באדיבות וויקיפדיה
לפני מאתיים שנה, המדענים בחנו סוג אנרגיה אחר: חום. במובנים רבים החום נראה כמו נוזל. הוא זורם ממקום למקום; חפצים עשויים לקלוט או להקרין חום בכמויות גדולות, גופים אחרים יכולים לספוג או לפלוט מעט מאוד חום. אבל האם החום הוא נוזל? אם כן, אזי כל גוף חייב להכיל כמות חום קבועה. יצרן תותחים אמריקני בשם הרוזן רומפורד הראה שטענה זו אינה נכונה. הוא הבחין כי חום רב נוצר כאשר קודחים קנה תותח. אבל מקדחים קהים יוצרים חום רב יותר מאשר מקדחים חדים. מכאן, שהחום נוצר כתוצאה מחיכוך: החום הוא אנרגיה של תנועה כאשר שני משטחים מתחככים האחד בשני. ניתן להמחיש זאת באמצעות הדגמה מהירה, שפשפו את ידיכם במהירות. ניתן ליצור חום אפילו בעזרת שיפשוף של שני גושי קרח.
האם ניתן לכמת חום או אנרגיה תרמית? הדבר בהחלט ניתן. בשנת 1840, ג‘יימס ג'אול ערך ניסוי מפורסם. הפיסיקאי הבריטי הכניס בחשן משוטים למיכל מים. משקלות שירדו סובבו את בחשן המשוטים. ג'אול שיער שהמשוטים המסתובבים יחממו את המים, והוא צדק! ג’אול מדד את עליית טמפרטורת המים בכל פעם שהוריד את המשקלות. “העבודה שתעשה על ידי משקלות בנות קילוגרם אחד שירדו לאורך דרך של 772 רגל … יהיה, אם נצליח לייצר חום על ידי חיכוך במים, הטמפרטורה של קילוגרם אחד של מים תעלה במעלת פרנהייט אחת,“ סיכם. הניסוי הפשוט של ג’אול הראה שאנרגיה קינטית, או אנרגיה של תנועה, ניתנת להמרה ישירות לחום.
מהן ההשלכות של הניסוי המפורסם של ג’אול? לחלקיקים נעים יש אנרגיה קינטית, אפילו בקנה-המידה של מולקולות. חשבו על המולקולות והאטומים כעל חלקיקים זעירים, המתרוצצים ומכים חלקיקים אחרים. לכל אחד יש מסה ומהירות, ומכאן אנרגיה קינטית. של תנועת בחשן המשוטים בניסוי של ג’אול גרמה לכל מולקולות המים לנוע מהר יותר. חום הוא רק צורה מקרוסקופית של אנרגיה קינטית.
כיצד קשורה הטמפרטורה לחום? לכולנו יש תובנה לגבי המושגים “חם” ו“קר” אבל מה המשמעות הטמפרטורה שאותה ניתן למדוד, במבנה החומר? התשובה מפתיעה אנשים רבים, כאשר הם פוגשים אותה לראשונה. טמפרטורה היא מדד למידת התנועה של מולקולות ואטומים. (לשם הנוחות, הבה נתייחס רק למולקולות, שכן אטום הוא סוג מיוחד של מולקולה בעלת אטום אחד בלבד במקום מספר אטומים. כאשר אנו אומרים “מולקולה” בדיון הבא, ניתן לחשוב על מולקולות או על אטומים). כאשר הטמפרטורה עולה, המולקולות בחומר נעות מהר יותר. ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, כך המולקולות נעות באיטיות גדולה יותר. הבוטנאי האנגלי רוברט בראון גילה זאת לראשונה בשנת 1827, כאשר הוא צפה באמצעות מיקרוסקופ באבקה הצפה על פני מים. גרגירי האבקה נעו בתנועה אקראית מתמדת. תנועתם נבעה מהתנגשות מתמדת עם מולקולות המים שסביבם.
באדיבות pixabay
שימו לב כי אנרגיה תרמית וטמפרטורה אינם זהות. לטיפת מים רותחים ולכוס מים רותחים יש טמפרטורה זהה, אבל לכוס המים יש כמות חום גדולה הרבה יותר. שהיית שם לב לכך בעקבות מגע של העור שלך בכל אחת מהן. הטמפרטורה אינה מודדת את כמות החום הכוללת בגוף. זהו מדד לתנועות המיקרוסקופיות של המולקולות או האטומים.
מדענים משתמשים בסולם טמפרטורות שונה מאלה שאתם רגילים אליהם. בארצות הברית רוב האנשים עדיין משתמשים בסולם הטמפרטורה פרנהייט המיושן, שנוצר לפני כמעט 300 שנה. רוב העולם משתמש בסולם צלזיוס, שבו 0°C היא נקודת הקפאון של מים 100°C היא נקודת הרתיחה של המים בגובה פני הים. אבל החומר יכול להיות קר יותר מנקודת הקיפאון של המים, כך שהוא מכיל עדיין קצת חום גם מתחת 0°C. מדענים נוהגים להשתמש בסולם טמפרטורה אחר, שבו האפס מתאים למצב שבו לאטומים או מולקולות אין כל תנועה. זהו סולם קלווין, הקרוי על שמו של לורד קלווין (וויליאם תומסון), פיסיקאי אנגלי מפורסם שתרם רבות להבנת החום. אתה יכול לראות משמות של יחידות רבות בפיזיקה – כוח בניוטון, הספק ב-ווט, טמפרטורה בקלווין, אנרגיה בג’אול. זוהי אחת הדרכים שבה מציינים מדענים, על ידי מתן שמם ליחידות מדידה. למרבה הצער עבור הפיזיקאים המודרניים, היחידות החשובות ביותר כבר תפוסות!
סולם קלווין הוא בעל מרווחים זהים לסולם צלזיוס, אבל נקודת האפס של סולם זה נמוכה בהרבה. בסולם הטמפרטורות של קלווין, מים רותחים ב-373°K וקופאים ב- 273°K וטמפרטורת החדר לערך 295°K. כדי לעבור מטמפרטורה בסולם קלווין לטמפרטורה בסולם צלזיוס יש להוסיף 273. כאשר הטמפרטורות גבוהות מאוד, נניח מיליוני מעלות, ההבדל בין סולם קלווין לבין סולם צלזיוס זניח. האפס המוחלט הוא 0°K או 273°C -. בניסוי במעבדה ניתן לקרר חומרים עד כדי מיליונית מעלה מהאפס המוחלט.
לסיכום, כל האטומים והמולקולות נמצאים בתנועה מתמדת. זה נכון לגבי כל סוג של חומר, מוצק, נוזל, או גז. אנו מתייחסים לתיאור של חומרים באמצעות תנועות מיקרוסקופיות כאל התיאוריה הקינטית של החומר. חום הוא מדד לכמות האנרגיה התרמית הכלולה בתנועות המיקרוסקופיות. הטמפרטורה היא מדד למהירות הממוצעת של האטומים או המולקולות בחומר. מדענים קוראים לתיאור זה תיאוריה קינטית של החומר. התיאוריה מסבירה איך ניתן לחשב את המהירויות ואת האנרגיות של מולקולות בהתאם לטמפרטורות שונות. משוואות כאלה מועילות לניבוי סוגי התופעות שיתרחשו בפלנטות, כוכבים וחומרים אחרים בטמפרטורות שונות.
Author: Chris Impey