חום סגולי

• כיתה ט’
• אנרגיה וחום
• 7 דקות קריאה

למה החול בחוף לוהט והים נעים באותו צהריים, ולמה בקבוק מים חמים מחמם כל כך הרבה זמן. כאן תראו מה זה חום סגולי, איך משתמשים בו בנוסחה, ואיך קובעת הטבלה מי מתחמם מהר ומי לאט.

התשובה בקצרה

חום סגולי הוא תכונה של חומר, והוא קובע כמה קשה לחמם אותו:

1. ההגדרה: החום הסגולי הוא כמות האנרגיה שצריך כדי לחמם קילוגרם אחד של החומר במעלה אחת. למים זה כ־4,200 ג׳אול, ולחול רק כ־830.
2. הנוסחה: כמות החום שווה למסה כפול החום הסגולי כפול שינוי הטמפרטורה.
3. המשמעות: אותה כמות חום מעלה את הטמפרטורה של חול הרבה יותר מאשר של מים. לכן הים מתחמם לאט, ומתקרר לאט.

למי זה מיועד: לתלמידי כיתה ט’ שלומדים חום. אם עוד לא ברור ההבדל בין חום לטמפרטורה, כדאי להתחיל בעמוד חום וטמפרטורה. איך מחשבים כמות חום בכלל מוסבר בעמוד אנרגיית חום. כאן מתמקדים בחום הסגולי עצמו.

מה זה חום סגולי

טמפרטורה אומרת כמה הגוף חם. חום הוא אנרגיה שעוברת מגוף חם לגוף קר. כשנותנים אנרגיה לגוף, הטמפרטורה שלו עולה, אבל לא כל החומרים עולים באותה מהירות. אם נותנים אותה כמות חום לקילוגרם חול ולקילוגרם מים, החול מתחמם הרבה יותר.

ההבדל הזה הוא תכונה של החומר, והיא נקראת חום סגולי: כמה ג׳אול צריך כדי לחמם קילוגרם אחד של החומר במעלה אחת. לקילוגרם מים צריך 4,200 ג׳אול לכל מעלה. לקילוגרם חול מספיקים כ־830. ככל שהחום הסגולי גדול יותר, קשה יותר לשנות את הטמפרטורה של החומר, לחמם וגם לקרר.

הנוסחה

הג׳אול הוא יחידת האנרגיה. קילו־ג׳אול הם 1,000 ג׳אול. על היחידות והמעבר ביניהן יש עמוד: יחידות אנרגיה. בתרגילים החום הסגולי כמעט תמיד נתון.

אפשר גם להפוך את הנוסחה, ולמצוא חום סגולי של חומר לא ידוע:

למשל, כדי לחמם חצי קילוגרם של מתכת ב־40 מעלות נדרשו 9,000 ג׳אול. החום הסגולי: 9000 / (0.5 · 40) = 450 J/(kg·°C). זה הערך של ברזל.

הנוסחה עובדת רק כשהחומר מתחמם או מתקרר. כשקרח נמס, הטמפרטורה נשארת 0 מעלות, והאנרגיה משמשת לשינוי מצב הצבירה. זה נקרא חום כמוס, ולהמסת קילוגרם קרח צריך כ־334,000 ג׳אול. זה נושא להרחבה, ועוד על כך בעמוד מצבי צבירה.

טבלת חום סגולי של חומרים

הטבלה מראה את החום הסגולי של חומרים נפוצים, ואת כמות החום שצריך כדי לחמם קילוגרם מכל אחד מהם ב־10 מעלות. הערכים מעוגלים.

חומר	חום סגולי (ג׳אול לקילוגרם למעלה)	חום לחימום קילוגרם ב־10 מעלות (ג׳אול)
מים	4,200	42,000
קרח	2,100	21,000
שמן	בין 1,700 ל־2,000	בין 17,000 ל־20,000
אוויר	1,000	10,000
אלומיניום	900	9,000
חול	830	8,300
ברזל	450	4,500
נחושת	390	3,900

למים יש את החום הסגולי הגבוה ביותר בטבלה: בערך פי חמישה מחול, פי תשעה מברזל ויותר מפי עשרה מנחושת. המתכות בתחתית הטבלה, ולכן אותה כמות חום מעלה את הטמפרטורה שלהן בהרבה. שימו לב גם שלקרח ולמים יש ערכים שונים, אף שזה אותו חומר. החום הסגולי תלוי במצב הצבירה. אפשר לבדוק כל חומר בטבלה במהירות במחשבון כמות חום.

למה הים מתחמם לאט מהחול

בצהריים של יום קיץ השמש מחממת את החול ואת הים. החול לוהט עד שקשה ללכת עליו יחף, והמים נעימים. לים אין פחות שמש. הוא פשוט צריך הרבה יותר אנרגיה בשביל כל מעלה, כי החום הסגולי של מים גדול בערך פי חמישה.

בערב זה מתהפך. החול מתקרר מהר, כי אין בו הרבה אנרגיה לכל מעלה. הים, שאגר הרבה אנרגיה, מתקרר לאט ונשאר חם יותר. לכן הטמפרטורה של הים משתנה מעט בין יום ללילה.

ההבדל בטמפרטורה יוצר גם רוח. ביום האוויר מעל היבשה מתחמם ועולה, ואוויר קריר מהים נכנס במקומו: זו בריזת הים. בלילה היבשה מתקררת מהר מהים, והכיוון מתהפך. תנועת האוויר הזאת היא הסעה, שמוסברת בעמוד מעבר חום. יש עוד סיבות: אור השמש חודר לעומק המים, והמים זזים ומערבבים את החום, כך שהוא מתפזר על הרבה יותר מים. החום הסגולי הגבוה הוא סיבה נוספת, ומרכזית.

תרגיל פתור

הנתונים: בחוף יש קילוגרם חול וקילוגרם מים, שניהם בטמפרטורה של 25 מעלות. כל אחד מהם קולט מהשמש 8,300 ג׳אול. החום הסגולי של חול 830, ושל מים 4,200 ג׳אול לקילוגרם למעלה.
השאלות: א. מה הטמפרטורה הסופית של כל אחד? ב. כמה חום צריך לתת לקילוגרם מים כדי שיתחמם באותו שינוי טמפרטורה כמו החול?

1. מבודדים את שינוי הטמפרטורה בנוסחה: ΔT = Q / (m · c)
2. החול: ΔT = 8300 / (1 · 830) = 10 °C
3. המים: ΔT = 8300 / (1 · 4200) ≈ 1.98 ≈ 2 °C
4. הטמפרטורות הסופיות: חול: 25 + 10 = 35 °C · מים: 25 + 2 = 27 °C
5. סעיף ב׳. כדי שהמים יתחממו ב־10 מעלות, כמו החול: Q = m · c · ΔT = 1 · 4200 · 10 = 42,000 J

התשובה: א. החול מגיע ל־35 מעלות והמים לכ־27 מעלות. ב. צריך 42,000 ג׳אול, פי חמישה בערך מ־8,300, כי החום הסגולי של מים גדול פי חמישה. חול 35 °C · מים 27 °C · Q = 42,000 J

איפה רואים את זה בחיים

• בקבוק מים חמים

  קילוגרם מים שמתקרר מ־70 מעלות ל־20 משחרר 1 · 4200 · 50 = 210,000 J. האנרגיה הזאת יוצאת לאט, ולכן בקבוק מים חמים מחמם את המיטה במשך שעות.

• רדיאטור במכונית

  נוזל קירור זורם דרך המנוע החם, סופג ממנו חום ומעביר אותו לרדיאטור. הנוזל הוא תערובת של מים ושל חומר נגד קיפאון. המים נבחרו כי יש להם חום סגולי גבוה, והם סופגים הרבה חום בלי להתחמם יותר מדי.

• שמן בסיר

  החום הסגולי של שמן קטן ממחצית מזה של מים. לכן על אותה להבה, קילוגרם שמן מתחמם מהר יותר מקילוגרם מים.

שאלות נפוצות

מה זה חום סגולי?

כמות האנרגיה שצריך כדי לחמם קילוגרם אחד של חומר במעלה אחת. למים זה כ־4,200 ג׳אול, ולחול כ־830. ככל שהמספר גדול יותר, קשה יותר לשנות את הטמפרטורה של החומר.

מה היחידות של חום סגולי?

ג׳אול לקילוגרם למעלה, בכתיבה J/(kg·°C). היחידה אומרת כמה ג׳אול צריך לכל קילוגרם ולכל מעלה. בטבלאות מופיעה לפעמים גם היחידה קילו־ג׳אול לקילוגרם למעלה, ואז למים הערך הוא 4.2.

למה למים יש חום סגולי גבוה, ומה זה משנה לחיים?

למים יש חום סגולי גבוה במיוחד. המשמעות היא שהם סופגים ומשחררים הרבה אנרגיה בלי שהטמפרטורה שלהם משתנה הרבה. לכן אגמים וימים מתחממים ומתקררים לאט.

איך מחשבים חום סגולי מתוצאות של ניסוי?

מודדים את המסה, את כמות החום שנמסרה ואת שינוי הטמפרטורה, ומציבים: c = Q / (m · ΔT). התוצאה בג׳אול לקילוגרם למעלה. אחר כך אפשר להשוות לטבלה ולזהות את החומר.

אפשר להשתמש בנוסחה כשקרח נמס?

לא. בזמן ההמסה הטמפרטורה לא משתנה, ולכן ΔT הוא אפס. האנרגיה משמשת לשינוי מצב הצבירה, וזה חום כמוס. משתמשים בנוסחה לפני ההמסה ואחריה, בנפרד לכל מצב צבירה, עם החום הסגולי שלו.

חום ואנרגיה עדיין מבלבלים?

בקורס הפיזיקה לכיתה ט’ יש פרק על אנרגיית חום. כל נושא מוסבר בסרטון, ולכל תרגיל בחוברת יש פתרון מלא בווידאו. משלמים פעם אחת, והגישה ללא הגבלת זמן.

לקורס כיתה ט’

או מתחילים בחינם: חוברת הפיזיקה לכיתה ט’, להורדה