תורת הזורמים תורת החום

Transcription

תורת הזורמים תורת החום
‫פיזיקה‬
‫תורת הזורמים‬
‫™‬
‫תורת החום‬
‫מותאם לתוכנית הלימודים פעימ"ה של משרד החינוך‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪1‬‬
‫תוכן עניינים‬
‫תורת הזורמים‬
‫הידרוסטטיקה‬
‫‪3‬‬
‫פרק א' תורת הזורמים – מבוא ‪..................................................‬‬
‫‪4‬‬
‫פרק ב' לחץ אטמוספרי ‪.............................................................‬‬
‫‪7‬‬
‫כוחות ולחצים ‪...............................................................‬‬
‫‪9‬‬
‫פרק ג'‬
‫פרק ד' הלחץ בנוזל סטטי ‪.........................................................‬‬
‫‪12‬‬
‫פרק ה' לחץ הידרוסטטי ‪............................................................‬‬
‫‪17‬‬
‫חוק ארכימדס ‪...............................................................‬‬
‫‪22‬‬
‫פרק ו'‬
‫הידרודינמיקה‬
‫פרק ז'‬
‫‪25‬‬
‫זורמים בתנועה ‪............................................................‬‬
‫‪26‬‬
‫פרק ח' תופעת המערבולת ‪......................................................‬‬
‫‪29‬‬
‫פרק ט' קצב ספיקה של זורם ‪....................................................‬‬
‫‪32‬‬
‫חוק ברנולי ‪..................................................................‬‬
‫‪36‬‬
‫נספח נוסחאות והמרת יחידות מידה ‪................................‬‬
‫‪41‬‬
‫פרק י'‬
‫תורת החום‬
‫‪43‬‬
‫פרק א'‬
‫מקורות אנרגית חום ‪....................................................‬‬
‫‪45‬‬
‫פרק ב'‬
‫הטמפרטורה וסולמות למדידת חום ‪................................‬‬
‫‪48‬‬
‫פרק ג'‬
‫השפעת החום ותופעות ההתפשטות ‪...............................‬‬
‫‪55‬‬
‫פרק ד'‬
‫תופעות האנומליה של מים ‪...........................................‬‬
‫‪63‬‬
‫פרק ה'‬
‫התפשטות של גזים ‪......................................................‬‬
‫‪66‬‬
‫פרק ו'‬
‫כמות חום ‪...................................................................‬‬
‫‪69‬‬
‫פרק ז'‬
‫מעבר בין מצבי צבירה של חומר ‪.....................................‬‬
‫‪77‬‬
‫פרק ח'‬
‫חוקי הגזים ‪.................................................................‬‬
‫‪87‬‬
‫פרק ט'‬
‫העברת חום ‪................................................................‬‬
‫‪95‬‬
‫סיכום ושאלות ‪.............................................................‬‬
‫‪100‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪2‬‬
‫תורת‬
‫הזורמים‬
‫"הידרוסטטיקה"‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪3‬‬
‫פרק א' ‪ -‬מבוא לתורת הזורמים‬
‫זורמים בטבע‬
‫כידוע‬
‫הכוכב‬
‫כדור‬
‫שלנו‬
‫הארץ מוקף ומוגן ע"י שכבת‬
‫גז הנקראת "אטמוספירה"‪.‬‬
‫שכבה זו מגינה עלינו מקרינת‬
‫השמש ואף מספקת לנו את‬
‫האוויר הדרוש לנו לקיום‬
‫החיים על פני האדמה‪.‬‬
‫כמו כן ידוע כי שני שלישים מכדור הארץ הם מים הנמצאים בתוך‪ :‬אוקיינוסים‪,‬‬
‫ימים‪ ,‬אגמים‪ ,‬נהרות‪ ,‬נחלים ועוד‪.‬‬
‫תנועת כדור הארץ סביב השמש וסביב צירו גורמת לשינויים והשפעות על‬
‫האוויר והמים הבאים לידי ביטוי בשינויי מזג אוויר כמו חום‪ ,‬רוחות וגשמים עם‬
‫התחלפות עונות השנה‪.‬‬
‫האוויר הוא גז והמים הם נוזל אשר זורמים בטבע ולכן הם נקראים‪" :‬זורמים"‪.‬‬
‫"גז" ו "נוזל" נקראים "זורמים"‬
‫גם היצורים החיים על פני האדמה כוללים במבנה האנטומי שלהם את הזורמים‪.‬‬
‫בכל יצור חי קיים הזורם "נוזל" שהוא הדם‪ .‬ואילו הזורם "גז" הוא החמצן‬
‫המשמש לנשימה‪ .‬שני הזורמים האלו נמצאים בתנועה מתמדת בתוך הגוף‬
‫שהיא הכרחית לקיום החיים‪.‬‬
‫תורת הזורמים עוסקת בהתנהגותם של נוזלים וגזים‬
‫לגזים ונוזלים תכונות פיסיקליות די דומות‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪4‬‬
‫המשותף להם‪ - :‬יכולתם לנוע ממקום למקום ולשנות את צורתם‪.‬‬
‫ההבדל ביניהם‪:‬‬
‫• גזים ‪ -‬ניתנים לדחיסה ואז משנים את הנפח שלהם בהתאם ללחץ‬
‫המופעל עליהם‪.‬‬
‫• נוזלים ‪ -‬אינם ניתנים לדחיסה‪.‬‬
‫"רוח" ‪ -‬זו תנועה של אויר שנוצרת משינוי בלחץ האטמוספרי‪ .‬האוויר נע‬
‫ממקום של לחץ אטמוספרי גבוה למקום של לחץ אטמוספרי נמוך‪.‬‬
‫• ביום ‪ -‬האוויר שמעל הקרקע חם יותר מהאוויר שמעל פני הים‪.‬‬
‫• בלילה ‪ -‬האוויר שמעל פני הים חם יותר מהאוויר שמעל פני הקרקע‪.‬‬
‫הפרש הטמפרטורות גורם להפרשי לחץ אויר וליצירת "הרוח"‪.‬‬
‫ים‬
‫ים‬
‫אדמה ‪ -‬הרים‬
‫אדמה ‪ -‬הרים‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪5‬‬
‫פרק ב' ‪ -‬לחץ אטמוספרי‬
‫כולנו מרגישים את הלחץ באוזניים כאשר אנחנו יורדים ממקום גבוה למקום‬
‫נמוך‪ .‬זהו הלחץ האטמוספרי של האוויר הפועל עלינו בזמן הירידה‪.‬‬
‫אותו הדבר קורה לנו כאשר אנו צוללים בתוך המים‪ .‬ככל שנצלול עמוק יותר כך‬
‫נרגיש את הלחץ באוזניים ובגוף המופעל עלינו ע"י המים‪.‬‬
‫המסקנה היא‪:‬‬
‫א‪ .‬זורמים )גז ונוזל( מפעילים לחץ‪.‬‬
‫ב‪ .‬הלחץ נובע מהמשקל שלהם‪.‬‬
‫• האוויר מפעיל "לחץ אטמוספרי"‪.‬‬
‫• הנוזל מפעיל "לחץ הידראולי" ‪.‬‬
‫• לחץ מודדים ביחידות‪" :‬אטמוספירה" ] ‪[ ATM‬‬
‫אך ישנם גורמים נוספים כמו‪ :‬טמפרטורה‪ ,‬תנועה ועוד‪.‬‬
‫מקום נמוך ‪ -‬לחץ גבוה‬
‫מקום גבוה ‪ -‬לחץ נמוך‬
‫לחץ האוויר בגובה פני הים ) גובה ‪ 1 = ( 0‬אטמוספירה‬
‫תופעות הלחץ האטמוספרי‬
‫א‪ .‬תנועה של האוויר ממקום של לחץ גבוה למקום של לחץ נמוך גורמת לתופעה‬
‫הנקראת‪" :‬רוח"‪.‬‬
‫ב‪ .‬הפרשי לחצים גדולים המתרחשים בגובה רב גורמים לתופעות של סערות ‪.‬‬
‫ג‪ .‬משקל האוויר מפעיל על כל הסובב אותו לחץ הנקרא‪" :‬לחץ אטמוספרי"‪.‬‬
‫ד‪ .‬את הלחץ האטמוספרי חקר הפיסיקאי "טוריצ'לי" שגם המציא את מכשיר מדידת‬
‫הלחץ האטמוספרי הנקרא‪" :‬ברומטר"‪.‬‬
‫ה‪ .‬לחץ אטמוספרי נמדד ב ‪" :‬אטמוספרות" ‪ -‬או ‪" -‬ס"מ כספית" ‪.‬‬
‫ו‪ 1 .‬אטמוספירה = ‪ 76‬ס"מ כספית‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪7‬‬
‫פרק ג' ‪ -‬כוחות ולחצים‬
‫לחץ ‪P -‬‬
‫"לחץ" ‪ P‬הוא גודל "הכוח" ‪ F‬הפועל על יחידת "שטח" ‪. S‬‬
‫והנוסחה לחישוב הלחץ היא ‪:‬‬
‫כוח ‪F‬‬
‫שטח ‪S‬‬
‫= ‪P‬‬
‫לחץ‬
‫‪ 1‬אטמוספירה = ‪ ] 10‬ניוטון‪/‬סמ"ר [ או ‪ ] 100.000‬ניוטון‪/‬מ"ר [ ‪.‬‬
‫כוח ‪F -‬‬
‫כוח ניתן להפעיל בצורות שונות‪ .‬אנו נתייחס לכוח שמפעיל משקלם של הזורמים‪.‬‬
‫וההגדרה תהיה‪:‬‬
‫הכוח שלוחץ על שטח הוא משקל החומר הנמצא על השטח‬
‫כלומר‪:‬‬
‫כוח ] ‪[ F‬‬
‫יחידות מדידה ‪:‬‬
‫ניוטון ) ‪( N‬‬
‫=‬
‫משקל החומר ] ‪[ G‬‬
‫ק"ג כוח ) ‪( Kgf‬‬
‫המשקל תלוי בשני גורמים והם ‪:‬‬
‫• מסה של חומר ) ‪ = ( m‬כמות החומר בלבד והיא קבועה בכל מקום‪.‬‬
‫• כוח המשיכה של כדור הארץ ) ‪ - ( g‬או כמו שהוא נקרא גם "כוח הכובד"‬
‫או "תאוצה חופשית" אשר שווה בקרוב ל ] ‪. 10 [ m/sec2‬‬
‫כאשר באים לחשב את משקל החומר יש להתחשב בשני הגורמים הבאים‪:‬‬
‫משקל החומר = מסה • כוח הכובד‬
‫)‪(m‬‬
‫)‪(g‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪9‬‬
‫לדוגמה‪:‬‬
‫משקלו של חומר בעל מסה של ‪ 100‬גרם יהיה ‪:‬‬
‫משקל = מסה של ‪ 100‬גרם • ‪) 10‬כוח הכובד( = ‪ 1000‬גרם כוח = ‪ 1‬ק"ג כוח‪.‬‬
‫‪ 1‬ק"ג כוח = ‪ 10‬ניוטון ) ‪( N‬‬
‫חומר שהמסה שלו ‪ 100‬גרם והמשקל שלו ‪ 1‬ק"ג כוח‪ ,‬מפעיל כוח של ‪ 10‬ניוטון‪.‬‬
‫לכל כוכב ביקום יש כוח משיכה משלו המשפיע על מיקומו במערכת הכוכבים‪.‬‬
‫ידוע למשל כי כוח המשיכה על פני הירח קטן פי ‪ 6‬מכוח המשיכה הקיים על‬
‫פני כדור הארץ‪ .‬לכן משקל של גוף על פני הירח יהיה קטן פי ‪ 6‬ממשקלו על‬
‫פני כדור הארץ‪ .‬וזאת למרות שהמסה שלו )כמות החומר( נשארת זהה‪.‬‬
‫שטח ‪S -‬‬
‫אם הכוח שמופעל הוא קבוע הלחץ יהיה תלוי בגודל השטח‪.‬‬
‫כוח ‪ F‬קבוע‬
‫יחידות מדידה של שטח הן‪:‬‬
‫מ"ר ] ‪[ m2‬‬
‫‪,‬‬
‫סמ"ר ] ‪..... [ cm2‬‬
‫‪ 1‬מ"ר = ‪ 10.000‬סמ"ר‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪10‬‬
‫פרק ד' ‪ -‬הלחץ בנוזל סטאטי‬
‫קיים הבדלים בין נוזלים הנמצאים במנוחה )בתוך כלי( במצב סטטי לבין נוזלים‬
‫הנמצאים בתנועה הזורמים כל הזמן‪.‬‬
‫החוקים הפיסיקליים על פיהם פועלים נוזלים במנוחה הם חוקים פיסיקליים‬
‫בסיסיים הנקראים‪" :‬חוקים הידרוסטטיים"‪) .‬הידרו ‪ -‬מים ‪ ,‬סטטי ‪ -‬מנוחה(‪.‬‬
‫הלחץ בנוזל סטטי )במנוחה( נובע ממשקל הנוזל‪ .‬כלומר ככל שמשקל הנוזל‬
‫גדול יותר כך הלחץ שהוא מפעיל גדול יותר‪ .‬כמות גדולה של נוזל מפעילה לחץ‬
‫גדול‪ .‬נסתכל על שני מצבים‪:‬‬
‫א‪ .‬השפעת כוח חיצוני על נוזל סטטי הנמצא בתוך כלי‪.‬‬
‫ב‪ .‬השפעת הכוחות הפועלים בתוך הנוזל הסטטי ללא כוח חיצוני‪.‬‬
‫חוק פסקל‬
‫עוסק בהשפעתו של כוח חיצוני על נוזל סטטי קובע כי‪:‬‬
‫לחץ חיצוני הפועל על נוזל בכלי סגור מתפשט לכל‬
‫הכיוונים במידה שווה‬
‫חוק זה אפשר לבנות את המכונה ההידראולית המבוססת והיא‪" :‬הבוכנה"‪.‬‬
‫עיקרון הפעולה שלה התבסס על‪:‬‬
‫הפעלת כוח קטן ‪ F1‬על בוכנה קטנה יגרום לקבלת כוח גדול ‪F2‬‬
‫מבוכנה גדולה בצד שני‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪12‬‬
‫כביטוי מתמטי נראה זאת כך‪:‬‬
‫לפי חוק פסקל הלחצים שווים ‪-‬‬
‫‪P2‬‬
‫= ‪P1‬‬
‫‪p1 = F1‬‬
‫‪S1‬‬
‫‪p 2 = F2‬‬
‫‪S2‬‬
‫אם הלחץ בבוכנה הקטנה ‪-‬‬
‫ואם הלחץ בבוכנה הגדולה ‪-‬‬
‫‪F1 F 2‬‬
‫=‬
‫‪S1 S 2‬‬
‫נקבל‪:‬‬
‫והנוסחה תהיה‪:‬‬
‫‪F2 S 2‬‬
‫=‬
‫‪F1 S 1‬‬
‫יחס השטחים‬
‫לשוויון היחסים הזה קוראים‪" :‬יתרון מכאני"‬
‫יחס הכוחות‬
‫ללא יחידות מדידה‪.‬‬
‫היתרון המכאני נובע מהפעלת כוח בלבד ולא מלחץ‪ .‬היתרון המכני הוא‬
‫תיאורטי מכיוון שבתוך הבוכנות קיים כוח חיכוך שלא התחשבנו בו כעת‪.‬‬
‫השאלה היא‪ :‬מה הקשר בין מרחק התזוזה של בוכנה א' ‪ h1‬למרחק התזוזה‬
‫של בוכנה ב' ‪?h2‬‬
‫על פי חוק פסקל זה קשור לנפחים‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪13‬‬
‫פרק ה' ‪ -‬לחץ הידרוסטאטי‬
‫כאשר אנחנו צוללים בתוך מים אנו מרגישים לחץ באוזניים ולחץ על הגוף‪ .‬ככל‬
‫שאנחנו צוללים עמוק יותר ככה הלחץ גדל‪ .‬המסקנה היא כי בעומק גדול הלחץ‬
‫נובע מכך שכמות המים שמעלינו גדולה יותר ומשקלה הגדול גורם ללחץ הגדול‪.‬‬
‫ללחץ זה קוראים‪" :‬לחץ הידרוסטאטי"‪.‬‬
‫"לחץ הידרוסטאטי" ‪ -‬הוא הלחץ הקיים בתוך הנוזל ונובע ממשקלו העצמי‬
‫של הנוזל‪ .‬ה"לחץ ההידרוסטאטי" אינו קשור להפעלת כוח מבחוץ‪.‬‬
‫ככל שעובי השכבה הלוחצת על הגוף גדולה יותר כך הלחץ גדול יותר‪.‬‬
‫לחץ‬
‫עומק קטן = לחץ קטן‬
‫‪ 0.2‬אטמ'‬
‫‪ 3.5‬אטמ'‬
‫ככל שיורדים‬
‫לקרקעית‬
‫הים הלחץ‬
‫גדל‬
‫עומק גדול = לחץ גדול‬
‫‪ 20‬אטמ'‬
‫‪ 315‬אטמ'‬
‫חשוב לזכור !‬
‫• לחץ הידרוסטטי קיים בתוך הנוזל ונובע ממשקלו של הנוזל‪.‬‬
‫• באותו עומק הלחץ ההידרוסטטי שווה בכל הנקודות)פסקל(‪.‬‬
‫• עומק גדול לחץ גדול‪.‬‬
‫• לחץ הידרוסטטי מודדים ביחידות ‪ " -‬אטמוספירות" ] ‪. [ ATM‬‬
‫• כל ‪ 10‬מ' עומק במים = לחץ של ‪ 1‬אטמוספירה‪.‬‬
‫• מכשיר המדידה ללחץ הידרוסטטי נקרא‪" :‬מנומטר"‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪17‬‬
‫פרק ו' ‪ -‬חוק ארכימדס‬
‫כאשר אנו רואים אניות שטות בים אנו תמיד מתפלאים כיצד יכולות אוניות כל‬
‫כך כבדות לשוט על פני המים ואינן טובעות ?‬
‫מה גורם לגופים לצוף על פני המים ולא לשקוע ?‬
‫את התגלית הזו גילה פיסיקאי יווני מהתקופה הקדומה בשם "ארכימדס"‪.‬‬
‫כאשר מילא את האמבטיה שלו מים עד סופה ונכנס פנימה נשפכו החוצה מים‪.‬‬
‫המדען היווני אשר שם לב לתופעה הזאת החליט לבדוק את הנושא בצורה‬
‫מעמיקה יותר‪ .‬ארכימדס גילה כי גוף השקוע בנוזל דוחף הצידה כמות של נוזל‬
‫וכך "מפסיד" ממשקלו‪ .‬הוא קבע את החוק הנקרא על שמו הקובע כי ‪:‬‬
‫"הפסד" במשקל הגוף = למשקל כמות הנוזל שהגוף דחה‬
‫ובנוסחה מתמטית‪:‬‬
‫‪V′ • d‬‬
‫משקל סגולי‬
‫של הנוזל‬
‫נפח הנוזל‬
‫שנדחה‬
‫=‬
‫‪G′‬‬
‫"הפסד" משקל‬
‫הגוף‬
‫ההסבר הוא שגוף מאבד ממשקלו את משקל הנוזל שהוא דחף הצידה כדי‬
‫להיכנס לנוזל ולהיות בתוכו‪ .‬כלומר‪:‬‬
‫גוף שוקל פחות בתוך נוזל מאשר משקלו מחוץ לנוזל‪.‬‬
‫ארכימדס גילה גם כי כאשר מפעילים כוח על גוף השקוע בנוזל מפעיל הנוזל על‬
‫הגוף כוח נגדי כלפי מעלה‪ .‬לכוח הנגדי הזה קרא‪" :‬כוח העילוי"‪.‬‬
‫כוח העילוי‬
‫הוא הכוח שגורם לגוף השקוע בנוזל לצוף על פני הנוזל‪.‬‬
‫והוא פועל אנכית כלפי מעלה‪ .‬כוח העילוי גורם לגוף "כאילו"‬
‫להפסיד ממשקלו ולכן הגוף עולה למעלה‪.‬‬
‫"הפסד" המשקל של הגוף = כוח העילוי‬
‫כוח העילוי‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪22‬‬
‫מאפייני כוח העילוי‬
‫• תלוי בנפח של הגוף הנמצא בתוך הנוזל ‪ -‬ככל שנפח הגוף הנמצא‬
‫בנוזל גדול יותר כוח‬
‫העילוי גדול יותר‪.‬‬
‫• תלוי בסוג הנוזל בו‬
‫נמצא הגוף ‪ -‬ולא סוג החומר‬
‫מים מלוחים‬
‫מים מתוקים‬
‫ממנו עשוי הגוף‪.‬‬
‫• כוח העילוי פועל אנכית ‪ -‬כלפי מעלה‪.‬‬
‫• כוח העילוי נגרם כתוצאה מהפרשי לחץ הידרוסטאטי ‪ -‬הפרש בין‬
‫הלחץ הפועל על חלקו העליון של הגוף לבין הלחץ הפועל על חלקו‬
‫התחתון של הגוף‪.‬‬
‫• כוח העילוי גורם ל"הפסד" משקל הגוף‪.‬‬
‫חוק ארכימדס מאפשר לנו להבין את תופעת הציפה‬
‫של גופים על פני נוזל‪ .‬הוא מאפשר לנו להבין כיצד‬
‫אוניות מסוגלות לשוט על פני המים עם מטען גדול‬
‫שהן לוקחות איתן‪ .‬כלומר האוניות צריכות להיות‬
‫בנויות כך מראש שידחו כמות של מים השווה למשקל שלהן‪ .‬אם נוצר חוסר איזון‬
‫בין כוח העילוי )"הפסד" המשקל( למשקלו של הגוף הלוחץ על המים ודוחה אותם‬
‫הגוף יטבע ‪.‬‬
‫חשוב לזכור !‬
‫• "הפסד" משקל של גוף הוא הפרש בין משקל באוויר למשקל בנוזל‪.‬‬
‫• "הפסד" משקל = כוח העילוי‪.‬‬
‫• "הפסד" משקל הגוף = משקל הנוזל שהגוף דחה‪.‬‬
‫• כוח העילוי תלוי במשקל הסגולי של הנוזל‪.‬‬
‫• משקל סגולי גדול כוח עילוי גדול‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪23‬‬
‫תורת‬
‫הזורמים‬
‫"הידרודינמיקה"‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪25‬‬
‫פרק ז' ‪ -‬זורמים בתנועה‬
‫ההידרודינמיקה מסבירה את ההשפעות על זורמים וההתרחשות בתוך זורמים‬
‫הנמצאים בתנועה‪ .‬הזורמים אוויר ומים הקיימים בטבע נמצאים בתנועה‬
‫מתמדת‪ .‬האוויר נע ממקום של לחץ גבוה למקום של לחץ נמוך ותנועה זו‬
‫גורמת לתופעת הרוח‪.‬‬
‫הרוח יכולה להגיע לפעמים למהירויות גבוהות מאד ואז אנו עדים לתופעות כמו‬
‫"הוריקנים" או "טורנדו" שמהירות הרוחות שלהם מגיעה למאות קילומטרים‬
‫בשעה‪ .‬בגבהים גבוהים יותר יכולות הרוחות להגיע למהירויות אפילו גבוהות‬
‫יותר של אלפי קילומטרים בשעה‪.‬‬
‫גם המים נמצאים בתנועה מתמדת וקיימת זרימה של נהרות לים בגלל הפרשי‬
‫הגבהים בין הנהרות לים‪ .‬אך גם תופעת הגאות והשפל גורמת לתנועת המים‪.‬‬
‫חשוב לזכור !‬
‫• תנועת האוויר בטבע נגרמת בגלל הפרשי לחצים‪.‬‬
‫• תנועת המים בטבע נגרמת בגלל הפרשי גבהים‪.‬‬
‫גורמים המשפיעים על זורם נע‬
‫בתוך הזורמים עצמם יש כוחות ולחצים הנובעים מכמות החומר ומסוג החומר על‬
‫פי המבנה הכימי שלו הקובע את תכונות החומר‪.‬‬
‫כל חומר בנוי ממולקולות )פרודות( אשר כוחות המשיכה הפועלים ביניהן ותנועתן‬
‫הבלתי פוסקת מהווים את המבנה הכימי של החומר וקובעים את תכונותיו‪.‬‬
‫בנוזלים‬
‫קיימים נוזלים אשר על פי המבנה הכימי שלהם הם סמיכים יותר ואילו נוזלים‬
‫אחרים על פי המבנה הכימי שלהם דלילים יותר‪ .‬לסמיכות והדלילות של הנוזל‬
‫השפעה רבה על יכולת התנועה שלו‪ ,‬על ההתפשטות שלו ועל הכוחות‬
‫הפנימיים בתוך הנוזל המתנגדים לתנועתו‪ .‬לתכונה של נוזל המתנגדת לתנועתו‬
‫קוראים ‪" :‬צמיגות"‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪26‬‬
‫הצמיגות משפיעה על‪:‬‬
‫תנועת הנוזל או תנועת גופים בתוך הנוזל‬
‫סמיכות גבוהה‬
‫סמיכות נמוכה‬
‫צמיגות גבוהה‬
‫צמיגות נמוכה‬
‫תנועה איטית‬
‫תנועה מהירה‬
‫לכל חומר יש מקדם צמיגות משלו הנמדד ביחידות‪" :‬פואז"‪.‬‬
‫ההגדרה של מקדם הצמיגות של נוזל היא‪:‬‬
‫היחס בין הלחץ הגורם לתנועת הנוזל למהירות הנוזל‬
‫ליחידת אורך הצינור בו הוא זורם‪.‬‬
‫במילים אחרות הלחץ הפועל על נוזל לאורך צינור משפיע על מהירות התנועה‬
‫של הנוזל‪.‬‬
‫מים – שהם חומר דליל הסמיכות‬
‫נמוכה התנועה מהירה‬
‫שמן – בעל סמיכות גבוהה התנועה‬
‫איטית‬
‫שלושת הגורמים המשפיעים על מקדם הצמיגות של נוזל הם‪:‬‬
‫לחץ ‪ ,‬אורך הצינור דרכו זורם הנוזל ‪ ,‬מהירות תנועת הנוזל‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪27‬‬
‫פרק ח' ‪ -‬תופעת המערבולת‬
‫בתוך הזורמים מתפתחת לפעמים תופעה הנקראת "מערבולת"‪ .‬תופעה זו‬
‫נגרמת כתוצאה מהתנועה של הזורמים‪ .‬בזורם סטאטי אין מערבולות‪.‬‬
‫גוף הנע בתוך גז או נוזל גורם למערבולת אשר לה השפעה רבה וחשיבות רבה‬
‫על הגופים הנעים בתוך המערבולת‪.‬‬
‫תופעת מערבולת האוויר בטבע‬
‫סופות ה"הוריקן" וה"טורנדו" מתרחשות‬
‫בגלל תנועות האוויר המהירות בשכבות‬
‫הגבוהות של האטמוספירה אשר גורמות‬
‫להפרש לחצים וכתוצאה מזה למערבולת‬
‫של אוויר עם תופעת יניקה‪ .‬ניתן לראות את‬
‫משפך האוויר הענק היורד אל הקרקע‬
‫אשר סביבו רוחות חזקות והוא יונק כל גוף‬
‫הנמצא בסביבתו‪.‬‬
‫מערבולות מתרחשות גם בים‪ .‬אפילו‬
‫במעמקי הים קיימות מערבולות המתרחשות כתוצאה של תנועת המים והפרשי‬
‫הלחץ שנוצרים‪ .‬מערבולות אלו גם הן יונקות כל גוף הנמצא בסביבתן‪.‬‬
‫ככל שהזורם סמיך יותר וצמיגותו גבוהה יותר תופעת‬
‫המערבולת בו קטנה יותר‪.‬‬
‫גוף הנע בתוך גז או נוזל גורם למערבולות סביבו ומערבולות אלו מעכבות את‬
‫תנועתו‪ .‬המערבולת יוצרת כוח אשר מתנגד לתנועת הגוף ונקרא‪" :‬כוח גרר"‪.‬‬
‫כוח הגרר‬
‫כוח הגרר נוצר על ידי מערבולת בתוך גז או נוזל‪ ,‬פועל בכוון הפוך לתנועת‬
‫הגוף ויוצר את ההתנגדות לתנועתו‪.‬‬
‫אחת הדרכים להקטין את המערבולת ואת כוח הגרר היא‪" :‬צורתו ההנדסית‬
‫של הגוף"‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪29‬‬
‫פרק ט' ‪ -‬קצב ספיקה של זורם‬
‫קצב ספיקה של זורם מוגדר כ‪:‬‬
‫"כמות הזורם היוצא מפי הצינור במשך יחידת זמן"‪.‬‬
‫משמעות ההגדרה היא כי הספיקה מציינת את‬
‫כמות הנוזל או הגז שניתן לספק למתקן‬
‫באמצעות צינורות ביחידת זמן‪ .‬מכיוון שהזורם‬
‫עובר בצינורות אל המתקן אז ההתייחסות היא‬
‫לכמות הנוזל היוצאת מפתח הצינור אל‬
‫המתקן האמור‪.‬‬
‫קצב הספיקה נמדד ביחידות של כמות ליחידת זמן ]ליטר‪/‬דקה[‬
‫מכיוון שכמות הזורם היא גם הנפח שלו אז‪:‬‬
‫קצב הספיקה יהיה‪:‬‬
‫"נפח של זורם היוצא מפי צינור ביחידת זמן"‬
‫והוא נמדד ביחידות של‪] :‬סמ"ק‪/‬שניה[‬
‫נסביר את משמעות קצב הספיקה באמצעות שתי דוגמאות‪.‬‬
‫דוגמה א'‬
‫משאבת הדלק ברכב היא זו המספקת את הדלק לרכב המאפשר לו לנסוע‬
‫במהירות הרצויה לו‪ .‬ככל שיגביר הרכב את מהירותו כך תצטרך משאבת הדלק‬
‫לספק יותר דלק‪ .‬כלומר קצב הספיקה של משאבת הדלק צריך להתאים עצמו‬
‫למהירות שמפתחת המכונית‪ .‬אם קצב הספיקה של המשאבה לא יתאים לצורכי‬
‫הרכב ‪ ,‬הרכב לא יפעל בצורה יעילה ותקינה‪.‬‬
‫דוגמה ב'‬
‫כידוע הלב שלנו הוא משאבה אשר מספקת דם לכל הגוף‪ .‬אם קצב הספיקה של‬
‫הלב אינו תקין‪ ,‬אז כמות הדם אשר תגיע לחלקי הגוף השונים לא תספיק והגוף‬
‫לא יתפקד כראוי‪ .‬כאשר אנו מתאמצים זרימת הדם מתגברת והלב אמור לעמוד‬
‫בקצב הנדרש ולספק את כמות הדם הנדרשת לפעולת הגוף בזמן מאמץ‪ .‬אם‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪32‬‬
‫פרק י' ‪ -‬חוק ברנולי‬
‫עקרון הפעולה של צינור ונטורי‬
‫צינור ונטורי‬
‫כמות יוצאת‬
‫צוואר ונטורי‬
‫‪Q2‬‬
‫‪Q1‬‬
‫‪Q1‬‬
‫כמות נכנסת‬
‫כמות יוצאת = כמות נכנסת‬
‫הצינור הונטורי בנוי מצינור אשר קוטרו בחלק ממנו צר יותר‪ .‬לחלק הצר של‬
‫הצינור אנו קוראים‪" :‬צוואר ונטורי"‪.‬‬
‫לצינור כזה יש תכונות משלו‪:‬‬
‫• מהירות הזרימה גדולה יותר בצוואר הונטורי‪.‬‬
‫• אין גידול בספיקה בצוואר הונטורי למרות השנוי בקוטר הצינור‪.‬‬
‫• קיימת רציפות בזרימה בתנאי שאין מערבולות‪.‬‬
‫רציפות הזרימה נובעת משוויון הספיקות‬
‫והביטוי המתמטי הוא‪:‬‬
‫ספיקה צינור צר‬
‫‪S2‬‬
‫שטח חתך‬
‫צינור צר‬
‫‪Q2‬‬
‫• ‪V2‬‬
‫מהירות זרימה‬
‫צינור צר‬
‫=‬
‫=‬
‫‪Q1‬‬
‫‪S1‬‬
‫שטח חתך‬
‫צינור רחב‬
‫ספיקה צינור רחב‬
‫• ‪V1‬‬
‫מהירות זרימה‬
‫צינור רחב‬
‫הזרימה המהירה בצינור הונטורי יוצרת בו תת לחץ )לחץ נמוך מהלחץ‬
‫האטמוספרי( ואפקט של "יניקה"‪ .‬תופעה זו משמשת אותנו כיום לכלים שונים‬
‫כגון‪ :‬כלי ריסוס‪ ,‬קרבורטור )מאייד( לרכב ועוד‪.‬‬
‫הפיסיקאי ברנולי אשר זיהה את התופעות האלו גם זיהה תופעות נוספות‪.‬‬
‫ברנולי גילה שקיים קשר הדוק בין הלחץ הסטטי והלחץ הדינמי בנוזל בתוך‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪36‬‬
‫תורת‬
‫החום‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪43‬‬
‫פרק א' ‪ -‬מקורות לאנרגיית חום‬
‫השמש ‪ -‬מקור אנרגיית החום הטבעי‬
‫מאז בריאת העולם השמש הייתה מקור האנרגיה‬
‫הטבעית שלנו‪ .‬אנרגיה זו מספקת לנו אור וחום‪.‬‬
‫אנרגית השמש מגיעה אלינו בצורת קרינה אינפרה‬
‫אדומה והיא בעלת עוצמה בלתי רגילה‪ .‬הבנת‬‫תהליכים וחוקים פיסיקליים הביאו את החוקרים‬
‫להבנה כיצד לנצל אנרגיה זו‪ .‬לדוגמה‪:‬‬
‫דוד שמש ‪-‬‬
‫באמצעות קולטים הקולטים את‬
‫אנרגית השמש מחממים את המים בדוד‪.‬‬
‫תאים סולריים ‪ -‬קולטים את אנרגית השמש‬
‫והופכים אותה לאנרגיה חשמלית‪ .‬אנרגיה בשיטה‬
‫זו קיימת בלווינים‪ ,‬טילים‪ ,‬ובמכשירים פשוטים‬
‫כמו‪ :‬טלפונים‪ ,‬מחשבונים ועוד‪.‬‬
‫אנרגית חום מחומרים מתכלים‬
‫אנרגית החום באופן הזה מתקבלת משריפתם של חומרים מתכלים כגון‪ :‬פחם‪,‬‬
‫נפט ואחרים‪ .‬חומרים אלו נמצאים בטבע ויש‬
‫להוציאם מהאדמה‪ .‬אך לא רק זאת‪ .‬יש לבנות‬
‫מתקנים מיוחדים אשר יאפשרו את שריפתם‬
‫וקבלת אנרגית חום כתוצאה מזה‪ .‬החסרונות‬
‫בשיטה זו הם‪ :‬נותרים שאריות של חומרי‬
‫לוואי ונפלטים גזים רעילים תוך כדי השריפה‪.‬‬
‫למרות זאת זו השיטה הקיימת והשימושית‬
‫ביותר כיום‪ .‬ובמיוחד מנוצלת אנרגית החום להפקת אנרגיה חשמלית‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪45‬‬
‫פרק ב' ‪ -‬הטמפרטורה וסולמות‬
‫למדידת חום‬
‫למידת החום אנו נוהגים לקרוא‪" :‬טמפרטורה"‪ .‬לחום של הסביבה אנו אומרים‬
‫הטמפרטורה של הסביבה וכדומה‪.‬‬
‫את הטמפרטורה ניתן לחוש באמצעות‬
‫החושים שלנו אך איננו יודעים את מידתה‪.‬‬
‫ידועה לנו השפעתה של הטמפרטורה על החוקים הפיסיקליים הפועלים עלינו‪.‬‬
‫אך כדי להבין את אופן השפעתה יש לבדוק את השינוי שמתחולל בהתאם‬
‫לשינוי שחל במידות הטמפרטורה‪ .‬לצורך כך יש למדוד שינויים אלו‪.‬‬
‫את הטמפרטורה מודדים באמצעות מכשיר הנקרא‪" :‬מדחום" ויחידות המידה‬
‫של הטמפרטורה הן‪ :‬מעלות ) ‪. ( 0‬‬
‫ישנם מדחומים שונים המודדים את הטמפרטורה בתנאים שונים ולצרכים‬
‫שונים‪ .‬קיים הבדל בין מדחום לצרכים רפואיים לבין מדחום לצרכים תעשייתיים‪.‬‬
‫המדחום פועל על פי סולם מדידת טמפרטורה ידוע ומקובל בעולם‪ .‬נתאר כאן‬
‫את שלושת סולמות המדידה המקובלים עד היום למדידת חום‪.‬‬
‫סולם צלסיוס ) ‪( 0C‬‬
‫אנדרס צלסיוס היה פיסיקאי שוודי אשר חי במאה ה‪ .18-‬בין מחקריו הבולטים‬
‫הוא בדק את השפעת הטמפרטורה על חומרים וגופים ובנה סולם מדידה של‬
‫טמפרטורה הקרוי על שמו והוא‪" :‬סולם צלסיוס"‪ .‬סולם זה שימושי עד היום‪.‬‬
‫צלסיוס בדק את השפעת הטמפרטורה על המים‪:‬‬
‫• את מידת הטמפרטורה בה הופך הקרח למים הוא סימן ב‪ (00c) -‬וקרא‬
‫לה‪" :‬טמפרטורת היתוך הקרח"‪.‬‬
‫• את מידת הטמפרטורה בה הופכים המים לגז הוא סימן ב‪(1000c) -‬‬
‫וקרא לה‪" :‬טמפרטורת רתיחה"‪.‬‬
‫את הסולם שבנה צלסיוס הוא חילק למאה קוים )שנתות( בין ‪ 0‬ל ‪ .100 -‬כל קו‬
‫בסולם הוא‪ ( 10c ) :‬מעלה אחת צלסיוס‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪48‬‬
‫פרק ג' ‪ -‬החום ותופעת ההתפשטות‬
‫כאשר עולה החום של גוף או חומר ביחס לטמפרטורה הטבעית שלו הוא‬
‫מתפשט ומתרחב‪ .‬הסיבה לכך היא התרחקות המולקולות האחת מהשניה‪.‬‬
‫כאשר הגוף מתקרר המולקולות קרבות חזרה והוא מתכווץ‪ .‬מסקנה‪:‬‬
‫החום גורם להתפשטות או התכווצות של חומרים‬
‫התפשטות קווית‬
‫התפשטות קווית היא "מידת ההתארכות שחלה בגוף עקב ההתחממות‬
‫שלו"‪ .‬כלומר הגוף מתארך עקב ההתחממות שלו‪ .‬השאלה היא כיצד ניתן‬
‫לחשב את מידת ההתארכות ?‬
‫הדרך לחשב את מידת ההתארכות של הגוף‪:‬‬
‫‪ t0‬טמפ' התחלתית ‪ L0 ,‬אורך התחלתי‬
‫מצב א' ‪ -‬מצב התחלתי לפני חימום‪.‬‬
‫‪∆L‬‬
‫מצב ב' ‪ -‬מצב לאחר החימום‪.‬‬
‫‪ t1‬טמפ' חימום ‪,‬‬
‫‪L1‬‬
‫אורך אחרי החימום‬
‫‪ ∆ L = L1 - L0‬מידת ההתפשטות הקווית )ההתארכות( בעקבות החימום‪.‬‬
‫נמדדת ב‪ :‬מטר‪,‬ס"מ‪ ,‬מ"מ וכדומה‪.‬‬
‫‪ - ∆ t = t1 - t0‬הפרש הטמפרטורות‪ .‬נמדד ב‪ ( 0C ) :‬מעלות צלסיוס‪.‬‬
‫‪ ) α‬אלפא ( ‪ -‬מקדם התפשטות קווית של חומר‪ .‬נמדד ב ‪. ( 1/ 0C ) :‬‬
‫והנוסחה לחישוב מידת ההתפשטות הקווית היא‪:‬‬
‫‪∆t‬‬
‫•‬
‫הפרש‬
‫הטמפרטורות‬
‫‪L0‬‬
‫•‬
‫אורך התחלתי‬
‫‪α‬‬
‫=‬
‫מקדם ההתפשטות‬
‫הקווית‬
‫‪∆L‬‬
‫מידת ההתארכות‬
‫הקווית‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪55‬‬
‫פרק ד' ‪ -‬תופעת האנומליה של המים‬
‫התופעה הראשונה‬
‫מוכרת התופעה בחורף כאשר הטמפרטורות יורדות והשכבה העליונה של‬
‫האגמים והנהרות קופאים וניתן להלך על הקרח שנוצר כאשר מתחת ממשיכים‬
‫המים לזרום והסכנה היא שהקרח ישבר וניפול לתוך המים הקרים‪.‬‬
‫השאלה היא כיצד יתכן שהמים קופאים מלמעלה והופכים למוצק אך נשארים‬
‫נוזל מלמטה מתחת למוצק ?‬
‫התשובה לכך היא שככל שהטמפרטורה נמוכה יותר הצפיפות גבוהה יותר‬
‫בחומר‪ .‬אם נכניס מספר חומרים בעלי צפיפות שונה לתוך כלי‪ ,‬החומרים‬
‫יסתדרו בשכבות אחד על השני על פי סדר הצפיפות שלהם‪ .‬למטה בתחתית‬
‫יהיה החומר בעל הצפיפות הגבוהה ומעליו האחרים כאשר למעלה יהיה החומר‬
‫בעל הצפיפות הקטנה ביותר‪.‬‬
‫סדר שכבות של חומרים שונים שהושפעו מהטמפרטורה‬
‫חומר ‪ C‬צפיפות ‪ ρ3‬קטנה‬
‫טמפרטורה גבוהה ‪t3‬‬
‫חומר ‪ B‬צפיפות ‪ ρ2‬בינונית‬
‫טמפרטורה בינונית ‪t2‬‬
‫חומר ‪ A‬צפיפות ‪ ρ1‬גדולה‬
‫טמפרטורה נמוכה ‪t1‬‬
‫‬‫צפיפות‬
‫טמפרטורה ‪-‬‬
‫‪ρ1 > ρ2 > ρ3‬‬
‫‪t3 > t2 > t1‬‬
‫אבל מתברר כי למים יש תכונה מיוחדת‪:‬‬
‫שהצפיפות‬
‫ככל‬
‫שלהם‬
‫קטנה‬
‫כשהטמפרטורה יורדת כך הנפח שלהם גדל‪.‬‬
‫התכונה‬
‫הזו‬
‫בולטת‬
‫במיוחד‬
‫בין‬
‫הטמפרטורות ‪ 40c‬ל ‪ 00 c -‬מעלות צלסיוס‪.‬‬
‫בטמפרטור ‪ 40c‬צפיפות המים היא הגבוהה‬
‫ביותר ולכן המים יורדים כלפי מטה וכל‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪63‬‬
‫פרק ה' ‪ -‬התפשטות של גזים‬
‫גם הגזים כמו הנוזלים מתפשטים עם השפעת החום‬
‫ומשנים את הנפח שלהם בתנאי שהלחץ הפועל עליהם‬
‫הוא הלחץ האטמוספרי הקבוע‪ .‬ההתחממות של הגזים‬
‫מטמפרטורה אחת לטמפרטורה אחרת גורמת גם‬
‫למולקולות שלהם להתרחק האחת מהשניה ‪ .‬תנועה זו‬
‫גורמת לגזים לשנות את הנפח שלהם בתנאי שפועל‬
‫עליהם הלחץ האטמוספרי הקבוע‪.‬‬
‫חוק "גי – לוסק"‬
‫החוקר הצרפתי גי ‪ -‬לוסק שהיה פיסיקאי במאה ה ‪ 19 -‬מצא במחקריו בתחום‬
‫הגזים כי‪" :‬היחס בין נפח הגז לטמפרטורה שלו )במעלות קלווין( הוא גודל‬
‫קבוע"‪ .‬חוק זה קרוי על שמו "חוק גי ‪ -‬לוסק"‪.‬‬
‫הוא קבע את הביטוי המתמטי‪:‬‬
‫נפח הגז‬
‫מספר קבוע‬
‫‪K‬‬
‫=‬
‫‪V‬‬
‫‪T‬‬
‫טמפרטורה של הגז ) ‪( 0K‬‬
‫הנוסחה מראה כי ככל שגדלה הטמפרטורה של הגז‪ ,‬הנפח של הגז גדל באותו‬
‫יחס שהוא מספר קבוע‪.‬‬
‫והנוסחה היא‪:‬‬
‫‪V1‬‬
‫‪V2‬‬
‫=‬
‫‪=T. .=. .‬‬
‫‪V‬‬
‫‪/‬‬
‫‪T‬‬
‫=‬
‫‪V‬‬
‫‪/‬‬
‫‪1‬‬
‫‪1‬‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫‪T1‬‬
‫‪T2‬‬
‫‪( 0 K ) T = t ( 0 c ) + 273‬‬
‫צלסיוס‬
‫קלווין‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪66‬‬
‫פרק ו' ‪ -‬כמות חום‬
‫חום ואנרגיה‬
‫ראינו כי החום הוא‬
‫חלק‬
‫נפרד‬
‫בלתי‬
‫מחיינו אשר יש לקחת‬
‫אותו בחשבון לגבי כל‬
‫התרחשות‬
‫ותופעה‪.‬‬
‫שהיא‬
‫הטמפרטורה‬
‫מידת החום משפיעה‬
‫על התנהגות חומרים‬
‫וגופים במצבים שונים‪.‬‬
‫מקורות‬
‫בחנו‬
‫גם‬
‫אשר‬
‫יוצרים‬
‫את‬
‫החום‪ .‬מקורות החום האלו הופכים את האנרגיה שלהם לאנרגיה אותה אנו‬
‫מנצלים ליצירת אנרגיה אחרת‪.‬‬
‫לדוגמה‪ :‬תחנת כוח להפקת אנרגיה חשמלית‪ .‬תחנה זו שורפת פחם או דלק‬
‫כדי לייצר אנרגית חום המנוצלת לחימום מים המשמשים לסיבוב הטורבינה‬
‫הקשורה לגנרטור המייצר את האנרגיה החשמלית‪.‬‬
‫אם כך החום הוא אנרגיה הניתנת להמרה לכל אנרגיה אחרת‪ .‬וכל אנרגיה‬
‫אחרת ניתנת להמרה לאנרגית חום‪.‬‬
‫אנרגית חום‬
‫כל אנרגיה אחרת‬
‫מקור החום מייצר את אנרגיית החום המשמשת אותנו לחימום‪ .‬כדי לחמם גוף‬
‫כלשהו לטמפרטורה גבוהה יותר צריך כמות חום כזו שתוכל לחמם את הגוף‬
‫לטמפרטורה הרצויה‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪69‬‬
‫פרק ז' ‪ -‬מצבי צבירה של חומר‬
‫היתוך וקיפאון‬
‫השפעת החום על החומר היא זו שגורמת להתרחקות או התקרבות של‬
‫המולקולות האחת לשניה‪ .‬ככל שחומר מתחמם המולקולות הולכות ומתרחקות‬
‫האחת מהשניה‪ .‬ואילו כאשר חומר מתקרר המולקולות הולכות ומתקרבות‬
‫האחת לשניה‪.‬‬
‫החום הוא הגורם למעבר של החומר בין שלושת מצבי הצבירה שלו‪ .‬ישנם‬
‫חומרים אשר המצב הטבעי שלהם הוא מוצק או נוזל או גז‪ .‬כלומר המבנה‬
‫הכימי שלהם הוא כזה שהם נמצאים באחד ממצבי הצבירה באופן הטבעי‬
‫שלהם בטבע‪ .‬לדוגמה‪ :‬המים נמצאים באופן טבעי בטבע במצב של נוזל‪.‬‬
‫דרוש שינוי חיצוני כדי שהם יהפכו לקרח במצב מוצק או לאדים במצב של‬
‫גז‪ .‬ברזל נמצא בטבע במצב מוצק וחמצן נמצא בטבע במצב גז‪ .‬שניהם יכולים‬
‫לשנות את מצב הצבירה שלהם על ידי השפעה חיצונית של כמות חום‬
‫וטמפרטורה‪.‬‬
‫כדי לשנות את מצב החומר ממוצק לנוזל יש להשקיע כמות חום‪ .‬החוקרים‬
‫צלסיוס ופרנהייט אשר חקרו את התהליכים של מעבר הקרח ממוצק לנוזל קראו‬
‫לנקודת המעבר "נקודת ההיתוך"‪ .‬ולטמפרטורה בה הפך המוצק הפך לנוזל‬
‫קראו‪" :‬טמפרטורת ההיתוך"‪.‬‬
‫כאשר בדקו החוקרים את מעבר המים ממצב נוזל למצב מוצק הם קראו לנקודת‬
‫המעבר "נקודת הקיפאון"‪ .‬ולטמפרטורה בה הפך הנוזל למוצק קראו‪:‬‬
‫"טמפרטורת הקיפאון " ‪.‬‬
‫התברר להם כי ‪:‬‬
‫טמפרטורת ההיתוך = טמפרטורת הקיפאון‬
‫) מוצק הופך לנוזל (‬
‫) נוזל הופך למוצק (‬
‫טמפרטורת ההיתוך של קרח = ‪ = 00c‬טמפרטורת הקיפאון של המים‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪77‬‬
‫פרק ח' ‪ -‬חוקי הגזים‬
‫הגזים הם חומרים אשר במצב הצבירה הרגיל שלהם הם במצב של גז‪.‬‬
‫המולקולות שלהם רחוקות האחת מהשניה והמהירות שלהן גדולה לכן איננו‬
‫יכולים לראות את הגז‪ .‬לכל גז וגז תכונות משלו על פי המבנה שלו יש כאלו‬
‫שנזהה אותם לפי הריח שלהם אך את רובם לא נוכל לזהות או לדעת אם הם‬
‫בסביבתנו או לא‪ .‬גז אשר לא פועלים כוחות משיכה בין המולקולות שלו נקרא‪:‬‬
‫"גז אידיאלי"‪.‬‬
‫במציאות אין גז אידיאלי וכל הגזים הם גזים ממשיים‪ .‬לכל אחד התכונות שלו‬
‫על פי המבנה הכימי שלו ויחד עם זאת כל הגזים מושפעים מאותם גורמים‪.‬‬
‫הגורמים המשפיעים על הגזים הם ‪:‬‬
‫• טמפרטורת הגז ‪ - T‬הנמדדת במעלות קלווין ] ‪. [ 0K‬‬
‫• נפח הגז ‪ - V‬הנמדד בסמ"ק ] ‪ [ cm3‬או ליטר ] ‪. [ l‬‬
‫• לחץ הגז ‪ - P‬הנמדד באטמוספרות ] ‪. [ ATM‬‬
‫שלושת הגורמים קשורים יחד וכל שינוי באחד גורר שינוי באחרים‪ .‬לכן את‬
‫הקשר בין הגורמים האלה נוכל לבטא במשוואה הבאה‪:‬‬
‫משוואת המצב של הגזים‬
‫מספר קבוע‬
‫‪K‬‬
‫נפח הגז‬
‫=‬
‫‪V‬‬
‫‪T‬‬
‫•‬
‫‪P‬‬
‫הלחץ של הגז‬
‫הטמפרטורה של הגז‬
‫והנוסחה היא‪:‬‬
‫‪=...‬‬
‫‪V2‬‬
‫‪T2‬‬
‫• ‪P2‬‬
‫=‬
‫‪V1‬‬
‫‪T1‬‬
‫•‪P1‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪87‬‬
‫ג ‪ -‬כאשר הטמפרטורה ‪ T‬קבועה‬
‫חוק בויל ‪ -‬מריוט‬
‫שני החוקרים בויל האנגלי ומריוט הצרפתי מהמאה ה ‪ 17 -‬חקרו את התנהגות‬
‫הגזים כל אחד בנפרד בארצו והגיעו לאותה מסקנה שלאחר מכן החוק שקבעו‬
‫נקרא על שמם‪ .‬החוק קובע כי‪ " :‬בתנאים של טמפרטורה קבועה של הגז‬
‫המכפלה של הלחץ והנפח של הגז היא מספר קבוע"‪ .‬או במילים אחרות‪:‬‬
‫"בתנאים של טמפרטורה קבועה יחס הלחצים הפוך ליחס הנפחים"‪.‬‬
‫‪K‬‬
‫ובאופן מתמטי‪:‬‬
‫=‬
‫מספר קבוע‬
‫והנוסחה תהיה‪:‬‬
‫‪P • V‬‬
‫נפח הגז‬
‫‪P2 • V2 = . . .‬‬
‫לחץ הגז‬
‫= ‪P1 • V1‬‬
‫תרגיל דוגמה‪:‬‬
‫רוצים לדחוס ‪ 10‬ליטר גז הנמצא בלחץ אטמוספרי לתוך מיכל של ‪ 1‬ליטר‪.‬‬
‫הדחיסה נעשית בטמפרטורת החדר‪ .‬מה יהיה הלחץ במיכל בעל הנפח הקטן ?‬
‫פתרון‪:‬‬
‫נתונים‪:‬‬
‫אטמוספרות ‪P1 = 1 ATM‬‬
‫ליטר ‪V1 = 10‬‬
‫ליטר ‪V2 = 1‬‬
‫צריך למצוא‪:‬‬
‫? = ‪P2‬‬
‫נרשום את הנוסחה‪:‬‬
‫נבצע את השינוי‪:‬‬
‫‪P1 • V1 = P2 • V2‬‬
‫‪P1•V1‬‬
‫‪V2‬‬
‫= ‪P2‬‬
‫נציב‪:‬‬
‫‪P2 = 10 •1‬‬
‫נקבל‪:‬‬
‫אטמוספרות ‪P2 = 10 ATM‬‬
‫‪1‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪90‬‬
‫פרק ט' ‪ -‬העברת חום‬
‫עד עתה עסקנו בתופעת החום והשפעותיה על התנהגות החומרים השונים‬
‫כאשר הם מתחממים )מקבלים חום( או מתקררים )מוסרים חום(‪.‬‬
‫ידוע לנו כי החום ניתן להעברה ממקום למקום ומחומר לחומר בשיטות שונות‬
‫והן‪ " :‬קרינת חום " ‪ ",‬הולכת חום "‪ " ,‬הסעת חום "‪.‬‬
‫נסביר שיטות אלו בצורה מפורטת יותר‪.‬‬
‫קרינת חום‬
‫תופעת קרינת החום של השמש מוכרת לכולנו‪.‬‬
‫קרינה זו מחממת את כדור הארץ ומאפשרת את‬
‫קיום החיים על פני הכוכב שלנו‪.‬‬
‫מהי קרינת חום זו ?‬
‫קרינת חום הם קרניים אינפרא‪ -‬אדומות אשר‬
‫עוברות בחלל מגוף חם אשר הטמפרטורה שלו‬
‫גבוהה יותר מהטמפרטורה של הסביבה ‪ .‬קרינה זו איננה זקוקה לגורם כלשהו‬
‫שיעביר אותה‪ .‬היא פשוט נמצאת בחלל וכל מה שצריך לעשות זה לקלוט אותה‬
‫ולנצל את האנרגיה הטמונה בה לצרכי חימום‪ .‬לדוגמה‪ :‬קולטי השמש של דוד‬
‫המחממים את המים או החממה שמאפשרת לגדל גידולים שונים ועוד‪ .‬השמש‬
‫מקרינה חום של‬
‫‪ 8‬ג'אול על כל‬
‫סמ"ר של האטמוספירה‪ .‬ברור לכולנו‬
‫מה היה קורה לכדור הארץ אם לא‬
‫היה לה את האטמוספירה שמגינה‬
‫עליו‪.‬‬
‫כמות החום )בג'אולים( המוקרנת‬
‫מגוף בשנייה אחת נקראת‪" :‬קצב קרינה"‪ .‬כל גוף או חומר אשר חם יותר‬
‫מהסביבה שלו מקרין חום לסביבה קצב הקרינה שלו שונה בהתאם לצבע גוף‪.‬‬
‫צבע בהיר מקרין חום בקצב איטי וגם קולט חום בקצב איטי‪ .‬ואילו צבע כהה‬
‫מקרין חום בקצב גבוה ואף קולט חום בקצב מהיר‪.‬‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪95‬‬
‫סיכום ושאלות‬
‫תורת הזורמים‬
‫‪ .1‬נתונה מכונה הידראולית בלי חיכוך בין הבוכנות לצינורות המכונה‪ .‬היתרון‬
‫המכני התיאורטי של מכונה זו הוא ‪. 5 -‬‬
‫א‪ .‬שטח הבוכנה הקטנה הוא ‪ 8‬סמ"ר‪ .‬חשב את שטח הבוכנה הגדולה ?‬
‫_____________________________________________________‬
‫_____________________________________________________‬
‫ב‪ .‬על הבוכנה הגדולה מונח גוף שהמסה שלו ‪ 4‬ק"ג‪.‬חשב את משקל הגוף ?‬
‫_____________________________________________________‬
‫_____________________________________________________‬
‫ג‪ .‬חשב את הכוח שיש להפעיל על הבוכנה הקטנה של המכונה ההידראולית‬
‫כדי שהמכונה תימצא באיזון‪ .‬הזנח את משקל הבוכנות‪.‬‬
‫_____________________________________________________‬
‫_____________________________________________________‬
‫ד‪ .‬אם דוחפים את הבוכנה הקטנה‪ ).‬סמן את המשפט הנכון ( נפח הנוזל‬
‫שנדחה ע"י הבוכנה הקטנה )גדול יותר מ‪/-‬שווה ל‪ /-‬קטן יותר מ‪ (-‬נפח‬
‫הנוזל שעלה מתחת לבוכנה הגדולה‪.‬‬
‫‪ .2‬לפניך קובייה המרחפת בתוך המים‬
‫‪A‬‬
‫‪B‬‬
‫‪FA‬‬
‫‪FB‬‬
‫א‪ .‬השלם את המשפטים שלפניך‪:‬‬
‫‪ .1‬הלחץ ההידרוסטטי של המים בנקודה ‪) A‬גדול ‪ /‬קטן( מהלחץ בנקודה ‪.B‬‬
‫‪ .2‬שטח הפאות ‪ A‬ו‪ B -‬שווים לכן הכוח ‪) FB‬קטן ‪/‬גדול‪ /‬שווה( מ‪.FA -‬‬
‫‪ .3‬כוח העילוי הפועל על הקוביה שווה ל )סכום ‪ /‬הפרש( ‪ FA‬ו‪.FB -‬‬
‫‪ .4‬כאשר הקוביה מרחפת על פני המים כוח העילוי )גדול‪ /‬קטן‪ /‬שווה(‬
‫למשקל הקובייה‬
‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬
‫‪100‬‬