איך המדע למד
לשחק באש?

מאז שחר הימים הילכה האש קסם על בני האדם. איפה עוד אפשר למצוא בטבע שילוב כזה של כוח הרס וכוח חיות המשמשים בערבוביה? האש נוכחת בחיינו כל הזמן – היא מניעה את רוב המכוניות שלנו, משמשת אותנו לבישול, מחממת את בתינו ובוערת בפתילי נרות שאנו מדליקים לצרכים טקסיים, לנוי ולרומנטיקה. היא אפילו מלווה אותנו בשלל ביטויים וצירופים בלשון היומיום. אך אף שאנו הולכים איתה באש ובמים, רובנו לא באמת מבינים מה טיבה ומה טבעה. היא פשוט כלי עבורנו – שימושי בדרך כלל, לעיתים מסוכן, אבל רק לעיתים רחוקות אנחנו טורחים לתהות על קנקנה.

אש יוונית

שאלת מהותה של האש מלווה את האנושות עוד מימי קדם, ואולי אפילו מאז שאבות אבותינו קדמוני האדם למדו לראשונה לשלוט באש, ובכך הזניקו את התפתחותנו צעד גדול קדימה. אין לפיכך פלא שכשהפילוסופים של יוון העתיקה ניסו להסביר את עולמם, האש תפסה מקום מרכזי מאוד בתמונת העולם שציירו לעצמם.

כבר במאה החמישית לפני הספירה הגה הפילוסוף היווני אמפדוקלס (Empedocles) את תיאוריית ארבעת היסודות, שהציעה לראשונה הסבר סדור על מבנה החומר. טענתו הייתה שבטבע יש ארבעה יסודות – אוויר, אש, מים ואדמה – וכל החומר כולו מושתת על ארבעת אלה. לכל יסוד יש תכונות ייחודיות משלו והשילוב הספציפי של ארבעתם מכתיב את מהותו של כל חומר. האש, לצורך העניין, ייצגה אנרגיה ותנועה.

תיאוריית ארבעת היסודות קנתה לה אחיזה בפילוסופיה היוונית והתפשטה ממנה לתרבויות נוספות בעולם. בין מאמציה היה גם הפילוסוף היווני הנודע אריסטו, אך ההסבר שנתן למהותם של היסודות היה אחר. בשונה מאמפדוקלס, אריסטו סבר שלכל אחד מהיסודות יש שתי תכונות שמייצגות שני זוגות של הפכים: חום או קור ויובש או לחות. האש הייתה כמובן היסוד החם והיבש. באופן טבעי, מבחינתם, היוונים חיברו את ארבעת היסודות גם עם האסטרולוגיה – תחום דעת אחר שניסה להסביר את המציאות, ושייכו כל שלושה מזלות בלוח השנה ליסוד אחר. משפחת מזלות האש כללה את המזלות אריה, טלה וקשת. למותר לציין כי כיום אנו יודעים שאסטרולוגיה אינה מדע, ושאש אינה יסוד.

תיאוריית ארבעת היסודות נפוצה עד היום בתרבויות מסורתיות רבות, כגון הבודהיזם. היא חלחלה המשך השנים אפילו למיסטיקה היהודית. היא נוכחת למשל בחיבור הקבלי "ספר יצירה", שמזכיר "ארבעה טבעים שברא מהם הקב"ה העולם". כמו כן, המספר 4 מופיע ביהדות לא פעם כמספר סמלי, למשל ארבעת המינים וארבעת מלאכי השרת.

לאסטרולוגיה ולמיסטיקה הצטרפה גם האלכימיה. אחד מיעדיו העיקריים של התחום הקדם-מדעי הזה היה להמיר מתכות פשוטות וזולות למתכות יקרות; למשל, להפוך עופרת לזהב. ההיגיון נשען במידה רבה על תפיסת ארבעת היסודות: "אם רק נשנה את היחס בין ארבעת היסודות בחומר, נוכל לשנות אותו לחומר אחר, אולי מובחר ונדיר יותר", השלו את עצמם דורות על גבי דורות של אלכימאים.

רק בתקופה המודרנית, כשהמדע זיהה את היסודות הכימיים, כגון מימן, חמצן ופחמן, תיאוריית ארבעת היסודות נשללה, ואיתה האלכימיה כולה, אך נותר בה קסם מרתק – ואפילו מידה חלקית של היגיון. בניסיון להתאים בין היסודות למצבי הצבירה הנפוצים, אפשר לומר כי אדמה היא מוצק, מים הם נוזל, אוויר הוא גז, והאש... ובכן, מהי?

אש, מים, אדמה, אוויר. ארבעת היסודות לפי הפילוסופיה היוונית במאה החמישית לפני הספירה | Sunflowerr; Maren Winter, Shutterstock

אש פנימית

המדע כמעט לעולם לא מתפתח בקו ישר. בהיסטוריה של המדע אי אפשר להצביע על יום מסוים שבו תיאוריית ארבעת היסודות התפוגגה ופינתה את מקומה לטבלה המחזורית של דמיטרי מנדלייב. במהלך ההתפתחות ההדרגתית של מדעי הכימיה והפיזיקה התפתחה שורה של הסברים שנבחנו ברצינות עד שבסופו של דבר נשללו. הבולטת מביניהם הייתה תיאוריית הפלוגיסטון.

מסענו להבנת האש מוביל אותנו כעת אל המאה ה-17, שבה כבר היה ברור למדי שאש אינה יסוד. לפני 400 שנה בערך, בניסיון להסביר מהי בערה, מצא האלכימאי הגרמני יוהן יואכים בכר (Becher) הסבר שנשמע משכנע. הוא טען כי בחומרים שמסוגלים לבעור קיים חומר נוסף, חסר צבע, שמשתחרר בתהליך הבעירה והופך לאש. לחומר הזה הוא קרא פלוגיסטון, מהמילה היוונית "פלוקס" (φλόξ), שפירושה "להבה". ההסבר הזה פתר לא מעט שאלות שהעסיקו את ראשוני הכימאים של התקופה, או אחרוני האלכימאים. וכך, במשך קרוב למאה שנה, הפלוגיסטון נחשב לאמת.

ב-1783 החלה תיאוריית הפלוגיסטון להיסדק, כשהתברר שכאשר מחממים מתכת בכלי סגור, התוצר שוקל יותר מהמתכת המקורית. מכאן נובע לכאורה שלפלוגיסטון האצור במתכת יש מסה שלילית. המסקנה הזו הטרידה את אבי הכימיה המודרנית אנטואן לבואזיה (Lavoisier), והוא ערך ניסויים ומדד בהם את שינויי המסה של מתכות שנשרפו. המסקנה שעלתה מניסוייו הייתה אחת ויחידה: חומר אחר מעורב בתהליך השריפה – היסוד חמצן, שהתגלה זמן לא רב קודם לכן. כך שהחמצן הוא זה שמאפשר את תהליך השריפה ואת האש שנוצרת בו. כיום אנו יודעים שבתהליך הבעירה של מתכת, החמצן שבאוויר נקשר למתכת ויוצר תרכובת חדשה שכוללת גם את המסה שלו.

שלל תירוצים וסיווגים חלופיים הומצאו כדי להצדיק את המשך קיומו של הפלוגיסטון, אך לשווא. וכך, עד ראשית המאה ה-19 התיאוריה החדשה של לבואזיה מחקה כמעט כל זכר לפלוגיסטון. כמעט, כי דווקא מגלה החמצן, ג'וזף פריסטלי (Priestley), המשיך לדבוק בתיאוריה הישנה עד מותו, בשנת 1804.

מה קורה כששורפים צמר פלדה? 

אש האמת

כעת ברור כי אש איננה מצב צבירה, והיא בוודאי לא יסוד. אש היא תהליך שמתחיל ונגמר, היא חוויה רב-חושית שטומנת בחובה תהליכים פיזיקליים וכימיים המערבים שלושה מרכיבים: חומר בערה, חמצן וחום. הצירוף של שלושתם יחד מכונה "משולש האש" המוכר. תוצרי השרפה הם אדי מים ופחמן דו-חמצני, ולצידם תוצרי לוואי אפשריים, שהם הפיח.

בעת השרפה מתרחשות במקביל תגובות כימיות רבות שלא היו מתאפשרות לולא אספקת החום הראשונית שהענקנו לחומר ברגע ההצתה. מרגע זה והלאה, המולקולות של חומר הבערה מתפרקות ומגיבות עם החמצן בקצב מסחרר, התוצרים מתפרקים ונוצרים שוב ושוב. במהלך התגובות האלה נפלט חום נוסף, שמזין את התהליכים הללו עד שחומר הבערה אוזל.

צבעי הלהבה מעידים על חומר הבערה וגם על הטמפרטורה. להבות העולות מעצי מדורה הן כתומות-אדומות; גז בישול מפיק אש כחולה; להבות ירוקות וסגולות מופיעות למשל בשריפת נחושת או תרכובות מתכתיות אלה ואחרות. במדרג הטמפרטורות של האש קל להבחין, למשל, בשלהבת נר: במקום הלוהט ביותר, סמוך לפתיל, הלהבה כהה במיוחד, והיא מתבהרת ככל שמתקרבים לקצוות החיצוניים שלה.

צבע הלהבה מעיד על חומר הבערה וגם על הטמפרטורה. להבות בצבעים שונים |  Vector Tradition, Shutterstock

אש אטומית

הצבעים הללו קשורים לא רק לתגובות כימיות, אלא גם לתהליכים בפיזיקה אטומית. שני גורמים פיזיקליים אחראים לצבעי הלהבה: קרינת גוף שחור ותהליכי פליטה אלקטרוניים.

קרינת גוף שחור היא רעיון תיאורטי ותיק בפיזיקה של החום (פיזיקה תרמית). השם עשוי לבלבל קצת, כי הגוף לא חייב להיראות שחור. לפי ההגדרה, "גוף שחור" מושלם הוא גוף שכשפוגע בו אור לבן, שמכיל את כל הצבעים, האור נבלע בו במלואו – הוא לא מוחזר מפני השטח של הגוף וגם לא עובר דרכו. עם זאת, כן עשוי להיפלט מהגוף אור כתוצאה מההתחממות שלו, והאור שייפלט יהיה תלוי בטמפרטורה של הגוף. את הקשר בין הטמפרטורה לצבע שייפלט קובעת נוסחה שנקראת חוק פלאנק. בתהליך השריפה, חומר הבעירה והפיח שנוצר מתחממים, ונפלט אור כתוצאה מהחימום. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, צבע הלהבה יהיה דווקא "קר" יותר, לכיוון הכחול.

בנוסף, במהלך הבעירה חלק מהאלקטרונים באטומי החומר עולים ברמת האנרגיה שלהם. מצבי האנרגיה הגבוהים של החומר אינם יציבים לאורך זמן, והאלקטרונים שבים למצב היסוד שלהם. במהלך הירידה הזאת נפלטת מהחומר אנרגיה בצורת חלקיק אור, שנקרא פוטון, והצבע שלו משקף את הפער בין שתי רמות האנרגיה. עוד מאפיין בולט של האש הוא ריחה העז. כשאנחנו מדליקים מדורה בל"ג בעומר, אנו מריחים את תוצרי השריפה, שכוללים תערובת מגוונת של גזים ומוצקים, המופיעים עקב ההתלקחות של דופן התא הצמחי של העץ הבוער, וממלאים את האוויר בסוכרים ובמולקולות נוספות. בהדרגה, גם המים האגורים ברקמת העץ הופכים לגז (אדים) ומתנדפים. כשזה קורה, גם חוש השמיעה שלנו מצטרף לחוויה, ואנו שומעים קולות פצפוץ עדינים של אש מלחכת, שנוצרים כשמקטעים של קליפת העץ מתרחבים ואדי מים מתנדפים החוצה מבעד לחרכים שנוצרו.

תוצרי השרפה אחראים לריחה העז ולקולות הפצפוץ האופייניים. אנשים יושבים סביב מדורה | MiniStocker, Shutterstock

באש ובמים

ניסיתם פעם להבעיר אש מתחת לפני המים? הרי מגיל צעיר אנו מורגלים לחשוב על מים ואש כעל אויבים מרים זה של זה. ואכן מים הם כלי שימושי מאוד לכיבוי שריפות: הם מפרידים בין חומר הבערה לחמצן, וגם מנמיכים את הטמפרטורה. כך משולש האש נשבר בשני מקומות ולכאורה האש אמורה לדעוך. הבעיה היא שככל שהשרפה גדולה יותר, צריך יותר ויותר מים כדי לחנוק את הלהבות ולקרר אותן. לכן מומלץ להשתמש בחומרים יעילים יותר שמעכבים את הבעירה – שנמצאים למשל במַטְפֵּי אבקה.

בתנאים מסוימים אפשר ליצור משולש אש פעיל אפילו מתחת לפני המים. אפשר להשתמש לשם כך בחומרים מחמצנים, כלומר חומרי בערה שכבר כוללים בתוכם חמצן זמין לשימוש מיידי. כך משולש האש הופך באופן מעשי לצמד: חום וחומר בערה+חמצן. ואז, אם יחסי הכוחות בין החומר הדליק לבין המים המקיפים אותו אינם מספיקים כדי לקרר את האש, אפשר להצית אש אפילו במעמקים.

לא מאמינים? ראו את הניסוי שבסרטון:

אש בשמיים

הבערנו אש במים. מה בנוגע לחלל החיצון?

טילים שנושאים חלליות מכדור הארץ לחלל, וכך גם המנועים שמאפשרים לחלליות לנווט מחוץ לאטמוספרה, משתמשים בבעירה כדי למלא את משימתם. הם פועלים בהצלחה אף על פי שמכל בחינה מעשית אין בכלל חמצן בחלל החיצון. לשם כך יש להם מכלי חמצן נוזלי, שמאפשר לדלק לבעור ולהניע את הטיל.

גם נרות אפשר להדליק בחלל – לפחות בתוך המרחב המשמש את האסטרונאוטית בחלליות ובתחנת החלל הבינלאומית, שכמובן יש בו חמצן בשפע. אבל בהיעדר כבידה משמעותית, להבת הנר תיראה אחרת – היא תהיה כדורית, ולא מוארכת לצורה דמוית טיפה. על פני כדור הארץ, להבות נראות רחבות למטה וצרות למעלה. הצורה הזאת נוצרת כשגז חם עולה למעלה ממרכז הלהבה, נגד כיוון הכבידה, בעוד אוויר קר ומחומצן זורם לבסיס הלהבה. הבדל הלחצים מעניק ללהבה צורה מוארכת. בחלל, לעומת זאת, היא נראית כדורית לגמרי, כי בהיעדר כבידה אין הבדל לחצים בין חלקי הלהבה.

להבות משונות בתחנת החלל:

חוקרים מצאו גם שכשמציתים גז בשם הֶפְּטָאן בתנאי מיקרו-כבידה, הוא יבער גם בטמפרטורה נמוכה בהרבה מזו שנדרשת לבעירה בכדור הארץ. גם תוצרי השריפה שונים. במקום מים, פחמן דו-חמצני ופיח ייווצרו בתנאים האלה דווקא פחמן חד-חמצני והתרכובת האורגנית פורמלדהיד, ללא פיח. כך שלא רק הפיזיקה של האש שונה בחלל, אלא גם הכימיה. ומי יודע? אולי בעתיד נוכל להשתמש בלהבות הקרות הללו למטרות כלשהן, ונגלה עוד מנפלאותיה של האש.