באדיבות וויקיפדיה
לפני מאתיים שנה, המדענים בחנו סוג אנרגיה אחר: חום. במובנים רבים החום נראה כמו נוזל. הוא זורם ממקום למקום; חפצים עשויים לקלוט או להקרין חום בכמויות גדולות, גופים אחרים יכולים לספוג או לפלוט מעט מאוד חום. אבל האם החום הוא נוזל? אם כן, אזי כל גוף חייב להכיל כמות חום קבועה. יצרן תותחים אמריקני בשם הרוזן רומפורד הראה שטענה זו אינה נכונה. הוא הבחין כי חום רב נוצר כאשר קודחים קנה תותח. אבל מקדחים קהים יוצרים חום רב יותר מאשר מקדחים חדים. מכאן, שהחום נוצר כתוצאה מחיכוך: החום הוא אנרגיה של תנועה כאשר שני משטחים מתחככים האחד בשני. ניתן להמחיש זאת באמצעות הדגמה מהירה, שפשפו את ידיכם במהירות. ניתן ליצור חום אפילו בעזרת שיפשוף של שני גושי קרח.
האם ניתן לכמת חום או אנרגיה תרמית? הדבר ניתן בהחלט. בשנת 1840, ג‘יימס ג'אול (James Prescott Joule) ערך ניסוי מפורסם. הפיסיקאי הבריטי הכניס בחשן משוטים למיכל מים. משקלות שירדו סובבו את בחשן המשוטים. ג'אול שיער שהמשוטים המסתובבים יחממו את המים, והוא צדק! ג’אול מדד את עליית טמפרטורת המים בכל פעם שהוריד את המשקלות.
"כמות החום המסוגלת להעלות את הטמפרטורה של פאונד אחד של מים במעלת פרנהייט אחת דורשת לצורך התפתחותה את ההוצאה של כוח מכני המיוצג על ידי נפילה של 772 פאונד לאורך מרחק של רגל אחת" סיכם.
בניסוח מודרני המסקנה שלו הייתה מנוסחת כך:
עבודת כוח בן 4,184 ניוטון הפועל לאורך מרחק של מטר אחד המומרת לאנרגיית חום, תעלה את הטמפרטורה של קילוגרם אחד של מים במעלת צלזיוס אחת.
הניסוי הפשוט של ג’אול הראה שאנרגיה קינטית, או אנרגיה של תנועה, ניתנת להמרה ישירות לחום.
מהן ההשלכות של הניסוי המפורסם של ג’אול? לחלקיקים נעים יש אנרגיה קינטית, אפילו בקנה-המידה של מולקולות. חשבו על המולקולות והאטומים כעל חלקיקים זעירים, המתרוצצים ומכים חלקיקים אחרים. לכל אחד יש מסה ומהירות, ומכאן אנרגיה קינטית. תנועת בחשן המשוטים בניסוי של ג’אול גרמה לכל מולקולות המים לנוע מהר יותר. חום הוא רק צורה מקרוסקופית של אנרגיה קינטית.
כיצד קשורה הטמפרטורה לחום? לכולנו יש תובנה לגבי המושגים “חם” ו“קר” אבל מה המשמעות הטמפרטורה שאותה ניתן למדוד, במבנה החומר? התשובה מפתיעה אנשים רבים, כאשר הם פוגשים אותה לראשונה. טמפרטורה היא מדד למידת התנועה היחסית של מולקולות ואטומים. (לשם הנוחות, הבה נתייחס רק למולקולות, שכן אטום הוא סוג מיוחד של מולקולה בעלת אטום אחד בלבד במקום מספר אטומים. כאשר אנו אומרים “מולקולה” בדיון הבא, ניתן לחשוב על מולקולות או על אטומים). כאשר הטמפרטורה עולה, המולקולות בחומר נעות מהר יותר ביחס אחת לשניה. ככל שהטמפרטורה נמוכה יותר, כך המולקולות נעות באיטיות גדולה יותר. הבוטנאי האנגלי רוברט בראון גילה זאת לראשונה בשנת 1827, כאשר הוא צפה באמצעות מיקרוסקופ באבקה הצפה על פני מים. גרגירי האבקה נעו בתנועה אקראית מתמדת. תנועתם נבעה מהתנגשות מתמדת עם מולקולות המים שסביבם.
באדיבות pixabay
שימו לב כי אנרגיה תרמית וטמפרטורה אינם זהות. לטיפת מים רותחים ולכוס מים רותחים יש טמפרטורה זהה, אבל לכוס המים יש כמות חום גדולה הרבה יותר. הייתם שמים לב לכך בעקבות מגע של העור שלכם בכל אחת מהן. הטמפרטורה אינה מודדת את כמות החום הכוללת בגוף. זהו מדד לתנועות המיקרוסקופיות של המולקולות או האטומים.
מדענים משתמשים בסולם טמפרטורות שונה מאלה שאתם רגילים אליהם. בארצות הברית רוב האנשים עדיין משתמשים בסולם הטמפרטורה פרנהייט המיושן, שנוצר לפני כמעט 300 שנה. רוב העולם משתמש בסולם צלזיוס, שבו 0°C היא נקודת הקפאון של מים ואילו 100°C היא נקודת הרתיחה של המים בגובה פני הים. אבל החומר יכול להיות קר יותר מנקודת הקיפאון של המים, כך שהוא מכיל עדיין חום גם מתחת 0°C. מדענים נוהגים להשתמש בסולם טמפרטורה אחר, שבו האפס מתאים למצב שבו לאטומים או למולקולות אין כל תנועה יחסית. זהו סולם קלווין, הקרוי על שמו של לורד קלווין (וויליאם תומסון), פיסיקאי אנגלי מפורסם שתרם רבות להבנת החום. יחידות פיזיקליות רבות נקראות על שמם של מדענים דגולים, זוהי דרך מקובלת להנציח את פועלם. כך למשל קיבלנו את הניוטון למדידת כוח, הווט להספק, הקלווין לטמפרטורה והג'אול לאנרגיה. למרבה הצער עבור הפיזיקאים המודרניים, היחידות החשובות ביותר כבר תפוסות!
סולם קלווין הוא בעל מרווחים זהים לסולם צלזיוס, אבל נקודת האפס של סולם זה נמוכה בהרבה. בסולם הטמפרטורות של קלווין, מים רותחים ב-373°K וקופאים ב- 273°K וטמפרטורת החדר לערך 295°K. כדי לעבור מטמפרטורה בסולם קלווין לטמפרטורה בסולם צלזיוס יש להוסיף 273. כאשר הטמפרטורות גבוהות מאוד, נניח מיליוני מעלות, ההבדל בין סולם קלווין לבין סולם צלזיוס זניח. האפס המוחלט הוא 0°K או 273°C -. בניסויי במעבדה ניתן לקרר חומרים עד כדי מיליוניות מעלה מהאפס המוחלט.
לסיכום, כל האטומים והמולקולות נמצאים בתנועה מתמדת, וזהו כלל התקף לכל מצבי הצבירה של החומר: מוצק, נוזל וגז. מדענים מכנים את תיאור החומר באמצעות תנועות מיקרוסקופיות אלו בשם התיאוריה הקינטית של החומר. לפי תיאוריה זו, אנרגיה תרמית היא מדד לסך אנרגיית התנועה המיקרוסקופית והאנרגיה הפוטנציאלית של הקשרים החשמליים בין החלקיקים במערכת, בעוד שהטמפרטורה היא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת של אותם אטומים או מולקולות. התיאוריה מסבירה כיצד ניתן לחשב את המהירויות ואת האנרגיות של החלקיקים בטמפרטורות שונות, ומשוואות אלו מועילות לניבוי סוגי התופעות המתרחשות בכוכבים, בפלנטות ובחומרים אחרים בתנאי טמפרטורה שונים.