لا ضغط!

ما هو الضغط في الماء والغاز، وكيف يتم قياس الضغط، وما هو الضغط الأسموزي؟

المؤلف: تسفي أتزمون، جاليليو الشاب

الضغط هو القوة المؤثرة على وحدة المساحة. كلما زادت القوة، كلما زاد الضغط. ويزداد الضغط أيضًا عندما تصبح المساحة التي تؤثر عليها القوة أصغر. على سبيل المثال، عند تطبيق القوة على دبوس يلامس طرفه الورقة، فإن طرف الدبوس يثقب الورقة بسهولة: تؤثر القوة على مساحة صغيرة جدًا من الطرف، وبالتالي يكون الضغط كبيرًا ويثقب الورقة بسهولة ورق. إذا طبقنا نفس القوة على الدبوس عندما يلامس رأسه العريض الورقة، فلن يتم إنشاء ثقب في الورقة - ولن يكون الضغط كافيًا لذلك. في الفيزياء، يُشار إلى الضغط بالحرف p.
ما هو ضغط الماء؟
يوجد داخل الماء ضغط يخلقه الماء، وكلما تعمقت في الماء، زاد الضغط. نشعر بذلك بشكل جيد عند الغوص في حمام السباحة أو في البحر ويكون لدينا ضغط في آذاننا. ليس الماء فقط هو الذي يخلق الضغط، بل أي سائل. يسمى ضغط عمود السائل بالضغط الهيدروستاتيكي. يعتمد الضغط الهيدروستاتيكي على عمق السائل وجاذبيته النوعية. الضغط الهيدروستاتيكي في السائل هو وزن عمود من السائل لكل وحدة مساحة. إذا وضعت جسمًا في الماء على عمق عشرة سنتيمترات، فإن الضغط سيؤثر عليه، ولكنه ضعيف جدًا. يؤثر ضغط أقوى بكثير على جسم يبلغ عمقه عشرة سنتيمترات من الزئبق (سائل ذو ثقل نوعي مرتفع). يخلق عمود الماء الذي يبلغ ارتفاعه عشرة أمتار ونصف ضغطًا جويًا واحدًا تقريبًا (موضح أدناه)، كما يخلق عمود من الزئبق الذي يبلغ ارتفاعه 76 سم ضغطًا جويًا واحدًا. إن الضغط الذي يزداد مع العمق هو الذي يحد من العمق الذي يمكن أن تصل إليه الغواصات دون أن تتضرر.
هل الغاز أيضًا يخلق ضغطًا؟
لا يخلق عمود من السائل ضغطًا فحسب، بل أيضًا عمودًا من الغاز، ولكن الجاذبية النوعية للغاز أقل بكثير من كثافة الماء. ويشكل عمود الهواء الممتد من سطح البحر إلى الأجزاء العليا من الغلاف الجوي ضغطاً يعادل الضغط الهيدروستاتيكي بحوالي عشرة أمتار ونصف المتر من الماء، أو 76 سنتيمتراً من الزئبق. ويسمى هذا الضغط "جو واحد".
يمكن أيضًا إنشاء الضغط عن طريق النفخ - إضافة الهواء إلى مساحة محدودة، مثل نفخ الهواء في بالون أو كرة قدم أو إطار دراجة أو إطار سيارة. ومع ضغط المزيد من جزيئات الهواء داخل الإطار، يزداد الضغط فيه. هناك أسطوانات معدنية تعمل على ضغط كمية كبيرة من ثاني أكسيد الكربون تحت ضغط عالٍ لتكوين الصودا.
كيف تقيس الضغط؟
يتم التعبير عن الضغط بوحدات الضغط الجوي (علامة atm): عند مستوى سطح البحر يبلغ ضغط الهواء حوالي 1 atm. على عمق عشرة أمتار ونصف في البحر يكون الضغط حوالي 2 جو (ضغط الهواء 1 جو، وضغط عمود الماء 1 جو). على جبل إيفرست، يكون ضغط الهواء أقل بقليل من ثلث أجهزة الصراف الآلي.
يمكن أيضًا التعبير عن الضغط بوحدات ارتفاع عمود السائل الذي يخلق مثل هذا الضغط. على سبيل المثال، الضغط الجوي يساوي ضغط 760 ملم زئبق. يسمى ضغط المليمتر الواحد من الزئبق بالحارة - نسبة إلى توريتشيلي، العالم الذي أثبت إمكانية وجود الفراغ (فراغ - ضغط صفر). تشير الإطارات عادةً إلى الضغط بوحدات PSI؛ 15 رطل لكل بوصة مربعة يساوي حوالي 1 ATM.
ما هو الضغط الاسموزي؟
إذا قمت بإذابة السكر أو الملح في الماء، تحصل على محلول. من المعتاد أن نقول أن مثل هذا الحل له ضغط أسموزي. ما المقصود ب؟ إذا سكبنا محلولاً سكرياً في وعاء جوانبه مصنوعة من مادة تسمح بمرور الماء وتمنع مرور جزيئات السكر، ووضعنا هذا الوعاء في وعاء يحتوي على ماء نقي - فإن جزيئات الماء تبدأ بالمرور عبر الوعاء. الجانبين في محلول السكر. وتسمى هذه العملية بالتناضح. إذا قمت بالضغط بدرجة كافية على الوعاء الذي يوجد فيه محلول السكر، فسيتوقف الماء عن اختراق محلول السكر. كلما زاد تركيز السكر في المحلول السكري، كلما زاد الضغط عليه لمنع دخول الماء الأسموزي إليه.
الضغط الأسموزي هو الضغط الذي يجب ممارسته لمنع دخول الماء الأسموزي. إذا كان الأمر كذلك، فهذا ليس ضغطًا، بل الحاجة إلى ممارسة الضغط. لذلك فمن الأدق القول أن المحلول له قيمة تناضحية، وليس ضغطًا تناضحيًا. وحدات القيمة الاسموزية للمحلول هي وحدات الضغط (على سبيل المثال، الأجواء)، لأن هذا هو الضغط الذي يجب ممارسته على المحلول. يتم الإشارة إلى هذه القيمة بالحرف اليوناني Pi (π، أي ما يعادل الحرف الإنجليزي p، والذي، كما تتذكر، يشير إلى الضغط). تتمتع خلايا النباتات والبكتيريا بقيمة تناضحية عالية - حيث يتم تغليف خلاياها بجدار صلب يمكن أن يمارس ضغطًا عليها، وبالتالي يمنع الدخول الأسموزي للمياه الزائدة وخطر انفجار الخلية.
إذا طبقنا ضغطًا خارجيًا على محلول أكبر من ضغطه الأسموزي، فلن يقتصر الأمر على عدم دخول الماء إليه عن طريق التناضح، بل سيتركه الماء أيضًا. هذا هو التناضح العكسي، وتستخدم هذه الطريقة لتحلية المياه - تحويل المياه المالحة إلى مياه صالحة للشرب (كتبنا عن التناضح العكسي في إسرائيل في عدد مايو 2016).
باختصار، الضغط هو القوة لكل وحدة مساحة؛ في المقابل، الضغط الأسموزي هو الضغط الذي يجب تطبيقه على المحلول لمنع دخول الماء إليه أسموزيًا.

تم نشر المقال في مجلة جاليليو يونغ الشهرية للأطفال الفضوليين. للحصول على ورقة رقمية هدية انقر