פיזיקה תרמית

חומר קיים בשלושה מצבים: מוצק, נוזל וגז.

שינויי המצב הם: התכה (מוצק → נוזל), רתיחה/הידרפות (נוזל → גז), התעבות (גז → נוזל) והקפאה (נוזל → מוצק). בהתעבות חלקיקי הגז מאטים את מהירותם ומתקרבים זה לזה כדי ליצור נוזל. בהקפאה חלקיקי הנוזל מאבדים אנרגיה ונושעים במיקומים קבועים.

כל החומר עשוי מחלקיקים זעירים הנמצאים בתנועה מתמדת. זהו דגם החלקיק הקינטי.

• במוצק החלקיקים רק מתנדודים סביב מיקומים קבועים.
• בנוזל הם עדיין קרובים זה לזה אך יכולים להחליק זה על פני זה.
• בגז הם רחוקים זה מזה ונעים במהירות בכיוונים אקראיים.

טמפרטורה ואנרגיית חלקיקים

כאשר מחממים חומר, החלקיקים שלו נעים מהר יותר ולכן יש להם יותר אנרגיה קינטית. טמפרטורה היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים.

הטמפרטורה הנמוכה האפשרית ביותר היא אפס מוחלט, $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. בנקודה זו לחלקיקים יש את הכמות המינימלית האפשרית של אנרגיה.

לחץ גז

חלקיקי הגז פוגעים בקירות מיכלם. כל פגיעה היא דחיפה זעירה. הלחץ של הגז הוא הסך הכללי של כוח הפגיעות הללו ליחידת שטח.

• חימום גז (בערך נפח קבוע) גורם לחלקיקים לנוע מהר יותר ולפגוע בחוזקה ובתדר גבוה יותר, ולכן הלחץ עולה.
• דחיסת גז לתוך נפח קטן יותר (בערך טמפרטורה קבוע) משמעותה יותר פגיעות לשנייה על כל יחידת שטח, ולכן הלחץ עולה.

למסה קבועה של גז בטמפרטורה קבועה:

אם הנפח מתחצץ למחצה, הלחץ משתנה פי שניים.

דוגמה פותרת. לגז יש נפח של $200\ \text{cm}^3$ בלחץ של $100\ \text{kPa}$. הגז דחס ל$50\ \text{cm}^3$ בטמפרטורה קבועה. מצאו את הלחץ החדש.

מכיוון ש-$pV$ נשאר קבוע, $p_1 V_1 = p_2 V_2$:

תנועת ברואונית

אם מסתכלים על עשן באוויר תחת מיקרוסקופ, רואים נקודות זעירות הנעות בתנועה בולטת ובלתי צפויה. זוהי תנועת ברואונית. הנקודות נדחפות על ידי חלקיקי אוויר מהירים ואינו-נראים הפוגעים בהן. זהו עדות חזקה לדגם החלקיקי הקינטי.

*התנגשות אקראית מ חלקיקי אוויר מהירים דוחפת גרגר עשן לאורך מסלול תנועה סעיר ואקראי

סולם קלווין

מדענים משתמשים לעיתים קרובות בסולם הטמפרטורות קלווין (K), המתחיל באפס מוחלט. להמרה:

ולכן $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.

דוגמה פותרת. ממירו $25\,{}^{\circ}\text{C}$ לקלווין, ו-$200\ \text{K}$ לדרגות צלזיוס.

כשחומר מתחמם, חלקיקיו נעים יותר ותופסים מקום רב יותר, ולכן החומר מתפשט. גזים מתפשטים הכי הרבה, ולאחר מכן נוזלים, ולאחר מכן מוצקים. סדר זה נובע מכוחות בין החלקיקים: במוצק החלקיקים מוחזקים בחוזקה ב-רשת (תבנית קבועה), ולכן הם יכולים רק לרדוד מעט יותר; בנוזל הם מוחזקים בחוזקה פחותה; בגז הכוחות חלשים מאוד, ולכן החלקיקים מתפזרים הרבה יותר.

דוגמאות יומיומיות: מושארים רווחים בין מסילות רכבת; גשרים מונחים על גלגלים; מכסה מתכתי הדוק משתחרר כאשר מתחמם.

האנרגיה הפנימית של גוף היא הסך הכול של האנרגיה של כל חלקיקיו. חימום גוף מגביה את אנרגייתו הפנימית ובדרך כלל גם את טמפרטורתו.

קיבולת החום הסגולית היא האנרגיה הנדרשת כדי להגביר את טמפרטורתו של 1 ק"ג של חומר ב-1 °C.

חומר בעל קיבולת חום סגולית גבוהה (כמו מים) דורש הרבה אנרגיה להתחמם ומתקרר לאט.

דוגמה מופרשת. כמה אנרגיה נדרשת כדי לחמם $2.0\ \text{kg}$ של מים מ-$20\,{}^{\circ}\text{C}$ ל-$70\,{}^{\circ}\text{C}$? הקיבולת החום הסגולית של המים היא $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.

פירוק מחדש של $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ נותן $\Delta E = mc\,\Delta\theta$, כאשר $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:

מדידת קיבולת חום סגולית. עבור מוצק, השתמש בבלוק מתכת עם שני חורים: אחד לחום חשמלי מחמם ואחד למדחום. מדוד את המסה $m$ של הבלוק. הדלק את המחמם לזמן נמדד $t$ ורשום את הזרם $I$ ואת המתח $V$, כך שהאנרגיה המסופקת היא $E = IVt$ (או קרא את האנרגיה ממטר ג'ואל). רשום את עליית הטמפרטורה $\Delta\theta$. אז $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. לנוזל, חמם מסה נמדדת של הנוזל במיכל וערבב אותו, כך שהטמפרטורה תהיה זהה בכל החלק. עטוף את הבלוק או את המיכל ב-חומר מבודד, כך פחות אנרגיה תברח לאוויר.

התמזה ורתיחה דורשים אנרגיה, אך הטמפרטורה נשארת קבועה בזמן השינוי במצב. אנרגיה זו שוברת את הכוחות בין חלקיקים. עבור מים בלחץ אוויר רגיל, ההתמזה היא ב-$0\,{}^{\circ}\text{C}$ והרתיחה היא ב-$100\,{}^{\circ}\text{C}$.

אידוי הוא כאשר נוזל הופך לגז על פני השטח שלו, מתחת לנקודת הרתיחה. החלקיקים המהירים ביותר יוצאים מהמשטח. מכיוון שחלקיקים מהירים (בעלי אנרגיה גבוהה יותר) עוזבים, האנרגיה הממוצעת של אלו שנותרים יורדת, ולכן הנוזל מתקרר. חפץ הנוגע בנוזל המדהי גם הוא מתקרר, כי הנוזל לוקח אנרגיה ממנו: זהו הסיבה לכך שהזיעה מקררת את העור שלך.

אידוי מהיר יותר כאשר הטמפרטורה גבוהה יותר, שטח הפנים גדול יותר, ויש תנועת אוויר רבה יותר מעל המשטח.

אנרגיה תרמית נעה מאזורים חמים לאזורים קרים בשלושה דרכים.

הולכה

הולכה היא העברת אנרגיה תרמית דרך חומר ללא תנועת החומר עצמו. החלקיקים במוצק יושבים ברשת. חלקיקים מחוממים רועדים יותר ומעבירים את האנרגיה לשכניהם. במתכות, אלקטרונים חופשיים (אלקטרונים דלוקליזציה) מובילים אנרגיה במהירות, ולכן מתכות הן מוליכי חום טובים.

חומרים המוליכים רע (כמו אוויר, עץ ופלסטיק) הם מבודדי חום.

בדיקת מוליכים. הצמד סיכת ציור עם מעט שעווה לקצה אחד של מוטות נחושת, ברזל, זכוכית ועץ, וחמם את הקצוות האחרים באופן שווה. הסיכה נופלת קודם כל ממוט הנחושת, ולאחר מכן ממוט הברזל, ולסוף (או לעולם) מזכוכית ועץ: מתכות הן המוליכים הטובים ביותר. מוט מתכת המוחזק בכוחות火焰很快变热; מוט עץ אינו מתחמם.

גזים ורוב הנוזלים הם מוליכים רעים משום שחלקיקיהם רחוקים זה מזה ומעבירים אנרגיה רק כאשר הם נתקלים אקראית. אין רשת ואין אלקטרונים חופשיים.

מערכות חום

התכנסות מתרחשת בנוזלים ובגזים. כאשר נוזל מתחמם, הוא נפח, צפופותו יורדת והוא עולה. נוזל קר יותר וצפוף יותר שוקע כדי לתת את מקומו. מחזור הזרימה הזה של הנוזל נקרא זרם התכנסות.

הדגמת התכנסות. הכניסו גביש אפור פרמנגנטט אשלגן לסיר מדידה עם מים וחממו את הסיר בעדינות מתחת לגביש. זרם צבעוני עולה מעל החום, מתפשט בחלק העליון ושוקע בצדדים. באוויר, נר דולק בתחתית אחת ממערכות האוויר בתיבת עשן משוך את העשן למטה דרך המערכת האחרת ולמעלה מעל להלהבה.

התכנסות לא יכולה להתרחש במצב מוצק מכיוון שהחלקיקים אינם יכולים לנוע ממקום למקום.

קרינה

קרני תרמיות הן אנרגיה המובלת על ידי גלי אינפרא אדום. כל הגופים פולטים אותה, והיא אינה זקוקה לחומר כדי לעבור דרכה — היא יכולה לחצות ריק (כך מגיעה אנרגיה אלינו מהשמש).

משטח מט ושחור הוא פולט טוב ובולע טוב של אינפרא אדום. משטח מבריק ולבן הוא פולט גרוע ומחזיר טוב.

השוואת משטחים. מלאו שתי פחיות, אחת מט-שחורה ואחת כסופה-מבריקה, במים חמים באותה טמפרטורה, והכניסו מדחום בכל אחת. הפחית השחורה קרירה מהר יותר, ולכן היא הפולט הטובה יותר. לאחר מכן הניחו את אותן שתי פחיות, מלאות במים קרים, במרחקים שווים מחמם. הפחית השחורה התחממה מהר יותר, ולכן היא הבולעת הטובה יותר. קוביית לזלי (תיבת מתכת עם כל סוג גימור בצד אחד) מראה את אותו עובדה.

גוף נשאר בטמפרטורה קבועה כאשר הוא פולט אנרגיה בקצב זהה לקצב בו הוא בולע אנרגיה. קצב הפליטה גדול יותר כאשר המשטח חם וגדול יותר. אם גוף בולע אנרגיה מהר יותר משהוא פולט אותה, טמפרטורתו עולה; אם הוא פולט מהר יותר משהוא בולע, טמפרטורתו יורדת.

טמפרטורת כדור הארץ. כדור הארץ בולע קרינה מהשמש ופולט קרינת אינפרא אדום חזרה לחלל. טמפרטורת הממוצע שלו נשארת קבועה רק כאשר שני הקצבים שווים. כל שינוי בשיווי משקל זה משנה את הטמפרטורה. גזים באטמוספירה כמו פחמן דו-חמצני בולעים חלק מהאינפרא אדום הפולט ושולחים חלק ממנו חזרה למטה, ולכן יותר גזים אלו מחממים את כדור הארץ. עננים וקרח מחזירים אור שמש נכנס, ולכן פחות קרח פירונו יותר אנרגיה נבלעת, וכדור הארץ מתחמם עוד יותר.

דוגמאות יומיומיות

• קערת בישול יש לה תחתית מתכת המוליכה אנרגיה במהירות למזון, וידית מפלסטיק או עץ שהיא מבודדת, כך שאפשר להחזיק אותה.
• רדיאטור מחמם חדר באמצעות התכנסות: האוויר הסמוך אליו מתחמם, עולה, ואוויר קר יותר זורם פנימה כדי לתת את מקומו, ולכן כל החדר מתחמם.
• כאשר יושבים ליד אש מרגישים את הקרינה שלה על הפנים מיידית; האוויר שביןכם לבין האש הוא מוליך גרוע.
• בקבוק תרמי שומר על משקה חם על ידי עצירת כל שלושת ההעברות: הריק בין הדפנות הכפולות שלו מעצרת הולכה והתכנסות, והמשטחים הכסופים-המבריקים שלו מעצרים קרינה.

• במודל החלקיקים הקינטי, חימום גז גורם לחלקיקים שלו לנוע מהר יותר ולהתנגש בקירות בחוזקה ובתדירות רבה יותר, ולכן הלחץ עולה. הגודל של החלקיקים עצמם אינו משתנה.
• התאדות מתרחשת רק בשטח ובכל טמפרטורה; רתיחה מתרחשת בכל נפח הנוזל בטמפרטורה קבועה אחת. ההתאדות מקררת את הנוזל שנשאר מאחור, מכיוון שהחלקיקים המהירים ביותר בורחים ממנו.
• במהלך היתוך ורתיחה הטמפרטורה נשארת קבועה גם כאשר עדיין מסופקת אנרגיה — אנרגיה זו שוברת את הכוחות בין החלקיקים.
• עבור קיבולת חום סגולית השתמש ב$\Delta E = mc\,\Delta\theta$, כאשר $\Delta\theta$ מייצג את השינוי בטמפרטורה, ולא את הטמפרטורה הסופית.
• משטחים כהים ומטושים הם הטובים ביותר לפליטה וספיגה של אינפרא אדום; משטחים מבריקים ובהירים הם הטובים ביותר להחזרת אור. התכנסות דורשת זרימה של נוזל או גז, ולכן היא לא יכולה להתרחש במוצק.