ךוניחה דרשמ לש " ה מיעפ םידומילה

Transcript

1 פיזיקה תורת הזורמים תורת החום מותאם לתוכנית הלימודים פעימ"ה של משרד החינוך 1

2 תורת הזורמים מבוא תוכן עניינים תורת הזורמים הידרוסטטיקה... לחץ אטמוספרי... כוחות ולחצים... הלחץ בנוזל סטטי... לחץ הידרוסטטי... חוק ארכימדס... הידרודינמיקה זורמים בתנועה... תופעת המערבולת... פרק א' פרק ב' פרק ג' פרק ד' פרק ה' פרק ו' פרק ז' פרק ח' פרק ט' פרק י' פרק א' פרק ב' פרק ג' פרק ד' פרק ה' פרק ו' פרק ז' פרק ח' פרק ט' קצב ספיקה של זורם... חוק ברנולי... נספח נוסחאות והמרת יחידות מידה... מקורות אנרגית חום תורת החום הטמפרטורה וסולמות למדידת חום השפעת החום ותופעות ההתפשטות... תופעות האנומליה של מים... התפשטות של גזים... כמות חום... מעבר בין מצבי צבירה של חומר... חוקי הגזים... העברת חום... סיכום ושאלות... 2

3 תורת הזורמים "הידרוסטטיקה" 3

4 פרק א' - מבוא לתורת הזורמים זורמים בטבע כידוע הכוכב שלנו כדור 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". "נוזל" ו "גז" 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 4

5 המשותף להם: - ההבדל ביניהם: - גזים "רוח" המופעל עליהם. - יכולתם לנוע ממקום למקום ולשנות את צורתם. ניתנים לדחיסה ואז נוזלים - אינם ניתנים לדחיסה. משנים את הנפח שלהם בהתאם ללחץ זו תנועה של אויר שנוצרת משינוי בלחץ האטמוספרי. ממקום של לחץ אטמוספרי גבוה למקום של לחץ אטמוספרי נמוך. ביום - האוויר שמעל הקרקע חם יותר מהאוויר שמעל פני הים. האוויר נע בלילה - האוויר שמעל פני הים חם יותר מהאוויר שמעל פני הקרקע. הפרש הטמפרטורות גורם להפרשי לחץ אויר וליצירת "הרוח". ים אדמה - הרים ים אדמה - הרים 5

6 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 1 לחץ האוויר בגובה פני הים ) גובה ( 0 = אטמוספירה תופעות הלחץ האטמוספרי תנועה של האוויר ממקום של לחץ גבוה למקום של לחץ נמוך גורמת לתופעה א. הנקראת: "רוח". הפרשי לחצים גדולים המתרחשים בגובה רב גורמים לתופעות של סערות. ב. משקל האוויר מפעיל על כל הסובב אותו לחץ הנקרא: "לחץ אטמוספרי". ג. את הלחץ האטמוספרי חקר הפיסיקאי "טוריצ'לי" שגם המציא את מכשיר מדידת ד. הלחץ האטמוספרי הנקרא: "ברומטר". "ס"מ כספית". - או - לחץ אטמוספרי נמדד ב : "אטמוספרות" ה. 1 אטמוספירה = 76 ס"מ כספית. ו. 7

7 פרק ג' - כוחות ולחצים P לחץ - "לחץ" P הוא גודל "הכוח" F הפועל על יחידת "שטח". S P = והנוסחה לחישוב הלחץ היא : כוח שטח לחץ F S ] ניוטון/מ"ר [. ] ניוטון/סמ"ר [ או אטמוספירה = F כוח - כוח ניתן להפעיל בצורות שונות. אנו נתייחס לכוח שמפעיל משקלם של הזורמים. וההגדרה תהיה: הכוח שלוחץ על שטח הוא משקל החומר הנמצא על השטח [ G ] = [ F ] כלומר: כוח משקל החומר ( Kgf יחידות מדידה : ניוטון ) N ( ק"ג כוח ) המשקל תלוי בשני גורמים והם : = מסה של חומר ) m ( כמות החומר בלבד והיא קבועה בכל מקום. כוח המשיכה של כדור הארץ ) g ( - או כמו שהוא נקרא גם "כוח הכובד" או "תאוצה חופשית" אשר שווה בקרוב ל. 10 [ m/sec 2 ] כאשר באים לחשב את משקל החומר יש להתחשב בשני הגורמים הבאים: משקל החומר = מסה כוח הכובד ( g ) ( m ) 9

8 ק 1 מ 1 לדוגמה: משקלו של חומר בעל מסה של 100 גרם יהיה : משקל = מסה של 100 גרם 10 (כוח הכובד) = 1000 גרם כוח = "ג כוח. 1 ק"ג כוח = 10 ניוטון ) N ( חומר שהמסה שלו 100 גרם והמשקל שלו 1 ק"ג כוח, מפעיל כוח של 10 ניוטון. לכל כוכב ביקום יש כוח משיכה משלו המשפיע על מיקומו במערכת הכוכבים. ידוע למשל כי כוח המשיכה על פני הירח קטן פי 6 מכוח המשיכה הקיים על פני כדור הארץ. לכן משקל של גוף על פני הירח יהיה קטן פי 6 ממשקלו על פני כדור הארץ. וזאת למרות שהמסה שלו (כמות החומר) נשארת זהה. S שטח - אם הכוח שמופעל הוא קבוע הלחץ יהיה תלוי בגודל השטח. כוח F קבוע... [ cm 2, [ m 2 יחידות מדידה של שטח הן: ] מ"ר סמ"ר ] סמ"ר. "ר = 10

9 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: עיקרון הפעולה שלה התבסס על: הפעלת כוח קטן F 1 על בוכנה קטנה יגרום לקבלת כוח גדול מבוכנה גדולה בצד שני. "הבוכנה". F 2 12

10 P 1 = P 2 F p 1 1= S 1 F p 2 2= S 2 F S = F S כביטוי מתמטי נראה זאת כך: לפי חוק פסקל הלחצים שווים אם הלחץ בבוכנה הקטנה - ואם הלחץ בבוכנה הגדולה - נקבל: F F S S והנוסחה תהיה: יחס השטחים = יחס הכוחות לשוויון היחסים הזה קוראים: "יתרון מכאני" 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' h 1 למרחק התזוזה של בוכנה ב' h? 2 על פי חוק פסקל זה קשור לנפחים. 13

11 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 0.2 אטמ' עומק קטן = לחץ קטן 3.5 אטמ' 20 אטמ' ככל שיורדים לקרקעית הים הלחץ גדל 315 אטמ' עומק גדול = לחץ גדול 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 10 מ' עומק במים = לחץ של 1 אטמוספירה. מכשיר המדידה ללחץ הידרוסטטי נקרא: "מנומטר". 17

12 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: G = V d "הפסד" משקל נפח הנוזל משקל סגולי הגוף שנדחה של הנוזל 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 22

13 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 ממנו עשוי הגוף. מים מתוקים מים מלוחים 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. 23

14 תורת הזורמים "הידרודינמיקה " 25

15 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". 26

16 הצמיגות משפיעה על: תנועת הנוזל או תנועת גופים בתוך הנוזל סמיכות גבוהה צמיגות גבוהה תנועה איטית סמיכות נמוכה צמיגות נמוכה 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 לחץ, שלושת הגורמים המשפיעים על מקדם הצמיגות של נוזל הם: אורך הצינור דרכו זורם הנוזל, מהירות תנועת הנוזל. 27

17 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". 29

18 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 32

19 פרק י' - חוק ברנולי עקרון הפעולה של צינור ונטורי צינור ונטורי צוואר ונטורי Q 1 Q 2 Q 1 כמות יוצאת כמות נכנסת כמות יוצאת = כמות נכנסת הצינור הונטורי בנוי מצינור אשר קוטרו בחלק ממנו צר יותר. הצינור אנו קוראים: "צוואר ונטורי". לחלק הצר של 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. והביטוי המתמטי הוא: רציפות הזרימה נובעת משוויון הספיקות ספיקה צינור צר Q 1 = Q 2 ספיקה צינור רחב V 1 S 1 = V 2 S 2 מהירות זרימה שטח חתך מהירות זרימה שטח חתך צינור רחב צינור רחב צינור צר צינור צר הזרימה המהירה בצינור הונטורי יוצרת בו האטמוספרי) ואפקט של "יניקה". כגון: כלי ריסוס, קרבורטור (מאייד) לרכב ועוד. תת לחץ (לחץ נמוך מהלחץ תופעה זו משמשת אותנו כיום לכלים שונים הפיסיקאי ברנולי אשר זיהה את התופעות האלו גם זיהה תופעות נוספות. ברנולי גילה שקיים קשר הדוק בין הלחץ הסטטי והלחץ הדינמי בנוזל בתוך 36

20 תורת החום 43

21 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. הבנת תהליכים 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: 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. פחם, 45

22 פרק ב' - הטמפרטורה וסולמות למדידת חום למידת החום אנו נוהגים לקרוא: הטמפרטורה של הסביבה וכדומה. "טמפרטורה". החושים שלנו אך איננו יודעים את מידתה. לחום של הסביבה אנו אומרים את הטמפרטורה ניתן לחוש באמצעות 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: של הטמפרטורה הן: מעלות ). ( 0 "מדחום" ויחידות המידה 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. את שלושת סולמות המדידה המקובלים עד היום למדידת חום. סולם צלסיוס ( 0 C ) אנדרס צלסיוס היה פיסיקאי שוודי אשר חי במאה ה- 18. נתאר כאן 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 לה: "טמפרטורת היתוך הקרח". הופך הקרח למים הוא סימן ב- (0 0 c) את מידת הטמפרטורה בה וקרא לה: "טמפרטורת רתיחה". הופכים המים לגז הוא סימן ב- את הסולם שבנה צלסיוס הוא חילק למאה קוים (שנתות) בין 0 ל - בסולם הוא: ) c ( 1 0 מעלה אחת צלסיוס. וקרא (100 0 c) 100. כל קו 48

23 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 שלו". "מידת ההתארכות שחלה בגוף עקב ההתחממות כלומר הגוף מתארך עקב ההתחממות שלו. לחשב את מידת ההתארכות? הדרך לחשב את מידת ההתארכות של הגוף: t 0 טמפ' התחלתית, השאלה היא כיצד ניתן L 0 אורך התחלתי L מצב א' - מצב ב' - מצב התחלתי לפני חימום. מצב לאחר החימום. L 1 אורך אחרי החימום t 1 טמפ' חימום, L = L 1 - L 0 נמדדת ב: - = t 1 - t 0 מידת ההתפשטות הקווית (ההתארכות) בעקבות החימום. מטר,ס"מ, מ"מ וכדומה. t הפרש הטמפרטורות. נמדד ב: 0 ) C ( מעלות צלסיוס.. ( 1/ 0 C ) : אלפא ( - מקדם התפשטות קווית של חומר. נמדד ב ) α והנוסחה לחישוב מידת ההתפשטות הקווית היא: L = α L 0 t מידת ההתארכות מקדם ההתפשטות אורך התחלתי הפרש הקווית הקווית הטמפרטורות 55

24 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 C צפיפות ρ 3 קטנה טמפרטורה גבוהה t 3 חומר B צפיפות ρ 2 בינונית טמפרטורה בינונית t 2 חומר A צפיפות ρ 1 גדולה טמפרטורה נמוכה t 1 ρ 1 > ρ 2 > ρ 3 t 3 > t 2 > t צפיפות טמפרטורה אבל מתברר כי למים יש תכונה מיוחדת: ככל שהצפיפות שלהם קטנה כשהטמפרטורה יורדת כך הנפח שלהם גדל. התכונה הזו בולטת במיוחד בין הטמפרטורות 4 0 c ל - c 0 0 מעלות צלסיוס. בטמפרטור 4 0 c צפיפות המים היא הגבוהה ביותר ולכן המים יורדים כלפי מטה וכל 63

25 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: V T = מספר קבוע K נפח הגז ( 0 K טמפרטורה של הגז ) הנוסחה מראה כי ככל שגדלה הטמפרטורה של הגז, הנפח של הגז גדל באותו יחס שהוא מספר קבוע. V T = V = V 1 / T 1 = TV 2 / T 2 =. 1 2 והנוסחה היא: ( 0 K ) T = t ( 0 c ) צלסיוס קלווין 66

26 ו' פרק - כמות חום חום ואנרגיה ראינו כי החום הוא חלק בלתי נפרד מחיינו אשר יש לקחת אותו בחשבון לגבי כל התרחשות ותופעה. הטמפרטורה שהיא מידת החום משפיעה על התנהגות חומרים וגופים במצבים שונים. בחנו גם מקורות 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. כל אנרגיה אחרת אנרגית חום 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. 69

27 ז' פרק - 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 = טמפרטורת הקיפאון של המים 0 0 c = 77

28 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 - T הנמדדת במעלות קלווין. [ 0 K ] נפח הגז - הנמדד V בסמ"ק [ cm 3 ] l או ליטר ] לחץ הגז - P הנמדד באטמוספרות. [ ATM ] שלושת הגורמים קשורים יחד וכל שינוי באחד גורר שינוי באחרים. הקשר בין הגורמים האלה נוכל לבטא במשוואה הבאה: לכן את מספר קבוע K משוואת המצב של הגזים נפח הגז P V T = הלחץ של הגז הטמפרטורה של הגז והנוסחה היא: V P1 1 T 1 = V P 2 2 T 2 =... 87

29 ג - כאשר הטמפרטורה T קבועה 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". ובאופן מתמטי: והנוסחה תהיה: P V = K מספר קבוע נפח הגז לחץ הגז P 1 V 1 = P 2 V 2 =... תרגיל דוגמה: רוצים לדחוס 10 ליטר גז הנמצא בלחץ אטמוספרי לתוך מיכל של 1 ליטר. הדחיסה נעשית בטמפרטורת החדר. מה יהיה הלחץ במיכל בעל הנפח הקטן? פתרון: נתונים: צריך למצוא: אטמוספרות P 1 = 1 ATM ליטר = 10 1 V ליטר = 1 2 V P 2 =? P 1 V 1 = P 2 V 2 P P = 2 2 PV V = נרשום את הנוסחה: נבצע את השינוי: נציב: P 2 = 10 ATM נקבל: אטמוספרות 90

30 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 8 ג'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. 95

31 סיכום ושאלות תורת הזורמים נתונה מכונה הידראולית בלי חיכוך בין הבוכנות לצינורות המכונה. היתרון המכני התיאורטי של מכונה זו הוא - 5. א. שטח הבוכנה הקטנה הוא 8 סמ"ר. חשב את שטח הבוכנה הגדולה? ב. על הבוכנה הגדולה מונח גוף שהמסה שלו 4 ק"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. לפניך קובייה המרחפת בתוך המים.1.2 F A A א. השלם את המשפטים שלפניך:.1.2 הלחץ ההידרוסטטי של המים בנקודה A (גדול / קטן) מהלחץ בנקודה B. שטח הפאות A ו- B שווים לכן הכוח F B.3 כוח העילוי הפועל על הקוביה שווה ל (סכום / הפרש) (קטן /גדול/ שווה) מ- F. A F A.4 כאשר הקוביה מרחפת על פני המים כוח העילוי למשקל הקובייה F B B (גדול/ ו-.F B שווה) קטן/ 100