אנרגיה כימית: האנרגיה שאגורה במזון, בדלק ובסוללה

• כיתה ט’
• אנרגיה וחום
• 7 דקות קריאה

מאיפה מגיעה האנרגיה שבארוחת הבוקר, בבנזין ובסוללה, איך היא משתחררת, ואיך קוראים אותה על אריזת מזון. עם שני תרגילים פתורים ותרשים של שרשראות המרה.

התשובה בקצרה

אנרגיה כימית היא אנרגיה שאגורה בקשרים שמחזיקים את האטומים יחד בתוך חומרים:

• היא משתחררת בתגובה כימית, כשהאטומים מתארגנים מחדש. כך קורה בשריפה, בעיכול ובסוללה.
• היא תמיד הופכת לצורה אחרת: לתנועה, לחום, לאור או לחשמל. חלק ממנה הופך תמיד לחום.
• על אריזות מזון היא כתובה בקילוקלוריות ובקילוג׳אול. קילוקלוריה אחת היא בערך 4.2 קילוג׳אול.

למי זה מיועד: לתלמידי כיתה ט׳ בפרק האנרגיה. כדאי להכיר קודם את צורות האנרגיה וחוק השימור ואת יחידות האנרגיה.

מה זו אנרגיה כימית

כל חומר בנוי מאטומים, והאטומים מחוברים זה לזה בקשרים. אפשר לדמיין קשר כזה כמו שני מגנטים שנצמדו: כדי להפריד אותם צריך להשקיע אנרגיה, וכשהם נצמדים משתחררת אנרגיה. האנרגיה שאגורה בסידור של האטומים ובקשרים ביניהם נקראת אנרגיה כימית.

בתגובה כימית קשרים ישנים נשברים וקשרים חדשים נוצרים. אם הקשרים החדשים חזקים יותר מהישנים, יש עודף של אנרגיה, והוא משתחרר החוצה, בדרך כלל כחום. זה מה שקורה כשבנזין בוער עם חמצן: נוצרים פחמן דו־חמצני ומים, ומשתחררת הרבה אנרגיה.

איך האנרגיה הכימית משתחררת

• שריפה: דלק, עץ או גז מגיבים עם חמצן מהאוויר. האנרגיה משתחררת מהר, כחום וכאור. כך עובדים כיריים של גז, מדורה ומנוע של מכונית.
• נשימה בתאים: הגוף “שורף” את המזון לאט, עם החמצן שאתם נושמים. אין להבה, אבל העיקרון דומה: האנרגיה מניעה את השרירים ושומרת על חום הגוף.
• סוללה: בתוך הסוללה מתרחשת תגובה כימית שדוחפת מטענים במעגל. כאן האנרגיה הכימית הופכת ישר לאנרגיה חשמלית, בלי שריפה. כשהחומרים שמגיבים נגמרים, הסוללה ריקה.

שרשראות של המרות אנרגיה

אנרגיה כימית כמעט אף פעם לא נשארת בצורה אחת. היא עוברת שרשרת של המרות, ובכל שלב חלק ממנה הופך לחום. התרשים מראה שלוש שרשראות שאתם פוגשים כל יום:

אם ממשיכים את השרשרת אחורה, מגיעים כמעט תמיד לשמש. צמחים קולטים אור שמש ואוגרים אותו כאנרגיה כימית בסוכרים. אנחנו אוכלים את הצמחים, או בעלי חיים שאכלו אותם. גם נפט ופחם נוצרו לפני מיליוני שנים משרידים של צמחים ויצורים זעירים. כמה אחוזים מהאנרגיה מגיעים לצורה שרצינו, זו כבר שאלה של נצילות.

אנרגיה כימית במזון

על כל אריזת מזון יש טבלה של ערכים תזונתיים, ובה שורה של אנרגיה. ה”קלוריות” שכתובות שם הן בעצם קילוקלוריות. באריזות רבות כתוב לידן גם הערך בקילוג׳אול. המעבר ביניהם פשוט:

בתרגילים מעגלים בדרך כלל ל־4.2. כדאי לדעת גם כלל אצבע: בכל גרם של סוכר או של חלבון יש בערך 4 קילוקלוריות, ובכל גרם של שומן יש בערך 9.

תרגיל פתור: לאיזה גובה יכול להעלות אתכם חטיף

השאלה: על אריזה של חטיף כתוב 150 קלוריות, כלומר 150 קילוקלוריות. תלמיד שמסתו 50 קילוגרם רוצה לדעת לאיזה גובה האנרגיה הזו יכולה להעלות אותו. השתמשו ב־g = 10 m/s².

שלב 1, המרה לג׳אול: E = 150 · 4.2 = 630 kJ = 630000 J.

שלב 2, הגובה אם כל האנרגיה הופכת לאנרגיית גובה: h = E / (m · g) = 630000 / 500 = 1260 m.

שלב 3, עם נצילות: השרירים הופכים לעבודה רק כרבע מהאנרגיה שהם מקבלים, והשאר הופך לחום. 1260 · 0.25 = 315 m.

התשובה: בתיאוריה כ־1,260 מטר, ובמציאות כ־300 מטר בלבד. וגם זה רק בהערכה גסה, כי הגוף צורך אנרגיה כל הזמן גם לנשימה, לפעימות הלב ולשמירה על חום הגוף.

מזון, דלק וסוללה: מי אוגר יותר

חומרים שונים אוגרים כמויות שונות מאוד של אנרגיה כימית בכל קילוגרם. בנזין ושומן נמצאים בראש הרשימה. סוללות אוגרות הרבה פחות לכל קילוגרם, ולכן מכונית חשמלית צריכה סוללה שמשקלה מאות קילוגרמים, בזמן שמיכל של בנזין שוקל עשרות בודדות. היתרון של הסוללה הוא שהיא נותנת חשמל ישירות, בלי שריפה ובנצילות גבוהה בהרבה.

תרגיל פתור: כמה אנרגיה יש בסוללת טלפון

השאלה: על סוללת טלפון כתוב 3.85 וולט ו־4,000 מיליאמפר־שעה. אלה ערכים טיפוסיים לטלפון חכם. 4,000 מיליאמפר־שעה פירושם שהסוללה יכולה לספק זרם של 4 אמפר במשך שעה. כמה אנרגיה כימית אגורה בה, ולכמה סוללות כאלה שווה האנרגיה של החטיף מהתרגיל הקודם?

שלב 1, ההספק: P = V · I = 3.85 · 4 = 15.4 W.

שלב 2, האנרגיה בשעה: E = P · t = 15.4 · 3600 = 55440 J, כלומר כ־55 קילוג׳אול.

שלב 3, השוואה לחטיף: 630000 / 55440 ≈ 11.4.

התשובה: בסוללה יש כ־55 קילוג׳אול, והחטיף מכיל אנרגיה כמו כ־11 סוללות טלפון מלאות. סוללה קלה ונוחה, אבל לכל גרם היא אוגרת הרבה פחות אנרגיה ממזון.

איפה רואים את זה בחיים

• מחמם ידיים חד־פעמי

  בתוך השקית יש אבקת ברזל. כשפותחים אותה, הברזל מגיב עם החמצן שבאוויר ומחליד מהר. התגובה משחררת את האנרגיה הכימית כחום, במשך כמה שעות.

• מקל זוהר

  כשמכופפים את המקל, נשברת בתוכו אמפולה ושני נוזלים מתערבבים. התגובה ביניהם משחררת אנרגיה כימית ישר כאור, כמעט בלי חום.

• טעינת טלפון בלילה

  בזמן הטעינה הזרם החשמלי מריץ את התגובה בסוללה בכיוון ההפוך. האנרגיה החשמלית נאגרת כאנרגיה כימית, ובבוקר היא חוזרת להיות חשמל.

שאלות נפוצות

מה זו אנרגיה כימית במילים פשוטות?

אנרגיה שאגורה בקשרים בין האטומים בחומר. היא משתחררת כשהחומר עובר תגובה כימית, כמו שריפה, עיכול או התגובה בתוך סוללה.

בשוקולד יש יותר אנרגיה מבחומר נפץ?

לכל קילוגרם, כן. בקילוגרם שוקולד יש בערך 22 מגה־ג׳אול, ובקילוגרם של חומר הנפץ טי־אן־טי בערך 4 מגה־ג׳אול בלבד. ההבדל הוא בקצב, כלומר בהספק: חומר נפץ משחרר את האנרגיה בשבריר שנייה, והגוף משחרר את האנרגיה של השוקולד לאט, לאורך שעות.

סוללה אוגרת חשמל?

לא בדיוק. סוללה אוגרת אנרגיה כימית, ומפיקה ממנה חשמל רק כשסוגרים מעגל. כשטוענים סוללה נטענת, האנרגיה החשמלית הופכת בחזרה לאנרגיה כימית.

רוצים לתרגל אנרגיה עד רמת מבחן?

בקורס הפיזיקה לכיתה ט׳ לומדים אנרגיית גובה, אנרגיית תנועה, אנרגיה חשמלית ואנרגיית חום. כל נושא מוסבר בסרטון, ולכל תרגיל בחוברת יש סרטון פתרון מלא. משלמים פעם אחת, והגישה ללא הגבלת זמן.

לקורס כיתה ט׳

או מתחילים בחינם: חוברת כיתה ט׳, להורדה