דוד שמש היא מערכת להמרת אנרגית סולארית, כלומר אנרגיה המגיעה מהשמש - לחום. דבר המתבטא בעליית טמפרטורהת המים. מערכת הדוד שמש היא למעשה מאוד פשוטה והעיקרון הפיסיקלי העומד מאחוריה גם הוא פשוט: קולט שמש למעשה ממיר את אנרגיית האור לחום על מנת לחמם את המים. 2 החלקים העיקריים במערכת הינם מיכל המים (הדוד האוגר מים) וקולטי השמש (שתפקידם להמיר את אנרגיה סולארית לחום).
הסבר לאנימציה: השמש זורחת, מחממת את הקולטים ואת המים שבתוכם – צבע המים הופך מכחול לאדום. המים החמים ה"קלים" (הפחות צפופים) זורמים כלפי מעלה לחלק העליון של הדוד – ומים קרים חדשים נכנסים מהחלק התחתון של הדוד לתחתית הקולטים. כתוצאה מכך הדוד מתמלא לאט במים חמים. הזרימה בין הדוד לקולט מתרחשת מעצמה ללא צורך במשאבה בגלל הבדלי הצפיפויות בין מים קרים לחמים (מים חמים צפים על מים קרים). בערב – אפשר להתרחץ במים חמים (מהחלק העליון של הדוד). זכויות היוצרים של האנימציה שייכות למכון דוידסון לחינוך מדעי, מותר להשתמש תוך מתן קרדיט נאות.
קולט השמש: כפי שציינו, קולט שמש למעשה ממיר את אנרגיית האור לחום על מנת לחמם את המים. קולטי השמש ממוקמים בכיוון דרום משום שבצהרי היום שטף האור הוא הגדול ביותר בשעות היממה. בכדי שרוב אור השמש יבלע בקולט, צבעם של הקולטים הינו שחור. צינור נחושת (בדרך כלל) נמצא בתוך הקולט (ראו איור). קרינת השמש עוברת דרך הזכוכית השקופה, פוגעת במשטחים השחורים ונבלעת. עקב כך מתחממים המשטחים ומחממים את הצינורות שצמודים להם. הזגוגית למעשה עוזרת בשמירת החום שנוצר בגוף הקולט - בדיוק כמו בחממה, כלומר האור נכנס לתוך הקולט דרך הזכוכית, הופך לחום בזכות הצבע השחור, ונכלא בתוך הקולט כי זכוכית לא מוליכה חום טוב.
למעשה המים שבצינור הנחושת מתחממים לא רק מקרינת השמש שפוגעת בהם אלא גם מהחום שפולט המשטח השחור שבמגע עם הצינורות ובכלל זה מהאוויר החם שנוגע בצינור. כאשר המים בצינור מתחממים הם עולים מעלה, שכן צפיפותם נמוכה מזו של המים הקרים שבדוד, למיכל שאוגר אותם. ברגע שהמים החמים עלו מעלה הם בעצם מפנים מקום למים קרים יותר שמגיעים מהדוד - ומתרחשת זרימה בלתי פוסקת של מים מהדוד אל הקולט וההפך, כאשר אל תחתית הקולט זורמים מים קרים מתוך הדוד משום שתחתית הקולט היא הנמוכה ביותר ואליה 'נופלים' המים הקרים שהם הכי צפופים ("כבדים") - אם הייתם בבריכה אולי שמתם לב שהמים העמוקים הם קרים יותר מהמים שנמצאים בחלק העליון של הבריכה - וככה זה בדיוק בדוד. כפי שניתן לראות באנימציה שבראש העמוד, בתוך דוד השמש - הצינור שמוריק את המים החמים אל הבית מגיע עד החלק העליון ביותר של הדוד - שם מתרכזים המים החמים.
מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע
וד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
מכון ויצמן למדע
