נוסח השאלה המלא: האם בתהליך המסה במים גלגול האנרגיה הוא מאנרגיה כימית לחום והאם ניתן לומר שבשמש אנרגיה כימית מתגלגלת לאנרגית קרינה (במקום אנרגיה גרעינית לאנרגית קרינה)?

כדי לענות על השאלה, חייבים ראשית להגדיר בדיוק מהו תהליך כימי, הבעיה היא שאין איזו הגדרה מקובלת מהו בדיוק תהליך כימי. 2 הגדרות נפוצות שבשימוש הן:
1) תהליך שבו נשברים ו/או נבנים קשרים כימיים.
2) תהליך שבדרך כלשהי גורם לשינוי בכימיקל אחד או יותר או בתרכובת כימית (תרגום מתוך ויקיפדיה האנגלית, גם שם הם מסייגים את ההגדרה של עצמם).

עכשיו – האם המסה של חומר במים יכולה להחשב כתהליך כימי, לפי ההגדרות הנ"ל? בהחלט כן:
בהמסה של מוצק או נוזל בתוך מים נשברים הקשרים הכימיים שמחזיקים יחדיו את המולקולות או היונים יחדיו בחוזקה (ושומרים על החומר מוצק או נוזל) ונבנים קשרים כימיים חדשים בין המולקולות של המים לבין החלקיקים של הנוזל או המוצק (מולקולות או יונים) שהתפזרו בתוך המים. לדוגמא, כאשר ממסים סוכר בתוך מים – נשברים קשרי המימן וקשרי ואן-דר-וולס שמחזיקים יחדיו את מולקולות הסוכר בגביש יפה, ומצד שני, עקב כך שמולקולת סוכר הינה עשירה בקבוצות כימיות מסוג הידרוכסיל (-OH), כל מולקולה מקיפה את עצמה במספר רב של מולקולות מים היוצרות איתה קשרי מימן.
דוגמא נוספת: כאשר ממסים מלח בישול (נתרן כלורי, NaCl) בתוך מים בתוך מים – נשברים הקשרים היוניים, בין הנתרן לבין הכלור שהיו קיימים בגביש המלח, ומצד שני נוצרים קשרים בין מולקולות המים המקוטבות חשמלית, לבין היונים של הנתרן (+Na) ושל הכלור (-Cl) הטעונים מטען חשמלי. גם לפי ההגדרה השנייה, הכוללנית יותר, המסה היא תהליך כימי – כי מתרחש 'שינוי כלשהו' בחומר (גביש מלח בישול מוצק, 'נעלם' בתוך התמיסה, והיונים שהיו קרובים אחד לשני כבר לא נמצאים במבנה מיקרוסקופי מסודר בתוך התמיסה).
גם המסה של גז בתוך מים (למשל המסת פחמן-דו-חמצני בעת יצירת סודה) יכולה להיחשב תהליך כימי. אמנם בין מולקולות הגז אין קשרים בין מולקולריים הקושרים את המולקולות יחדיו (ולכן הוא גז), אבל שוב, בעת ההמסה כל מולקולת גז מקיפה את עצמה במולקולות מים היוצרות איתה קשרים בין-מולקולריים.
ולכן – אפשר לסכם ולומר, שאם תהליך המסה הוא תהליך כימי, אז פליטה או בליעה של חום בעת תהליך המסה הוא אכן תהליך בו אנרגיה כימית הופכת לאנרגיה של חום.
כפי שהוסבר בעבר, אנרגייה כימית נפלטת בעת יצירת קשרים כימיים (לחצו על הקישור להסבר) מעניין לציין שישנם מלחים (רוב המלחים למעשה) שפולטים אנרגיה ומחממים את המים כאשר הם נמסים, דוגמא בולטת במיוחד זה המלח 'סודה קאוסטית' NaOH, שהמסה שלו בתוך מים בכמות גדולה גורמת למים לרתוח!


גרגירים של סודה קאוסטית. תמונה באדיבות ויקיפדיה

אולם ישנם מלחים בהם האנרגיה שמושקעת בעת שבירת הגביש גדולה בהרבה מהאנרגיה שמשתחררת בעת יצירת הקשרים בין היונים למים, דוגמא לכך היא החומר 'אמוניום חנקתי', NH4NO3, שכאשר מומס במים הוא מקרר אותם מאוד, ובאמת החומר משמש ברפואה לצורך יצירת מטליות קרות: כאשר מטלית ספוגה בחומר נטבלת במים היא מיד מתקררת (ועוזרת לקרר איזור גוף שצריך קירור).

בקשר לשמש
צריך להבין שמקור האנרגיה של השמש הוא במספר תהליכים גרעיניים, כאשר התהליך העיקרי הוא היתוך של גרעיני של מימן (H) – היסוד הראשון בטבלה המחזורית אל גרעין של אטום הליום, He, היסוד השני בטבלה המחזורית. בתהליך ההיתוך הגרעיני הזה מספר שלבים, כאשר בסה"כ ארבעה אטומי מימן הופכים לאטום הליום. צריך לא להתבלבל בין תהליך היתוך כימי רגיל (בו מוצק הופך לנוזל, למשל כאשר מחממים פתיתי גבינה צהובה על פיצה) לבין תהליך היתוך גרעיני – כאן השם הוא רק מטאפורה, כי כאילו הגרעינים של האטומים נצמדים יחד ונדבקים לגוש אחד.
(דרך אגב, באמצעות תהליכי היתוך גרעיני דומים נוצרו שאר היסודות בעולם).


מעגל, CNO, אחד מהתהליכים האפשריים בשמש בהם 4 אטומי מימן הופכים לאטום הליום. (ויקיפדיה)

במהלך התהליך משתחררת אנרגיה רבה ביותר (כפי שאנחנו רואים ומרגישים יום יום, ובייחוד בקיץ). ומה מקורה של האנרגיה? ובכן, חישוב פשוט מראה כי: אטום אחד של מימן שוקל:1.007825 יחידות אטומיות (כאשר הייחוס הוא אטום פחמן 12, ששוקל בדיוק 12), ומכאן ש-4 אטומי מימן שוקלים: 4.0313. ומצד שני אטום של הליום אליו הופך המימן בשמש שוקל 4.002603. טיפ-טיפה פחות, אבל עדיין – ישנו בטבע 'חוק שימור החומר' שקובע שחומר לא יכול להעלם, וכאן, במהלך התהליך נעלמה 0.7% מהמסה!. (כלומר על כל קילו של מימן שהופך להליום בשמש, 7 גרמים 'נעלמים').
את התעלומה פתר הפיסיקאי המהולל אלברט אינשטיין, שגילה שחומר (או מסה, m) יכולה להפוך לאנרגיה (E), או כפי שהוא ניסח זאת במשוואתו המפורסמת:
E=mc2
כאשר c2 זה פשוט מקדם ההמרה בין המסה לאנרגיה (כמו שיש מקדם המרה בין דולרים לשקלים). בפועל זהו מקדם מאוד גדול, כי c מיצג את מהירות האור, שהיא גבוהה מאוד (300 אלף קילומטר לשנייה).
חשבון פשוט מראה, כי על כל קילו של מימן שהופך להליום (על שבעת הגרמים שנעלמים והופכים לאנרגיה) משתחררים 0.007*(3*108)2=630,000,000,000,000 (630 טריליון ג'אולים של אנרגיה, כאשר תנור חשמלי ממוצע משתמש רק ב 2000 ג'אולים של אנרגיה כל שנייה). כלומר תהליך היתוך גרעיני כזה משחרר כמות אנרגיה אדירה.
ובכל אופן – בשמש התהליך הוא תהליך גרעיני טהור, ולא תהליך כימי, ולא נפלטת בו 'אנרגיה כימית'. ובכלל בטמפ' שנמצאות על השמש (כ-5500oC בנקודה הקרה ביותר שלה, על פני השטח) לא יתכנו תגובות כימיות או קשרים כימיים כי כל החומרים בטמפ' כזו כבר נמצאים במצב גזי, ומפורקים לאטומים בלבד בגלל האנרגיה הרבה שיש להם.

מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
ומכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

9 תגובות

  • מנשה

    אנרגיה יחסית לעומת אנרגיה מוחלטת

    אני מבין את ההגדרה של אנרגיה גרעינית ושל אנרגיה פוטנציאלית והקשר שלהם למסה.
    אבל נתקלתי במחסום הבנתי לגבי אנרגיה קינטית.
    נניח לצורך השאלה שהיקום כולו מורכב רק מ 2 גופים בעלי מסות שונות שנעים אחד לקראת השני בריק לאורך קו ישר, ושאין בינהם כוחות משיכה או דחיה. המהירות היחסית ביניהם היא v = v2 - v1. לפי עיקרון השקילות של גלילאו לא ניתן לקבוע מי מהגופים נע ומי נח. ברצוני לדעת מהי האנרגיה הקינטית של המערכת. אם נניח שהגוף הכבד יותר במצב מנוחה אז האנרגיה הקינטית נובעת רק מהגוף הקל. לעומת זאת אם נניח שהגוף הקל במנוחה אז אז האנרגיה הקינטית של המערכת נובעת רק מהגוף הכבד. אנרגיות קינטיות אלו מתוארות לפי הנוסחה 0.5 * m * v * v ולכן הם שונות אחת מהשניה. אז מהי האנרגיה (כלומר האנרגיה ב ה הידיעה) של המערכת - לא ברור לי. נראה לכאורה שהאנרגיה הקינטית היא יחסית להחלטה שרירותית לגבי מי נע ומי נח.
    אודה לך מאד אם תוכל להסביר לי היכן אני טועה
    תודה
    מנשה

  • מנשה

    מה הסיבה שאטום הליום שוקל פחות מ 4 אטומי מימן

    הרי הם מכילים בדיוק אותה כמות של פרוטונים ואלקטרונים (ניוטרון זה פרוטון ואלקטרון)

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    שינויים בתכולת האנרגיה

    בגלל האנרגיה הפוטנציאלית: מסת הליום נמוכה יותר משל 4 אטומי מימן בגלל האנרגיה הפוטנציאלית הגרעינית הנמוכה יותר של הליום. השוני האנרגטי מתבטא בשוני במסה - בגלל עקרון השקילות בין מסה לאנרגיה.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • אהרון לב הארי

    מהם התהליכים הפנימים במעבר של מימן להליום וחזרה

    האם תוכל לפרט כיצד מתבצעים המעברים בין ארבע מימן להליום דרך אפיון אלקטרונים ופרוטונים.
    תודה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    ראה כאן

    <p>
    שלום אהרון</p>
    <p>
    ראה כאן - הערך בויקיפדיה העברית על <a href="https://he.wikipedia.org/wiki/%D7%94%D7%99%D7%AA%D7%95%D7%9A_%D7%92%D7%A... target="_blank">היתוך גרעיני</a> מפרט את התהליך. אם זה לא מספיק מפורט - תרשום לי ונרחיב.<br />
    שים לב שאין כל התייחסות לאלקטרונים שמסביב לאטומים, בטמפרטורות בהן מתרחש היתוך גרעיני (סדר גודל של עשרות מיליוני מעלות צלזיוס) אין אלקטרונים סביב הגרעינים, ומדובר רק בגרעינים של אטומים (אטומים מיוננים לחלוטין עקב הטמפ&#39; הגבוהה).</p>
    <p>
    בברכה,<br />
    ד&quot;ר אבי סאייג<br />
    מכון דוידסון לחינוך מדעי<br />
    מכון ויצמן למדע</p>

  • חגי חדד

    תודה על ההסבר

    הסבר מעולה !!!
    עכשיו לשאלות נוספות -
    1. האם נוצרים יסודות כבדים יותר מהליום בשמש? (במאמר רשום שגם שאר היסודות בעולם מנוצרו בהיתוך)
    2. האם עקב הטמפרטורה הגבוהה השוררת בשמש לא מתפרקים אותם יסודות כבדים חזרה למרכיבים אותם?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    תשובות

    1. כן, נוצרים יסודות כבדים יותר מהליום, אבל - יסודות ממש כבדים (כמו זהב למשל) צריכים כבר טמפרטורות ולחצים עוד יותר מטורפים מאלו ששוררים בשמש - והם נוצרים רק בזמן סופרנובה - כאשר כוכב מתפוצץ. להרחבה ראה כאן:
    http://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-4406548,00.html

    2. לא. בטמפרטורה של השמש מולקולות מתפרקות לאטומים, אבל אטומים שנוצרו כבר לא מתפרקים.

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • האם ניתן לחקות ...

    פצצת אטום מימן

    לשימוש אזרחי בלבד
    אני מבטיח

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    ניתן

    אפשר לומר כי פצצת מימן - מחקה את פעולת השמש (גם בה יש היתוך גרעיני).
    הבעיה היא שפצצת מימן - זה שיחרור אנרגיה לא מרוסן.
    האתגר המדעי הוא במה שנקרא 'היתוך קר' - כלומר לבצע היתוך גרעיני, כמו בשמש, רק בצורה מרוסנת שתאפשר הפקת אנרגיה לשימוש אזרחי - ולא רק לפיצוץ והחרבה. (אתה יכול לקרוא על כך בהרחבה בקישורים לעיל, וגם בכתבה הבאה על היתוך קר)

    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע