חום מול טמפרטורה

שני מושגים שונים לחלוטין - הבנת ההבדל היא המפתח לפיזיקת החום

thermometerהאם חום וטמפרטורה זה אותו דבר?

בחיי היום-יום משתמשים במילים 'חום' ו'טמפרטורה' כאילו הן זהות. אבל במדע הן מתארות דברים שונים לחלוטין. הבלבול ביניהן הוא אחת הטעויות הנפוצות ביותר בפיזיקה.

balance-scaleההבדל המרכזי

balance-scaleטמפרטורה מול חום

thermometerטמפרטורה (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

fireחום (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

atomטמפרטורה ברמת החלקיקים

thermometerטמפרטורה = 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.

טוען סימולציה...

dropletחום כולל מול טמפרטורה - הדוגמה המכרעת

lightbulbדוגמאות 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.

balanceשיווי משקל תרמי

balanceשיווי 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.

exclamation-triangleחוק חשוב

חום תמיד עובר מגוף בטמפרטורה גבוהה לגוף בטמפרטורה נמוכה. אף פעם לא בכיוון ההפוך - גם אם הגוף הקר מכיל יותר חלקיקים.

  1. החום עובר בגלל הפרש טמפרטורות - לא בגלל הפרש כמויות
  2. המעבר נמשך עד שהטמפרטורות משתוות (שיווי משקל)
  3. בשיווי משקל - אין מעבר חום, גם אם הגופים שונים בגודל

rulerסולמות מדידת טמפרטורה

סולמות טמפרטורה

סולםנקודת ייחוס תחתונהנקודת ייחוס עליונהשימוש עיקרי
צלזיוס (C)0 - קיפאון מים100 - רתיחת מיםשימוש יום-יומי ומדעי
קלווין (K)0 - אפס מוחלט273 - קיפאון מיםמחקר מדעי
פרנהייט (F)32 - קיפאון מים212 - רתיחת מיםארה"ב (שימוש יום-יומי)

* המרה: K = C + 273. טמפרטורת הגוף: 37C = 310K = 98.6F

snowflakeאפס מוחלט - הטמפרטורה הנמוכה ביותר

snowflakeמהו 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.

globeטמפרטורות מעניינות ביקום

סולם טמפרטורות ביקום

star
החלל הריק

-270 מעלות צלזיוס. כמעט אפס מוחלט. הקרינה הקוסמית מרקע היקום.

flask
חנקן נוזלי

-196 מעלות. משמש בהקפאה מהירה ברפואה ובמחקר.

globe
ליבת כדור הארץ

כ-6,000 מעלות. חם כמו פני השמש. עשוי ברזל וניקל.

fire
להבת נר

כ-1,000 מעלות. מספיק כדי להתיך מתכות רכות.

sun
פני השמש

כ-5,500 מעלות. הפלזמה פולטת אור ראוי.

atom
ליבת השמש

כ-15 מיליון מעלות. מיזוג גרעיני של מימן להליום.

calculatorיחידות מדידה של חום

lightning

ג'ול (J)

יחידת האנרגיה הבסיסית במערכת SI.

1 ג'ול = האנרגיה הנדרשת להרמת 100 גרם לגובה של כמטר.

fire

קלוריה (cal)

כמות החום הנדרשת לחמם 1 גרם מים ב1 מעלה.

1 קלוריה = 4.2 ג'ול.
קילו-קלוריה (kcal) = 1,000 קלוריות.

lightning

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.

thinking-faceשאלה 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.

thinking-faceשאלה 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.

thinking-faceשאלה 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.

שאלה 1 מתוך 10

מדוע ריצפת מרצפות מרגישה קרה יותר משטיח באותו חדר?

המשך קריאה

עוד עמודים שיכולים לחבר את מה שלמדתם עכשיו