דרכי מעבר חום
הולכה, הסעה וקרינה - שלוש דרכים שחום יכול לנוע
כיצד חום עובר ממקום למקום?
הולכה - מגע ישיר
הולכת חום
הולכה היא העברת אנרגיה מחלקיק לחלקיק שכן, ללא תנועה של החומר עצמו.
כשמחממים קצה אחד של מוט מתכת, החלקיקים החמים רוטטים בעוצמה ומעבירים את הרטט לחלקיקים השכנים.
החום 'נוסע' לאורך המוט מחלקיק לחלקיק, כמו דומינו.
מוליכי חום טובים: מתכות (נחושת, אלומיניום, ברזל) - כי יש להם אלקטרונים חופשיים שנעים בחופשיות ומעבירים אנרגיה מהר.
מבודדי חום: עץ, פלסטיק, קלקר, אוויר - החלקיקים שלהם לא מעבירים רטט ביעילות.
הולכה דורשת מגע ישיר בין חלקיקים. עובדת בעיקר במוצקים - כי החלקיקים צפופים.
הסעה - תנועת חומר
הסעת חום
הסעה היא העברת חום על ידי תנועה של הנוזל או הגז עצמו.
כשמחממים נוזל או גז מלמטה:
1. החלקיקים החמים נעים מהר יותר ומתרחקים זה מזה
2. החומר החם הופך קל יותר (צפיפות נמוכה) ועולה
3. החומר הקר יורד למטה (צפיפות גבוהה)
4. נוצרת תנועה מעגלית - זרמי הסעה
הבדל מהולכה: בהסעה, החומר עצמו זז. בהולכה, רק הרטט מתפשט.
הסעה עובדת רק בנוזלים וגזים - כי הם יכולים לזרום. חם עולה, קר יורד.
קרינה - ללא חומר
קרינת חום
קרינה היא העברת אנרגיה בגלים אלקטרומגנטיים - לא צריכה חומר בכלל.
כל גוף שטמפרטורתו מעל אפס מוחלט פולט קרינה אלקטרומגנטית (בעיקר אינפרא-אדום).
ככל שהגוף חם יותר, הוא פולט יותר קרינה.
מאפיינים ייחודיים:
- עוברת דרך וואקום (ריק) - לא צריכה חלקיקים
- נעה במהירות האור
- כך השמש מחממת את כדור הארץ - דרך 150 מיליון ק"מ של חלל ריק
משטח שחור: בולע ופולט קרינה ביעילות.
משטח מבריק/לבן: מחזיר קרינה - בולע פחות.
קרינה היא הדרך היחידה שחום יכול לעבור דרך חלל ריק.
השוואת שלוש הדרכים
השוואת דרכי מעבר חום
| תכונה | הולכה | הסעה | קרינה |
|---|---|---|---|
| מנגנון | תנודות חלקיקים | תנועת חומר | גלים אלקטרומגנטיים |
| דרך מה? | מוצקים (בעיקר) | נוזלים וגזים | כל דבר (גם ריק) |
| צריך מגע? | כן - חלקיקים | כן - בתוך הנוזל/גז | לא - עוברת בוואקום |
| מוליך טוב | מתכות | מים, אוויר | כל גוף חם |
| מבודד/חוסם | עץ, פלסטיק, אוויר | ואקום (אין חומר) | משטחים מבריקים/לבנים |
| מהירות | איטית-בינונית | בינונית | מהירות האור |
| כיוון | מקום חם ← קר | חם עולה, קר יורד | כל הכיוונים |
דוגמאות מהחיים
דוגמאות לכל דרך
הולכה
- כף מתכת בסיר חם מתחממת
- ריצפת מרצפות מצננת כפות רגליים
- מגהץ מחמם בד
- עוגה נאפית במגע עם תבנית חמה
הסעה
- מזגן מפזר אוויר קר (שיורד)
- חימום ביתי - אוויר חם עולה
- רוחות ים-יבשה
- מרק רותח - בועות עולות
קרינה
- חום מדורה מורגש מרחוק
- שמש מחממת דרך החלון
- מנורת חימום אינפרא-אדום
- חום מתנור פתוח
רוחות ים ויבשה - הסעה בטבע
רוח ים (יום)
ביום, היבשה מתחממת מהר (חום סגולי נמוך).
אוויר מעל היבשה מתחמם ועולה.
אוויר קריר מהים נכנס ומחליף.
תוצאה: רוח מהים ליבשה.
רוח יבשה (לילה)
בלילה, היבשה מתקררת מהר (חום סגולי נמוך).
הים עדיין חם (חום סגולי גבוה).
אוויר מעל הים עולה.
תוצאה: רוח מהיבשה לים.
בידוד תרמי - הטכנולוגיה
שימושים טכנולוגיים
תרמוס
דופן כפולה עם ואקום ביניהן (מונע הולכה והסעה). דופן פנימית מבריקה (מחזירה קרינה). פקק (מונע הסעה כלפי מעלה).
ביגוד חורף
שכבות אוויר כלוא בין הבדים. אוויר = מבודד מצוין (מונע הולכה). שכבות מונעות זרמי הסעה. לכן כמה שכבות דקות > שכבה עבה אחת.
בידוד בניינים
קירות עם שכבת בידוד (קלקר, צמר סלעים). חלונות כפולים עם אוויר או ארגון ביניהם. גגות בהירים מחזירים קרינת שמש.
התרמוס - שלוש שכבות הגנה
איך התרמוס עובד?
התרמוס הוא דוגמה מבריקה לבידוד שנגד כל שלוש דרכי מעבר החום:
נגד הולכה: ואקום בין הדפנות - אין חלקיקים שיעבירו רטט
נגד הסעה: ואקום - אין נוזל/גז שיזרום + פקק למעלה
נגד קרינה: דופן פנימית מצופה כסף/מראה - מחזירה קרינה
התוצאה: המשקה שומר על טמפרטורתו שעות ארוכות. עובד גם לחם וגם לקר!
שאלה לחשיבה
מדוע ידית סיר עשויה מפלסטיק ולא ממתכת?
מתכת היא מוליכת חום טובה מאוד - אם הידית הייתה ממתכת, החום מהלהבה היה עובר בהולכה דרך הסיר אל הידית ושורף את היד. פלסטיק הוא מבודד חום - הוא לא מעביר חום בצורה יעילה, ולכן הידית נשארת קרירה.
שאלה לחשיבה
למה שמים את הרדיאטור (גוף חימום) בתחתית החדר ולא בתקרה?
הרדיאטור מחמם את האוויר שסביבו. אוויר חם קל יותר ועולה (הסעה). אם הרדיאטור בתחתית החדר, האוויר החם יעלה ויחמם את כל החדר בזרמי הסעה. אם היה בתקרה, האוויר החם היה נשאר למעלה ורוב החדר היה נשאר קר.
שאלה לחשיבה
כיצד מחממת מדורה את הישוב סביבה? באיזו דרך מעבר חום?
מדורה מחממת בעיקר בשתי דרכים:
1. קרינה - הלהבות פולטות קרינת אינפרא-אדום לכל הכיוונים. לכן מרגישים חום גם ממטרים ספורים.
2. הסעה - האוויר החם עולה למעלה (לכן העשן עולה). אוויר קר נכנס מלמטה ומתחמם.
הולכה כמעט לא משחקת תפקיד - אלא אם נוגעים ישירות.
חליפת כבאים מודרנית מתמודדת עם כל שלוש דרכי מעבר חום: שכבה חיצונית מבריקה מחזירה קרינה. שכבת בידוד פנימית (אוויר כלוא) מונעת הולכה. והחליפה אטומה - מונעת מגע ישיר. כבאים יכולים לעמוד ליד אש של מאות מעלות למשך דקות ארוכות. אותו עיקרון עובד בחליפות של אסטרונאוטים, שצריכות להגן מפני קיצוניות של -150 עד +120 מעלות.
חום במערכות טכנולוגיות
קומקום חשמלי
גוף חימום ממתכת מוליך חום למים (הולכה).
המים החמים עולים למעלה, הקרים יורדים (הסעה).
נוצרים זרמי הסעה שמחממים את כל המים.
לכן גוף החימום נמצא בתחתית הקומקום.
מערכת מיזוג
במזגן, נוזל קירור מתאדה בתוך הבית (קולט חום).
מתעבה מחוץ לבית (פולט חום).
מאוורר מפזר אוויר קר בחדר (הסעה מאולצת).
היחידה החיצונית פולטת אוויר חם.
מנוע שריפה פנימית
שריפת דלק מייצרת חום.
מערכת קירור (מים) סופגת חום בהולכה.
המים זורמים לרדיאטור ומתקררים בהסעה.
חלק מהחום נפלט בקרינה מהמנוע.
דוד שמש
קרינת שמש נבלעת בקולטים שחורים.
חום עובר בהולכה למים שבצינורות.
מים חמים עולים לדוד העליון (הסעה טבעית).
שלוש הדרכים משולבות יחד!
צבע משטח והשפעתו על קרינה
שחור מול לבן
משטח שחור / כהה
בולע קרינה ביעילות - מתחמם מהר.
פולט קרינה ביעילות - מתקרר מהר.
קולט שמש שחור על הגג - מחמם מים.
רכב שחור בשמש - מתחמם מאוד.
דוגמה: לכן קולטי שמש צבועים שחור
משטח לבן / מבריק
מחזיר קרינה - מתחמם לאט.
פולט מעט קרינה - שומר חום.
גגות לבנים - שומרים על בית קריר.
רכב לבן בשמש - נעים יותר.
דוגמה: לכן בתים בים התיכון צבועים לבן
איך לזכור את שלוש הדרכים
טריק לזכירה:
- הולכה = 'הוֹלְכה' - החום 'הולך' מחלקיק לחלקיק (דומינו)
- הסעה = 'הַסָּעָה' - החומר עצמו 'נוסע' ממקום למקום (אוטובוס)
- קרינה = 'קוֹרֶנֶת' - אנרגיה 'קורנת' כמו השמש (אור)