נסו את הטריק הבא. מלאו כוס במים עד שפתה, והניחו מעליה קלף משחק חלק. החזיקו את הקלף במקומו באצבע, והפכו את הכוס. עכשיו הסירו את האצבע. הקלף לא זז, והמים נשארים בכוס! הטריק עובד כי האוויר מפעיל לחץ שמתנגד למשקל המים. על הירח, שאין בו לחץ אטמוספירי, הוא לא היה עובד. במאה ה-17 הבינו המדענים שאנחנו חיים בקרקעית של אוקיינוס של אוויר. הלחץ הוא אחת התכונות של האוויר, ושל כל גז אחר.
באדיבות ויקיפדיה
אוטו פון גריקה היה ראש העיר הגרמנית מגדבורג, ומדען חובב מוכשר. הוא המציא משאבת ריק (ואקום), והראה שנוצות ואבנים נופלות באותו קצב כשאין התנגדות של אוויר – אישור לחיזוי של גלילאו. הוא גם הראה שהאוויר חיוני לחיים, כששאב את האוויר מצנצנת שהיו בה בעלי חיים קטנים. את עוצמת לחץ האוויר הדגים פון גריקה בניסוי מרהיב. הוא בנה כדור נחושת בקוטר חצי מטר, העשוי משני חצאי כדור. אחרי ששאב בעזרת משאבה את האוויר מהכדור, שני צוותים של שמונה סוסים לא הצליחו להפריד את החצאים. אבל כשפתח את השסתום והכניס בחזרה את האוויר, החצאים נפרדו מעצמם.
לחץ מוגדר ככוח הפועל על שטח, ובכתיב מתמטי: P = F/A. כלומר, אותו כוח הפועל על שטח קטן יותר יוצר לחץ גבוה יותר. פיזור הכוח (או המשקל) על שטח גדול יותר הוא הסיבה שבנעלי שלג לא שוקעים בשלג, אף שבנעליים רגילות שוקעים. הוא גם מסביר למה אפשר לשכב בבטחה על מיטת מסמרים, אף שאילו ישבתם על מסמר אחד, הוא היה חודר לעור. לחץ האוויר על חלון גדול בבית שווה למשקל של כמה טונות – פי מאה ויותר ממשקלכם! אבל האוויר שבתוך הבית מפעיל אותו לחץ כלפי חוץ, ולכן שני הכוחות מאוזנים.
באדיבות ויקיפדיה
את המחקר השיטתי הראשון של תכונות הגזים ערך רוברט בויל באמצע המאה ה-17. בויל היה הארבעה-עשר מבין חמישה-עשר ילדיו של הרוזן מקורק, אחד האנשים העשירים ביותר באירלנד. הוא דחס והרחיב כמות קבועה של אוויר, הגז היחיד שהיה מוכר אז, ומדד את הלחץ שלו. בטמפרטורה קבועה הוא מצא יחס הפוך פשוט בין הלחץ לנפח:
P ∝ 1/V
אם מגדילים את הלחץ על גז, הנפח שלו קטן. קל לראות זאת במשאבת אופניים: כשחוסמים את הפתח ולוחצים על הבוכנה, נפח עמוד האוויר במשאבה קטן. בויל סיכם ש"יש באוויר שאנו חיים בו קפיץ, או כוח אלסטי", ואפשר להרגיש אותו כשלוחצים על המשאבה מעלה ומטה. ככל שמפעילים כוח גדול יותר, ולכן לחץ גבוה יותר, האוויר נדחס עוד.
בסוף המאה ה-18 גילו כמה מדענים צרפתים עוד תכונה חשובה של גזים: כשמחממים גז (בלחץ קבוע), הוא מתרחב בכ-0.37% (1/273) מנפחו בכל מעלת צלזיוס. בסולם הטמפרטורות של קלווין, זה יחס ישר פשוט:
V ∝ T
גז מתרחב כשהוא מתחמם: אם מכפילים את הטמפרטורה (בקלווין), הנפח מוכפל. גם הקשר בין דחיסה לחום מוכר ממשאבת אופניים: אחרי ניפוח ממושך של צמיג, הגליל של המשאבה חם באופן מורגש, כי האוויר שנדחס בו התחמם. היחס הזה נכון לכל גז. משילוב שני היחסים – בין הלחץ לנפח, ובין הנפח לטמפרטורה – מקבלים:
PV ∝ T
המשוואה הזו היא כלי רב עוצמה להבנה ולחיזוי של התנהגות גזים. היא נקראת "חוק הגז האידיאלי", כי היא מניחה כמה הנחות על המולקולות שמרכיבות את הגז: (1) מספר המולקולות גדול מאוד; (2) המולקולות תופסות חלק זניח מנפח הגז; (3) המולקולות נמצאות בתנועה אקראית מתמדת; (4) אין כוחות בין המולקולות; (5) המולקולות מתנגשות זו בזו בלי לאבד אנרגיה. בתנאים הרגילים בכדור הארץ, כל ההנחות האלה מתקיימות היטב.
חוק הגז האידיאלי מתאר איך הטמפרטורה והצפיפות של האטמוספירה של כדור הארץ משתנות עם הגובה, וכך גם בכל אטמוספירה של פלנטה אחרת. ובעזרת גרסאות משוכללות יותר שלו אפשר גם לנבא באילו תנאים גז מתעבה לנוזל או למוצק. המבנה האקזוטי של האטמוספירות של הפלנטות הענקיות הוא ביטוי של חוק פיזיקלי שנבדק היטב.
תכונות כלליות של גז, כמו לחץ וטמפרטורה, קשורות לתכונות המיקרוסקופיות של האטומים והמולקולות שלו. הראשון שהבין זאת היה דניאל ברנולי, באמצע המאה ה-18. ברנולי היה בן למשפחה יוצאת דופן: לא פחות משמונה מבני המשפחה, לאורך שלושה דורות, היו מדענים ומתמטיקאים ידועים! ברנולי הבין שלחץ הגז נוצר מהתנגשויות מתמשכות של מולקולות הגז בדפנות הכלי. דחיסת הגז מגדילה את מספר ההתנגשויות בכל שנייה, ולכן את הלחץ. היא גם מגדילה את האנרגיה של כל התנגשות, ולכן את הטמפרטורה. החישוב של ברנולי הראה שמכפלת הלחץ בנפח קשורה למספר המולקולות (N) ולאנרגיה הקינטית הממוצעת של כל אחת מהן:
PV = ⅔ N (½mv2)
האנרגיה הקינטית של חלקיק קשורה לטמפרטורה: ½mv2 = 3/2 kT. כשמציבים את זה במשוואה שלמעלה, מקבלים:
PV = NkT
כאן k הוא קבוע בולצמן, ו-N מספר המולקולות. בכימיה נהוג לכתוב את אותו חוק בצורה PV = nRT, כאשר n הוא מספר המולים ו-R קבוע הגזים. החוק הקטן והאלגנטי הזה חל על כל גז, ובתנאים הפיזיקליים של כל פלנטה.
→ הסעיף הקודם: 7.7 מדוע הן כה ענקיות? | הסעיף הבא: 7.9 הטבעות של ענקי הגז ←