תרמודינמיקה

Question 1

מה חשבו בעבר בנוגע לחום?

Answer 1

בעבר חשבו שחום הוא חומר שעובר מגוף לגוף. לחומר הזה קראו קלוריק. כיום אנו יודעים שחום הוא סוג של אנרגיה.

Question 2

מהי אנרגיה?

Answer 2

היכולת לבצע עבודה

Question 3

טמפרטורה

Answer 3

הטמפרטורה של עצם היא ממוצע האנרגיה הקינטית שלו.

היא מדד לרמת התנועה של מולקולות בחומר. טמפ’ גבוהה - הרבה תנועה של המולקולות

טמפ’ נמוכה - מעט תנועה של המולקולות.

Question 4

חוק שימור אנרגיה

Answer 4

בתוך מערכת סגורה כמות האנרגיה תישאר אותה כמות היא יכולה לעבור בין סוג אחד ולסוג אחר של אנרגיה. לדוג’ מאנרגיית תנועה לאנרגיית חום.

Question 5

מוליכות חום

Answer 5

היא תכונה של חומר להעביר חום, כאשר מעבר החום הוא מעבר האנרגיה התרמית בחומר, מאנרגיה גבוהה לאנרגיה נמוכה.

בחדר עם טמפרטורה קבועה לכל החפצים תהיה אותה הטמפרטורה, אז למה יש חפצים שמרגישים לנו יותר או -פחות חמים? לדוג’ מתכת תרגיש קרה יותר מעץ.

התשובה היא מוליכות חום - כאשר הגוף שלנו נוגע במתכת והוא יותר חם ממנה, תעבור אנרגיה ממנו אל המתכת ואנחנו בעצם “נאבד” חום ולכן האיזור ירגיש קר יותר, וכך גם בעץ אך מה שקובע את התחושה של חיישני החום בגוף הוא הקצב שהאנרגיה תעבור.

כלומר, כאשר חומרים נמצאים באותה טמפ’ ככל שמוליכות החום של חומר גבוהה יותר כך נרגיש במגע של הגוף שלנו שהחומר קר יותר, לדוג’ במתכת, שמוליכות החום שלה גבוהה יותר מעץ, המעבר של אנרגית חום הוא מאוד מהיר ובעץ הרבה יותר נמוך ולכן כאשר אנחנו נוגעים במתכת היא תרגיש לנו יותר קרה מהעץ.

Question 6

הולכה

Answer 6

העברת חום בחומר בלי שתהיה תזוזה של החומר. גופים במגע אחד עם השני מעבירים חום בהולכה בשל העברת אנרגיה קינטית ממולקולה למולקולה. המעבר אנרגיה הוא רק בין המולקולות

Question 7

הסעה

Answer 7

• מעבר חום בהסעה הוא מנגנון העברת חום ממקום אחד לשני על ידי תנועה של זורמים. הסעה היא בדרך כלל הצורה הדומיננטית של מעבר חום בנוזלים וגזים.
• העברת חום בנוזל או בגז עקב זורמים המעבירים חום ממקום למקום. לדוג’ חום הגוף עובר בהסעה ע״י נוזל הדם. לדוגמה, אנשים שיש להם היפותרמיה, במצב כזה אנחנו יכולים לשים אינפוזיות חמות, ואז נוזל חם מחממם את הגוף ע״י כך שהוא נוסע בתוך הגוף.

Question 8

התמרה

Answer 8

העברת אנרגיה מסוג אחד לאנרגיה מסוג אחר. לדוג’ מאנרגיה מכאנית לאנרגיה של חום בחיכוך. כאשר אנחנו לוקחים אנרגיה מכאנית – משפשים את הידיים – יצרנו חום בכפות הידיים שלנו – כלומר, הפכנו את החיכוך – אנרגיית התנועה לאנרגיית חום. דוגמה נוספת, אולטרסאונד – זהו גל של הלם שגורם לחיכוך בין המולקולות, בין התאים והחיכוך הזה יוצא חום.

Question 9

קרינה

Answer 9

• תנועה של חלקיקים חשמליים בתגובה לאנרגיה אלקטרומגנטית. המטענים החשמליים בגוף מסוים נעים בהתאם לכוח השדה החשמלי- והתנועה הזו גורמת לחימום.קרינה אלקטרומגנטית היא קרינה שגורמת לחלקיקים לזוז בהתאם לשדה החשמלי- ואם היא תהיה במהירות מספיק גבוהה (26 מיליון פעמים בשניה) יווצרו גלים קטנים.

Question 10

צלזיוס

Answer 10

על שם מדען אנדרס צלזיוס.

צלסיוס קבע שנקודת הקיפאון של מים היא 0 מעלות צלזיוס.

צלסיוס קבע שנקודת הרתיחה של מים היא 100 מעלות צלזיוס.

Question 11

קלווין

Answer 11

״האפס המוחלט״ - הטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית - 0 מעלות קלווין . ההנחה היא מדעית בלבד - הטמפרטורה הנמוכה ביותר שהצליחו הוא 272.9- מעלות צלזיוס.

כל מעלת צלזיוס שווה למעלה קלווין.

Question 12

פרנהייט

Answer 12

• אפס מעלות פרנהייט – טמפרטורת ההתכה אליה מגיע קרח כתוש ביחד עם מלח = 17.8- מעלות צלזיוס
• כאשר לוקחים קרח ושמים איתו מלח, אנחנו גורמים לקרח להיות מומס בטמפרטורה נמוכה יותר. זוהי סיבה שמפזרים מלח על הכביש בחורף - כדי שהקרח יימס בטמפ’ מהר יותר.
• פרנהייט סקלה שונה מסקלת צלזיוס וקלווין – מעלה אחת של פרנהייט לא שווה למעלה אחת של צלזיוס או קלווין.
  מעלה אחת של פרנהייט שווה ל

Question 13

תנועה קינטית ומצבי צבירה

Answer 13

האנרגיה הקינטית של מולקולות בחומר יקבעו את מצב הצבירה של החומר.

לחץ אוויר יכול לגרום לשינוי מצב צבירה של חומר ולשינוי טמפרטורה.

שינוי הטמפ’ עם הוספת אנרגיה לחומר - כאשר המוצק מתחמם, הטמפרטורה עולה, אבל באיזשהו שלב אנחנו רואים שהאנרגיה החומנית (אנרגיית החום) מעלה את האנרגיה הקינטית של המולקולות, אנחנו רואים שהתנועה של החלקיקים גוברת. כמו כן אנחנו רואים שככל שהאנרגיה הקינטית של המולקולות עולה המולקולות נוטות להתפשט ולהתרחק אחת מהשנייה.

הוספת אנרגיה חומנית לחומר לא בהכרח תביא לעלייה בטמפ’ שלו או לעלייה באנרגיה הקינטית של החלקיקים של החומר. לדוגמא, אם חיממנו נוזל (הוספנו לו אנרגיה חומנית), בהתחלה הטמפ’ שלו תעלה, בשלב מסוים הטמפ’ שלו תפסיק לעלות והקשרים בין החלקיקים שלו יתנתקו, ורק לאחר ניתוק הקשרים, הטמפ’ שלו תמשיך לעלות עד שהחלקיקים שלו יקבלו אנרגיה קינטית והנוזל יהפוך לגז.

Question 14

מנגנון הזיעה

Answer 14

הזעה זה מנגנון קירור של הגוף. הגוף לוקח את הנוזל שיצא ממנו ונמצא על העור, משקיע אנרגיה חומנית כדי להפוך את הנוזל לגז (החלקיקים מקבלים אנרגיה קינטית, הקשרים בין החלקיקים מתנתקים, ואז הם מתרחקים אחד מהשני מה שגורם להפיכת הנוזל לגז). “ניצול” האנרגיה החומנית מהגוף גורמת לקירור הגוף. הגז הזה שנוצר מהזיעה הוא הלחות. כאשר אנו מזיעים במקום עם לחות גבוהה, הגוף שלנו לא יצליח לאדות את הזיעה על הגוף, ולא די בכך, אנו גם נקלוט מולקולות של גז מהאוויר והם יהפכו על הגוף שלנו לנוזל= זיעה.

Question 15

חום כמוס

Answer 15

מתאר את כמות האנרגיה בצורה של חום הדרושה לחומר מסוים כדי לעבור מעבר פאזה. בדרך כלל מתארים שני סוגי חום כמוס: זה הנחוץ לשם התכה וזה הדרוש לשם אידוי.

Question 16

חום היתוך וחום אידוי

Answer 16

חום היתוך - חום כמוס הדרוש למעבר של חומר ספציפי ממוצק לנוזל.

חום אידוי - חום כמוס הדרוש למעבר של חומר ספציפי מנוזל לגז.

Question 17

מעבר מלחץ לתת לחץ

Answer 17

• גורם לקירור החומר היוצא

Question 18

מנגנון ספריי קירור

Answer 18

ישנם טיפולים שונים בהם יש חשיבות לחום כמוס של חומר בשילוב המעבר מלחץ לתת לחץ – לדוג’ ספריי קירור לשימוש בחום כמוס בטיפול יציאה מלחץ לתת לחץ- גורמת לקירור החומר היוצא, כשהוא יוצא מהבקבוק הוא עדיין נוזל- אבל הוא יוצא בטמפ’ מאד נמוכה. האנרגיה החומנית בגוף שלנו מספיקה כדי לאדות אותו ולהפוך אותו מנוזל לגז - יש לו חום כמוס יחסית נמוך.

Question 19

מנגנון ג’ל סיליקה

Answer 19

חומר המשמש כמילוי לכריות קירור וחימום. הגרגירים הם בעלי שטח פנים גדול המסוגלים לספוח מים. החומר הזה הוא בעל חום היתוך מאד גבוה (צריך להשתמש בהרבה מאד אנרגיה כדי להפוך אותם לנוזל). תכונה זו היא תכונה חשובה לטיפול משום שאנו לא רוצים שהגרגירים ישנו את מצב הצבירה שלהם ויצאו מהכרית- במצב כזה הכרית לא תהיה נעימה למטופל, לא תיצמד ותכסה כמו שצריך את האזור הפגוע ואיבדנו את מטרת השימוש בה.

Question 20

חום סגולי וקיבול חום סגולי

Answer 20

קיבול חום הוא תכונה פיזיקלית אשר מוגדרת ככמות החום הנדרשת על מנת להעלות את הטמפרטורה של גוף נתון במידה ידועה, ומסומן בדרך כלל באות
C

והיחידות שלו הן גאול לקלויין

קיבול חום סגולי של גוף הוא כמות החום הדרושה כדי להעלות את הגוף במעלת צלזיוס אחת. קיבול החום הוא תכונה אקסטנסיבית והוא גדל עם מסת הגוף. כך לדוגמה, לדלי מים יש קיבול חום גדול יותר מאשר לכוס מים

על ידי חלוקת קיבול החום במסת הגוף מקבלים את קיבול החום הסגולי, המתאר את כמות החום שיש להשקיע ביחידת מסה של אותו חומר על מנת להעלות את הטמפרטורה שלה במעלה אחת. היחידות של קיבול חום סגולי הן ג’אול לקילוגרם לקלווין (או למעלות צלזיוס).

לדוגמה:
קיבול החום הסגולי של מים הוא כ־4,186 ג’אול לקילוגרם למעלת צלזיוס (או בדיוק קלוריה לגרם לפי הגדרתה).

Question 21

ג’אול

Answer 21

ג’ול אחד שווה ערך לאנרגיה הנדרשת להפעלת כוח של ניוטון למרחק של מטר כך שניתן לכנותה גם ניוטון מטר. ניתן להמחיש את היחידה כעבודה הנדרשת להרים מסה של 102 גרם לגובה של מטר בהשפעת כוח המשיכה של כדור הארץ.

Question 22

יחידת חום נמדדת ב

Answer 22

קלוריה

כמות האנרגיה שיש להשקיע בגרם 1 של מים על מנת להעלות את הטמפ’ שלהם ב1 מעלה צלזיוס.

Question 23

מעבר בין ג’אול לקלוריה

Answer 23

1 קלוריה = 4.18 ג׳אול = 418 גרם מסה ממטר בכדוה”א

Question 24

אנרגית חימום מול קירור

Answer 24

• האנרגיה שדרושה כדי לעלות טמפ’ של חומר ספציפי במעלה אחת היא אותה אנרגיה שדרושה לחומר כדי לקרר את עצמו במעלה אחת.

Question 25

איכות הקירור והחימום

Answer 25

* כלומר המידה בה ישמור החומר על טמפ' מסויימת תלויה בכמה האנרגיה דרושה כדי לחמם או לקרר אותו במעלת צלסיוס אחת. לדוג' מים הם חומר שדרושה יחסית הרבה אנרגיה כדי לחמם אותם, אך גם הם צריכים "להשקיע" הרבה אנרגיה כדי להתקרר. לכן, מים ישמרו על קור וחום לאורך זמן רב יותר מאשר חומר שדרושה פחות אנרגיה כדי לחמם או לקרר אותו.

Question 26

הניסוי של ג'אול

Answer 26

ג'אול רצה לחקור מהי כמות האנרגיה שיש להשקיע כדי להעלות את טמפ' של חומר. הוא השתמש במיכל עם נוזל, בתוך המיכל יש פרופלור שמסתובב בתוך הנוזל. הוא קשור למערכת של צירים וגלגלות. יש גלגלת עם משקולת בכל אחד מהצדדים של המיכל. כאשר הוא הפיל את המשקולות ונתן להם לרדת, הן מסובבות את הציר של הפרופלור שמסתובב בתוך הנוזל. המערכת הינה מערכת סגורה. במשקולות יש אנרגיה פוטנציאלית. הוא ידע את כל הנתונים של המערכת הסגורה שאמורים לעזור לו לערוך את הניסוי. ברגע שיפיל את המשקולות, הפרופלור מתחיל לעבוד ולחמם את הנוזל. ברגע שעולה הטמפרטורה במעלה אחת הוא ידע כמה אנרגיה השקיע בג׳אול כדי לעלות את הטמפרטורה בנוזל הזה במעלה אחת. כך קבע את נוסחת המעבר מאנרגיה מכנית לאנרגית חום- 1 קלוריה = 4.18 ג׳אול.

Question 27

משוואת חום

Answer 27

מקשרת בין השינוי בקלוריות לבין המסה, החום הסגולי והשינוי בטמפ' של חומר מסוים

Question 28

משוואת שיווי המשקל

Answer 28

כאשר גוף אחד נכנס לגוף אחר אנו רוצים למצוא את הטמפרטורה הסופית המשותפת שלהם. לדוגמה, אם אנחנו מכניסים יד לתוך אמבטיה חמה. הטמפרטורה ההתחלתית של האמבטיה גבוה מהטמפרטורה ההתחלתית של היד. לכן הטמפרטורה המשוקללת את האמבטיה תהיה ta ושל היד תהיה tb. אנו נעשה השוואה בין שני הגופים לפי המשוואה הנ״ל במטרה למצוא את - * **t end**- תהיה הטמפרטורה המשותפת של שני הגופים כאשר הם יהיו יחד. שיווי משקל תרמו דינאמי בין גופים - משוואת החום עוזרת לנו לדעת מהי טמפ' שיווי המשקל בין שני גופים. כאשר שני גופים מוצמדים זה לזה - תעבור אנרגיה מהגוף החם לגוף הקר - עד שהם יגיעו לאותה טמפרטורה - וזוהי טמפ' שיווי המשקל בין שניהם (כלומר, אם אנו משתמשים במשוואת החום, הטמפ' הסופית של הגופים תהיה זהה). כאשר אנו רוצים לטפל במטופל באמצעות חום, נרצה להביא את האיבר הפגוע שלו לטמפ' כלשהי – מעל 41 מעלות - חימום תרפויטי.

Question 28

מוליכות חום = מוליכות תרמית – **Thermal Conductivity**

Answer 28

מוליכות חום היא קצב ההולכה או הקבלה של חום בכל חומר. המוליכות החומנית גבוהה יותר ככל שיש לחומר יותר אלקטרונים חופשיים. יחידות של מוליכות החום של החומר – קלוריות / סמ״ר שניה למעלה. ואט לחלק במטר כפול קלוין קצב הולכת החום קשור בקשר ישר להפרש הטמפ' בין הגוף החם לגוף הקר, וקשור בקשר ישר לחום הסגולי של החומר. במילים אחרות ככל שהחום הסגולי של חומר הוא יותר נמוך, זה אומר שלוקח לו פחות זמן לשנות את המעלות שלו, כלומר הוא מעביר או מקבל חום בקצב מאד מהיר ולהפך. מוליכי חום טובים- חומרים בהם יש הרבה אלקטרונים החופשיים שמעבירים את האנרגיה במהירות. במבודדים התנועה עוברת באופן איטי, לדוג' אוויר הוא מוליך חום גרוע, נראה זאת כאשר חוט חשמל יהיה קרוע לא נראה את זרמי החשמל עוברים באוויר

Question 29

פרפין

Answer 29

חימום תרפוטי בשעווה מומסת. הפרפין מחומם לבערך 56-58 מעלות. אחרי שטובלים את היד מספר פעמים בפרפין נוצרת לנו שכבה של הפרפין סביב היד, עוטפים את היד ונשארים עם החימום במשך כחצי שעה.

Question 30

אמבטיית מערבולת

Answer 30

מניחים את היד בתוך אמבטיה עם מים חמים בטמפרטורה של 44 מעלות

Question 31

במה עדיף להשתמש על מנת לחמם איבר של מטופל? אמבטיית מערבולות או פרפין?

Answer 31

* כאמור , אם אנחנו נוגעים בשני חפצים ושניהם באותה טמפרטורה, ההבדל בטמפרטורה שהיד שלנו מרגישה נובעת מהמוליכות שלהם (עץ מול ברזל). הפרפין מוליך את החום לאט, לכן ניתן להניח את היד בטמפרטורה גבוה של פרפין – הוא מוליך חום גרוע. * מים אמנם יוליכו את החום יותר מהר, כלומר, המטופל ירגיש את החום יותר מהר, אך הם יגיעו לטמפ' פחות גבוהה, לעומת הפרפין, שיוליך את החום יותר לאט, אך יביא לכך שהטמפ' של האיבר הפגוע תגיע לטמפ' יותר גבוהה- שזה מה שאנחנו רוצים בחימום תרפויטי.

Question 32

התפשטות תרמית

Answer 32

שינוי נפח כתוצאה מהתקררות או התחממות. כשטמפרטורת החומר עולה החומר מתפשט ולהיפך. שינוי טמפרטורה=שינוי נפח גמא- ההתפשטות הנפחית ליחידת חומר סגולי

Question 33

הקשר בין התפשטות תרמית לפיזיותרפיה

Answer 33

נניח אנחנו מדברים על מטופל שעבר ניתוח להחלפת ברך. שמו לו מפרק ברך עם חומרים שונים מהחומרים הטבעיים שלו בגוף, ולכן התגובה שלו לקור או לחום שונה מהתגובה של מפרק ברך אצל אדם שלא עבר השתלת ברך. כשנחמם לו את הברך, הברך שלו תשנה את הנפח שלה בצורה שונה מאשר הצורה בה ברך "ביולוגית" תשנה את הנפח שלה. שינוי לא שגרתי בנפח של הברך יכול לגרום לקריעה של מבנים אנטומיים בסביבת המפרק, וכן להתרופפות השתל. אם שתל התנפח- צריך לעשות ניתוח חדש ולהחליף את המפרק. התנפחות השתל יכולה לגרום לשבירה של העצם מעליו. בבחירת השתל יש למצוא חומר שהגמא שלו תהיה כמה שיותר דומה לגמא של מפרק ביולוגי (כדי שהתגובות שלו לחום ולקור יהיו דומות לתגובות של מפרק ביולוגי).

Question 34

יוצא דופן בהתפשטות התרמית

Answer 34

כאמור בדר"כ כשטמפ' של חומר עולה – החומר מתפשט - הנפח שלו גדל והצפיפות שלו יורדת. במים קורה משהו אחר לכן נקרא אנומליה. תחילה כאשר מקררים מים מתחת 4 מעלות צלזיוס הנפח יורד והצפיפות עולה עד שהם הופכים לקרח. מתחת ל 4 מעלות צלזיוס היא נקודת המפנה שממנה ומטה המים מתפשטים ולא מתכווצים כמו כל החומרים. המבנה המולקולרי של הקרח גורם לכך שאם נמשיך לקרר אותו, הנפח שלו דווקא יעלה. לכן קרח צף על פני המים, צפיפותו נמוכה מהמים.