ניצול מאפיינים התרמיים של החומר

ניצול מאפיינים התרמיים של החומר

ככל שטמפרטורת החומר עולה, המולקולות המרכיבות את החומר נעות באנרגיה קינטית גדולה יותר. זה מאלץ את המולקולות הבודדות לתפוס יותר מקום והחומר מתרחב. אם החומר נמצא בנפח מוגבל, הלחץ יכול לבנות לרמות מסוכנות. 

מושגי מפתח

• דו-מתכתי
• הולכה
• הסעה
• קרינה
• תרמוסטט

שמירה על המכונית שלך

המכונית שלך מציעה את ההזדמנות המושלמת ללמוד כמה עקרונות בסיסיים של העברת חום ותכונות תרמיות של חומר. כאשר המכונית שלך מתחממת, צריך לקרר את המנוע. חום מועבר, באמצעות הולכה , מבלוק המנוע למכלול המנוע הקירור עובר דרך תעלות סביב דפנות הגליל. הולכה היא תהליך של העברת חום הנעשית ברמה המולקולרית. התמונה למטה מראה כי החום מתנהל מחם לקור מכיוון שמולקולות בעלות אנרגיה קינטית עודפת חולקות חלק מאותה אנרגיה עם מולקולות שכנות. באופן דמיוני, אנרגיה תרמית מועברת, מולקולה אחר מולקולה, עד להשגת שיווי משקל. 

העברת חום באמצעות הולכה

משאבת מים מעבירה נוזל קירור חם זה לרדיאטור. הובלה זו של אנרגיה תרמית מכונה הסעה . הסעה יכולה להתרחש באופן טבעי (אין צורך במשאבה כמו באוויר חם העולה בתוך ארובת אש) או שניתן לכפות עליה (כפי שאנו רואים כאן). הסעה מתרחשת כאשר חום מועבר באמצעות תנועה של מוצק, נוזל או גז.

ברגע שהנוזל החם שמגיע לרדיאטור הוא מפוזר על פני שטח גדול בהרבה מה שמגדיל מאוד את קצב העברת החום באמצעות הולכה לאוויר וכן באמצעות תהליך הנקרא קרינה . כל עוד לרדיאטור טמפרטורה גבוהה יותר מסביבתו, החום יתפזר בצורה של גלים אלקטרומגנטיים. במקרה זה, הקרינה נמצאת באינפרה אדום הרחוק (בלתי נראה לעין). רדיאטור צבוע בשחור הופך לרדיאטור יעיל יותר מאשר רדיאטור לבן מבריק (הוא הופך גם לסופג קרינה טוב יותר, כלומר הוא יתחמם טוב יותר אם יהיה קר יותר מהסביבה). נדון בשיטות אלה של העברת חום בתחומים אחרים, כולל דרכי הקירור המעובד על ידי יחידת הבקרה של המנוע או כיצד נורת ליבון עובדת.

התרמוסטט

מערכת הקירור של מכוניתכם כוללת מכשיר קטן הנקרא תרמוסטט. התרמוסטט ברכב שלך שומר על המנוע בטמפרטורת עבודה מסוימת (בערך 82 - 87 מעלות צלזיוס). כאשר אתה מניע את המנוע בפעם הראשונה שהוא קר, קפיץ גורם לתרמוסטט להיסגר ואין מעבר נוזל קירור לרדיאטור של במנוע. בסופו של דבר העניינים מתחממים וכאשר נוזל הקירור מגיע לטמפרטורה מסוימת (נניח 85 מעלות צלזיוס), התרמוסטט נפתח ומאפשר להזרים נוזלים דרך מערכת הקירור. המנוע מתקרר. אם המנוע מתקרר מדי, התרמוסטט נסגר מעט, ומגביל את זרימת נוזל הקירור הגורמת לעליית טמפרטורת המנוע. אבל האם אי פעם חשבת איך עובד המכשיר הקטן הזה? מיכל (גליל) קטן מלא בשעווה הנמס בטמפרטורה מוגדרת.

מדוע לא להשתמש רק במים במערכת הקירור ?

מים אינם כמו רוב החומרים מכיוון שהם מתרחבים (9% בנפח) כשהם הופכים למוצק (קרח).

רוב החומרים תופסים פחות מקום כאשר הם הופכים למוצקים. למה ההבדל כאן ?

כאשר חומר מתמצק, המולקולות מסדרות את עצמן בתבנית מסודרת דומה לסריג קריסטל. בדיוק כמו שביצים מגיעות בתבניות. מולקולות בדרך כלל מהוות סידור קומפקטי. לפיכך, החומר מתכווץ כאשר הוא מתמצק. עם זאת, מולקולות מים יוצרות טבעת משושה תלת ממדית בעת הקפאה. "חור" זה במבנה גורם למים להתפשט עם ההקפאה. התפשטות המים היא דבר טוב וגם רע. ראשית, זה יכול לגרום נזק עצום לכבישים ולבטון כאשר כמויות קטנות של מים קופאות בסדקים זעירים. מעט הרחבה מספיקה בכדי להרחיב סדקים, ליצור בורות ולקרוע מבני סלע עצומים בתהליך שגיאולוגים מכנים "טריז כפור". מצד שני, קרח שנוצר על אגם יצוף ויצר שכבת בידוד המגנה על החיים הימיים. תארו לעצמכם מה יקרה אם המים יתכווצו בזמן ההקפאה. הקרח בפני השטח היה צפוף יותר וישקע. נהרות ואגמים בסופו של דבר יהיו קופאים מלמטה ולמעלה ובכך משמידים את כל הצמחים ובעלי החיים בהמשך התהליך. 

כמה חם ?

ניתן למדוד טמפרטורות רבות ושונות, באמצעות:

• הרחבת נוזלים
• הרחבת מוצקים (רצועות דו-מתכתיות)
• טרוריסטיים (נקראים גם תרמי סטורים חומרים שמשנים את התנגדותם החשמלית עם שינוי הטמפרטורה)
• צמדים תרמיים
• גבישים נוזליים
• חוקי קרינה

מדידת הטמפרטורה מהתפשטות החומר היא הנפוצה ביותר והקלה ביותר להבנה. הטכניקות האחרות יסוקרו מאוחר יותר ככל שתקבל יותר ידע ברקע.

הרחבת נוזלים - מדחומים נוזליים

באמצעות התפשטות נוזל מחומם ניתן ליצור מדחום פשוט. כשהנוזל במאגר המדחום מתחמם, הוא מתרחב לנימים מכוילים צרים. בכספית כיוון ההתרחבות נעשית בצורה ליניארית בטווח רחב של טמפרטורות, שימוש בכספית פגום קשה להיפטר ממנה בבטחה. עכשיו אלכוהול נוזלי לא רעיל עובד באותה מידה בתנאים רגילים. זו הדרך הפשוטה ביותר למדוד את הטמפרטורה והקלה ביותר להבנה. המדחומים הקדומים ביותר נקראו תרמו סקופים. אנו יכולים להודות לממציאים כמו סנטריו, גלילאו ((Santorio, Galileo ופרנהייט על מכשיר זה.

הרחבת מוצקים - רצועות דו-מתכתיות

חומרים שונים מתרחבים בדרגות שונות כשמחממים אותה. כל מי שהתקין חיפויי ויניל (vinyl) יודע היטב שהוא יתרחב הרבה יותר מחומר הגיבוי שלו ביום חם, ולכן יש לתלות אותו ברפיון בכדי לאפשר הרחבה ולמנוע כריכה.

כשאתה מחבר שתי מתכות שונות יחד ומחמם אותן, מתכת אחת תתרחב יותר מהשנייה והפס יתכופף (ראה את האנימציה למטה). זה הופך רצועות דו-מתכתיות לכלי שימושי. היישום הפשוט ביותר הוא מדחום (כאשר הרצועה הדו-מתכתית בצורת סליל).

רצועות דו-מטאליות מתעקלות כשהן מחוממות (אנימציה) באדיבות - Wikimedia Commons

ג'ון הריסון היה יצרן שעונים אנגלי בשנות ה 1700 שעבד עם שעוני מטוטלת (שעוני סבא). הוא הבין שקצב תנועות השעון נקבע על ידי אורך המטוטלת ככל שהמטוטלת ארוכה יותר, כך השעון יעבוד לאט יותר. זה הביא לבעיה מכיוון שככל שהטמפרטורה השתנתה. שעונים בחדרים חמים היו פועלים לאט יותר מאשר שעונים בחדרים קרים. על ידי שימוש במתכות שונות, הוא יצר מטוטלת מורכבת שלא תשנה את אורכה בשום טמפרטורה.