נוסח השאלה המלא: מהו קיבול חום והאם חול ים יבש יכול לאגור חום? מה הערך הקלורי שלו בטמפרטורות שונות?
 

קיבול חום זוהי תכונה פיזיקאלית מדידה של חומרים, המלמדת כמה אנרגיית-חום יש להשקיע על מנת להעלות את הטמפרטורה של החומר או כמה אנרגיית חום משתחררת מהחומר כאשר הטמפרטורה שלו יורדת (והוא מתקרר). מכיוון שכמות האנרגיה הדרושה להעלות טמפ' של חומר תלוייה במסה שלו (ככל שהמסה של החומר יותר גבוהה, דרושה, כמובן, יותר אנרגיה על מנת לחמם אותו), נהוג להשתמש בגודל 'מנורמל' – כלומר לא תלוי במסה, הנקרא: "קיבול חום סגולי' (specific heat capacity) , ומשמעו – כמה אנרגיה יש להשקיע על מנת להעלות 1 גרם (או 1 קילוגרם) של חומר ב 1oC. קיבול החום הסגולי מסומן לרוב באות האנגלית C. ככל שלחומר קיבול חום סגולי יותר גדול המשמעות היא שצריך להשקיע יותר אנרגיה על מנת לחמם אותו מצד אחד, ושהוא 'אוגר בתוכו' יותר אנרגיית-חום בהשוואה לחומרים עם קיבול חום קטן יותר הנמצאים באותה טמפ', מהצד השני. כלומר קיבול החום הסגולי מהווה מדד אובייקטיבי להשוואה בין יכולת אגירת החום של חומרים שונים.
הנוסחא לחישוב שינויי אנרגיה בעקבות שינויי טמפ' של חומרים היא:
E=mCΔT.

כאשר E – היא האנרגיה (ביחידות של קלוריות או ג'אולים, תלוי ביחידות בהם C נמצא).
m זו המסה של החומר, C – זהו קיבול החום הסגולי של החומר
ו ΔT זהו שינוי הטמפ' של החומר.


מדחום (למעשה מודד טמפרטורה בלבד, אנרגיית החום נמדדת באמצעות הנוסחא למעלה), התמונה באדיבות ויקיפדיה

לגבי השאלה בדבר אגירת חום: לכל החומרים בעולם קיבול חום חיובי, ולכן – כל החומרים בעולם יכולים 'לאגור חום' בתוכם, ולכן גם חול ים יכול לאגור חום – תעיד על כך הליכה יחפים על חוף הים מיד אחרי השקיעה: החול שהתחמם כל היום בשמש הקופחת פולט חזרה את החום שאגור בתוכו – ואפשר להרגיש זאת בכפות הרגליים אשר מרגישות את חום החול.


החול בשפת-הים, צילום: Clive Power, באדיבות ויקיפדיה

חול ים בנוי בעיקר מהחומר תחמוצת-הצורן או 'סיליקה' (SiO2). לסיליקה קיבול חום של 0.7 ג'אול לגר'*מעלת-צלזיוס. (זה אומר שבכדי להעלות את הטמפ' של אחד גרם חול במעלה אחת דרוש להשקיע 0.7 ג'אול בלבד, וההפך – כאשר גרם אחד של חול מתקרר במעלת צלזיוס הוא משחרר 0.7 ג'אולים של אנרגיה לסביבה). 0.7 נחשב לקיבול חום בינוני נמוך: אומנם הוא יותר גבוה מקיבול החום של הזהב 0.13 והברזל 0.45, אבל נמוך מזה של האלומיניום: 0.84 והמגנזיום: 1. מעניין לציין שהחומר (שהוא לא גז) שתופס את המקום הראשון מבחינת קיבול החום שלו הוא... מים – עם קיבול חום אדיר של כ 4.2 ג'אול*מעלת-צלזיוס (כמו בהרבה מקרים אחרים, מים מגלים תכונות השונות באופן קיצוני בהשוואה לחומרים אחרים בטבע, כמו למשל האנומליה של המים בזמן קפיאה, ראו קישור לתשובה בנושא למטה). לשאלה 'מהוא הערך הקלורי של חול בטמפ' שנות' – אין משמעות מבחינה פיזיקלית, כי את הערך הקלורי (או האנרגטי, באופן כללי) של החום יש למדוד בהפרש של טמפ', ולא רק בטמפ' אחת, תוך שימוש בנוסחא למעלה. בהקשר הזה מעניין להדגים את משמעות קיבול החום האדיר של המים: בכדי להביא ליטר (1000 גרם) מים מטמפ' החדר (25oC) לרתיחה (100oC) יש להשקיע, על פי הנוסחא:
E=mCΔT=1000*4.2*(100-25)=315,000J

315,000 ג'אול זה ערך אדיר, ששווה-ערך לאנרגיה שמשקיעים בעת חימום יותר מ 2.2 קילו של זהב ל 1064oC – שזו טמפ' ההתכה של זהב. אני חוזר: הרתחה של ליטר מים דורשת אנרגיה זהה לחימום יותר משני קילו של זהב ליותר מאלף מעלות (שאז הזהב ניתך)!

מאת: ד"ר אבי סאייג
המחלקה לנוירוביולוגיה ומכון 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.

14 תגובות

  • ניר

    איך ניתן לדעת מה קצב איבוד החום

    מה מייצר יותר חום ליותר זמן: בעירה בתוך גליל מתכת טמון באדמה או מבנה מאבן טמון באדמה? בהנחה שמשך הבעירה זהה ושמכסים את ה"בור"

  • רונן

    שאלה

    אם אני רוצה לאדות מים שנמצאים בטמרפטורה של 25 מעלות - האם צריך להשקיע קודם חום בשביל שהטמפטורה תעלה ל-100 מעלות ואז חום נוסף בשביל שהמים יתאדו (540 קילו קלוריות - שזה חום אידוי ??)

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    אכן

    אכן, בדיוק מה שרשמת. בשביל האידוי צריך להוסיף אנרגיה שנקראת 'חום כמוס' שברגע שמוסיפים אותה, המים מתאדים, אבל הטמפרטורה לא עולה, ראה גם הכתבה שלנו כאן, להרחבה:
    https://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/physics/%D7%9E%D7%93%D7...

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

  • חגית

    קיבולת חום

    מחפשת קיבולת חום של שמן קוקוס ושמנים שונים כן כהסבר לזמן התבקעות שונה של גרעיני תירס אשמח ללינק לא מוצאת בחיפוש ברשת.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    נסי כאן

    המקור הכי מפורט מצאתי כאן - קיבולי חום של נוזלים שונים, כולל שמנים שונים, לא בטוח שיש שמן תירס, אבל יש שמנים אחרים:
    http://www.engineeringtoolbox.com/specific-heat-fluids-d_151.html

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

  • שלום

    למה

    תודה על הכתבה המעניינת.
    האם תוכל בבקשה להרחיב על למה לחומרים שונים יש קיבול חום סגולי שונה?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    אגירת החום

    ברמת המיקרו, קיבול חום משמעו שהמולקולות או חלקיקי החומר כאילו 'אוגרים' בתוכם אנרגיה. ככל שלחלקיק החומר יש יותר דרכים לאגור ארגיה, קיבול החום שלו יהיה רב יותר. למשל למולקולה דו-אטומית קיבול חום גבוה יותר מאשר לגזים אצילים שבנויים מאטום אחד - משום שאטום אחד יכול לאגור אנרגיה רק בצורה של תנועה ממקום למקום (בשלושה צירים), מולקולה דו-אטומית, בנוסף לתנועה בשלושה צירים, יכולה גם לאגור אנרגיה בסיבוב (בשני צירים), וגם בוויברציה של הקשר הכימי שבין האטומים, ולכן למשל, למולקולה דו-אטומית קיבול חום רב יותר: כלומר כשמחממים חומר שבנוי ממולקולות דו-אטומיות יש לאנרגיה יותר אופנים להצטבר, להיאגר, ולכן קשה יותר להעלות לו את הטמפרטורה. וכן הלאה להבדלים בין שאר החומרים: ההבדלים בקיבול החום נובעים מהבדל במבנה חלקיקי החומר והקשרים ביניהם.

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

  • אנונימי

    האם שפיכת ליטר מים רותחים על

    האם שפיכת ליטר מים רותחים על שני קילו זהב בתנאים מבודדים המונעים איבוד חום לסביבה יביא להתכת הזהב? מדוע לא?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    לא

    שלום לאנונימי השואל – שבעצם כבר יודע אינטואיטיבית את התשובה - כתבת 'מדוע לא'. אכן לא יביא להתכת הזהב. מדוע? משום שאנרגיית חום עוברת *רק* מגוף חם, כלומר מגוף בעל טמפרטורה גבוהה, אל גוף קר – כלומר בעל טמפרטורה נמוכה. זה אחד מחוקי היסוד של התרמודינמיקה. מעברי אנרגיה יתרחשו עד ששני הגופים יגיעו לשיווין טמפרטורות. (דימוי טוב זה זרימה של מים מכלי גבוה לכלי נמוך שמחובר אליו, שמתרחשת עד שגובה המים בשני הכלים זהה).
    כלומר במקרה שתיארת – יתחיל מעבר אנרגיה מהמים החמים אל הזהב, הטמפרטורה של המים – תרד, הטמפרטורה של הזהב –תעלה, אבל ברגע ששתי הטמפרטורות ישתוו (נגיד – 90 מעלות) התהליך של מעבר אנרגיה ייעצר.
    אז מה כן אפשר להגיד – שאם תיקח מבער ותניח מעליו סיר מבודד שמכיל ליטר אחד של מים, תפעיל אותו עד שהמים ירתחו – ותמדוד את הזמן – נגיד 5 דקות. ועכשיו תיקח סיר זהה עם 2 ק"ג זהב, וגם תפעיל את המבער – אז אחרי 5 דקות (אותה כמות אנרגיה מסופקת) הזהב שבסיר יותך.
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • ניר

    זמן

    כתבה מאוד מעניינת!
    אפשר בבקשה הסבר קצר על משמעות הזמן בתהליך אגירת ופריקת החום?
    תוך כמה זמן ירתחו המים ותוך כמה זמן הם יתקררו אם משקיעים בהם כמות מסויימת של אנרגיה?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    הזמן כבר תלוי במשהו אחר

    הזמן של חימום וקירור תלוי בקצב מעבר החום, ככל שמעבר החום בין המים לסביבה יותר מהיר (למשל יותר אנרגיה בשנייה בחימום, 'הספק' גבוה יותר של קומקום חשמלי) - החימום והקירור יהיו מהירים יותר וההפך. אם מונעים, עד כמה שניתן, את מעברי החום על ידי שימוש בכלי מבודד למשל, כמו תרמוס - החימום או הקירור יקחו זמן רב.
    להרחבה על סוגי מעברי חום, ועל חימום וקירור ותרמוס שומר חום וקור:
    http://davidson.weizmann.ac.il/online/askexpert/technology/%D7%9B%D7%99%...

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

  • גל

    אגירת חום ופליטתו

    שלום, אני מחפשת חומר שאפשר להכניס לאש (סוג של אבן, בטון או משהו בסגנון) ושהחום שייאגר ייפלט באיטיות במשך שעות. יש דבר כזה? איך אני יכולה לבחון חומרים בעצמי? האם חומר עם מסה קטנה יאגור פחות חום?
    תודה:)

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאבי סאייג

    יש חומרים מופלאים כאלה

    היי גל
    ראי הסרט בקישור למטה, החומר ממנו בנויות לבנות הבידוד של מעבורות חלל – הוא יוצא מלובן מהתנור, אבל בכל זאת פליטת החום שלו כל כך איטית – שאפשר לגעת בו ביד חשופה, ראי הסרט בקישור:
    https://www.youtube.com/watch?v=Pp9Yax8UNoM
    כללית, את צריכה לבנים מהן בונים תנורים לטמפרטורות גבוהות, בדרך לבנים כאלו גם מבודדות וגם פולטות חום בקצב איטי לאחר שהתחממו.
    ו-כן, חומר עם מסה קטנה יותר יאגור יותר חום.
    בברכה
    ד"ר אבי סאייג
    מכון דוידסון לחינוך מדעי
    מכון ויצמן למדע

  • נועם

    תיקון קטן

    אני מניח שזו טעות - חומר עם מסה קטנה יותר יאגור פחות חום ולא יותר חום