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.
במערכת היחידות הבינלאומית נמדד הלחץ בפסקל שמוגדר כלחץ שמפעיל כוח של ניוטון אחד על משטח בעל שטח של מטר רבוע אחד: formula_16.
עם זאת, יחידה זו אינה שימושית בחיי היום יום מאחר שהיא מאוד קטנה, ולכן מקובל להשתמש ביחידות יותר גדולות כמו אטמוספירה או בר, ועבור שינויים בלחץ מקובל להשתמש במילימטר 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:
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 שדה כבידה אחיד:
כאשר: formula_18 היא צפיפות הנוזל, g הוא תאוצת הכובד, ו-h הוא גובה עמוד הנוזל.
לחץ בנוזלים ובגזים.
כפי שהוזכר בהתחלה, נוזלים וגזים (המכונים יחד זורמים) מורכבים ממספר רב של 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 הטמפרטורה), הלחץ יעלה גם כן.
לחץ סטגנציה (עצירה) הוא הלחץ שיוצר זרם הנתון במהירות מסוימת ונעצר. בכלי טיס משתמשים בצינור פיטו על מנת למדוד את הלחץ מסביב למטוס, ואת לחץ הסטגנציה ובאמצעותם לחשב את מהירות הטיסה ביחס לאוויר.
לחץ בתרמודינמיקה.
בתרמודינמיקה מקובל לדבר על הלחץ הממוצע שמפעילה המערכת על פאותיה. לרוב, המערכת תהיה גז הנתון במכל. לחץ זה נתון על ידי
כאשר
במילים אחרות, עבור תהליך שינוי נפח הפיך (לדוגמה, דחיסה איטית של המיכל), במערכת בעלת מספר חלקיקים קבוע, כמות העבודה האינפיניטסימלית שנעשתה עליה שווה ל
במובן הזה, ניתן לראות שלחץ מבטא את היחס בין שינוי באנרגיה לשינוי בנפח.
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 כאטמוספירה אחת. גרדיאנטים בלחץ האטמוספירי מהווים את הגורם המשמעותי ביותר ביצירת רוח. (מהדיון למעלה, גרדיאנט בלחץ האטמוספירי קשור לכוח שירגיש נפח מסוים של אוויר)
תת-לחץ.
תת לחץ או לחץ שלילי מתאר מצב בו הלחץ הנמדד מוצג כערך שלילי. תת-לחץ בדרך כלל נובע כתוצאה מכך שהלחץ הנמדד נמוך מלחץ ייחוס כלשהו ומוצג יחסית אליו. תת-לחץ בצמיג למשל הוא לחץ הנמוך מהלחץ הרצוי לצמיג. תת-לחץ של 80 קילו פסקל יכול להופיע במד לחץ סטנדרטי כלחץ שלילי של 21 קילו פסקל ביחס ללחץ 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.
מוצא החיים
מוצא החיים או אביוגנזה (בלועזית: Abiogenesis) הוא כינוי לתחום מחקר במדעי הטבע, החוקר את היווצרות החיים על פני כדור הארץ. ביסוד המחקר בתחום עומדת ההנחה שהחיים על פני כדור הארץ נוצרו בתהליכים אקראיים מחומר דומם.
המאמץ המחקרי העיקרי בתחום מוקדש לניסיון למצוא מסלולים כימיים בהם גדול יחסית הסיכוי לאביוגנזה בסביבת מולקולות כימיות נטולות חיים, כלומר באיזה מסלול כימי גדל הסיכוי ליצור חיים מחומר דומם.
השערה מקובלת היא שאירוע יצירת החיים התרחש סמוך לנביעות הידרותרמיות, בריכות געשיות או מעיינות חמים יבשתיים. מעיינות אלו פולטים אנרגיה וחומרים העשויים להיות שימושיים בסינתזות מולקולות מורכבות, ולאחר מכן מתאפשרת יציבותן של מולקולות אלו עם מעברן לאזורים הקרים יותר במים. באזורים אלו מצויות בימינו צורות החיים הקדומות ביותר הידועות לנו .
תורת האבולוציה מסבירה כיצד צורות חיים מורכבות ומגוונות הקיימות כיום התפתחו מצורות חיים פשוטות יותר. שאלת מוצא החיים מתמקדת בשאלת מוצאו של היצור החי הראשון. טרם נמצא הסבר שלם ומניח את הדעת למוצא החיים. מספר השערות ועדויות ניסיוניות מצביעות על פתרונות אפשריים לתעלומה זו מובאים להלן.
הנחות יסוד.
הראשון שהציע את האפשרות שהחיים התפתחו מחומר אי אורגני היה צ'ארלס דרווין אבי תורת האבולוציה. השערתו הייתה כי החיים התפתחו בתוך תערובת נוזלית של מלחי פוספט, ואמוניה שאפשרו, בשילוב עם אור, חום וחשמל את היווצרות החלבונים הראשונים.
ב-1924 פיתח ביוכימאי סובייטי בשם אלכסנדר אופרין תאוריה מקיפה יותר והציע ארבע הנחות יסוד המשמשות עד היום את הבסיס התאורטי לאביוגנזה:
נכון להיום החיידק המאובן הקדום ביותר שתוארך התגלה במערב אוסטרליה ב-2011. על פי ההשערות גילו הוא 3.4 מיליארד שנה. גם אם ממצא זה אינו ודאי, הרי שלפני 2.4 מיליארד שנים, היחס בין איזוטופים יציבים של פחמן (12C ו-13C), ברזל (56Fe, 57Fe ו-58Fe) וגפרית (32S, 33S, 34S ו-36S) מצביע על כך שמקורם של מינרלים ומשקעים הוא ביוגני
ותוצרים מולקולריים מצביעים על קיומה של פוטוסינתזה.
נושאים מרכזיים במחקר.
ג'ון ברנל, מחוקרי התחום, הציע כי היווצרות החיים התרחשה בשלושה שלבים:
כל אחד משלבים אלו העלה שאלות מחקריות רבות.
יצירת מונומרים.
ההנחה הרווחת היא שהתרכובות האורגניות הראשונות נוצרו מן הגזים שהרכיבו את האטמוספירה בעבר. לפני כ-4 מיליארד שנים כדור הארץ היה בעל אטמוספירה דלת חמצן ומרובה תרכובות גופרית מההתפרצויות הגעשיות התכופות שהיו בו. ברקים היו תדירים בהרבה ממה שהם היום. הרכב התמיסה שהיה באוקיינוסים של כדור הארץ בתקופה זו מכונה המרק הקדום.
החוקר האמריקאי סטנלי מילר, בהנחיית הרולד יורי, העמיד הנחה זו למבחן בניסוי מילר-יורי שבוצע בשנת 1953 באוניברסיטת שיקגו. הוא התקין מכשיר ומילא אותו בתערובת שחיקתה את האטמוספירה שכפי ששוער הייתה בכדור הארץ לפני 3.5 מיליארד שנה - תערובת גזים של מתאן, אמוניה, מימן ומים. הגזים סבבו במכשיר ומילר חיבר אלקטרודות שיפעילו עליהם התפרקויות חשמליות המדמות ברקים. תוך שבוע נוצרו בתערובת שלוש מתוך עשרים חומצות האמינו המשמשות אבני בניין של חלבונים, וחומרים אורגנים נוספים. בניסויים דומים שנערכו בשנים הבאות תוך שימוש בחומרים נוספים כגון גופרית הופיעו חומצות אמינו נוספות ואף חומצות גרעין (אבני הבניין של הדנ"א והרנ"א) וסוכרים פשוטים.
בשנת 2008 נערך ניתוח מחדש של התוצאות, והתגלה כי בניסוי מילר-יורי נמצאו 32 חומצות אמינו, ולא 3. 20 מבין החומצות הללו הן הדרושות לקיום חיים.
מקור נוסף לחומרים אורגניים עשוי להיות גופים המגיעים מן החלל החיצון. חומצות אמינו פפטידים קצרצרים ואף חלבון נמצאו בגופים שהגיעו לכדור הארץ מן החלל החיצון. בין אם גופים אלו מילאו חלק מרכזי באספקת מונומרים לתהליך היווצרות החיים ובין אם לאו, עצם נוכחותם מראה על האפשרות להיווצרות ספונטנית של חומרים אלו.
אחת החידות בהקשר של מוצא החיים היא מציאת הדרך שגרמה ליצירת עודף אננטיומרי של מולקולות כיראליות, כמו חומצות אמינו או סוכרים. ניסוי מילר-יורי לא הצליח לייצר תגובה סטריאוסלקטיבית שתיצור עודף כזה. ראיות לכך שמקורו של העודף מחוץ לכדור הארץ התגלו במטאוריט מורצ'יסון שמייצג את הרכב החומרים במערכת השמש הקדומה. ראיה נוספת מגיעה מתצפיות על קיטוב האור שמגיע מערפילית אוריון ועובר בדרכו חומר בין-כוכבי. מהמדידות נמצא שבאזורים מסוימים של החומר הבין-כוכבי יש עודף אננטיומרי של מולקולות כיראליות מסוימות.
סמוך לנביעות הידרותרמיות קיימים מסלולים כימיים לסינתזה של חומרים אורגנים.
בשנת 1968 פורסם מחקר תאורטי המראה שבהתנפצות בועות בקצף גלי ים נוצרים תנאים קיצוניים המאפשרים קשירת חנקן מהאוויר וקבלת חומצות אמיניות ופורינים. ב-2007 פורסם מחקר המראה שהסיכוי ליצירת תרכובות אלו במנגנון זה גדול בסדר גודל מאשר בכל הדרכים האחרות שהוצעו גם יחד. בעקבות החישוב נערכו בהמשך ניסויים שאימתו את המחקר התאורטי מ-1968 והתקבלו בהם החומרים הצפויים. כמו כן אוששה ההצעה בסימולציות מחשב.
בשנת 2020 הודגמו מסלולים כימיים שנמצאו בסימולציה ממוחשבת ליצירה ספונטנית של מולקולות מורכבות רבות המשמשות במטבליזם החי.
יצירת פולימרים.