התרחבות תרמית וקיבולת חום סגולית
הוצג| English | משמעות |
|---|---|
| specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ | קיבולת חום סגולית |
| thermal expansion/ˈθɜːml ekˈspænʃn/ | התפשטות תרמית |
| internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ | אנרגיה פנימית |
מדוע לגשרים יש מרווחים
- מסילות רכבת כוללות מרווחים קטנים; גשרים יושבים על גלגלי תמיכה; כבלי חשמל נמתחים בחורף.
- הכל בגלל סיבה אחת: דברים גדלים כאשר מתחממים.
- חימום גם מאגר אנרגיה בתוך החומר — שנמדד באמצעות קיבולת חום ספציפית.
התפשטות תרמית
- מחממים חומר והחלקיקים שלו נעים יותר, ולכן תופסים שטח גדול יותר — הוא מתפשט.
- גזים מתפשטים הכי הרבה, אחר כך נוזלים, ואז מוצקים (שהחלקיקים בהם מחוברים חזק).
- מהנדסים משאירים מרווחים במסילות ומניחים גשרים על גלגלי תמיכה כדי שההתפשטות לא תעוות אותם.
- מכסה מתכת צמודה נפתחת כאשר מריצים אותה תחת מים חמים — המתכת מתפשטת.
התפשטות תרמית: חימום הופך את המסילה לארוכה יותר וסוגר את המרווח שהושאר עבורה.
דוגמה מודעת. גשר פלדה בעל אורך $50\ \text{m}$ בטמפרטורת $10\ {}^{\circ}\text{C}$. פלדה מתפשטת בכמות של כ-$0.012\ \text{mm}$ למטר לכל ${}^{\circ}\text{C}$. אם הטמפרטורה עולה ל-$40\ {}^{\circ}\text{C}$ (עליית טמפרטורה של $30\ {}^{\circ}\text{C}$): ההתפשטות היא $= 50 \times 0.012 \times 30 = 18\ \text{mm}$. זוהי הסיבה לכך שיש לגשרים מפרקי התפשטות!
החלקיקים אינם גדלים. כאשר מוצק מתפשט, הגודל עצמי של החלקיקים נשאר זהה — הם רק רועדים יותר ודוחפים זה את זה רחוק יותר. זוהי טעות נפוצה במבחנים.
חימום וקיבולת חום סגולית
Q = mcΔT
כמות האנרגיה החיונית פרופורציונלית לעליית הטמפרטורה עבור מסה נתונה של חומר.
עבור אותה עליית טמפרטורה, איזה מתרחב הכי הרבה?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
גזים מתרחבים הכי הרבה, אחר כך נוזלים, ואז מוצקים (שהחלקיקים בהם מחוברים בצפיפות הכי גבוהה).
מדוע משאירים רווחים קטנים בין מסילות רכבת?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
ביום חם הקורות נמתחות. הפער מספק מקום לעודף האורך, כך שהמסילה אינה מתעוותת.
אנרגיה פנימית
- האנרגיה הפנימית של חפץ היא סך האנרגיה של כל חלקיקיו (התנועה והארגון שלהם).
- חימום חפץ מעלה את האנרגיה הפנימית שלו — בדרך כלל גם את הטמפרטורה שלו.
אותה יד באור רגיל ובמצלמה תרמית (אינפרא-אדום)
קיבולת חום סגולית
- קיבולת החום הספציפית $c$ היא האנרגיה הנדרשת להעלות את טמפרטורת $1\ \text{kg}$ של חומר ב-$1\ {}^{\circ}\text{C}$:
- לכן האנרגיה החיונית לחימום חומר היא $\Delta E = m c\,\Delta\theta$.
- מים יש להם $c$ גבוה מאוד ($\approx 4200$ ג'ול לקילוגרם לכל מעלת צלזיוס): נדרשת כמות רבה של אנרגיה כדי לחמם אותם והם מתקררים לאט. מכאן שהים נשאר עדין ומים משמשים במערכות חימום.
מדחום דיגיטלי מודד טמפרטורה
כמה אנרגיה נדרשת לחמם $2.0\ \text{kg}$ מים ב-$10\ {}^{\circ}\text{C}$? (השתמשו ב-$c = 4200$ J לכל ק"ג לכל °C.)
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$\Delta E = mc\,\Delta\theta = 2.0 \times 4200 \times 10 = 84\,000\ \text{J}$.
הוספת $8400\ \text{J}$ מעלה את הטמפרטורה של $0.50\ \text{kg}$ מתכת ב-$40\ {}^{\circ}\text{C}$. מהי החום הספציפי שלו, ב-J לכל ק"ג לכל °C?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \dfrac{8400}{0.50 \times 40} = \dfrac{8400}{20} = 420$ J לכל ק"ג לכל °C.
מכיוון למים יש חום ספציפי גבוה, הם מתחממים ומקררים לאט.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
חום ספציפי גבוה אומר שצריך הרבה אנרגיה לכל מעלה, ולכן טמפרטורת המים משתנה לאט.
הבנתך מושלמת
- חימום גורם לחומר להתפשט — גזים מתפשטים ביותר, מוצקים פחות מכל; יש להשאיר מקום להתפשטות זו
- אנרגיה פנימית = סך כל האנרגיה של כל החלקיקים
- קיבולת חום ספציפית $c = \dfrac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$, ולכן $\Delta E = mc\,\Delta\theta$
- למים יש $c$ גבוה → הם מתחממים ומתקררים לאט