‫פיזיקה‬ ‫תורת הזורמים‬ ‫‬ ‫תורת החום‬ ‫מותאם לתוכנית הלימודים פעימ"ה של משרד החינוך‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪1‬‬ ‫תוכן עניינים‬ ‫תורת הזורמים‬ ‫הידרוסטטיקה‬ ‫‪3‬‬ ‫פרק א' תורת הזורמים – מבוא ‪..................................................‬‬ ‫‪4‬‬ ‫פרק ב' לחץ אטמוספרי ‪.............................................................‬‬ ‫‪7‬‬ ‫כוחות ולחצים ‪...............................................................‬‬ ‫‪9‬‬ ‫פרק ג'‬ ‫פרק ד' הלחץ בנוזל סטטי ‪.........................................................‬‬ ‫‪12‬‬ ‫פרק ה' לחץ הידרוסטטי ‪............................................................‬‬ ‫‪17‬‬ ‫חוק ארכימדס ‪...............................................................‬‬ ‫‪22‬‬ ‫פרק ו'‬ ‫הידרודינמיקה‬ ‫פרק ז'‬ ‫‪25‬‬ ‫זורמים בתנועה ‪............................................................‬‬ ‫‪26‬‬ ‫פרק ח' תופעת המערבולת ‪......................................................‬‬ ‫‪29‬‬ ‫פרק ט' קצב ספיקה של זורם ‪....................................................‬‬ ‫‪32‬‬ ‫חוק ברנולי ‪..................................................................‬‬ ‫‪36‬‬ ‫נספח נוסחאות והמרת יחידות מידה ‪................................‬‬ ‫‪41‬‬ ‫פרק י'‬ ‫תורת החום‬ ‫‪43‬‬ ‫פרק א'‬ ‫מקורות אנרגית חום ‪....................................................‬‬ ‫‪45‬‬ ‫פרק ב'‬ ‫הטמפרטורה וסולמות למדידת חום ‪................................‬‬ ‫‪48‬‬ ‫פרק ג'‬ ‫השפעת החום ותופעות ההתפשטות ‪...............................‬‬ ‫‪55‬‬ ‫פרק ד'‬ ‫תופעות האנומליה של מים ‪...........................................‬‬ ‫‪63‬‬ ‫פרק ה'‬ ‫התפשטות של גזים ‪......................................................‬‬ ‫‪66‬‬ ‫פרק ו'‬ ‫כמות חום ‪...................................................................‬‬ ‫‪69‬‬ ‫פרק ז'‬ ‫מעבר בין מצבי צבירה של חומר ‪.....................................‬‬ ‫‪77‬‬ ‫פרק ח'‬ ‫חוקי הגזים ‪.................................................................‬‬ ‫‪87‬‬ ‫פרק ט'‬ ‫העברת חום ‪................................................................‬‬ ‫‪95‬‬ ‫סיכום ושאלות ‪.............................................................‬‬ ‫‪100‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪2‬‬ ‫תורת‬ ‫הזורמים‬ ‫"הידרוסטטיקה"‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪3‬‬ ‫פרק א' ‪ -‬מבוא לתורת הזורמים‬ ‫זורמים בטבע‬ ‫כידוע‬ ‫הכוכב‬ ‫כדור‬ ‫שלנו‬ ‫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"‪.‬‬ ‫"גז" ו "נוזל" 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 ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪4‬‬ ‫המשותף להם‪ - :‬יכולתם לנוע ממקום למקום ולשנות את צורתם‪.‬‬ ‫ההבדל ביניהם‪:‬‬ ‫• גזים ‪ -‬ניתנים לדחיסה ואז משנים את הנפח שלהם בהתאם ללחץ‬ ‫המופעל עליהם‪.‬‬ ‫• נוזלים ‪ -‬אינם ניתנים לדחיסה‪.‬‬ ‫"רוח" ‪ -‬זו תנועה של אויר שנוצרת משינוי בלחץ האטמוספרי‪ .‬האוויר נע‬ ‫ממקום של לחץ אטמוספרי גבוה למקום של לחץ אטמוספרי נמוך‪.‬‬ ‫• ביום ‪ -‬האוויר שמעל הקרקע חם יותר מהאוויר שמעל פני הים‪.‬‬ ‫• בלילה ‪ -‬האוויר שמעל פני הים חם יותר מהאוויר שמעל פני הקרקע‪.‬‬ ‫הפרש הטמפרטורות גורם להפרשי לחץ אויר וליצירת "הרוח"‪.‬‬ ‫ים‬ ‫ים‬ ‫אדמה ‪ -‬הרים‬ ‫אדמה ‪ -‬הרים‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪5‬‬ ‫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 ‫לחץ האוויר בגובה פני הים ) גובה ‪ 1 = ( 0‬אטמוספירה‬ ‫תופעות הלחץ האטמוספרי‬ ‫א‪ .‬תנועה של האוויר ממקום של לחץ גבוה למקום של לחץ נמוך גורמת לתופעה‬ ‫הנקראת‪" :‬רוח"‪.‬‬ ‫ב‪ .‬הפרשי לחצים גדולים המתרחשים בגובה רב גורמים לתופעות של סערות ‪.‬‬ ‫ג‪ .‬משקל האוויר מפעיל על כל הסובב אותו לחץ הנקרא‪" :‬לחץ אטמוספרי"‪.‬‬ ‫ד‪ .‬את הלחץ האטמוספרי חקר הפיסיקאי "טוריצ'לי" שגם המציא את מכשיר מדידת‬ ‫הלחץ האטמוספרי הנקרא‪" :‬ברומטר"‪.‬‬ ‫ה‪ .‬לחץ אטמוספרי נמדד ב ‪" :‬אטמוספרות" ‪ -‬או ‪" -‬ס"מ כספית" ‪.‬‬ ‫ו‪ 1 .‬אטמוספירה = ‪ 76‬ס"מ כספית‪.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪7‬‬ ‫פרק ג' ‪ -‬כוחות ולחצים‬ ‫לחץ ‪P -‬‬ ‫"לחץ" ‪ P‬הוא גודל "הכוח" ‪ F‬הפועל על יחידת "שטח" ‪. S‬‬ ‫והנוסחה לחישוב הלחץ היא ‪:‬‬ ‫כוח ‪F‬‬ ‫שטח ‪S‬‬ ‫= ‪P‬‬ ‫לחץ‬ ‫‪ 1‬אטמוספירה = ‪ ] 10‬ניוטון‪/‬סמ"ר [ או ‪ ] 100.000‬ניוטון‪/‬מ"ר [ ‪.‬‬ ‫כוח ‪F -‬‬ ‫כוח ניתן להפעיל בצורות שונות‪ .‬אנו נתייחס לכוח שמפעיל משקלם של הזורמים‪.‬‬ ‫וההגדרה תהיה‪:‬‬ ‫הכוח שלוחץ על שטח הוא משקל החומר הנמצא על השטח‬ ‫כלומר‪:‬‬ ‫כוח ] ‪[ F‬‬ ‫יחידות מדידה ‪:‬‬ ‫ניוטון ) ‪( N‬‬ ‫=‬ ‫משקל החומר ] ‪[ G‬‬ ‫ק"ג כוח ) ‪( Kgf‬‬ ‫המשקל תלוי בשני גורמים והם ‪:‬‬ ‫• מסה של חומר ) ‪ = ( m‬כמות החומר בלבד והיא קבועה בכל מקום‪.‬‬ ‫• כוח המשיכה של כדור הארץ ) ‪ - ( g‬או כמו שהוא נקרא גם "כוח הכובד"‬ ‫או "תאוצה חופשית" אשר שווה בקרוב ל ] ‪. 10 [ m/sec2‬‬ ‫כאשר באים לחשב את משקל החומר יש להתחשב בשני הגורמים הבאים‪:‬‬ ‫משקל החומר = מסה • כוח הכובד‬ ‫)‪(m‬‬ ‫)‪(g‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪9‬‬ ‫לדוגמה‪:‬‬ ‫משקלו של חומר בעל מסה של ‪ 100‬גרם יהיה ‪:‬‬ ‫משקל = מסה של ‪ 100‬גרם • ‪) 10‬כוח הכובד( = ‪ 1000‬גרם כוח = ‪ 1‬ק"ג כוח‪.‬‬ ‫‪ 1‬ק"ג כוח = ‪ 10‬ניוטון ) ‪( N‬‬ ‫חומר שהמסה שלו ‪ 100‬גרם והמשקל שלו ‪ 1‬ק"ג כוח‪ ,‬מפעיל כוח של ‪ 10‬ניוטון‪.‬‬ ‫לכל כוכב ביקום יש כוח משיכה משלו המשפיע על מיקומו במערכת הכוכבים‪.‬‬ ‫ידוע למשל כי כוח המשיכה על פני הירח קטן פי ‪ 6‬מכוח המשיכה הקיים על‬ ‫פני כדור הארץ‪ .‬לכן משקל של גוף על פני הירח יהיה קטן פי ‪ 6‬ממשקלו על‬ ‫פני כדור הארץ‪ .‬וזאת למרות שהמסה שלו )כמות החומר( נשארת זהה‪.‬‬ ‫שטח ‪S -‬‬ ‫אם הכוח שמופעל הוא קבוע הלחץ יהיה תלוי בגודל השטח‪.‬‬ ‫כוח ‪ F‬קבוע‬ ‫יחידות מדידה של שטח הן‪:‬‬ ‫מ"ר ] ‪[ m2‬‬ ‫‪,‬‬ ‫סמ"ר ] ‪..... [ cm2‬‬ ‫‪ 1‬מ"ר = ‪ 10.000‬סמ"ר‪.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪10‬‬ ‫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" :‬הבוכנה"‪.‬‬ ‫עיקרון הפעולה שלה התבסס על‪:‬‬ ‫הפעלת כוח קטן ‪ F1‬על בוכנה קטנה יגרום לקבלת כוח גדול ‪F2‬‬ ‫מבוכנה גדולה בצד שני‪.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪12‬‬ ‫כביטוי מתמטי נראה זאת כך‪:‬‬ ‫לפי חוק פסקל הלחצים שווים ‪-‬‬ ‫‪P2‬‬ ‫= ‪P1‬‬ ‫‪p1 = F1‬‬ ‫‪S1‬‬ ‫‪p 2 = F2‬‬ ‫‪S2‬‬ ‫אם הלחץ בבוכנה הקטנה ‪-‬‬ ‫ואם הלחץ בבוכנה הגדולה ‪-‬‬ ‫‪F1 F 2‬‬ ‫=‬ ‫‪S1 S 2‬‬ ‫נקבל‪:‬‬ ‫והנוסחה תהיה‪:‬‬ ‫‪F2 S 2‬‬ ‫=‬ ‫‪F1 S 1‬‬ ‫יחס השטחים‬ ‫לשוויון היחסים הזה קוראים‪" :‬יתרון מכאני"‬ ‫יחס הכוחות‬ ‫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' ‪ h1‬למרחק התזוזה‬ ‫של בוכנה ב' ‪?h2‬‬ ‫על פי חוק פסקל זה קשור לנפחים‪.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪13‬‬ ‫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 ‫עומק קטן = לחץ קטן‬ ‫‪ 0.2‬אטמ'‬ ‫‪ 3.5‬אטמ'‬ ‫ככל שיורדים‬ ‫לקרקעית‬ ‫הים הלחץ‬ ‫גדל‬ ‫עומק גדול = לחץ גדול‬ ‫‪ 20‬אטמ'‬ ‫‪ 315‬אטמ'‬ ‫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 ‪ 10‬מ' עומק במים = לחץ של ‪ 1‬אטמוספירה‪.‬‬ ‫• מכשיר המדידה ללחץ הידרוסטטי נקרא‪" :‬מנומטר"‪.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪17‬‬ ‫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:‬‬ ‫‪V′ • d‬‬ ‫משקל סגולי‬ ‫של הנוזל‬ ‫נפח הנוזל‬ ‫שנדחה‬ ‫=‬ ‫‪G′‬‬ ‫"הפסד" משקל‬ ‫הגוף‬ ‫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 ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪22‬‬ ‫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 ‫מים מלוחים‬ ‫מים מתוקים‬ ‫ממנו עשוי הגוף‪.‬‬ ‫• 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.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪23‬‬ ‫תורת‬ ‫הזורמים‬ ‫"הידרודינמיקה"‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪25‬‬ ‫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"‪.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪26‬‬ ‫הצמיגות משפיעה על‪:‬‬ ‫תנועת הנוזל או תנועת גופים בתוך הנוזל‬ ‫סמיכות גבוהה‬ ‫סמיכות נמוכה‬ ‫צמיגות גבוהה‬ ‫צמיגות נמוכה‬ ‫תנועה איטית‬ ‫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 ‫שלושת הגורמים המשפיעים על מקדם הצמיגות של נוזל הם‪:‬‬ ‫לחץ ‪ ,‬אורך הצינור דרכו זורם הנוזל ‪ ,‬מהירות תנועת הנוזל‪.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪27‬‬ ‫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"‪.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪29‬‬ ‫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 ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪32‬‬ ‫פרק י' ‪ -‬חוק ברנולי‬ ‫עקרון הפעולה של צינור ונטורי‬ ‫צינור ונטורי‬ ‫כמות יוצאת‬ ‫צוואר ונטורי‬ ‫‪Q2‬‬ ‫‪Q1‬‬ ‫‪Q1‬‬ ‫כמות נכנסת‬ ‫כמות יוצאת = כמות נכנסת‬ ‫הצינור הונטורי בנוי מצינור אשר קוטרו בחלק ממנו צר יותר‪ .‬לחלק הצר של‬ ‫הצינור אנו קוראים‪" :‬צוואר ונטורי"‪.‬‬ ‫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.‬‬ ‫רציפות הזרימה נובעת משוויון הספיקות‬ ‫והביטוי המתמטי הוא‪:‬‬ ‫ספיקה צינור צר‬ ‫‪S2‬‬ ‫שטח חתך‬ ‫צינור צר‬ ‫‪Q2‬‬ ‫• ‪V2‬‬ ‫מהירות זרימה‬ ‫צינור צר‬ ‫=‬ ‫=‬ ‫‪Q1‬‬ ‫‪S1‬‬ ‫שטח חתך‬ ‫צינור רחב‬ ‫ספיקה צינור רחב‬ ‫• ‪V1‬‬ ‫מהירות זרימה‬ ‫צינור רחב‬ ‫הזרימה המהירה בצינור הונטורי יוצרת בו תת לחץ )לחץ נמוך מהלחץ‬ ‫האטמוספרי( ואפקט של "יניקה"‪ .‬תופעה זו משמשת אותנו כיום לכלים שונים‬ ‫כגון‪ :‬כלי ריסוס‪ ,‬קרבורטור )מאייד( לרכב ועוד‪.‬‬ ‫הפיסיקאי ברנולי אשר זיהה את התופעות האלו גם זיהה תופעות נוספות‪.‬‬ ‫ברנולי גילה שקיים קשר הדוק בין הלחץ הסטטי והלחץ הדינמי בנוזל בתוך‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪36‬‬ ‫תורת‬ ‫החום‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪43‬‬ ‫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 .‬הבנת‬‫תהליכים 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 :‬פחם‪,‬‬ ‫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.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪45‬‬ ‫פרק ב' ‪ -‬הטמפרטורה וסולמות‬ ‫למדידת חום‬ ‫למידת החום אנו נוהגים לקרוא‪" :‬טמפרטורה"‪ .‬לחום של הסביבה אנו אומרים‬ ‫הטמפרטורה של הסביבה וכדומה‪.‬‬ ‫את הטמפרטורה ניתן לחוש באמצעות‬ ‫החושים שלנו אך איננו יודעים את מידתה‪.‬‬ ‫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" :‬מדחום" ויחידות המידה‬ ‫של הטמפרטורה הן‪ :‬מעלות ) ‪. ( 0‬‬ ‫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 .‬נתאר כאן‬ ‫את שלושת סולמות המדידה המקובלים עד היום למדידת חום‪.‬‬ ‫סולם צלסיוס ) ‪( 0C‬‬ ‫אנדרס צלסיוס היה פיסיקאי שוודי אשר חי במאה ה‪ .18-‬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 הופך הקרח למים הוא סימן ב‪ (00c) -‬וקרא‬ ‫לה‪" :‬טמפרטורת היתוך הקרח"‪.‬‬ ‫• את מידת הטמפרטורה בה הופכים המים לגז הוא סימן ב‪(1000c) -‬‬ ‫וקרא לה‪" :‬טמפרטורת רתיחה"‪.‬‬ ‫את הסולם שבנה צלסיוס הוא חילק למאה קוים )שנתות( בין ‪ 0‬ל ‪ .100 -‬כל קו‬ ‫בסולם הוא‪ ( 10c ) :‬מעלה אחת צלסיוס‪.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪48‬‬ ‫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 "מידת ההתארכות שחלה בגוף עקב ההתחממות‬ ‫שלו"‪ .‬כלומר הגוף מתארך עקב ההתחממות שלו‪ .‬השאלה היא כיצד ניתן‬ ‫לחשב את מידת ההתארכות ?‬ ‫הדרך לחשב את מידת ההתארכות של הגוף‪:‬‬ ‫‪ t0‬טמפ' התחלתית ‪ L0 ,‬אורך התחלתי‬ ‫מצב א' ‪ -‬מצב התחלתי לפני חימום‪.‬‬ ‫‪∆L‬‬ ‫מצב ב' ‪ -‬מצב לאחר החימום‪.‬‬ ‫‪ t1‬טמפ' חימום ‪,‬‬ ‫‪L1‬‬ ‫אורך אחרי החימום‬ ‫‪ ∆ L = L1 - L0‬מידת ההתפשטות הקווית )ההתארכות( בעקבות החימום‪.‬‬ ‫נמדדת ב‪ :‬מטר‪,‬ס"מ‪ ,‬מ"מ וכדומה‪.‬‬ ‫‪ - ∆ t = t1 - t0‬הפרש הטמפרטורות‪ .‬נמדד ב‪ ( 0C ) :‬מעלות צלסיוס‪.‬‬ ‫‪ ) α‬אלפא ( ‪ -‬מקדם התפשטות קווית של חומר‪ .‬נמדד ב ‪. ( 1/ 0C ) :‬‬ ‫והנוסחה לחישוב מידת ההתפשטות הקווית היא‪:‬‬ ‫‪∆t‬‬ ‫•‬ ‫הפרש‬ ‫הטמפרטורות‬ ‫‪L0‬‬ ‫•‬ ‫אורך התחלתי‬ ‫‪α‬‬ ‫=‬ ‫מקדם ההתפשטות‬ ‫הקווית‬ ‫‪∆L‬‬ ‫מידת ההתארכות‬ ‫הקווית‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪55‬‬ ‫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 ‪ C‬צפיפות ‪ ρ3‬קטנה‬ ‫טמפרטורה גבוהה ‪t3‬‬ ‫חומר ‪ B‬צפיפות ‪ ρ2‬בינונית‬ ‫טמפרטורה בינונית ‪t2‬‬ ‫חומר ‪ A‬צפיפות ‪ ρ1‬גדולה‬ ‫טמפרטורה נמוכה ‪t1‬‬ ‫‬‫צפיפות‬ ‫טמפרטורה ‪-‬‬ ‫‪ρ1 > ρ2 > ρ3‬‬ ‫‪t3 > t2 > t1‬‬ ‫אבל מתברר כי למים יש תכונה מיוחדת‪:‬‬ ‫שהצפיפות‬ ‫ככל‬ ‫שלהם‬ ‫קטנה‬ ‫כשהטמפרטורה יורדת כך הנפח שלהם גדל‪.‬‬ ‫התכונה‬ ‫הזו‬ ‫בולטת‬ ‫במיוחד‬ ‫בין‬ ‫הטמפרטורות ‪ 40c‬ל ‪ 00 c -‬מעלות צלסיוס‪.‬‬ ‫בטמפרטור ‪ 40c‬צפיפות המים היא הגבוהה‬ ‫ביותר ולכן המים יורדים כלפי מטה וכל‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪63‬‬ ‫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:‬‬ ‫נפח הגז‬ ‫מספר קבוע‬ ‫‪K‬‬ ‫=‬ ‫‪V‬‬ ‫‪T‬‬ ‫טמפרטורה של הגז ) ‪( 0K‬‬ ‫הנוסחה מראה כי ככל שגדלה הטמפרטורה של הגז‪ ,‬הנפח של הגז גדל באותו‬ ‫יחס שהוא מספר קבוע‪.‬‬ ‫והנוסחה היא‪:‬‬ ‫‪V1‬‬ ‫‪V2‬‬ ‫=‬ ‫‪=T. .=. .‬‬ ‫‪V‬‬ ‫‪/‬‬ ‫‪T‬‬ ‫=‬ ‫‪V‬‬ ‫‪/‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪1‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪2‬‬ ‫‪T1‬‬ ‫‪T2‬‬ ‫‪( 0 K ) T = t ( 0 c ) + 273‬‬ ‫צלסיוס‬ ‫קלווין‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪66‬‬ ‫פרק ו' ‪ -‬כמות חום‬ ‫חום ואנרגיה‬ ‫ראינו כי החום הוא‬ ‫חלק‬ ‫נפרד‬ ‫בלתי‬ ‫מחיינו אשר יש לקחת‬ ‫אותו בחשבון לגבי כל‬ ‫התרחשות‬ ‫ותופעה‪.‬‬ ‫שהיא‬ ‫הטמפרטורה‬ ‫מידת החום משפיעה‬ ‫על התנהגות חומרים‬ ‫וגופים במצבים שונים‪.‬‬ ‫מקורות‬ ‫בחנו‬ ‫גם‬ ‫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.‬‬ ‫אנרגית חום‬ ‫כל אנרגיה אחרת‬ ‫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.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪69‬‬ ‫פרק ז' ‪ -‬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 = ‪ = 00c‬טמפרטורת הקיפאון של המים‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪77‬‬ ‫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 ‪ - T‬הנמדדת במעלות קלווין ] ‪. [ 0K‬‬ ‫• נפח הגז ‪ - V‬הנמדד בסמ"ק ] ‪ [ cm3‬או ליטר ] ‪. [ l‬‬ ‫• לחץ הגז ‪ - P‬הנמדד באטמוספרות ] ‪. [ ATM‬‬ ‫שלושת הגורמים קשורים יחד וכל שינוי באחד גורר שינוי באחרים‪ .‬לכן את‬ ‫הקשר בין הגורמים האלה נוכל לבטא במשוואה הבאה‪:‬‬ ‫משוואת המצב של הגזים‬ ‫מספר קבוע‬ ‫‪K‬‬ ‫נפח הגז‬ ‫=‬ ‫‪V‬‬ ‫‪T‬‬ ‫•‬ ‫‪P‬‬ ‫הלחץ של הגז‬ ‫הטמפרטורה של הגז‬ ‫והנוסחה היא‪:‬‬ ‫‪=...‬‬ ‫‪V2‬‬ ‫‪T2‬‬ ‫• ‪P2‬‬ ‫=‬ ‫‪V1‬‬ ‫‪T1‬‬ ‫•‪P1‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪87‬‬ ‫ג ‪ -‬כאשר הטמפרטורה ‪ T‬קבועה‬ ‫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"‪.‬‬ ‫‪K‬‬ ‫ובאופן מתמטי‪:‬‬ ‫=‬ ‫מספר קבוע‬ ‫והנוסחה תהיה‪:‬‬ ‫‪P • V‬‬ ‫נפח הגז‬ ‫‪P2 • V2 = . . .‬‬ ‫לחץ הגז‬ ‫= ‪P1 • V1‬‬ ‫תרגיל דוגמה‪:‬‬ ‫רוצים לדחוס ‪ 10‬ליטר גז הנמצא בלחץ אטמוספרי לתוך מיכל של ‪ 1‬ליטר‪.‬‬ ‫הדחיסה נעשית בטמפרטורת החדר‪ .‬מה יהיה הלחץ במיכל בעל הנפח הקטן ?‬ ‫פתרון‪:‬‬ ‫נתונים‪:‬‬ ‫אטמוספרות ‪P1 = 1 ATM‬‬ ‫ליטר ‪V1 = 10‬‬ ‫ליטר ‪V2 = 1‬‬ ‫צריך למצוא‪:‬‬ ‫? = ‪P2‬‬ ‫נרשום את הנוסחה‪:‬‬ ‫נבצע את השינוי‪:‬‬ ‫‪P1 • V1 = P2 • V2‬‬ ‫‪P1•V1‬‬ ‫‪V2‬‬ ‫= ‪P2‬‬ ‫נציב‪:‬‬ ‫‪P2 = 10 •1‬‬ ‫נקבל‪:‬‬ ‫אטמוספרות ‪P2 = 10 ATM‬‬ ‫‪1‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪90‬‬ ‫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 ‫‪ 8‬ג'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.‬‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪95‬‬ ‫סיכום ושאלות‬ ‫תורת הזורמים‬ ‫‪ .1‬נתונה מכונה הידראולית בלי חיכוך בין הבוכנות לצינורות המכונה‪ .‬היתרון‬ ‫המכני התיאורטי של מכונה זו הוא ‪. 5 -‬‬ ‫א‪ .‬שטח הבוכנה הקטנה הוא ‪ 8‬סמ"ר‪ .‬חשב את שטח הבוכנה הגדולה ?‬ ‫_____________________________________________________‬ ‫_____________________________________________________‬ ‫ב‪ .‬על הבוכנה הגדולה מונח גוף שהמסה שלו ‪ 4‬ק"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.‬‬ ‫‪ .2‬לפניך קובייה המרחפת בתוך המים‬ ‫‪A‬‬ ‫‪B‬‬ ‫‪FA‬‬ ‫‪FB‬‬ ‫א‪ .‬השלם את המשפטים שלפניך‪:‬‬ ‫‪ .1‬הלחץ ההידרוסטטי של המים בנקודה ‪) A‬גדול ‪ /‬קטן( מהלחץ בנקודה ‪.B‬‬ ‫‪ .2‬שטח הפאות ‪ A‬ו‪ B -‬שווים לכן הכוח ‪) FB‬קטן ‪/‬גדול‪ /‬שווה( מ‪.FA -‬‬ ‫‪ .3‬כוח העילוי הפועל על הקוביה שווה ל )סכום ‪ /‬הפרש( ‪ FA‬ו‪.FB -‬‬ ‫‪ .4‬כאשר הקוביה מרחפת על פני המים כוח העילוי )גדול‪ /‬קטן‪ /‬שווה(‬ ‫למשקל הקובייה‬ ‫כל הזכויות שמורות למורן הוצאה לאור אין להעתיק או לצלם מהספר‬ ‫‪100‬‬