הצגת המקור של הדף "לחץ"

{{פירוש נוסף}}
[[קובץ:Pressure01.png|ממוזער|250px|כוח F, שמופעל בניצב למשטח ששטחו A, יוצר לחץ P השווה ל-F/A.]]
ב[[פיזיקה]], '''לחץ''' הוא גודל שניתן לשייך ל[[מערכת פיזיקלית|מערכות]] מאקרוסקופיות (כלומר, בעלות מספר רב של [[חלקיק]]ים) שמתאר את ה[[יחס (בין מספרים)|יחס]] בין [[כוח (פיזיקה)|כוח]] לבין יחידת [[שטח]] עליה הוא מופעל במאונך.

לדוגמה, עבור [[גז]] במכל סגור, חלקיקי הגז מתנגשים באופן תמידי בדפנות המכל, ובכך מפעילים עליהן כוח. אם במשך פרק זמן נתון נספור את כמות ההתנגשויות של חלקיקי גז בחלק מסוים של הדופן, וכן את כמות ההתנגשויות בחלק אחר של הדופן ששטחו כפול, נמצא שכמות ההתנגשויות כפולה בחלק ששטחו כפול, ולכן הכוח שהגז מפעיל עליו הוא כפול מהכוח שמופעל על החלק הקטן יותר. היחס של הכוח ליחידת שטח הדופן לא תלוי בשטח הדופן, אלא בתכונות הגז עצמו (כמה מהר המולקולות נעות, מה המסה של מולקולה בודדת, וכו'), ולכן ניתן לשייך לגז גודל שנקרא לחץ.

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]]ים מושג הלחץ קיים ומוגדר, אך מושג זה לא מספיק כדי לתאר את הכוחות הפועלים על משטחים, זאת בגלל תכונות החוזק שגורמות 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.

==הקשר בין לחץ וכוח==
משימור תנע ואנרגיה, בהתנגשות של מולקולה בודדת בעלת מסה קטנה בקיר עם מסה הרבה יותר גדולה, ניתן לקבל שהכוח שפועל על הקיר יהיה תמיד מאונך לקיר, לא משנה באיזה כיוון הגיעה המולקולה. לכן, לא משנה מה צורת מכל הגז, הכוח שמרגיש אלמנט שטח מההתנגשויות תמיד יהיה מאונך לו. בנוסף, ככל שלוקחים שטח גדול יותר, כך יש יותר התנגשויות ביחידת זמן (באופן פרופורציונלי לשטח), ולכן כפי שתואר למעלה, נוח להגדיר לנוזלים וגזים תכונה שלא קשורה למכל עצמו, הלחץ שלהם, המסומן באות <math>P</math>. כאשר נסתכל על אלמנט שטח בעל גודל <math>A</math> שנמצא בסמוך לזורם בלחץ <math>P</math>, אלמנט השטח ירגיש כוח במאונך אליו ששווה בגודלו למכפלת לחץ הנוזל בשטח האלמנט:
:<math>\vec{F}=PA\hat{n}</math>

כאשר <math>\hat{n}</math> וקטור יחידה שמצביע בכיוון מאונך לאלמנט השטח.

ניתן להסתכל על הנוסחה גם בכיוון ההפוך. כלומר, אם פועל כוח מסוים על גוף, כדי להקטין את הלחץ ניתן להגדיל את השטח עליו 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, הכוח הנקודתי הדרוש לכל מסמר להינעץ לאותו עומק כמו במקרה הקודם גם יגדל. אך הכוח הכולל המופעל (המשקל שלנו) לא ישתנה. במילים אחרות, הלחץ על העור יקטן (כל חתיכת עור מרגישה פחות כוח בפני עצמה ולכן אף חתיכה לא נקרעת).

בכל הדוגמאות להלן, דובר על הכוח שמרגיש משטח כתוצאה מהתנגשויות בכיוון אחד, אך עבור משטח שנמצא בתוך נוזל או גז, המשטח ירגיש כוח משני הכיוונים. אם הלחץ זהה משני צדדי המשטח, הכוח השקול שירגיש המשטח הוא 0. לעומת זאת, אם הלחץ בכיוון אחד של המשטח גדול מהלחץ בכיוון השני, הזורם מהכיוון הראשון ידחוף חזק יותר ושקול הכוחות יהיה שונה מאפס. באופן כללי, '''הכוח''' שמרגיש אלמנט נפח בעל גודל <math>dV</math> פרופורציונלי '''ל[[גרדיאנט]] הלחץ''':

<math>\vec{F}=-\nabla P \cdot dV</math>

לדוגמה, בגלל [[כבידה|כוח המשיכה]], הלחץ במים עולה ככל שיורדים עמוק יותר. לכן, כאשר מכניסים כדור ים למים, הוא מרגיש לחץ גדול יותר מתחתיו מאשר מעליו, ולכן מרגיש כוח למעלה. כוח זה נקרא לרוב [[ציפה (פיזיקה)|ציפה]], והוא נובע מגרדיאנט בלחץ הזורם. גם על סלע באותם ממדים היה מופעל אותו כוח, אך משום שהוא הרבה יותר כבד מכדור ים, המשקל שלו גבוה יותר מגרדיאנט הלחץ שמפעילים המים והוא שוקע.

עוד דוגמה היא כנף של מטוס, שתוך כדי מעוף גורמת ללחץ האוויר מעליה להיות נמוך מלחץ האוויר מתחתיה, דבר שגורם לכוח עילוי.

בשואבי אבק, השואב יוצר לחץ נמוך מאטמוספירה בתוכו, דבר שגורם לאוויר קרוב לשואב להרגיש מכיוון אחד שלו (כיוון השואב) לחץ נמוך יותר מבכיוון השני (איפה ששאר האוויר נמצא, בלחץ אטמוספירי), ולכן גורם לאוויר עצמו להדחף פנימה אל תוך השואב.

== 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 במכל עם נפח גדול פי 2, הגז יתפרס במכל ובכל רגע קיר המכל ירגיש פי 2 פחות התנגשויות. לעומת זאת, אם באותו מכל נכניס פי 2 חלקיקי גז, גם השפה של המכל תרגיש פי 2 יותר התנגשויות. בנוסף, אם נחמם את הגז, המולקולות בו ינועו מהר יותר ויתנגשו ביותר עוצמה בקירות המכל, 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 [[כוח ואן דר ואלס|כוחות ואן דר ואלס]], מה שיגרום לכך שבשלב הזה הלחץ על דפנות המכל לא עולה בצורה פרופורציונלית לצפיפות (עבור יותר מולקולות הן תמשוכנה אחת את השנייה קצת יותר ולכן הכוח על שפת המכל לא תעלה באותה כמות שיכלה להיות בלי המשיכה הזו). במקרה זה, כאשר הקירוב של גז אידיאלי 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 אידיאלי), אך באופן כללי הבעיה הזו נחשבת קשה ולרוב משוואת מצב של חומר מתקבלת על ידי ניסויים.

==יחידות==
ב[[מערכת היחידות הבין-לאומית]] נמדד הלחץ ב[[פסקל (יחידת מידה)|פסקל]] שמוגדר כלחץ שמפעיל [[כוח (פיזיקה)|כוח]] של [[ניוטון (יחידת מידה)|ניוטון]] אחד על משטח בעל [[שטח]] של [[מטר רבוע]] אחד: <math>\operatorname{Pa} = \frac{N}{m^2}</math>.

עם זאת, יחידה זו אינה שימושית בחיי היום יום מאחר שהיא מאוד קטנה, 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:
* [[אטמוספירה (מידה)|אטמוספירה]] - אטמוספירה אחת היא בקירוב הלחץ הממוצע שמפעילה [[אטמוספירה|אטמוספירת]] [[כדור הארץ]] בגובה [[פני הים]], והיא שווה ל-101,325 [[פסקל (יחידת מידה)|פסקל]] לערך או 760 מ"מ כספית.
* [[בר (מידה)|בר]] - 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.
* mmHg - [[מילימטר כספית]] - הלחץ שיצור עמוד כספית בגובה מילימטר אחד בתחתיתו.
* טור (Torr) - הלחץ השווה ל-1 חלקי 760 הלחץ של אטמוספירה אחת. ההבדל בינו לבין mmHg זניח ולכן כמעט ולא מבחינים בין השניים. באופן מסורתי, זו היחידה השימושית בקרב העוסקים במערכות ואקום (לחץ נמוך).

{| class="wikitable" style="text-align:center;"
|+טבלת המרות בין יחידות נפוצות
|-
!
![[פסקל (יחידת מידה)|פסקל]]
![[בר (מידה)|בר]]
![[אטמוספירה (מידה)|אטמוספירה]]
![[מילימטר כספית]]
![[PSI]]
|-
! 1 פסקל
| 1
| 10<sup>-5</sup>
| 0.987&times;10<sup>-5</sup>
| 0.0075
|1.45038&times;10<sup>-4</sup>
|-
! 1 בר
| 100,000
| 1
| 0.987
| 750
|14.5038
|-
! 1 אטמוספירה
| 101,325
| 1.013
| 1
| 760
|14.6959
|-
! מילימטר כספית (torr)
| 133
| 0.00133
| 0.00132
| 1
|0.0193368
|-
!PSI
|6894.76
|0.0689476
|0.068046
|51.7149
|1
|}
<br />

==מדידת לחץ==
לחץ נמדד באמצעות מכשיר הנקרא [[מנומטר]].

מנומטר פשוט בנוי מצינור בצורת האות U כאשר בקצהו האחד מצוי לחץ ידוע, בתחתיתו זורם כלשהו, וקצהו השני משמש למדידת לחץ. ניתן לחשב את הלחץ על ידי מדידת הפרש הגבהים בין שני קצוות הזורם ובעזרת הנוסחה למציאת לחץ סטטי בקירוב של [[גרביטציה|שדה כבידה אחיד]]:
:<math>P=\rho gh\,</math>

כאשר: <math>\ \rho</math> היא [[צפיפות החומר|צפיפות]] הנוזל, g הוא [[קבוע הכבידה|תאוצת הכובד]], ו-h הוא גובה עמוד הנוזל.

==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 במכל) 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.

=== יישומים ===
* [[עומד הידראולי]]

==לחץ בתרמודינמיקה==

ב[[תרמודינמיקה]] מקובל לדבר על הלחץ הממוצע שמפעילה המערכת על פאותיה. לרוב, המערכת תהיה גז הנתון במכל. לחץ זה נתון על ידי
: <math>\ P = - \left( \frac{ \partial U}{ \partial V} \right) _{S}</math>
כאשר
* P זה הלחץ הממוצע שמפעילה מערכת על פאותיה. בתהליך הפיך הוא שווה ללחץ החיצוני המופעל על המערכת.
* U זוהי ה[[אנרגיה]] הפנימית של המערכת.
* V הוא [[נפח]] המערכת
* S היא ה[[אנטרופיה]] שנשארת קבועה ב[[נגזרת חלקית|גזירה חלקית]] זו.

במילים אחרות, עבור תהליך שינוי נפח הפיך (לדוגמה, דחיסה איטית של המכל), במערכת בעלת מספר חלקיקים קבוע, כמות העבודה האינפיניטסימלית שנעשתה עליה שווה ל
: <math>\ dW = - P dV</math>
במובן הזה, ניתן לראות שלחץ מבטא את היחס בין '''שינוי באנרגיה''' ל'''שינוי בנפח'''.

==לחץ אטמוספירי==
{{ערך מורחב|לחץ אטמוספירי}}
לחץ אטמוספירי הוא הכוח שמפעיל משקל האוויר ליחידת שטח עליו פועל הכח. לחץ זה תלוי ברום הנקודה ובתנאים המטאורולוגיים. לחץ האוויר מופעל כאשר מולקולות האוויר מתנגשות בשטח עליו מופעל הלחץ. ככל שהמולקולות צפופות יותר, וככל שמהירותן (שתלויה בטמפרטורה) גדלה, הלחץ גדל (בהתאם למשוואת המצב של אוויר).

בתנאים סטנדרטיים, שנקבעו לגובה [[פני הים]], מוגדר לחץ האוויר כ[[אטמוספירה (מידה)|אטמוספירה]] אחת. גרדיאנטים בלחץ האטמוספירי מהווים את הגורם המשמעותי ביותר ביצירת [[רוח]]. (מהדיון [[#הקשר בין לחץ וכוח|למעלה]], גרדיאנט בלחץ האטמוספירי קשור לכוח שירגיש נפח מסוים של אוויר)

==תת-לחץ==
'''תת לחץ''' או לחץ שלילי מתאר מצב שבו הלחץ הנמדד מוצג כערך שלילי. תת-לחץ נובע בדרך כלל מכך שהלחץ הנמדד נמוך מלחץ ייחוס כלשהו ומוצג יחסית אליו. תת-לחץ ב[[צמיג]] למשל הוא לחץ הנמוך מהלחץ הרצוי לצמיג. תת-לחץ של 80 קילו [[פסקל (יחידת מידה)|פסקל]] יכול להופיע במד לחץ סטנדרטי כלחץ שלילי של 21 קילו פסקל ביחס ל[[לחץ אטמוספירי]] (101 קילו פסקל).

עם זאת, קיימים מקרים בהם לחץ שלילי הוא לחץ שלילי אבסולוטי ולא יחסי (כלומר לא ביחס ללחץ חיובי אחר). במצב זה, אלמנט שטח מרגיש כוח משיכה אל כיוון הנוזל ולא החוצה ממנו. במצב זה אם הלחץ השלילי גדול יותר (בערכו המוחלט) מהחוזק של החומר, החומר ייקרע.

==ראו גם==
* [[חוק פסקל]]
* [[תרמודינמיקה]]
*[[לחץ אטמוספירי]]
* [[לחץ דם]]
* [[לחץ חלקי]]
* [[מנומטר]]

==קישורים חיצוניים==
{{מיזמים|ויקימילון=לחץ|ויקימילון 2=תת לחץ}}
* {{בריטניקה}}

{{בקרת זהויות}}

[[קטגוריה:גדלים פיזיקליים]]
[[קטגוריה:תרמודינמיקה]]