חקר הגז האידיאלי והתקררות הגז בפרט
הבעיה שהניעה את החקר היתה כיצד, באמצעות עקרונות התרמודינמיקה, להוריד את הטמפרטורה בחלל רכב חונה בשמש כאשר מנוע הרכב כבוי. במהלך החקר, נמדדו בו זמנית הטמפרטורה בתוך הרכב וטמפרטורת הסביבה במהלך יממה ונחקר ההפרש בינהן שהגיע ל- 53 מעלות צלסיוס (במקסימום). המחקר חיפש דרך להוריד את הפרש הטמפרטורות והתמקד בחקר התנהגות אויר (גז אידאלי בקירוב) ובפרט כיצד לקרר אותו. נבנתה מערכת ניסוי מעבדתית מבוססת בוכנה (מזרק) וחיישן טמפרטורה מדוייק ובעל קיבול חום נמוך על מנת לזהות שינויים מזעריים בטמפרטורת הגז המתרחשים כאשר לחץ האויר שבבוכנה משתנה על ידי דחיסה/משיכת הבוכנה. בדחיסה – מגדילים לחץ ובמשיכה מקטינים את לחץ האויר.
מושגים ועקרונות פיזיקליים מרכזיים
חום, טמפרטורה, הסעה, הולכה, קרינה, לחץ, נפח, קיבול חום. מול.
מטרות העבודה
- ללמוד מהו המנגנון שמחמם את חלל הרכב ולמה הוא חם יותר מהסביבה?
- ללמוד מהם המנגנונים של הולכת חום (קרינה, הולכה, הסעה)
- מהי קרינת שמש? איך מודדים אותה?
- ללמוד על תהליך קירור ותהליך חימום של גז.
- לפתח מודל מתמטי שמתאר קצב התחממות והתקררות.
שאלות החקר
- מה הקשר בין כמות האנרגיה שמגיעה לרכב מקרינת השמש לטמפרטורה הנמדדת ברכב?
- באיזה קצב האוטו מתקרר כפונקציה של טמפרטורת הסביבה?
- מה הקשר בין טמפרטורה למכפלת הלחץ בנפח ?
מסקנות
בחקר ראינו שהרכב מתחמם מאנרגיה של קרינת השמש. כשהיו עננים או צל היתה התחממות מועטה. בגלל שחלל הרכב אטום (פחות או יותר), אין זרימה של אויר חם מפנים הרכב החוצה. החום מפנים הרכב עובר אל הדופן החיצונית של הרכב בהולכה. השכבה החיצונית של הרכב מחממת את שכבת האויר הקרובה לאוטו (הסביבה) בהסעה. תהליך זה איטי וקצב החימום כתוצאה מקרינת השמש גבוה מקצב מסירת החום מהרכב לסביבה ולכן חלה ההתחממות.
על פי חוקי התרמודינמיקה, ניתן לקרר אויר אם מזרימים אותו במהירות מלחץ גבוה ללחץ נמוך (כך עובד המזגן). במערכת הניסוי המעבדתית נוכחנו לראות שדחיסה (העלאת הלחץ) מעלה טמפרטורה ובו בזמן נמסר חום לסביבה ובכיוון ההפוך, משיכת הבוכנה (הורדת הלחץ) גורמת לאויר להתקרר אך גם בו זמנית לספוג חום מהסביבה. ככל שהפרש הטמפרטורה בין המזרק לסביבה היה גדול יותר כך קצב ההתחממות (או ההתקררות) היה גדול יותר. זה תואם את חוק הקירור של ניוטון.
על פי חוקי התרמודינמיקה, ניתן לקרר אויר אם מזרימים אותו במהירות מלחץ גבוה ללחץ נמוך (כך עובד המזגן). במערכת הניסוי המעבדתית נוכחנו לראות שדחיסה (העלאת הלחץ) מעלה טמפרטורה ובו בזמן נמסר חום לסביבה ובכיוון ההפוך, משיכת הבוכנה (הורדת הלחץ) גורמת לאויר להתקרר אך גם בו זמנית לספוג חום מהסביבה. ככל שהפרש הטמפרטורה בין המזרק לסביבה היה גדול יותר כך קצב ההתחממות (או ההתקררות) היה גדול יותר. זה תואם את חוק הקירור של ניוטון.
