חום מול טמפרטורה
שני מושגים שונים לחלוטין - הבנת ההבדל היא המפתח לפיזיקת החום
האם חום וטמפרטורה זה אותו דבר?
ההבדל המרכזי
טמפרטורה מול חום
טמפרטורה (T)
ממוצע האנרגיה הקינטית של החלקיקים.
מאפיין של גוף בודד.
נמדדת במעלות צלזיוס (C) או קלווין (K).
לא תלויה בכמות החומר.
דוגמה: מים ב-80 מעלות - חלקיקים נעים מהר
חום (Q)
אנרגיה שעוברת מגוף חם לגוף קר.
מתאר מעבר אנרגיה בין גופים.
נמדד בג'ול (J) או קלוריות.
תלוי בכמות החומר ובהפרש הטמפרטורות.
דוגמה: חום עובר מהקפה החם ליד שמחזיקה אותו
טמפרטורה = תכונה של גוף. חום = אנרגיה שעוברת בין גופים
טמפרטורה ברמת החלקיקים
טמפרטורה = ממוצע אנרגיה קינטית
בכל חומר, החלקיקים נמצאים בתנועה מתמדת. הטמפרטורה מודדת כמה מהר הם נעים בממוצע.
טמפרטורה מודדת את ממוצע האנרגיה הקינטית של כל החלקיקים בחומר.
חשוב להבין: מדובר בממוצע. בכל רגע יש חלקיקים מהירים יותר ואיטיים יותר, אבל הטמפרטורה מבטאת את הממוצע.
- טמפרטורה גבוהה: חלקיקים נעים מהר בממוצע
- טמפרטורה נמוכה: חלקיקים נעים לאט בממוצע
- 0 קלווין (-273 מעלות צלזיוס): החלקיקים כמעט לא נעים
טמפרטורה מודדת 'כמה מהר' החלקיקים נעים בממוצע - לא את סך כל האנרגיה.
חום כולל מול טמפרטורה - הדוגמה המכרעת
דוגמאות להבדל
בריכה מול כוס תה
כוס תה ב-80 מעלות וברֵכה ב-25 מעלות. הטמפרטורה של התה גבוהה יותר, אבל החום הכולל בבריכה גדול הרבה יותר - כי יש בה הרבה יותר חלקיקים.
ניצוץ מול אמבטיה
ניצוץ ממדורה יכול להיות באלפי מעלות, אבל הוא לא ישרוף אתכם. למה? כי יש בו כמות זעירה של חלקיקים, ולכן החום הכולל שלו קטן מאוד.
סיר גדול וסיר קטן
על אותה להבה מחממים סיר גדול מלא מים וסיר קטן. שניהם מקבלים אותה כמות חום, אבל הקטן יגיע לטמפרטורה גבוהה יותר כי יש בו פחות חלקיקים.
מזג אוויר
אוויר במדבר ב-50 מעלות מרגיש חם מאוד. אוויר לח ב-35 מעלות עלול להרגיש חם יותר כי לחות גבוהה מקשה על הגוף להתקרר בהזעה.
שיווי משקל תרמי
שיווי משקל תרמי
כשמביאים שני גופים בטמפרטורות שונות למגע, חום עובר מהחם לקר עד שמגיעים לשיווי משקל.
כוס קפה רותח (90 מעלות) מונחת בחדר (25 מעלות):
1. חום עובר מהקפה החם לאוויר הקר
2. הקפה מתקרר - חלקיקיו מאטים
3. האוויר סביב מתחמם מעט
4. התהליך נמשך עד שהטמפרטורות משתוות
בשיווי משקל תרמי:
- אין הפרש טמפרטורה בין הגופים
- אין מעבר חום נוסף
- המערכת הגיעה למצב יציב
חום תמיד זורם מחם לקר, עד לשיווי משקל. זה חוק טבע בסיסי שאי אפשר לעקוף.
חוק חשוב
חום תמיד עובר מגוף בטמפרטורה גבוהה לגוף בטמפרטורה נמוכה. אף פעם לא בכיוון ההפוך - גם אם הגוף הקר מכיל יותר חלקיקים.
- החום עובר בגלל הפרש טמפרטורות - לא בגלל הפרש כמויות
- המעבר נמשך עד שהטמפרטורות משתוות (שיווי משקל)
- בשיווי משקל - אין מעבר חום, גם אם הגופים שונים בגודל
סולמות מדידת טמפרטורה
סולמות טמפרטורה
| סולם | נקודת ייחוס תחתונה | נקודת ייחוס עליונה | שימוש עיקרי |
|---|---|---|---|
| צלזיוס (C) | 0 - קיפאון מים | 100 - רתיחת מים | שימוש יום-יומי ומדעי |
| קלווין (K) | 0 - אפס מוחלט | 273 - קיפאון מים | מחקר מדעי |
| פרנהייט (F) | 32 - קיפאון מים | 212 - רתיחת מים | ארה"ב (שימוש יום-יומי) |
* המרה: K = C + 273. טמפרטורת הגוף: 37C = 310K = 98.6F
אפס מוחלט - הטמפרטורה הנמוכה ביותר
מהו אפס מוחלט?
אפס מוחלט = 0 קלווין = -273.15 מעלות צלזיוס.
זו הטמפרטורה הנמוכה ביותר שאפשר להגיע אליה. בטמפרטורה זו, החלקיקים כמעט לא נעים (תנועה מינימלית בשל מכניקת הקוונטים).
במעבדות הצליחו להגיע לאלפיות מעלה מעל האפס המוחלט, אבל אף פעם לא ממש לאפס עצמו.
טמפרטורות מעניינות ביקום
סולם טמפרטורות ביקום
החלל הריק
-270 מעלות צלזיוס. כמעט אפס מוחלט. הקרינה הקוסמית מרקע היקום.
חנקן נוזלי
-196 מעלות. משמש בהקפאה מהירה ברפואה ובמחקר.
ליבת כדור הארץ
כ-6,000 מעלות. חם כמו פני השמש. עשוי ברזל וניקל.
להבת נר
כ-1,000 מעלות. מספיק כדי להתיך מתכות רכות.
פני השמש
כ-5,500 מעלות. הפלזמה פולטת אור ראוי.
ליבת השמש
כ-15 מיליון מעלות. מיזוג גרעיני של מימן להליום.
יחידות מדידה של חום
ג'ול (J)
יחידת האנרגיה הבסיסית במערכת SI.
1 ג'ול = האנרגיה הנדרשת להרמת 100 גרם לגובה של כמטר.
קלוריה (cal)
כמות החום הנדרשת לחמם 1 גרם מים ב1 מעלה.
1 קלוריה = 4.2 ג'ול.
קילו-קלוריה (kcal) = 1,000 קלוריות.
קוט"ש (kWh)
קילו-ואט שעה. יחידת אנרגיה בחשבון חשמל.
1 קוט"ש = 3,600,000 ג'ול.
זה הרבה אנרגיה - מספיק לחמם 860 ליטר מים במעלה אחת.
שאלה לחשיבה
כוס מים גדולה (1 ליטר) וכוס מים קטנה (0.1 ליטר) שתיהן ב-80 מעלות. לאיזו יש יותר חום? לאיזו טמפרטורה גבוהה יותר?
הטמפרטורה זהה (80 מעלות) - כי ממוצע האנרגיה הקינטית של החלקיקים זהה. אבל החום הכולל גדול יותר בכוס הגדולה - כי יש בה פי 10 יותר חלקיקים, ולכן סך כל האנרגיה הקינטית גדול יותר.
שאלה לחשיבה
ניצוץ ממדורה יכול להיות בטמפרטורה של 3,000 מעלות, אבל אם הוא נוחת על ידכם הוא לא שורף. כיצד זה ייתכן?
הניצוץ הוא גוש זעיר של חלקיקים חמים. למרות שהטמפרטורה שלו גבוהה מאוד (חלקיקים נעים מהר), כמות החלקיקים קטנה מאוד. לכן החום הכולל שהוא יכול להעביר ליד הוא זניח - לא מספיק כדי לחמם את העור באופן משמעותי.
שאלה לחשיבה
מדוע כששמים גוש קרח בכוס מים חמים, המים מתקררים אבל הקרח נמס? מי 'מנצח'?
חום עובר מהמים החמים (טמפרטורה גבוהה) אל הקרח הקר (טמפרטורה נמוכה). המים מאבדים אנרגיה ומתקררים, הקרח קולט אנרגיה ונמס. התהליך נמשך עד שמגיעים לשיווי משקל - טמפרטורה אחידה. אף אחד לא 'מנצח' - שניהם מגיעים לטמפרטורה משותפת.
אנדרס צלזיוס (1701-1744), אסטרונום שבדי, קבע שני נקודות ייחוס: 0 מעלות = נקודת קיפאון מים, 100 מעלות = נקודת רתיחה. מעניין שבמקור הוא הציע את הסולם הפוך - 100 לקיפאון ו-0 לרתיחה!
לורד קלווין (1824-1907), פיזיקאי בריטי, הציע סולם שמתחיל מאפס מוחלט. מדד קלווין חשוב במדע כי אין בו ערכים שליליים - 0K הוא המינימום האפשרי.
ריצפת מרצפות ושטיח באותו חדר הם באותה טמפרטורה בדיוק! אבל המרצפות מרגישות קרות יותר כי הן מוליכות חום טוב. כשרגלכם נוגעת בהן, החום עובר מהר מהרגל החמה למרצפת הקרה. שטיח הוא מבודד - הוא לא מוליך חום ביעילות, ולכן הרגל לא מאבדת חום מהר. מה שאנחנו מרגישים הוא קצב מעבר החום, לא את הטמפרטורה עצמה.