כבר זמן רב בני האדם מבינים כמה חשוב שנוכל להשיג חום או קור ברגעים הנכונים. בימינו זו אולי לא נראית דרישה גדולה, אבל האמת היא שהיכולת ליצור חום או קור לפי הצורך היא טכנולוגיה מהפכנית וחדשה יחסית. איך עובדות שקיות קירור וחימום?
עד לפני מאה שנה האפשרות לשאת אתנו מערכת ניידת שתוכל להפיק חום או קור בצורה כמעט מיידית הייתה בבחינת מדע בדיוני. היום, בעזרת קצת חדשנות והרבה כימיה, שקיות חימום מאפשרים לנו לקחת איתנו "חום בשקית" כמעט ללא הגבלה. השקיות יכולות לשמש אותנו כדי לחמם ארוחה בתנאי שדה בלי להדליק אש, ואפילו להציל את חייו של חייל שסובל מתת-חום בשדה הקרב. באותו אופן, שקיות קירור מאפשרות לנו לשמר אוכל בלי חשמל ולהוריד במקרה הצורך את טמפרטורת הגוף.
האתגרים המרכזיים בפיתוח של שקיות חימום או קירור היו ליצור מערכת שאינה פעילה כל זמן שאינה נחוצה, אך תוכל לייצר במהירות חום או קור משמעותיים ברגע שתידרש. מעבר לזה המערכת צריכה להיות ניידת, קלה לנשיאה, עמידה בתנאי שדה ואמינה. מדובר באתגרים לא פשוטים, בוודאי אם מבינים כמה קשה לייצר חום או קור וכמה לא פשוט לשלוט עליהם.
משום שהמקרר, התנור והמזגן הפכו לחלק בלתי נפרד מהחיים שלנו, אנחנו נוטים לשכוח עד כמה המציאות הזו חדשה. עד סוף המאה ה-19 הדרך היחידה לקרר הייתה על ידי קרח טבעי, אחר כך התקדמו לייצור קרח מלאכותי ורק לפני כשבעים שנה, אחרי מחקר ופיתוח מאומצים וממושכים, החלו לייצר קור באמצעים כימיים ופיסיקלים.
היכולת לשלוט בחום ובקור הייתה ועודנה קריטית לקיום האנושות ולהתפתחותה. במבט היסטורי, השליטה באש ורתימת החום הנפלט מתגובת השריפה כדי לבשל בו מזון הייתה ללא ספק אחת מנקודות הציון שאפשרו את התפתחות התרבות האנושית המודרנית. כיום יש חשיבות רבה לוויסות קפדני של הטמפרטורה במגוון תהליכים וטכנולוגיות, אבל לא צריך להרחיק לכת עד כדי כך. מספיק לדמיין את ישראל בחודש אוגוסט בלי מקררים ומזגנים כדי להבין עד כמה אנחנו תלויים ביכולת שלנו לשלוט בטמפרטורה.
סרטון אנימציה על הכימיה של שקיות קירור:
אז איך אפשר להכניס חום או קור לשקית?
הדרך לפיצוח האתגרים האלו עוברת בכמה תחנות כימיות. ראשית יש לנבור בכמה עקרונות של התרמודינמיקה (חקר התנהגות האנרגיה) של תגובות כימיות כדי להבין אם יש בכלל פתרון תיאורטי לבעיה. אם נגלה שכן, כימיה מעשית תאפשר לנו למצוא את החומרים הנכונים ותאפשר לנו להפיק את לתגובות הנכונות שיגשימו את התיאוריה.
ביחס לשקיות חום, אנחנו רוצים להכניס לשקית תגובה כימית שבמהלכה תיפלט אנרגיה שאנחנו נרגיש כחום. תגובות כאלו נקראות "תגובות אקסותרמיות" (אקסו=החוצה, תרמיות=חום) והן מתארות תגובה כימית שהחומרים ההתחלתיים שבה נמצאים במצב אנרגטי גבוה יותר מאשר התוצרים שלה. מאחר שאנו מתחילים במצב אנרגטי גבוה ומסיימים במצב אנרגטי נמוך, ההפרש בין השניים הוא מה שנפלט לסביבה בצורת חום.
רבות משקיות החימום עובדות על עיקרון של המסת מוצק כלשהוכמו סידן כלורי (CaCl2) או מגנזיום גופרתי (MgSO4) בתמיסה. כדי לאתחל את התגובה עלינו לשבור קפסולה פנימית שמכילה את הנוזל.כשהנוזל משתחרר הוא ממס את המוצק ובמהלך ההמסה נשברים קשרים כימיים במוצק אך נוצרים קשרים עתירי אנרגיה בין המוצק לממס (המים) ובעת יצירתם משתחררת הרבה אנרגיה לסביבה.
תגובות אקסותרמיות משחררות אנרגיה, כשהתוצרים באנרגיה נמוכה מהחומרים ההתחלתיים, והאנרגיה הנותרת משתחררת כחום. ידיים מחזיקות שקית חימום בשלג | מקור: SUJITRA CHAOWDEE, Shutterstock
בשקיות קירור נחוצה תגובה כימית שצורכת אנרגיה מהסביבה. כהסביבה מספקת לתגובה הכימית אנרגיית חום וכך מתקררת. תגובות כאלו נקראות "תגובות אנדותרמיות" (אנדו=פנימה, תרמיות=חום) והן מתארות תגובה כימית שהחומרים ההתחלתיים שבה נמצאים במצב אנרגטי נמוך יותר מאשר התוצרים שלה. מאחר שאנו מתחילים במצב אנרגטי נמוך, ומסיימים במצב אנרגטי גבוה, יש הפרש אנרגטי שנלקח מהסביבה בצורת חום.
אנחנו רגילים להכניס דברים גשמיים לשקיות באופן יומיומי כדי לקחת אותם איתנו ממקום למקום. הכוח המופלא של הידע הכימי מאפשר לנו להכניס לתוך שקית גם דברים מופשטים כמו חום, קור ואפילו אור (במקלות מאירים). כל שעלינו לעשות הוא לדעת איזה חומרים בדיוק להכניס לתוכן.
