בלי לחץ!

מהו לחץ במים ובגז, איך מודדים לחץ, ומהו לחץ אוֹסְמוֹטי?

כתב: צבי עצמון, גליליאו צעיר

לחץ הוא כוח שמופעל על יחידת שטח. ככל שהכוח גדול יותר, הלחץ גדול יותר. הלחץ גדֵל גם ככל שהשטח עליו פועל הכוח קטן יותר. למשל, כשמפעילים כוח על סיכה שהחוד שלה נוגע בנייר, חוד הסיכה מנקֵב בקלוּת את הנייר: הכוח פועל על השטח הקטן מאוד של החוד, ולפיכך הלחץ רב ומנקב בקלות את הנייר. אם נפעיל אותו כוח על סיכה כשראשה הרחב נוגע בנייר, לא ייווצר נקב בנייר – הלחץ לא יספיק לכך. בפיזיקה מסמנים לחץ באות p.
מהו לחץ במים?
בתוך מים פועל לחץ שהמים יוצרים – ככל שמעמיקים במים, הלחץ גבוה יותר. חשים זאת היטב כשצוללים בברֵכה או בים ויש לנו לחץ באוזניים. לא רק מים יוצרים לחץ, אלא כל נוזל. לחץ של עמוד נוזל נקרא לחץ הִידרוֹסטָטי. הלחץ ההידרוסטטי תלוי בעומק הנוזל ובמשקל הסגולי שלו. הלחץ ההידרוסטטי בנוזל הוא משקל עמוד הנוזל על יחידת שטח. אם משקיעים גוף במים לעומק של עשרה סנטימטר, פועל עליו לחץ, אבל חלש למדי. על גוף שנמצא בעומק עשרה סֶנטימֵטר בכספית (נוזל בעל משקל סגולי גבוה) פועל לחץ חזק הרבה יותר. עמוד מים של עשרה מטרים וחצי יוצר לחץ של כאטמוספרה אחת (הסבר בהמשך), וגם עמוד כספית בגובה 76 סנטימטר יוצר לחץ של אטמוספרה אחת. הלחץ המתגבר עם העומק הוא שמגביל את העומק שצוללות יכולות לרדת אליו בלי להינזק.
גם גז יוצר לחץ?
לא רק עמוד נוזל יוצר לחץ אלא גם עמוד של גז, אלא שהמשקל הסגולי של גז נמוך בהרבה מזה של מים. עמוד האוויר מפני הים ועד לחלקים העליונים של האטמוספרה יוצר לחץ ששווה ללחץ ההידרוסטטי של כעשרה מטרים וחצי מים, או 76 סנטימטר כספית. לחץ זה נקרא “אטמוספרה אחת”.
לחץ יכול להיווצר גם על ידי ניפוח – תוספת אוויר לחלל מוגבל, כמו ניפוח אוויר בבלון, בכדורגל, בצמיג אופניים או בצְמיג מכונית. ככל שדוחסים יותר מולקולות של אוויר לתוך הצמיג, הלחץ בו עולה. יש בלוני מתכת שדוחסים בהם כמות גדולה של פחמן דו־חמצני בלחץ גבוה ליצירת סודה.
איך מודדים לחץ?
לחץ מביעים ביחידות של אטמוספרה (מסומן אטמ’): בגובה פני הים לחץ האוויר הוא כ־1 אטמ’. בעומק עשרה מטרים וחצי בים הלחץ בערך 2 אטמ’ (לחץ האוויר 1 אטמ’, ולחץ עמוד המים 1 אטמ’). על האוורסט, לחץ האוויר הוא קצת פחות משליש אטמ’.
אפשר להביע לחץ גם ביחידות של גובה עמוד נוזל שיוצר לחץ כזה. למשל, לחץ אטמוספרה שווה ללחץ של 760 מילימֵטר כספית. לחץ של מילימטר אחד של כספית מכוּנה טוֹר – על שם טוֹריצֵ’לי, המדען שהוכיח כי רִיק (וָקוּם – לחץ אפס) יכול להתקיים. בצמיגים מציינים לרוב את הלחץ ביחידות PSI; 15 PSI שווים בערך 1 אטמ’.
מהו לחץ אוסמוטי?
אם מְמִסים סוכר או מלח במים, מקבלים תמיסה. נהוג לומר שלתמיסה כזוֹ יש לחץ אוֹסמוֹטי. לְמה הכוונה? אם נשפוך תמיסת סוכר לכלי שהדפנות שלו עשויות מחומר שמאפשֵר למים לעבור ומונֵע מַעבר של מולקולות הסוכר, ונכניס כלי זה לתוך כלי ובו מים טהורים – מולקולות מים יתחילו לעבור דרך הדפנות אל תמיסת הסוכר. תהליך זה נקרא אוֹסמוֹזה. אם מפעילים לחץ גבוה מספיק על הכלי שתמיסת הסוכר נמצאת בו, יפסיקו לחדור מים לתמיסת הסוכר. ככל שבתמיסת הסוכר ריכוז הסוכר גבוה יותר, יש להפעיל עליה לחץ רב יותר כדי לעצור כניסת מים אוסמוטית אליה.
לחץ אוסמוטי הוא הלחץ שיש להפעיל כדי למנוע כניסת מים אוסמוטית. אם כן, אין מדובר בלחץ, אלא בצורך להפעיל לחץ. לכן מדויק יותר לומר כי לתמיסה יש ערך אוסמוטי, ולא לחץ אוסמוטי. היחידות של הערך האוסמוטי של תמיסה הן יחידות של לחץ (למשל אטמוספרות), משום שזה הלחץ שצריך להפעיל על התמיסה. מסמנים ערך זה באות היוונית פּי (π, המקבילה לאות האנגלית p, המציינת כזכור לחץ). לתאים של צמחים ולחיידקים יש ערך אוסמוטי גבוה – תאיהם עטופים בדופן קשיחה שיכולה להפעיל עליהם לחץ, וכך למנוע כניסה אוסמוטית של עודף מים וסכנה להתפוצצות התא.
אם נפעיל על תמיסה לחץ חיצוני גדול יותר מהלחץ האוסמוטי שלה, לא זוֹ בלבד שֶמַים לא ייכנסו אליה באוסמוזה, אלא שמים אף יֵצאו ממנה. זוֹהי אוסמוזה הפוכה, ושיטה זוֹ משמשת להַתפָּלת מים – שינוי מים מלוחים למים ראויים לשתייה (על אוסמוסה הפוכה בישראל כתבנו בגיליון מאי 2016).
לסיכום, לחץ הוא כוח ליחידת שטח; ולעומת זאת, לחץ אוסמוטי הוא לחץ שנדרש להפעיל על תמיסה כדי למנוע כניסת מים אוסמוטית אליה.

הכתבה פורסמה בירחון גליליאו צעיר לילדים סקרנים. לקבלת גיליון דיגיטלי מתנה הקליקו