התפשטות בחום: למה גשרים צריכים מרווחים

• כיתה ז’
• אנרגיה וחום
• 7 דקות קריאה

למה חומרים מתרחבים כשמחממים אותם, למה משאירים מרווחים בגשרים, איך עובד פס דו־מתכתי בתרמוסטט, ומה מיוחד במים בין 0 ל־4 מעלות. עם שני תרגילים פתורים.

התשובה בקצרה

רוב החומרים מתרחבים כשמחממים אותם ומתכווצים כשמקררים אותם. הסיבה, לפי המודל החלקיקי:

• בחימום החלקיקים נעים חזק יותר, ולכן הם מתרחקים מעט זה מזה. החלקיקים עצמם לא גדלים.
• גזים מתפשטים הכי הרבה, נוזלים פחות, ומוצקים הכי מעט. אבל גם ההתארכות הקטנה של מוצק יכולה לשבור גשר, ולכן משאירים לה מקום.
• יוצא דופן חשוב: מים בין 0 ל־4 מעלות מתכווצים כשמחממים אותם.

למי זה מיועד: לתלמידי כיתה ז׳ שלומדים את המודל החלקיקי וחום. כדאי להכיר קודם את מצבי הצבירה והמודל החלקיקי ואת ההבדל בין חום לטמפרטורה.

למה חומרים מתפשטים בחום

כל חומר בנוי מחלקיקים זעירים שנמצאים בתנועה מתמדת. במוצק הם רוטטים סביב מקום קבוע, בנוזל הם מחליקים זה ליד זה, ובגז הם עפים בחופשיות. כשמחממים חומר, החלקיקים מקבלים אנרגיה ונעים חזק יותר. במוצק, למשל, הם רוטטים בתנופה גדולה יותר, ולכן כל חלקיק תופס קצת יותר מקום. המרחק הממוצע בין החלקיקים גדל, והחומר כולו מתרחב.

בקירור קורה ההפך: החלקיקים נעים פחות, מתקרבים זה לזה, והחומר מתכווץ. לכן התפשטות בחום היא תמיד הפיכה. מוט שהתארך בשמש חוזר לאורכו כשהוא מתקרר.

• גזים: מתפשטים הכי הרבה. בלון שמכניסים למקרר מתכווץ לעין.
• נוזלים: מתפשטים פחות מגזים, אבל מספיק כדי לראות את זה במדחום.
• מוצקים: מתפשטים הכי מעט. מוט ברזל באורך מטר מתארך בפחות ממילימטר כשמחממים אותו ב־50 מעלות.

גשרים, מסילות וכבלים

פחות ממילימטר נשמע זניח, אבל גשר אינו באורך מטר. גשר באורך מאות מטרים יכול להתארך בין חורף לקיץ ביותר מעשרה סנטימטרים, ואם אין לו לאן להתארך, הוא דוחף בכוח עצום את מה שעומד בדרכו. בטון יכול להיסדק ופלדה יכולה להתעקם.

לכן בונים גשרים מכמה חלקים, ומשאירים ביניהם מרווחים שנקראים מפרקי התפשטות. אם נוסעים על גשר, אפשר לפעמים להרגיש אותם כקפיצה קטנה של הגלגלים, ולראות פסי מתכת עם “שיניים” שמשתלבות זו בזו. בחורף המרווח נפתח, ובקיץ הוא כמעט נסגר.

אותו רעיון מופיע במקומות נוספים:

• מסילות רכבת: במסילות ישנות השאירו מרווח קטן בין קטעי הפסים. במסילות מודרניות מרתכים את הפסים לפס ארוך ומקבעים אותו חזק לקרקע, כך שהוא לא יכול לזוז.
• כבלי חשמל: בקיץ הכבלים בין העמודים מתארכים ושוקעים יותר כלפי מטה. בחורף הם מתקצרים ונמתחים. לכן לא מותחים אותם עד הסוף כשמתקינים אותם.
• מדרכות ורצפות: הקווים שחוצים מדרכת בטון אינם קישוט. הם מאפשרים ללוחות להתרחב בלי להיסדק.

תרגיל פתור: מדחום

השאלה: במדחום יש נוזל בתוך צינור דק. כשהטמפרטורה עולה, הנוזל מתפשט ועולה בצינור. במדחום מסוים, הנוזל עולה 2 מילימטר בכל מעלה. ב־20 מעלות הנוזל מגיע לגובה של 40 מילימטר. מה הטמפרטורה כשהנוזל מגיע לגובה של 76 מילימטר?

שלב 1, בכמה עלה הנוזל: 76 − 40 = 36 mm.

שלב 2, בכמה מעלות עלתה הטמפרטורה: כל 2 מילימטר הם מעלה אחת: 36 / 2 = 18.

שלב 3, הטמפרטורה החדשה: 20 + 18 = 38.

התשובה: 38 מעלות. הצינור הדק הוא הסוד של המדחום: הנוזל מתפשט רק מעט, אבל כשהוא נדחס לצינור צר, אפילו התפשטות קטנה הופכת לעלייה שרואים בעין.

פס דו־מתכתי: איך התרמוסטט יודע לכבות

מתכות שונות מתארכות בשיעור שונה. פליז, למשל, מתארך יותר מפלדה כשמחממים את שתיהן באותה מידה. פס דו־מתכתי בנוי משתי רצועות כאלה שמחוברות זו לזו לכל האורך. כשמחממים את הפס, רצועת הפליז רוצה להתארך יותר, אבל היא מחוברת לפלדה. הדרך היחידה של הפס “להסתדר” היא להתכופף, כך שהפליז נמצא בצד החיצוני של הקשת.

בתרמוסטט של מגהץ ושל מכשירי חימום רבים, הפס הדו־מתכתי הוא חלק מהמעגל החשמלי. כשהמכשיר מגיע לטמפרטורה מסוימת, הפס מתכופף, מתרחק ממגע חשמלי ומנתק את הזרם. כשהוא מתקרר, הוא מתיישר, נוגע שוב במגע, והחימום חוזר.

המים יוצאי הדופן

מים מתנהגים אחרת מרוב החומרים. כשמחממים מים מ־0 ל־4 מעלות, הם דווקא מתכווצים. רק מעל 4 מעלות הם מתנהגים כמו כולם ומתרחבים בחימום. לכן הצפיפות של מים היא הגדולה ביותר בערך ב־4 מעלות.

לתכונה הזו יש תוצאה חשובה בטבע. כשאגם מתקרר בחורף, המים בני 4 המעלות, הכבדים ביותר, שוקעים לקרקעית. המים הקרים יותר נשארים למעלה וקופאים ראשונים, והקרח צף. שכבת הקרח מבודדת את המים שמתחתיה, והדגים ממשיכים לחיות בקרקעית.

ועוד הפתעה: כשמים קופאים, הם מתרחבים בבת אחת בכעשירית מהנפח. לכן בקבוק זכוכית מלא במים עלול להתפוצץ במקפיא. זה כבר לא התפשטות בחום, אלא שינוי במצב הצבירה.

העשרה: בכמה מתארך גשר פלדה

השאלה: קטע של גשר פלדה אורכו 50 מטר. בחורף הוא מתקרר עד 5 מעלות, ובקיץ מתחמם עד 45 מעלות. פלדה מתארכת בערך ב־12 מיליוניות מהאורך שלה בכל מעלה. בכמה הגשר ארוך יותר בקיץ?

הנוסחה: ΔL = α · L · ΔT, כאשר α ≈ 12 · 10⁻⁶ לכל מעלה לפלדה.

שלב 1, שינוי הטמפרטורה: ΔT = 45 − 5 = 40 מעלות.

שלב 2, ההתארכות: ΔL = 12 · 10⁻⁶ · 50 · 40 = 0.024 m.

התשובה: 2.4 סנטימטר. נשמע מעט, אבל אם המפרק בקצה הקטע צר מזה, הלוחות יידחקו זה בזה בקיץ. בגשר ארוך שבנוי מכמה קטעים, לכל קטע יש מפרק משלו.

איפה רואים את זה בחיים

• צנצנת שלא נפתחת

  מעבירים את המכסה מתחת למים חמים. המכסה, ממתכת, מתרחב יותר מהזכוכית של הצנצנת, ולכן הוא משתחרר ונפתח בקלות.

• בלון במכונית חמה

  בלון שנשאר במכונית סגורה ביום חם מתנפח עוד, כי האוויר שבתוכו מתחמם ומתפשט. גזים מתפשטים בחום הרבה יותר ממוצקים.

• בקבוק במקפיא

  בקבוק מלא במים שנשכח במקפיא עלול להיסדק. המים מתרחבים כשהם הופכים לקרח, וללחץ הזה אין לאן ללכת.

שאלות נפוצות

למה חומרים מתרחבים כשמחממים אותם?

כי בחימום החלקיקים נעים חזק יותר ומתרחקים מעט זה מזה. הם לא גדלים, רק המרחק הממוצע ביניהם גדל, ולכן החומר כולו תופס יותר מקום.

מה מתפשט יותר, מוצק, נוזל או גז?

גז מתפשט הכי הרבה, נוזל פחות, ומוצק הכי מעט. לכן בלון מתכווץ לעין במקרר, ואילו ההתארכות של מוט ברזל נמדדת בשברירי מילימטר.

למה מים קופאים מלמעלה ולא מלמטה?

כי מים בערך ב־4 מעלות הם הצפופים ביותר ושוקעים לקרקעית. המים הקרים יותר נשארים למעלה וקופאים ראשונים, והקרח, שצפיפותו קטנה יותר, צף.

רוצים לתרגל חום והמודל החלקיקי עד רמת מבחן?

בקורס הפיזיקה לכיתה ז׳ כל נושא מוסבר בסרטון, ולכל תרגיל בחוברת יש סרטון פתרון מלא. משלמים פעם אחת, והגישה ללא הגבלת זמן.

לקורס כיתה ז׳

או מתחילים בחינם: חוברת כיתה ז׳, להורדה