על מנת לענות על שאלה זו, ראשית נבהיר לעצמנו מהו בעצם מעבר חום.
נניח שאנו מניחים כוס תה חם חם או כוס עם קוביות קרח בטמפרטורת החדר. אנו יודעים מה יקרה. כוס התה תתקרר לטמפרטורת החדר וכוס קוביית הקרח תתחמם לטמפרטורת החדר. זהו עיקרון יסוד בתרמודינמיקה: אם נשים שני גופים בטמפרטורה שונה זה מזה ביחד, אזי מעבר חום יגרום לשני הגופים להגיע לאותה טמפרטורה. לכן, "החדר" ו"כוס התה החם" מגיעים לאותה טמפרטורה ע"י מעבר החום, החדר מתחמם אך במעט וכוס התה מתקררת מאוד. אם נרצה לשמור על כוס התה החם כמה שיותר זמן כלומר, אם נרצה להאט את קצב מעבר החום כמה שיותר, אנו נצטרך להאט את שלושת התהליכים שגורמים למעבר חום.
שלושת התהליכים הם: הולכת חום, קרינה והסעת חום.
ראשית, נבהיר לעצמנו מהו חום?
בפשטות, אפשר לומר שחום הוא 'תנועה אטומית'. אטום מייצר את "החום" שלו ע"י מהירותו. בטמפרטורת האפס המוחלט, אין תנועה של אטומים. אבל כאשר האטומים מתחממים הם נעים. חום עובר כאשר אטום מתנגש באטום אחר. כאשר דבר זה מתרחש, האטום השני צובר חלק מהתנועה של האטום הראשון (בערך כמו בכדורי ביליארד) וחום עובר בהתנגשויות אלו.

הולכת חום:
הדרך הטובה ביותר לתאר הולכת חום היא לקחת מוט מתכת ולחמם קצה אחד של מוט זה. הקצה השני יתחמם ע"י הולכת חום. אם נניח סיר על כריים, פנים הסיר יתחמם ע"י הולכת של החום דרך התחתית המתכתית של הסיר. ישנם חומרים כדוגמת מתכות שהם מוליכי חום טובים יותר מאשר חומרים אחרים כמו פלסטיק לדגומא.

קרינה אינפרה-אדומה:
תופעת לוואי נוספת של תנועה אטומית היא ויברציה (תנודה). ויברציה גורמת לתופעה של קרינה אינפרא-אדומה. כמובן שהעין שלנו אינה מסוגלת לראות קרינת אינפרא-אדום, אך העור שלנו יכול להרגיש זאת. כמחצית מאנרגיית השמש שמגיעה אלינו היא בצורת קרינת איפרא אדומה, כששאר האנרגיה היא בטווח האור הנראה. קרינת אינפרא-אדום, כמו האור הנראה, מוחזרת ע"י מראות ונספגת טוב יותר בגופים שחורים. כשקרינת איפרא אדום נספגת, הדבר מתבטא בתנועה אטומית, ועל כן, בעלייה בטמפרטורה.

תופעת הסעת החום:
הסעת חום היא תכונה של נוזלים וגזים. היא מתרחשת בגלל שכאשר גז או נוזל מתחממים, החום נוטה לעלות מעל לגוף הנוזל או הגז. אם נניח כוס תה חם על השולחן, הוא יחמם שכבה של אוויר שמקיפה את כוס התה. שכבה זו מתרוממת משום שהיא חמה יותר מהאוויר שמסביב. כאשר הטמפרטורה בחלק מסוים של נוזל או גז שונה מזו בחלק אחר שלו, מתרחשת תופעה זו המכונה הסעת-חום. כלומר, החום מוסע מן החלק האחד לחלק האחר על-ידי תנועת הנוזל או הגז. אנו יודעים שאם נחמם נוזל, הוא יתפשט מעט; המשקל הסגולי של הנוזל החם קטן יותר מהמשקל הסגולי של הנוזל הקר והוא נע כלפי מעלה. בראדיאטור או בדוד מים חמים, המים חמים יותר בחלק העליון של הכלי מאשר בתחתית שלו. לפעמים אנו רואים זרמי אוויר חם נעים כלפי מעלה מעל כביש חם בקיץ, דבר שלמעשה הינו הסעת חום.


בשני האיורים אנו רואים את שלושת התהליכים במעבר חום: הולכה, הסעה וקרינה.

עתה, נחזור לעניין התרמוס.
על מנת לבנות תרמוס טוב, כל מה שאנו צריכים זה להקטין עד כמה שאפשר את שלושת התופעות של העברת החום שציינו. דרך אחת לבנות מיכל הדומה לתרמוס יהיה לקחת צנצנת ולעטוף אותה בחומר-ריפוד.

בידוד עובד ע"י שני עקרונות. ראשית, הפלסטיק שבגומי הריפוד הוא לא מוליך חום טוב. שנית, האוויר שלכוד בחומר המבדד הינו למעשה בעל מוליכות חום גרועה עוד יותר. על כן, בכך אנו הצלחנו להפחית את תופעת הולכת החום. מכיוון שהאוויר 'מתפרק' לבועות קטנטנות, הדבר הנוסף שהחומר-המבדד מצליח לעשות זה 'לסלק' במידה רבה הסעת חום שבתוך החומר-מבדד. העברת חום דרך חומר-מבדד היא על כן מאוד קטנה.

אולם, מסתבר שיש חומר-מבדד שהוא למעשה טוב יותר מאשר חומר-ריפוד: הואקום (ריק)!
ואקום זה 'מקום ללא אטומים'. "ואקום מושלם" מכיל אפס אטומים. זה כמעט בלתי אפשרי, אך אנו יכולים להתקרב למצב שכזה. למעשה, ללא אטומים אנו מבטלים את תופעת הולכה והסעת חום לחלוטין.

מה שיש במיכל תרמוס זו מעטפת זכוכית. בתוך התרמוס יש זכוכית, ומסביב לזכוכית ישנו ואקום. מעטפת הזכוכית היא שברירית, ועל כן היא ארוזה בתוך מיכל עשוי פלסטיק או מתכת. הזכוכית שבתוך התרמוס מצופה בכסף (כסופה), כמו מראה, על מנת להפחית קרינה אינפרא-אדומה. שילוב זה של ואקום ומעטפת כסופה מפחיתה משמעותית העברת חום על ידי הולכה, הסעה וקרינה.

אז מדוע נוזל חם בתרמוס לבסוף מתקרר?
אנו יכולים לראות באיור שני דרכים של העברת חום. הגדול יותר הוא המכסה. השני זו הזכוכית, אשר מאפשרת הולכה בחלק העליון של הבקבוק שבו הדפנות הפנימיים והחיצוניים נפגשים. על אף שמעבר חום דרך מעברים אלו הוא קטן, הוא אינו אפס.

האם התרמוס יודע באם הנוזל שאנו מכניסים לתוכו הוא חם או קר? לא. כל מה שהתרמוס עושה הוא להגביל את מעבר החום דרך הדפנות של התרמוס. זה מאפשר לנוזל שבתוך התרמוס לשמור על הטמפרטורה שלו כמעט קבועה לאורך זמן ממושך באם הטמפרטורה היא קרה או חמה.

מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
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.

18 תגובות

  • דרור סמוראי

    איך אני יכול לשמור על חום של

    איך אני יכול לשמור על חום של עיר שנמצאת מתחת למין
    בעומק של חצי קילומטר

  • היילי

    שאלה

    יש לי שאלה אם אני נגיד אני ממלאת את הבקבוק במים קרים לקראת יציאה לטיול ואני מעוניינת לשמור את טמפרטורת המים הקרים לאורך זמן ככל האפשר...ואני רוצה להשתמש בתכונת מוליכות החום של חומרים כדי למנוע מחום מן הסביבה לעבור אל המים הקרים שבבקבוק...(ללא שימוש של תרמוס)

  • בן

    לדעתי אלומיניום כי מיידנית

    לדעתי אלומיניום כי מיידנית שבדרך כלל משתמשים בה לבקבוקים והיא עשוייה מאלומינים
    ואגב אלומינים מוליך חום 220 יחיסית פחות מיהלום ודברים כאלה וגם חשבתי על זכוכית אבל אין לי הוכחות או עובדות ודברים כאלה כיאילו אני לא בטוחה אז...

  • בוננ

    ואללה לא יודע

  • תומר צרור

    כל מילה בסלע אך.

    חיפשתי הסבר לתופעה מעניינת שנתקלתי בה,
    כשאני מוזג קפה חם לכוס מתכת הוא נשאר חם ליותר זמן מבכוס פלסטיק.
    האם יש הסבר לכך או שהדבר הוא תופעת פלא על טבעית?

  • תומר

    כיצד ניתן ליצור קשר עם הכותב?

    כיתד ניתן ליצור קשר עם הכותב

  • נועה

    ההסברה

    אני חושבת שההסברה כאן לא ברורה... אני רוצה לכתוב מפה תשובה לבית ספר ולא להעתיק הכל אז אם יש אפשרות שתכתבו לסיכום או תצמצמו את המלל........... תודה והמשך יום טוב

  • רוני גינוסר

    הפסדי חום בדודי שמש /חשמל ביממה מתחת ל3קוש או מעל 8

    Hi Roni, This may be useful in advance of our meeting. Heat Loss on Electrical Geysers     Introduction   A SESSA study undertaken (and continuing) demonstrates the heat losses on electrical geysers. Real time data is recorded taking temperature readings every 15 minutes, without drawing water from the geyser.   The amount of time that it takes for 5C to be lost from the electrical geyser is as follows:     Description Hours Minutes With geyser start temp at 65C falling to 60C 1 45 With geyser start temp at 60C falling to 55C 2 15 With geyser start temp at 55C falling to 50C 3 45 With geyser start temp at 50C falling to 45C 4 30 With geyser start temp at 45C falling to 40C 6 15 To date over 400 readings have been taken.   The heat loss of 5C represents a loss of 0,87kWh on a 150l geyser and 1,16kWh on a 200L geyser, over the periods shown.   Not surprisingly the heat loss is fastest when ambient temperatures are lower, for example in the early hours of the morning. Wind also affects the speed of heat loss when the geyser is in the roof and draughts occur.  Taking a geyser reading of the water inside of the tank at 58C, showed a temperature on the outside of the tank at 28C, when the ambient air temperature was 20C.   Summary Conclusions   1)   The heat loss on electric geysers is far higher than the standing loss kWh figures over 24 hours as quoted on each manufacturer tank, if the geyser operates at hotter than 40C. 2)   Most electric geyser thermostats are set at 55C or 60C, which when mixed with cold water results in potable water at 40C. a.     This is in some respects a contradiction, to heat water then mix it with cold, but the reason is the amount of potable water at 40C needed by the home. 3)   Clearly when heat loss is a consideration, a larger tank holding hot water at 45C would make more sense than a smaller tank, at 65C. 4)   This approach supports the argument favoring pre-feed tanks. If hot water is fed into the main tank feeding the house, it avoids the main tank being diluted by cold water when hot water is drawn. a.     An example is a bath being topped up after the initial filling and when topped up some 15minutes or so later, the hot water is tepid rather than hot. 5)   It further endorses the arguments that a solar water heater should be a pre-feed system rather than replacing the existing electric geyser. 6)   On larger solar thermal installations a pre-feed system makes additional sense, even if the main tank is also solar or retrofitted. 7)   On pre-feed solar systems extra efficiency can be gained by feeding hot water from the solar tank at say 65C through a mixing or tempering valve to a temperature of 45-50C, thereby increasing the overall volume and if necessary just heating up a small amount of hot water by electrical back up in the main tank.   The Significance of Heat Loss   1)   Heat loss is just like tearing up money. It results in kWh being consumed heating the geyser up to the thermostat temperature, and when cooled again by 5C through heat loss, (the time this takes depends on both the thermostat temperature and other factors, ambient air temp, etc), heating up again to the thermostat temperature. 2)   The electricity lost over 5C is 1,16kWh on a 200L geyser. 3)   To heat the geyser (200L) back to 65C from 60C is 17,5 minutes. In round figures to maintain the geyser at 65C throughout a 24-hour period would be 12 cycles of 1 hour and 45 minutes to lose the heat and 17 minutes to reheat to 65C.  In other words this would be 13,92 kWh per 24 hour period. 4)   When compared with the geyser thermostat at 45C, the cycles are 6 hours and 15 minutes to lose 5C and 17 minutes to reheat, a total in round figures of 6 and a half hours. Over 24 hours with no water being drawn this is 3,7 cycles or 3,91kWh. 5)   Expressed a different way setting the geyser element at 45C loses 28% of the electricity lost of the geyser set at 65C.   Turning the Geyser Off or Geyser Blankets as Options   1)   On the basis of heat loss being so significant when geysers are set at higher temperatures, turning off the geyser does make sense. 2)   However there are significant practical disadvantages in this, in that hot water is not available all the time. This can be inconvenient to mothers with children at home. 3)   The SESSA study shows that the difference between turning the geyser ‘on’ and ‘off’ and setting the geyser element at 45C makes very little difference, as heat loss at 45C is small. 4)   Geyser blankets are frequently a subject of whether the expenditure is warranted when looking at payback (the amount of time it takes to recover the capital cost against the savings achieved), and the return on investment over time. 5)   The SESSA study (on limited numbers) shows that the rate of heat loss is halved when the geyser is set at 60C. a.     An example is the heat loss at 60C would take 4 hours and 30 minutes when fitted with a good geyser blanket rather than 2 hours and 15 minutes. – Further analysis is necessary, but if a geyser blanket was less than a R1,000 it would take less than 130 days for payback, if the geyser was set at 60C.   Other Alternatives – This is subject to testing analysis   1)   The concept of the ‘Accelerator’ where hot water is heated in a tube within the geyser, and through expansion and direction is forced to the top of a horizontal tank has merit in certain circumstances. a.     Where someone is turning ‘on’ and ‘off’ their electric geyser it will make limited, but hotter water available quicker. b.     For example, if the top 50 litres of water in the tank are heated to 60C it will provide 92 litres of potable water at 40C, sufficient for a 5,75 minute shower at 16 litres per minute (the average HP shower head), use 2,56kWh and take 51 minutes to heat with a 3 kW element, with a 4kW element 39 minutes. c.      In the case of pre-feed electric geyser where water is fed into the main tank at 45C it will have advantages in boosting the temperature quickly to say 60C for hot water. d.     Likewise in a solar pre-feed system, where solar heated water is being fed into an existing geyser, boosting the temperature of the solar pre-fed water from 45-50C to 60C may have advantages. 2)   Reservations over the accelerator figures provided are held (prior to testing for the following reasons) a.     The specific heat of water formulas do not tie up with the figures shown b.     False readings from the thermostat temperature are likely, due to the thermostat being closest to the element, and the thermocline and settlement of hot water across the tank. For example the figure of 41C at 75 minutes with the standard 3kW element is close (would actually be 77 minutes) but the figure of 25C at 15 minutes with the 3kW element would take 21 minutes or at 15 minutes would reach 23,3C. c.      The accelerator temperature readings are ambiguous, probably taken at the outlet (rather than the inlet of the geyser as stated), and it is accepted that the temperature from the hot water outlet will be higher than the rest of the tank. d.     It is not accepted that you can get more heat out of an electrical resistance element than the power that is put in, irrespective of the placement and direction of the element. e.     It is however accepted that you can heat a layer of water quicker by the accelerator, and that there may be small incidental heat associated loss benefits by doing so.   Conclusion   This is a discussion document in advance of a meeting with Roni to discuss how the accelerator might be of benefit to both electric geysers and solar water heaters. Until testing is undertaken and real time data is extracted all comments are provisional and subject to correction.   In general the major potential benefits of the accelerator are thought to exist because of heat loss characteristics of electric and solar geysers in South Africa.

  • ריקי

    תרמוס

    כמה זמן אמור להישמר מים חמים בתרמוס?
    אני שמה ב12 בלילה מים רותחים בתרמוס כדי שאכין לתינוק אוכל אבל אחרי שעתיים הם כבר ממש קרים זה הגיוני או שהתרמוס מקולקל? יש לציין שהתרמוס שלי בן 7 שנים

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאיתן אוקסנברג

    תרמוס

    שלום ריקי,
    היכולת של תרמוס לשמור על חום של נוזל תלויה בעיקר בסוג התרמוס וטיבו ובטמפרטורת הסביבה שלו.
    להערכתי סביר שתרמוס טוב ישמור על חום לפחות למשך שעתיים.
    ייתכן שמערכת הואקום של התרמוס שלך נפרצה ואויר דלף פנימה. מצב כזה יוריד מאוד את יכולת התרמוס לשמור על חום.

  • דוד יוסף

    הסבר ברור יותר מדוע אויר מבודד טוב

    האם משום מיעוט אטומים? האם משום מרחקים גדולים בין אטום למשנהו?
    תודה על הפרוייקט המקסים

  • hatem

    the stand

    it is good to the kid to teaching i love tte teach

  • עמוס

    פיצוץ תרמוס

    פתחתי תרמוס על מנת לשטוף את מיכל הזכוכית שלו. המיכל לא קיבל שום מכה רק נשטף במים וסבון. לפתע המיכל התנפץ לרסיסים. האם יש לכך הסבר הגיוני או שזה מעד על איכות גרועמ של תרמוס?

  • שלומי דגן

    תשובה

    יכולות להיות מספר סיבות

    1. שינויי טמפרטורה קיצוניים (למשל מים קרים על תרמוס חם או מים חמים על תרמוס קר) – 'מתעללים' בכל זכוכית ועלולים לנפץ אותה.

    2. גם לחץ יכול לנפץ תרמוס (מילוי במים חמים – סגירה וניעור שמחמם את האויר ויוצר לחץ)

    3. סדק (גם קטן) בזכוכית, יכול לגרום לכל הזכוכית לתפרק ברגע שיופעל עליו לחץ קטן.

    בכל מקרה, עדיף תרמוס נירוסטה.

  • ענבל

    תרמוס

    האם הזכוכית בתוך מייכל התרמוס מחייבת או שניתן לעשות תרמוס מספיק טוב גם בלעדיה, עם מתכת וציפויי פלאסטיק? מכיוון שזכוכית זה חיסרון היא עלולה להשבר בייחוד עם התרמוס מיועד לילדים.

  • שלומי דגן

    יש ויש

    יש גם תרמוסים עם פנים העשוי מפלדת אל חלד, וברווח בין הפלדה לפלסטיק יש ואקום - אשר אפקטיבית משמש כמבודד.

  • יעקב

    הולכת חום

    אם יש לי שני מוטות מאותו חומר ובאותו אורך אל בעובי שונה , אצל מי תהיה הולכת החום מהירה יותר? כלומר , שעווה שתונח בקצה המוט תותך ראשונה.

  • שלומי

    תשובה

    ניקח 2 צינורות של מטר אורך כל אחד. אחד בקוטר של 1 מ"מ והשני בקוטר של 1000 ק"מ. עכשיו נחבר שעווה בצד אחד ומצית ביד השניה. אינטואיטיבית אנחנו יכולים להבין שהמצית לא תעשה הרבה לצינור העצום ואילו את הדק היא תחמם במהירות.

    לא משוכנע? אפשר פשוט ללכת לנוסחת הולכת החום:

    ΔQ/Δt = -kA*ΔT/Δx

    k - מקדם המוליכות הסגולי של החומר

    A - חתך רוחב של החומר

    ΔT - ההבדל בטמפרטורה בין 2 קצוות החומר

    Δx - המרחק בין 2 הקצוות

    ΔQ/Δt - חום כפונקציה של זמן (הולכת חום)

    נוסחה זו היא בדיוק חוק הקירור של ניוטון:

    בהינתן גוף מוליך חום, חוק הקירור של ניוטון קובע: כמות החום העוברת ביחידת זמן ממשטח אחד בגוף למשטח אחר בו, נמצאת ביחס ישר להפרש הטמפרטורות בין המשטחים ולשטח חתך הגוף המוליך בניצב לכוון ההולכה, וביחס הפוך למרחק בין המשטחים.

    כאמור, מכיוון ששטח חתך גוף המוליך שונה ב-2 הצינורות יכולת הולכת החום שלהם תהיה שונה