סימולציית שיווי משקל תרמי

מוסיפים מים חמים לכלי עם מים קרים, או זורקים לתוכו גוש מתכת חם, ורואים איך הטמפרטורות משתוות. הסימולציה מחשבת את הטמפרטורה הסופית ואת החום שעבר.

מה רואים בסימולציה?

כששני גופים בטמפרטורות שונות נוגעים זה בזה, החום עובר מהחם לקר. החם מתקרר, הקר מתחמם, וזה נמשך עד ששניהם באותה טמפרטורה. המצב הזה נקרא שיווי משקל תרמי.

בגרף רואים ששתי הטמפרטורות מתקרבות לאותו קו. בהתחלה השינוי מהיר, וככל שההפרש קטן, החום עובר לאט יותר. הזמן בגרף הוא להמחשה בלבד: בפועל הוא תלוי בכלי, בערבוב ובשטח המגע.

מניחים שהכלי מבודד: כל החום שהגוף החם מוסר עובר לגוף הקר, ושום חום לא בורח החוצה.

הנוסחאות

חום סגולי גבוה פירושו שצריך הרבה אנרגיה כדי לחמם את החומר. למים יש חום סגולי גבוה מאוד. עוד במאמר חום סגולי.

ניסויים שכדאי לעשות

• כמויות שוות של מים. ערבבו 0.2 ק״ג ב־20°C עם 0.2 ק״ג ב־80°C. הטמפרטורה הסופית היא בדיוק הממוצע, 50°C.
• ברזל מול אלומיניום. זרקו למים חצי קילו ברזל שחומם במים רותחים, ב־100°C, ואחר כך חצי קילו אלומיניום באותה טמפרטורה. האלומיניום מחמם את המים פי 2 בערך, כי החום הסגולי שלו גבוה פי 2.
• מעט מים, הרבה מתכת. הקטינו את המים ל־0.1 ק״ג והגדילו את הנחושת ל־2 ק״ג. עכשיו הטמפרטורה הסופית קרובה יותר לזו של המתכת.
• גוף קר. שימו גוש ברזל ב־0°C במים חמים. הפעם הברזל מקבל חום והמים מוסרים.

תרגיל פתור: מים חמים לתוך מים קרים

תרגיל פתור

הנתונים: בכלי מבודד יש 0.3 ק״ג מים ב־20°C. מוסיפים 0.2 ק״ג מים ב־80°C.
השאלה: מה הטמפרטורה הסופית, וכמה חום עבר?

1. לשני הגופים אותו חום סגולי, ולכן הוא מצטמצם:
   T = (0.3 · 20 + 0.2 · 80) / (0.3 + 0.2) = 22 / 0.5 = 44 °C
2. החום שהמים הקרים קיבלו:
   Q = 0.3 · 4,200 · (44 − 20) = 30,240 J
3. בדיקה: המים החמים מסרו 0.2 · 4,200 · (80 − 44) = 30,240 J. אותו דבר.

התשובה: הטמפרטורה הסופית 44°C, ועברו בערך 30 קילו־ג׳אול. זו הדוגמה הראשונה בסימולציה.

טעויות נפוצות

• “הטמפרטורה הסופית היא תמיד הממוצע.” רק כשהמסות והחום הסגולי שווים. אחרת היא קרובה יותר לגוף עם m · c הגדול יותר.
• “קור עובר מהקר לחם.” אין דבר כזה “קור”. רק חום עובר, ותמיד מהחם לקר.
• “שני הגופים משנים טמפרטורה באותה כמות.” הם מעבירים אותה כמות של חום, אבל השינוי בטמפרטורה תלוי במסה ובחום הסגולי של כל אחד.

שאלות נפוצות

מה זה שיווי משקל תרמי?

מצב שבו לשני גופים שנוגעים זה בזה יש אותה טמפרטורה, ולכן החום מפסיק לעבור ביניהם.

איך מחשבים את הטמפרטורה הסופית בערבוב?

כותבים שהחום שהגוף החם מוסר שווה לחום שהגוף הקר מקבל, ומבודדים את הטמפרטורה הסופית. הנוסחה המלאה למעלה.

למה ברזל חם מחמם את המים רק מעט?

לברזל יש חום סגולי קטן, קטן פי 9 בערך מזה של המים. לכן גם כשהוא מתקרר הרבה, הוא מוסר מעט אנרגיה, והמים כמעט לא מתחממים.

למה הים מתחמם לאט יותר מהחוף?

כי למים חום סגולי גבוה מאוד. כדי לחמם אותם באותה כמות כמו חול, צריך הרבה יותר אנרגיה. לכן בקיץ הים קריר יותר מהחול, ובלילה הוא נשאר חם יותר.

רוצים ללמוד פיזיקה בלי להיתקע?

בקורסים של פיזיקס יש שיעורי וידאו מסודרים, מכיתה ז׳ ועד הבגרות, וחוברת תרגול עם פתרון וידאו לכל תרגיל.

לכל הקורסים

רוצים קודם לתרגל לבד? הורידו חוברת תרגול בחינם