חום סגולי
כמה אנרגיה צריך כדי לחמם חומר? התשובה תלויה בחומר עצמו
למה מתכת מתחממת מהר ומים לאט?
מהו חום סגולי?
הגדרה מדויקת
חום סגולי הוא תכונה של חומר שמגדירה כמה אנרגיה נדרשת לחמם אותו.
חום סגולי (c) = כמות החום (בג'ול) הנדרשת כדי לחמם 1 ק"ג של חומר במעלה אחת.
היחידה: J/(kg x C) (ג'ול לקילוגרם למעלה)
בספרי לימוד רבים גם משתמשים ב-J/(g x C) - ג'ול לגרם למעלה.
חום סגולי הוא תכונה של החומר - לא משנה כמה ממנו יש. 1 גרם מים ו-1 טון מים - לשניהם אותו חום סגולי.
חום סגולי גבוה = חומר 'עיקש' שקשה לחמם ולקרר. חום סגולי נמוך = חומר 'נענה' שמשנה טמפרטורה בקלות.
הנוסחה
Q = m x c x DeltaT
Q = כמות חום (ג'ול, J)
m = מסה (ק"ג או גרם)
c = חום סגולי של החומר
DeltaT = שינוי טמפרטורה (מעלות צלזיוס)
שלושה גורמים משפיעים על כמות החום:
1. מסה - יותר חומר = יותר אנרגיה נדרשת
2. סוג חומר - חום סגולי שונה = צורך שונה באנרגיה
3. שינוי טמפרטורה - הפרש גדול יותר = יותר אנרגיה
חום סגולי של חומרים נפוצים
חום סגולי של חומרים נפוצים
| חומר | חום סגולי J/(g x C) | מתחמם מהר/לאט | דוגמה יום-יומית |
|---|---|---|---|
| מים | 4.2 | לאט מאוד | ים, בריכה, גוף האדם |
| אלכוהול | 2.4 | לאט | חומרי חיטוי |
| שמן | 2.0 | בינוני | שמן טיגון, שמן מנוע |
| חול/אדמה | 0.8 | מהר | חול בחוף הים |
| אלומיניום | 0.9 | מהר | רדיד אלומיניום, סירים |
| ברזל | 0.45 | מהר מאוד | מחבת ברזל |
| נחושת | 0.39 | מהר מאוד | חוטי חשמל, צנרת |
| כסף | 0.24 | הכי מהר | תכשיטים, מצופים |
* ככל שהחום הסגולי גבוה יותר, צריך יותר אנרגיה לחמם את החומר - הוא מתחמם ומתקרר לאט יותר
מים - חום סגולי גבוה במיוחד
ייחודיות המים
למים יש החום הסגולי הגבוה ביותר מבין כל הנוזלים והמוצקים הנפוצים. לעובדה הזו יש השפעה עצומה על כדור הארץ ועל גוף האדם.
חום סגולי מים: 4.2 J/(g x C). זה אומר שצריך 4.2 ג'ול כדי לחמם גרם מים אחד במעלה אחת.
להשוואה, ברזל: רק 0.45 J/(g x C) - כמעט פי 10 פחות!
ההשלכות:
- מים מתחממים לאט ומתקררים לאט
- ערי חוף ים נהנות מאקלים ממוזג
- גוף האדם (60-70% מים) שומר על טמפרטורה יציבה
- מים משמשים לקירור מנועים ומפעלים
- הים מווסת את אקלים כדור הארץ
המים הם 'מייצב הטמפרטורה' של כדור הארץ ושל הגוף שלנו.
חוף ים מול מדבר - חום סגולי בפעולה
השפעת חום סגולי על אקלים
עיר חוף (תל אביב)
הים (מים, c=4.2) מתחמם ומתקרר לאט.
בקיץ: הים קולט חום ומקרר את האוויר.
בחורף: הים פולט חום ומחמם את האוויר.
הפרש קיץ-חורף: קטן (~15 מעלות).
דוגמה: תל אביב: קיץ ~30, חורף ~15
עיר מדבר (באר שבע)
חול ואדמה (c=0.8) מתחממים ומתקררים מהר.
בקיץ: האדמה מתחממת מאוד.
בחורף: האדמה מתקררת מהר.
הפרש קיץ-חורף: גדול (~25 מעלות).
דוגמה: מדבר: קיץ ~40, חורף ~8
ההבדל באקלים נובע בעיקר מהחום הסגולי הגבוה של מים לעומת חול
דוגמאות חישוב
תרגילי חישוב
חימום מים
נתון: m=200g, c=4.2, DeltaT=50 מעלות
חישוב: Q = 200 x 4.2 x 50 = 42,000 J
פירוש: צריך 42,000 ג'ול לחמם 200g מים ב-50 מעלות.
חימום ברזל
נתון: m=200g, c=0.45, DeltaT=50 מעלות
חישוב: Q = 200 x 0.45 x 50 = 4,500 J
פירוש: ברזל צריך פי 9 פחות אנרגיה מאותה מסה של מים!
מציאת שינוי טמפרטורה
נתון: Q=8400J, m=100g מים, c=4.2
חישוב: DeltaT = Q/(mc) = 8400/(100x4.2) = 20 מעלות
מציאת מסה
נתון: Q=6300J, c=4.2, DeltaT=30 מעלות
חישוב: m = Q/(c x DeltaT) = 6300/(4.2x30) = 50g
שימושים טכנולוגיים
חום סגולי בטכנולוגיה
קירור מנועים
מנועי רכב משתמשים במים לקירור. בזכות החום הסגולי הגבוה, מים סופגים הרבה חום מבלי להגיע לטמפרטורות מסוכנות.
סירי בישול
סירים עשויים מתכת (חום סגולי נמוך) כדי שיתחממו מהר. ידיות עשויות פלסטיק או עץ כדי למנוע כוויות.
בקבוקי מים חמים
למים יש חום סגולי גבוה, אז הם משחררים חום לאט ושומרים על חום לזמן ארוך - מושלם לחימום בחורף.
שאלה לחשיבה
200 גרם מים ו-200 גרם ברזל מחוממים באותה כמות אנרגיה: 4,200 ג'ול. מי ישנה את טמפרטורתו יותר?
מים: DeltaT = Q/(mc) = 4200/(200 x 4.2) = 5 מעלות. ברזל: DeltaT = 4200/(200 x 0.45) = 46.7 מעלות. הברזל יתחמם כמעט פי 10 יותר מהמים, כי חום הסגולי שלו נמוך בהרבה.
שאלה לחשיבה
מדוע בקיץ חול החוף רותח אבל מי הים נעימים?
שניהם מקבלים את אותה קרינת שמש, אבל לחול יש חום סגולי נמוך (0.8) ולמים חום סגולי גבוה (4.2). החול צריך פי 5 פחות אנרגיה כדי להתחמם, ולכן הוא מגיע לטמפרטורה גבוהה הרבה יותר.
שאלה לחשיבה
קומקום חשמלי מחמם 1 ליטר מים מ-20 ל-100 מעלות. כמה אנרגיה נדרשת?
Q = m x c x DeltaT = 1,000g x 4.2 x 80 = 336,000 ג'ול (336 קילו-ג'ול). זה שווה ערך לכ-0.093 קוט"ש - חלק קטן מחשבון החשמל. שימו לב שחלק מהאנרגיה הולך לחימום הקומקום עצמו ולסביבה.
קלורימטר הוא מכשיר שמודד כמות אנרגיה. כשרוצים לדעת כמה קלוריות יש במזון, שורפים אותו בתוך הקלורימטר. החום שמשתחרר מחמם מים, ולפי עליית הטמפרטורה של המים מחשבים את כמות האנרגיה. למשל: אם שריפת אגוז מעלה את טמפרטורת 100 גרם מים ב-50 מעלות, האנרגיה שהשתחררה = 100 x 4.2 x 50 = 21,000 ג'ול (כ-5 קילו-קלוריות).
לשמן חום סגולי נמוך יותר ממים (כ-2.0 לעומת 4.2). אבל יש סיבה נוספת: מים רותחים ב-100 מעלות ומתאדים, ואילו שמן יכול להגיע ל200-250 מעלות בלי להתאדות. לכן בטיגון בשמן המזון מגיע לטמפרטורות גבוהות יותר - והתוצאה היא קרום פריך. זה גם הסיבה שכוויות שמן חמורות יותר מכוויות מים.
הניסוי המרכזי - מפרט
ניסוי חובה - השפעת סוג חומר על שינוי טמפרטורה
לפי מפרט משרד החינוך, יש לבצע ניסוי שבודק את השפעת סוג החומר על מידת ההתחממות:
מהלך הניסוי:
1. קחו כמויות שוות של מים ושמן (למשל 100 גרם מכל אחד)
2. חממו את שניהם על אותה להבה למשך אותו זמן
3. מדדו את שינוי הטמפרטורה בכל אחד
4. השמן יתחמם יותר - כי חום הסגולי שלו נמוך
משתנה בלתי תלוי: סוג הנוזל
משתנה תלוי: שינוי טמפרטורה
משתנים קבועים: מסה, זמן חימום, עוצמת להבה
סיכום - שלוש נוסחאות חשובות
מציאת חום (Q)
Q = m x c x DeltaT
כשנתונים מסה, סוג חומר ושינוי טמפרטורה.
מציאת DeltaT
DeltaT = Q / (m x c)
כשנתונים חום, מסה וסוג חומר.
מציאת מסה (m)
m = Q / (c x DeltaT)
כשנתונים חום, סוג חומר ושינוי טמפרטורה.
טעויות נפוצות בחישובים
שימו לב לנקודות הבאות בחישובי חום סגולי:
- DeltaT הוא שינוי טמפרטורה (סופית - התחלתית), לא הטמפרטורה עצמה
- בדקו יחידות: אם c ב-J/(g x C) אז m בגרמים. אם c ב-J/(kg x C) אז m בק"ג
- חום סגולי של מים = 4.2 J/(g x C) = 4,200 J/(kg x C) - אותו ערך, יחידות שונות
- חום סגולי הוא תמיד חיובי - DeltaT יכול להיות שלילי (קירור)