כלומר המשקל של מסה של ק"ג אחד על פני כדור הארץ.</small>
 
==מדידת לחץ==
==לחץ בנוזלים ובגזים==
[[קובץ:Pressure exerted by collisions.svg|שמאל|ממוזער|250px|לחץ הנוצר על ידי התנגשויות של חלקיקים בדפנות המכל. החלקיקים הן הנקודות השחורות. ניתן לדמיין שאלו כל החלקיקים במכל בנקודת זמן מסוימת. העקבות השחורים הם מסלולים של חלקיקים שרחוקים מהדפנות. חלקיקים כאלו לא יתרמו ללחץ על הדפנות בנקודת הזמן שבציור. העקבות האדומים הם של חלקיקים שהתנגשו בדופן, והחלקיק הוחזר למכל. שקלול וקטורי הכח של החלקיקים שכן התנגשו מייצר כוח אנכי לדופן. מרכיבי כוח של חלקיקים שונים שאינם מאונכים מבטלים זה את זה.]]
כפי שהוזכר בהתחלה, [[נוזל]]ים ו[[גז]]ים (המכונים יחד [[מכניקת הזורמים|זורמים]]) מורכבים ממספר רב של [[מולקולה|מולקולות]] אשר נעות באופן אקראי לכל הכוונים. בכל זמן נתון מספר רב של מולקולות מתנגשות זו בזו או במשטח, והכוח אשר הן מפעילות בהתנגשות זו יוצר לחץ אחיד בקירוב טוב. במיוחד כשמדובר בגזים הלחץ תלוי בתכונות החומר: ככל שיש יותר חלקיקים (יותר גז במיכל) הלחץ עולה, וככל שמהירות החלקיקים של הגז גדלה (ואיתה גם ה[[טמפרטורה]]), הלחץ יעלה גם כן.
 
[[לחץ סטגנציה]] (עצירה) הוא הלחץ שיוצר זרם הנתון במהירות מסוימת ונעצר. ב[[כלי טיס]] משתמשים ב[[צינור פיטו]] על מנת למדוד את הלחץ מסביב למטוס, ואת לחץ הסטגנציה ובאמצעותם לחשב את מהירות הטיסה ביחס לאוויר.
198

עריכות