מאמרים בפיזיקה על תופעות טבע וכו' הקשורות לפיזיקה.
הבנת מערכות וסביבה
מערכת היא אובייקט או קבוצת אובייקטים הנחקרים. אובייקטים אחרים ביקום נקראים הסביבה. בדרך כלל, מערכת מופרדת מסביבתה על ידי "מחיצה/מגביל/מפריד".
לדוגמה, נניח שאנחנו רוצים לחקור מים בתרמוס. המים בתוך התרמוס מהווים את המערכת, בעוד שהאוויר וחפצים אחרים מחוץ לתרמוס מהווים את הסביבה. דפנות התרמוס, הן הזכוכית שבפנים והן הפלסטיק מבחוץ, משמשות כמחיצה. תרמוס מים הוא דוגמה אחת.
הבנת חום סמוי
אם תכניסו מדחום כספית לתוך מיכל המכיל תערובת של מים קרים וקרח, תשימו לב שלאחר הירידה, פני הכספית נותרים דוממים או לא זזים עוד. פני הכספית מפסיקים לנוע לאחר שהם מגיעים לנקודת ההיתוך של המים או לנקודת הקיפאון של המים (0 מעלות צלזיוס). אם המיכל פתוח, חום זורם מהאוויר בטמפרטורה גבוהה יותר לתערובת הקרח והמים בטמפרטורה נמוכה יותר. החום הנוסף מהאוויר גורם להמסת הקרח. האם כאשר הקרח נמס, הטמפרטורה של תערובת הקרח והמים משתנה? כאשר הקרח נמס, הטמפרטורה של תערובת המים והקרח לא משתנה.
חום סגולי (c) הוא כמות החום (Q) הדרושה כדי להעלות את הטמפרטורה (T) של יחידת מסה אחת (m) של עצם במעלה אחת. הנוסחה עבור c היא:
מערכת היחידות הבינלאומית הוא J/Kg K.
החום הסגולי של גוף משתנה עם הטמפרטורה. אם שינוי הטמפרטורה אינו גדול מדי, ניתן להתייחס לערך כקבוע. להלן ערכי c עבור מספר גופים בלחץ של 1 אטמוספרה ובטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס (שהושגו בניסוי).
אם עצמים בעלי טמפרטורות שונות באים במגע זה עם זה, חום עובר באופן טבעי מהעצם בעל הטמפרטורה הגבוהה יותר לעצם בעל הטמפרטורה הנמוכה יותר. העברת החום נעצרת ברגע ששני העצמים מגיעים לשיווי משקל תרמי . ניתן לומר שהעברת חום גורמת לשינוי בטמפרטורת העצמים הנמצאים במגע. בהתבסס על הסבר קצר זה, מסיקים שחום (Q) קשור לעצם ולשינוי בטמפרטורה (דלתא T) של אותו עצם. לכל עצם יש מסה (m) וגם סוג העצם שונה.
יחידת המדידה של חום היא קלוריה (בקיצור קלוריות). קלוריה היא כמות החום הנדרשת כדי להעלות את הטמפרטורה של גרם אחד של מים ב-1 מעלות צלזיוס ( בדיוק מ-14,5 מעלות צלזיוס ל-15,5 מעלות צלזיוס). כמות החום הנדרשת משתנה בהתאם לטמפרטורות מים שונות . עבור אותה כמות חום, עלייה של 1 מעלות צלזיוס בטמפרטורת המים מתרחשת רק בין 14,5 מעלות צלזיוס ל-15,5 מעלות צלזיוס. יחידת המדידה של חום המשמשת לעתים קרובות, במיוחד לביטוי הערך האנרגטי של מזון, היא קילוקלוריה (קק"ל). קק"ל אחד = 1000 קלוריות. שם נוסף לקק"ל אחד = קלוריה אחת (קילו-טון גדול). יחידת המדידה של חום במערכת הבריטית היא Btu (יחידה תרמית בריטית). Btu אחד = כמות החום הנדרשת כדי להעלות את הטמפרטורה של חצי קילוגרם מים ב-1 מעלות צלזיוס ( בדיוק מ-63 מעלות פרנהייט ל-64 מעלות פרנהייט).
הבנת אנומליות מים
כל גוף מתרחב (נפח עולה) כאשר טמפרטורת הגוף עולה ומתכווץ (נפח יורד) כאשר טמפרטורת הגוף יורדת. מים גם מתרחבים כאשר הטמפרטורה עולה ומתכווצים כאשר הטמפרטורה יורדת, אך לא בטמפרטורות של 0 מעלות צלזיוס - 4 מעלות צלזיוס. בין טמפרטורות של 0 מעלות צלזיוס ל-4 מעלות צלזיוס, נפח המים יורד (מים מתכווצים) ככל שהטמפרטורה עולה. אם נחמם מים בטמפרטורה של 0 מעלות צלזיוס, ככל שהמים חמים יותר, כך נפח המים יורד. תהליך ההתכווצות נעצר כאשר המים מגיעים לטמפרטורה של 4 מעלות צלזיוס. מעל 4 מעלות צלזיוס, נפח המים עולה (מים מתרחבים) ככל שהטמפרטורה עולה. לעומת זאת, מים מתרחבים (נפח המים עולה) כאשר הטמפרטורה יורדת מ-4 מעלות צלזיוס ל-0 מעלות צלזיוס. מוזרות זו של מים ידועה כאנומליה של מים.
אם תבחנו מקרוב בכבלים חשמליים, תשימו לב שהם מעוקלים כלפי מטה עקב רפיון. מדוע כבלי חשמל משוחררים במכוון, ולא פשוט נמתחים? רוב הגגות בפלורס ולמבטה, מזרח נוסה טנגרה, עשויים אבץ (Zn). במהלך היום או בלילה, גגות אבץ משמיעים רעש. מדוע אבץ משמיע רעש? אם אתם גרים באי ג'אווה, ייתכן שראיתם פסי רכבת. ישנם פערים בחיבורי המסילה. מה תפקידם של פערים אלה בחיבורי המסילה? ישנם דברים רבים שתוכלו לחשוב עליהם ולשאול בנוגע לנושא ההתפשטות.
אם נכייל סוגים שונים של מדחומים, לדוגמה מדחום כספית ומדחום אלכוהול, קנה המידה של שני המדחומים זהה רק ב-0 מעלות צלזיוס (או 32 מעלות פרנהייט) וב-100 מעלות צלזיוס (או 212 מעלות פרנהייט). אם נשתמש בשני המדחומים למדידת טמפרטורת האוויר, המספרים המוצגים על ידי כל מדחום לא בהכרח יהיו זהים. ייתכן שמדחום הכספית יראה 48 מעלות צלזיוס, בעוד שמדחום האלכוהול יראה 46 מעלות צלזיוס. הסיבה לכך היא שקצב ההתפשטות של כספית ואלכוהול שונה. כך גם לגבי סוגים אחרים של מדחומים, כגון מדחומים דו-מתכתיים וכו'. סולם הטמפרטורה הנקבע בדרך זו תלוי מאוד בתכונות החומרים המשמשים.
סולמות צלזיוס ופרנהייט הם סולמות טמפרטורה שונים. אם טמפרטורת הגוף נמדדת ומבוטאת בצלזיוס ולאחר מכן אנו רוצים לבטא את טמפרטורת הגוף בפרנהייט, אנו ממירים מצלזיוס לפרנהייט. בחלק זה, נלמד כיצד להמיר או לבצע מדידות טמפרטורה.
בלחץ של 1 אטמוספרה, טמפרטורת נקודת הקרח עבור מדחום צלזיוס = 0 oמעלות צלזיוס, בעוד שסולם מדחום פרנהייט = 32 oו. לעומת זאת, בלחץ של 1 אטמוספרה, טמפרטורת נקודת האדים עבור מדחום בסולם צלזיוס = 100 oמעלות צלזיוס, בעוד שסולם מדחום פרנהייט = 212 oו. שימו לב לתמונה למטה!
סוגי קנה מידה למדחום
כדי שניתן יהיה להשתמש במדחום למדידת טמפרטורה, יש להגדיר אותו בסולם. שני סולמות נפוצים של מדחומים הם סולם צלזיוס וסולם פרנהייט. סולם הטמפרטורה הנפוץ ביותר באינדונזיה הוא סולם צלזיוס. שם נוסף לסולם צלזיוס הוא סולם צלזיוס. צלזיוס = מאה צעדים. סולם פרנהייט משמש לעתים קרובות בארצות הברית או במדינות עם חורפים קרים. סולם טמפרטורה חשוב במיוחד במדע הוא הסולם המוחלט, או סולם קלווין. סולם קלווין יידון בהמשך.
סולמות צלזיוס ופרנהייט משתמשים בנקודות הקיפאון והרתיחה של מים כנקודות קבועות. נקודת הקיפאון של חומר היא הטמפרטורה שבה הפאזות המוצקות והנוזליות נמצאות בשיווי משקל תרמי . לעומת זאת, נקודת הרתיחה של חומר היא הטמפרטורה שבה הפאזות הנוזליות והגזיות נמצאות בשיווי משקל תרמי. נקודות הקיפאון והרתיחה תמיד משתנות עם לחץ האוויר, לכן יש לקבוע תחילה את לחץ האוויר. בדרך כלל אנו משתמשים בלחץ סטנדרטי, שהוא אטמוספרה אחת (אטמוספרה אחת). אטמוספרה היא יחידת מדידה של לחץ אוויר.