נוסח השאלה המלא: מהו מקדם ההתפשטות של שמן בישול והאם לנוזלים עם מולקולות גדולות יותר יש מקדם התפשטות בחום-גדול יותר?
מקדם התפשטות תֶרְמִי (Thermal expansion coefficient) הוא גודל פיזיקאלי ייחודי שקיים לכל נוזל או מוצק, ומבטא כמה החומר גדל בנפחו עם כל שינוי של הטמפרטורה. מבחינה משוואה פיזיקאלית, אפשר להגדירו כך:
(dV = V0 β (t1 - t0
כאשר β הוא מקדם ההתפשטות התרמי (הנפחי), V0 – הוא הנפח הראשוני של החומר, t0 הטמפ' הראשונית של החומר, t1 – הטמפ' שאליה רוצים לחמם את החומר ו- dV הוא ה'דלתא' – כלומר השינוי בנפח של החומר עם השתנות הטמפ' מ t0 ל-t1. עבור רוב החומרים, מקדם ההתפשטות התרמית הוא בערך אלפית אחת לכל מעלת צלזיוס, כלומר- עבור כל העלאה של הטמפ' במעלה אחת החומר מתפשט וגדל בנפחו באלפית אחת. כמו שציינתי- לכל חומר יש מקדם התפשטות ייחודי שלו. חשוב לציין שזהו גודל ניסויי, כלומר אי אפשר לחשב אותו מתוך גדלים אחרים ופשוט צריך למדוד אותו בניסוי. כמו כן חשוב לציין שמקדם ההתפשטות התרמי לא חייב להיות לינארי (כלומר החומר לא חייב להתפשט באותה מידה בכל טמפ') – ישנם חומרים שבכל טווח טמפרטורות מתפשטים באופן שונה. ישנם אפילו חומרים המפגינים 'אנומליה' כלומר מתכווצים עם החימום, כאלו הם המים, שבחימום מ-0oC ל-4oC דווקא קטנים בנפחם .
שינוי בנפח של מים עם שינוי הטמפרטורה
ההתפשטות התרמית היא העיקרון על פיו פועל מדחום כספית: עם השינוי בטמפ' הכספית משנה את ניפחה באופן שניתן לראות ולתרגם לסולם של מעלות. אבל – עיקר חשיבותו של מקדם ההתפשטות התרמית, וזוהי חשיבות עצומה, היא בענפי ההנדסה: כאשר בונים כל מבנה הנדסי יש להביא בחשבון שינויי נפח של החומר עם שינויי הטמפ' בין החורף לקיץ. שינוי של אלפית בנפח לכל מעלה אולי לא נשמע הרבה, אבל חשבו בכמה משתנה אורך של מסילת רכבת באורך 100 קילומטר כאשר הטמפ' משתנה ב 10oC.... ולכן בתכנון מסילות רכבת מאפשרים לפסים מעט 'חופש' התפשטות כל מרחק מסויים. כאשר אתם חוצים גשר ארוך, ברגל או במכונית – שימו לב שהגשר תמיד חצוי, לשני חלקים או יותר – שביניהם יש גומי גמיש, וזאת כדי לאפשר לגשר להתפשט ולהתכווץ בחורף ובקיץ בלי להישבר.
גשר, חשיבות מכרעת של מקדם ההתפשטות
בתוך בטון 'מזויין' יש רשת פלדה שמקדם ההתפשטות שלה נבחר במיוחד להיות דומה לזה של הבטון שסביבה, אחרת – רשת שתתפשט הרבה בחום עלולה לפוצץ את הבטון שסביבה אם הוא מתפשט פחות ממנה.
בקשר לשאלה על מקדמי התפשטות של שמני מאכל.
לחצו כאן לקישור למאמר (באנגלית) המציג גדלים פיזיקלים שונים על שמני בישול, ביניהם מקדם ההתפשטות התרמית (צריך להיות מנוי על העיתון כדי לראות את תוכן המאמר).
הנה כמה מקדמים שהעתקתי מתוך המאמר: שמן חמניות: 0.00066, שמן תירס: 0.000722, שמן ליפתית ("קנולה"): 0.000719, שמן כותנה: 0.00073, שמן בוטנים: 0.00065 ושמן סויה: 0.000724. (הכל ביחידות של oC-1). כפי שניתן לראות, לכל השמנים מקדמים מאוד דומים.
שמן זית (תמונה באדיבות ויקיפדיה)
בקשר לשאלה שלך על הקשר בין גודל המולקולות למקדם:
צריך להבין ששמני מאכל הם לא חומרים טהורי-מולקולות, אלא תערובות של כמה סוגי מולקולות (חומצות שומן המחוברות לגליצרין בקשר אסטרי, אם רוצים לדייק מהבחינה הכימית), שהיחס ביניהם יכול להשתנות גם בין צמח לצמח, למשל שמן חמניות מכיל: 4-9% חומצה פלמטית (מולקולה עם שרשרת של 16 פחמנים), 1-7% חומצה סטארית (18 פחמנים), 10-14 חומצה אולאית (18 פחמנים, עם קשר בלתי רווי באמצע) 48-74% חומצה לינולאית ( 18 פחמנים, עם שני קשרים בלתי רוויים באמצע). באופן דומה יש לשמנים אחרים יש טווח אחוזים שונה. בכל מקרה, קשה עד בלתי אפשרי לבדוק בצורה כזו אפקט של גודל המולקולה על מקדם ההתפשטות. – פשוט כי אין 'מולקולה מאפיינת' לכל שמן, ולא ברור איך לשקלל את האחוזים השונים לכדי 'גודל מולקולה ממוצע'. בכדי לבדוק את האפקט האפשרי של גודל המולקולה על המקדם אפשר להסתכל באתר שנמצא בקישור כאן שמציג מקדמי התפשטות תרמיים עבור נוזלים טהורים שונים. מתוך הטבלא שם אפשר לראות שאין מגמה המקשרת גודל מולקולה (בלבד) למקדם ההתפשטות. למשל עבור פנטאן (חמש פחמנים) המקדם הוא 0.0158, עבור הפטאן (שבע פחמנים) המקדם הוא 0.00124, עבור אוקטאן (שרשרת של 8 פחמנים) המקדם יורד ל 0.0114, לכאורה נראה שהמקדם יורד, דווקא, עם גודל המולקולה, אבל מצד שני, עבור גליצרין בעל שרשרת קצרה של 3 פחמנים בלבד (אבל חומר ממשפחה כימית אחרת) המקדם הוא 0.0005. כלומר גודל המולקולה אינו הפקטור המכריע (ובטח שאינו היחידי) שקובע המקדם.
מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון 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.
