אחד האתגרים הגדולים שעמדו בפני בני האדם בעולם העתיק הפך בשנים האחרונות כמעט לעניין של מה בכך – הצורך להגיע למקומות רחוקים ולעשות את זה כמה שיותר מהר. שנים רבות בני האדם הסתמכו כשנעו על היבשה רק על רגליהם או על הרגליים של סוסים ובהמות מסע אחרות. כל זה השתנה באופן יסודי עם המצאת המנוע.

כיום כבר קשה לנו לדמיין עולם ללא מנועים שיעזרו לנו לנוע מהר. בעולמנו יש יותר ממיליארד מכוניות, ועוד שלל דרכים, בדמות רכבות, מטוסים ואפילו חלליות, לנוע מהר, ואפילו מהר מאוד. סביר להניח שלא ממש חשבתם על הנושא הזה בפעם האחרונה שנסעתם לרמת הגולן, אבל כשקיטרתם שהנסיעה ארוכה נורא ונמשכה שעתיים שלמות, הייתם צריכים לזכור שבעולם ללא מנועים מסע דומה ממרכז הארץ לרמת הגולן היה אורך בין ארבעה ימים לשבוע.

המהפכה האדירה הזו החלה עם האב-טיפוס הראשון של כלי רכב ממונע, שנוצר כבר בשנת 1770. היא המשיכה עם בניית קווי הייצור הראשונים של מכוניות מסחריות בתחילת המאה ה-20 וממשיכה להתקדם גם כיום. כל זה התאפשר בזכות פריצות דרך טכנולוגיות ושימוש בשני עקרונות כימיים בסיסיים. הראשון הוא כמובן מציאת הדרך לייצר אנרגיה ולתרגם אותה לתנועה של כלי רכב. השני, שחשוב לא פחות, הוא השימוש בתכונות של חומרים שונים כדי להיפטר מעודפי אנרגיה וחום, וכך לאפשר למנוע לתפקד היטב לאורך זמן.

השריפה שמניעה את הגלגלים
מנועי הבנזין והדיזל שמניעים כיום את רוב המכוניות פועלים על בסיס רעיון דומה. הם דוחסים יחד אוויר ואדי דלק עד שבשלב מסוים, לפעמים בעזרת ניצוץ חשמלי, נוצרת תגובת שריפה. השריפה הזאת היא למעשה פיצוץ מבוקר. הגזים שנוצרים בתגובה, יחד עם האנרגיה הרבה שמשתחררת בה, דוחפים בוכנה. התקן שנקרא "גל ארכובה" מתרגם את התנועה הקווית של הבוכנה לתנועה סיבובית של הגלגלים.
 

עקרון הפעולה של מנוע ארבע פעימות

 

מערכת הקירור
אחד האתגרים בניצול אנרגיית השריפה הזו ליצירת כוח שיאפשר תנועה הוא איך להתמודד עם תופעות הלוואי של התגובה הזאת, שכוללות גזים והרבה חום. בלי מנגנון קירור מתאים החום הרב יצטבר במנוע והטמפרטורות יטפסו עד שהרכיבים המתכתיים של המנוע יתעוותו מהחום והוא ייהרס.

מערכת קירור מתאימה צריכה להגיע בקלות לכל חלקי המנוע, לספוג כמויות גדולות של חום להעביר את החום החוצה. מערכת כזו גם צריכה להיות כמה שיותר יעילה, ולכן על המערכת להיות סגורה ומחזורית.

כאן נכנס לתמונה העיקרון הכימי השני. מערכת הקירור צריכה להשתמש בחומר שמאפשר תנועה אל המנוע ומתוכו החוצה. מצבי הצבירה המתאימים לצרכים האלו הם נוזל או גז. בנוסף, החומר במערכת הקירור צריך להיות מסוגל לשאת חום רב ולהעבירו אל מחוץ למנוע. התכונה שמודדת את היכולת של חומר לשאת חום היא קיבול החום הסגולי ומשמעותה היא כמה אנרגיה תגרום לחומו של גרם אחד של חומר לעלות במעלה אחת.

למזלנו הנוזל הנפוץ ביותר בעולם הוא גם אחד החומרים בעלי הקיבול הסגולי הגדול ביותר. מדובר כמובן במים. אבל מים הופכים לגז בטמפרטורה נמוכה יחסית של מאה מעלות וקופאים ומתרחבים באפס מעלות, כך שביום קר מאוד, שהטמפרטורה צונחת בו אל מתחת לאפס, המים יקפאו ויגרמו נזק למרכת הקירור ולמנוע.

אם כן, כדאי לנו להשתמש במים לקירור, אבל אנחנו רוצים שנקודת הרתיחה שבה הנוזל יהפוך לגז תהיה גבוהה יותר ושנקודת הקיפאון שבה הוא הופך מוצק תהיה נמוכה יותר. הפתרון טמון בהבנה עמוקה של מצבי הצבירה השונים ושל נקודות המעבר ביניהם.

במעבר של המים מנוזל לקרח, המולקולות נדרשות להתקרב זו לזו ולהסתדר בצורה מחזורית וצפופה. אם נצליח להקשות על המולקולות להסתדר כגביש, המעבר למצב מוצק יקרה בטמפרטורה נמוכה יותר. במעבר ממים נוזלים לגז המולקולות צריכות לקבל מספיק אנרגיה כדי להתרחק זו מזו לחלוטין. כמו כן, כדי שבועות הגז יתפזרו באוויר, לחץ האדים צריך להיות גבוה יותר מהלחץ האטמוספירי שדוחף את הגזים להישאר בתוך הנוזל. כך שאם נצליח להוריד את לחץ האדים של המים, טמפרטורת הרתיחה שלהם תעלה.

כדי לענות על שני הצרכים הללו אפשר להכין תמיסה מהחומרים הנכונים. במקרה שלנו, אם נמיס שאתילן גליקול במים ביחס שווה, נקבל תמיסה שנקודת הקיפאון שלה היא 37- מעלות צלזיוס ונקודת הרתיחה שלה היא 106 מעלות. לתמיסות מהסוג הזה יש תכונות שונות מאלה של כל אחד ממרכיביהן. ערבוב ביחסים שונים של ממס ומומס יתנו לנו נקודות רתיחה וקיפאון אחרות.

הסרטון הופק במסגרת TEDed

הכימיה של נוזלי הקירור היא דוגמה אחת מיני רבות ליכולת שלנו ליישם הבנה שרכשנו על חוקי טבע ותכונות של חומרים על מנת לייצר תרכובת חדשה שתכונותיה עולות בטיבן על תכונות חומרי המוצא שלה ומתאימות יותר לשימוש ספציפי. ניצול הידע שלנו בכימיה ובפיסיקה כדי לאפשר יישומים חדשים עומד בליבן של הכימיה היישומית והכימיה התעשייתית, שתי אסכולות ששינו את העולם. בזכותן אנו יודעים לבנות מטוסים מחומרים מרוכבים חזקים וקלים מאוד, לפתח דשנים שמאפשרים לנו להזין את אוכלוסיית העולם ולהגיע ממקום למקום בלי שהמנוע שלנו יתחמם יותר מדי.

אז בפעם הבאה שאתם יוצאים לנסיעה ארוכה, כשמכוניות נוסעות במהירות סביבכם בכבישי הארץ, הקדישו רגע מחשבה לכימיה ולפיסיקה שמאפשרים לכם להגיע למחוז חפצכם.

3 תגובות

  • אליה ברזל

    כדי להגביר את היעילות ולא

    כדי להגביר את היעילות ולא כמקור אנרגיה נוסף

  • אליה ברזל

    האם מנוע של מכונית אוויר יכול לשמש

    לרכבות ותחנות כוח?

  • יורם

    שאלה לגבי מערכת קירור ברכב חשמלי

    הסתקלתי כל מערכות קירור ברכבים חשמליים כמו למשל ב
    http://greenextreme.co.il/product-category/רכב-חשמלי/
    ואני לא חושב שזה כל כך שונה, ממערכת קירור רגילה. האם יש שוני מהותי בזה ?