בפיזיקה, המושג "חום" קשור להעברת אנרגיה תרמית בין גופים שונים. עקב תהליכים אלו, מתרחש חימום וקירור של גופים, כמו גם שינוי במצבי הצבירה שלהם. הבה נבחן ביתר פירוט את השאלה מהו חום.
קונספט
מהו חום? כל אדם יכול לענות על שאלה זו מנקודת מבט יומיומית, כלומר תחת המושג הנדון התחושות שיש לו כאשר טמפרטורת הסביבה עולה. בפיזיקה, תופעה זו מובנת כתהליך של העברת אנרגיה הקשור לשינוי בעוצמת התנועה הכאוטית של מולקולות ואטומים היוצרים את הגוף.
באופן כללי, אנחנו יכולים לומר שככל שטמפרטורת הגוף גבוהה יותר, כך נאסרת בו יותר אנרגיה פנימית, והיא יכולה לתת יותר חום לחפצים אחרים.
חום וטמפרטורה
ביודעים את התשובה לשאלה מהו חום, רבים עשויים לחשוב שהמושג הזה דומה למושג "טמפרטורה", אבל הוא לא. חום הוא אנרגיה קינטית, הטמפרטורה היא מדד לכךאֵנֶרְגִיָה. אז, תהליך העברת החום תלוי במסה של החומר, במספר החלקיקים המרכיבים אותו, כמו גם בסוג החלקיקים הללו ובמהירות הממוצעת של תנועתם. בתורו, הטמפרטורה תלויה רק אחרון מהפרמטרים המפורטים.
קל להבין את ההבדל בין חום לטמפרטורה אם עורכים ניסוי פשוט: צריך לשפוך מים לשני כלים כך שכלי אחד יהיה מלא והשני רק חצי מלא. כששמים את שני הכלים על האש, אפשר להבחין שהאחד שבו יש פחות מים מתחיל לרתוח ראשון. כדי שהכלי השני ירתח, הוא יצטרך עוד קצת חום מהאש. כששני הכלים רותחים, אפשר למדוד את הטמפרטורה שלהם, היא תהיה זהה (100 oC), אבל היה צורך בחום נוסף כדי שכלי מלא ירתיח בו מים.
יחידות חום
לפי ההגדרה של חום בפיזיקה, אפשר לנחש שהוא נמדד באותן יחידות של אנרגיה או עבודה, כלומר בג'אול (J). בנוסף ליחידת החום העיקרית, בחיי היומיום אתה יכול לעתים קרובות לשמוע על קלוריות (קק"ל). מושג זה מובן ככמות החום שצריך להעביר לגרם אחד של מים כדי שהטמפרטורה שלו תעלה ב-1 קלווין (K). קלוריה אחת שווה ל-4.184 J. ניתן לשמוע גם על קלוריות גדולות וקטנות, שהן 1 קק"ל ו-1 קלורית, בהתאמה.
המושג של קיבולת חום
כדי לדעת מהו חום, בואו ניקח בחשבון כמות פיזית המאפיינת אותו ישירות - יכולת חום. לפי הרעיון הזה,פיסיקה פירושה כמות החום שיש לתת לגוף או לקחת ממנו כדי שהטמפרטורה שלו תשתנה ב-1 קלווין (K).
קיבולת החום של גוף מסוים תלויה בשני גורמים עיקריים:
- על ההרכב הכימי ומצב הצבירה שבו הגוף מוצג;
- מהמונית שלו.
כדי להפוך את המאפיין הזה לבלתי תלוי במסה של עצם, בפיזיקה של החום הוכנסה כמות נוספת - קיבולת החום הספציפית, שקובעת את כמות החום שמועבר או נקלט על ידי גוף נתון לכל 1 ק ג של המסה שלו כאשר הטמפרטורה משתנה ב-1 K.
כדי להראות בבירור את ההבדל ביכולות החום הספציפיות עבור חומרים שונים, למשל, קח 1 גרם מים, 1 גרם ברזל ו-1 גרם שמן חמניות וחמם אותם. הטמפרטורה תשתנה הכי מהר עבור דגימת הברזל, לאחר מכן עבור ירידת השמן, ותמשך עבור המים.
שימו לב שכושר החום הספציפי תלוי לא רק בהרכב הכימי של החומר, אלא גם במצב הצבירה שלו, כמו גם בתנאים הפיזיקליים החיצוניים שבהם הוא נחשב (לחץ קבוע או נפח קבוע).
המשוואה העיקרית של תהליך העברת החום
לאחר שעסקנו בשאלה מהו חום, יש לתת את הביטוי המתמטי העיקרי המאפיין את תהליך העברתו עבור כל גופים לחלוטין בכל מצב צבירה. לביטוי זה יש את הצורה: Q=cmΔT, כאשר Q הוא כמות החום המועבר (המתקבל), c הוא החום הספציפי של האובייקט הנדון, m -המסה שלו, ΔT היא השינוי בטמפרטורה המוחלטת, המוגדרת כהבדל בטמפרטורות הגוף בסופו ובתחילת תהליך העברת החום.
חשוב להבין שהנוסחה הנ ל תמיד תקפה כאשר במהלך התהליך הנדון, האובייקט שומר על מצב הצבירה שלו, כלומר, הוא נשאר נוזל, מוצק או גז. אחרת, לא ניתן להשתמש במשוואה.
שינוי במצב הצבירה של החומר
כפי שאתה יודע, ישנם 3 מצבי צבירה עיקריים שבהם החומר יכול להיות:
- gas;
- נוזל;
- גוף מוצק.
כדי שיתרחש מעבר ממצב אחד לאחר, יש צורך שהגוף יודיע או יסלק ממנו חום. עבור תהליכים כאלה בפיזיקה, הוצגו המושגים של חום ספציפי של התכה (התגבשות) והרתחה (עיבוי). כל הכמויות הללו קובעות את כמות החום הנדרשת לשינוי מצב הצבירה, המשחרר או סופג 1 ק ג ממשקל הגוף. עבור תהליכים אלה, המשוואה תקפה: Q=Lm, כאשר L הוא החום הסגולי של המעבר המתאים בין מצבי החומר.
להלן המאפיינים העיקריים של תהליכי שינוי מצב הצבירה:
- תהליכים אלה מתרחשים בטמפרטורה קבועה, כגון רתיחה או התכה.
- הם הפיכים. לדוגמה, כמות החום שגוף נתון ספג על מנת להמיס תהיה שווה בדיוק לכמות החום שתשתחרר לסביבה אם גוף זה יעבור שובלמצב מוצק.
שיווי משקל תרמי
זה עוד סוגיה חשובה הקשורה למושג "חום" שצריך לקחת בחשבון. אם שני גופים עם טמפרטורות שונות יובאו במגע, אז לאחר זמן מה הטמפרטורה בכל המערכת תתאזן ותהיה זהה. כדי להגיע לשיווי משקל תרמי, גוף עם טמפרטורה גבוהה יותר חייב להפיץ חום למערכת, וגוף עם טמפרטורה נמוכה יותר חייב לקבל את החום הזה. ניתן לבטא את חוקי פיזיקת החום המתארים תהליך זה כשילוב של משוואת העברת החום הראשית והמשוואה הקובעת את השינוי במצב המצטבר של החומר (אם קיים).
דוגמה בולטת לתהליך של כינון ספונטני של שיווי משקל תרמי היא מוט ברזל לוהט שמושלך למים. במקרה זה, המגהץ החם יפלוט חום למים עד שהטמפרטורה שלו תשתווה לטמפרטורת הנוזל.
שיטות בסיסיות להעברת חום
כל התהליכים הידועים לאדם הנלווים לחילופי אנרגיה תרמית מתרחשים בשלוש דרכים שונות:
- מוליכות תרמית. על מנת שחילופי חום יתרחשו בצורה זו, יש צורך במגע בין שני גופים עם טמפרטורות שונות. באזור המגע ברמה המולקולרית המקומית, אנרגיה קינטית מועברת מגוף חם לגוף קר. קצב העברת החום הזה תלוי ביכולת של הגופים המעורבים להוביל חום. דוגמה בולטת של מוליכות תרמית היאאדם נוגע במוט מתכת.
- הסעה. תהליך זה דורש תנועה של החומר, ולכן הוא נצפה רק בנוזלים ובגזים. מהות ההסעה היא כדלקמן: כאשר מחממים שכבות גז או נוזלים, צפיפותן יורדת, ולכן הן נוטות לעלות למעלה. במהלך עלייתם בנפח הנוזל או הגז, הם מעבירים חום. דוגמה להסעה היא תהליך הרתחת מים בקומקום.
- קרינה. תהליך זה של העברת חום מתרחש עקב פליטת קרינה אלקטרומגנטית בתדרים שונים על ידי גוף מחומם. אור השמש הוא דוגמה מצוינת לקרינה.
