חימום מים בסיר ובים המלח

מאת: יונתן שנהב
יום שלישי 27 מרץ 2007

מדוע חימום מים והרתחתם במקום עם לחץ גבוה (ים המלח לדוגמא) דורש פחות אנרגיה מאשר בלחץ נמוך, בניגוד לדעה הרווחת

ושאלה נוספת באותו נושא - למה כשמרתיחים מים יש מעט אדים מעל הסיר, אבל ברגע שמכבים את האש נהיים הרבה יותר אדים

תשובה לשאלה הראשונה: רוב החומרים שאנו משתמשים בהם ביומיום ( גזים באטמוספירה, מים וקררים במזגנים) מתנהגים בצורה זו. הדיאגרמות הבסיסיות של התרמודינמיקה ניתנות כעקומות בצורת פעמון. במקרה של גרף של לחץ כפונ‘ של אנטלפיה (אנרגיה פנימית) , גרף H-P , ניתן לראות בבירור שעל כל עליה בלחץ האנרגיה בין גז ונוזל קטנה, כלומר דרוש פחות חום להשקיע לאייד החומר. ניתן היה לצפות שהרתחת מים במקום בעל לחץ גבוה יותר ( ואשר בו טמפ‘ גבוהה יותר) תדרוש יותר אנרגיה מכיוון שהחומר דורש הרתחה בטמפרטורה גבוהה יותר. בנוסף חומר מעורר תרמית יקשה יותר על חימום נוסף (מעבר חום תלוי ביחס ישר בהפרש טמפרטורה בין הנותן והמקבל). ניתן לחשוב על כך במונחים של טעינת קבל. כאשר הפרש המתחים בין מקור ההטענה והקבל גבוה (בהתחלה) הטעינה מהירה, והיא הולכת ופוחתת עם הזמן, תוך הקטנת הפרש המתחים. אם נחזור לדוגמא של הרתיחה, כאשר המולקולות של המים בטמפ‘ גבוהה יותר ישנו ביזבוז גדול יותר של אנרגיה בזמן החימום בגלל סירובן של המולקולות לקבל עוד חום (קצב מעבר החום פוחת ולכן נידרשת השקעת חום לאורך זמן רב יותר). עבור המים מתרחשים שני תהליכים הפוכים זה לזה. הראשון הוא פעולת הדחיסה. הדחיסה מעלה את הלחץ ומנסה לקרב את מולקולות המים זו לזו, מה שיקשה על ההרתחה. על מנת להרתיח את החומר נאלץ להשקיע עבודה נוספת בהרחקת המולקולות (עבודה שווה למכפלת הלחץ המופעל בנפח שעליו מופעלת העבודה). אבל מים במצב רווי אינם דחיסים. לעומת זאת, הדחיסה העלתה את הטמפרטורה של המים, והקלה עליהם להתאייד. וכך ככל שעולה הלחץ כמות האנרגיה שנדרשת להשקיע (לאחר הדחיסה) יורדת. כמובן שהטריק נעוץ בכך שכבר השקענו כמות גדולה של אנרגיה בלהביא את החומר ללחץ גבוה

למה כשמרתיחים מים יש מעט אדים מעל הסיר, אבל ברגע שמכבים את האש נהיים הרבה יותר אדים

בזמן שהגז מופעל חום נכנס דרך הסיר אל המים ומאייד אותם. המולקולות האנרגתיות ביותר בשיכבה העליונה עוזבות את הנוזל והופכות לגז. מדוע מים מתאיידים לאורך התהליך למרות שהם לא הגיעו למאה מעלות? המים הנוזליים מרגישים לחץ של אטמוספירה אחת דוחף אותם מלמטה. הלחץ מעליהם הוא גם אטמ‘ אחת, אבל הלחץ החלקי של המים באוויר נמוך מאטמ‘ אחת ולכן הם מתאיידים. חום עוזב את המים ועולה למעלה כאוויר חם. חום זה נכנס בחלקו אל אדי המים שהתאיידו ומשחין אותם. השחנה פירושה העלאת הטמפרטורה של מים (או כל חומר אחר) לאחר שאלו עברו לפאזת גז. מכיוון שהם באוויר פתוח הם לא יכולים לעלות בלחץ. עד האיוד המוחלט מים בלחץ אטמ‘ לא יעברו 100 מעלות צלסיוס, אולם כגז הם יכולים להגיע לטמפ‘ גבוהה בהרבה, ולשמור על לחץ אטמ‘. כשזה קורה (כתוצאה מהחום שנספג במים) הם נהיים שחונים ומולקולות הגז מתרחקות אחת מהשניה, וזה נראה כאילו יש מעט אדים. אולם לאחר כיבוי האש לא נותר עוד מקור חום והמים שמתאיידים - מתעבים חזרה באוויר. יותר נכון לומר שהם חוזרים למצב רווי. במצב זה רואים את מולקולות המים בבירור. דוגמא לאדים לא שקופים ניתן לראות בבקרים קרים ולחים, כאשר לחות מרחפת על פני הקרקע בגובה מספר מטרים. אלו הם אדי מים על סף העיבוי.נקודה נוספת לגבי הרתחה של מים. הסיבה שמים בקומקום עושים הרבה רעש תוך כדי הרתחה אבל נהיים שקטים כשהם מגיעים לרתיחה היא שהבועות במהלך הרתיחה מתפוצצות מהלחץ הגדול שהן שרויות בו. הלחץ בתוך הבועה נמוך בגלל הטמפ‘ הנמוכה של המים. אבל כשכל המים רותחים (כשהגענו ל 100 מעלות) הלחץ בבועה מספיק חזק להחזיק את המסע למעלה עד לפני הנוזל והיא מתפוצצת בעדינות באוויר. ואם בבועות עסקינן נוסיף ונאמר כי בועות מתפוצצות באוויר ללא סיבה נראית לעין בגלל כח המשיכה. הנוזל בחלק העליון של הבועה רוצה לגלוש למטה. הקרום אז נהיה דק והבועה לא יכולה לתמוך בלחץ המופעל עליה מהסביבה.