חום (פיזיקה)

חום הוא מושג בפיזיקה המתאר את האנרגיה התרמית המועברת בין מערכות עקב הפרש טמפרטורה. מעבר חום יכול להיגרם כתוצאה ממגע ביניהם, כגון בתנור חימום; כתוצאה מערבוב, כגון במיזוג אוויר; או כתוצאה מקרינה, כגון בחימום בעזרת לייזר (הולכה, הסעה וקרינה). ענף הפיזיקה העוסק בחום קרוי "תרמודינמיקה". החום קשור באופן הדוק לעובדה שהעולם בנוי ממספר אדיר של חלקיקים מיקרוסקופיים. כאשר אנרגיה עוברת בין מערכות בעזרת אינטראקציות רבות מאוד של מספר גדול של חלקיקים, מדובר במעבר חום. בלשון הדיבור המילה "חם" מתייחסת לטמפרטורה של עצם, אולם מבחינה פיזיקלית חום הוא מושג שונה מטמפרטורה. טעות נפוצה נוספת קושרת את החום לאנרגיה הפנימית או לאנרגיה התרמית של גוף, אולם מדובר במושגים פיזיקליים שונים. חום אינו מתייחס לאנרגיה שמצויה בתוך גוף כלשהו אלא רק לאנרגיה העוברת מגוף אחד לאחר. על פי החוק הראשון של התרמודינמיקה, כאשר אנרגיה עוברת מגוף אחד לאחר, ישנם שני תרחישים אפשריים: ניתן לזהות את מעבר האנרגיה עם צורה של עבודה פיזיקלית כלשהי, למשל עבודה מכנית על ידי כוח שגוף אחד מפעיל על משנהו או עבודה חשמלית שעושה שדה חשמלי שפועל על הגוף. לא ניתן לזהות עבודה פיזיקלית כאמור לעיל. הסיבה היא שהאנרגיה עוברת על ידי אינטראקציה בין החלקיקים המיקרוסקופים מהם עשויים שני הגופים. במקרה זה מעבר האנרגיה נקרא "מעבר חום", והאנרגיה שעוברת נקראת "חום". כאשר אנו מביטים בגופים מַקְרוֹסקופיים, איננו לוקחים בחשבון את העובדה שהם בנויים ממספר עצום של חלקיקים מיקרוסקופיים (אטומים). אנו מבחינים בתכונות המקרוסקופיות שלהם, כגון נפח, מסה וכדומה. נובע מכך שיש הרבה דרגות חופש "נסתרות" – דרגות חופש מיקרוסקופיות. כאשר אנרגיה עוברת בין גופים כתוצאה מאינטראקציות ברמה המיקרוסקופית, מדובר בתהליך של מעבר חום. ברגע שאנרגיה נמצאת במערכת מסוימת (למשל גז חלקיקים במכל), אין הבדל אם היא הגיעה לשם כתוצאה ממעבר חום או מעבודה פיזיקלית כלשהי. לדוגמה, ניתן להביא גז לטמפרטורה מסוימת על ידי דחיסתו עם בוכנה (עבודה מכנית), או לחלופין על ידי חימומו בעזרת מבער (מעבר חום). המצב הסופי של הגז זהה בשני המקרים. לפיכך אין אפשרות לחשוב על תהליך החימום כעל "אחסון" של כמות חום מסוימת בגז. במובן זה חום שונה מאנרגיות אחרות שניתנות לזיהוי, כגון אנרגיה אלקטרומגנטית או אנרגיה קינטית. כלומר חום אינו פונקציה פיזיקאלית, ניתן לדבר רק על העברת חום ממערכת אחת לאחרת. חום וטמפרטורה אינם זהים: טמפרטורה היא מדד המדרג את הגופים על רצף הקובע את כיוון מעבר החום, בעוד שהחום הוא האנרגיה שעוברת מגוף בעל טמפרטורה גבוהה לגוף בעל טמפרטורה נמוכה. (לא מוגדר מושג של קור בפיזיקה – כאשר גוף אחד מחמם גוף אחר, קרי, מעביר אליו אנרגיה, אזי הוא עצמו מתקרר, קרי, מאבד אנרגיה). יכול להיות שאותה כמות של חום תביא חומרים שונים לטמפרטורה שונה. לכן מים, למשל, יצרכו יותר אנרגיה משמן כדי לעלות לאותה טמפרטורה. התוצאה היא ששמן יתחמם מהר יותר ממים, על אש בעוצמה זהה. ההבדל בין החומרים הוא בגודל הקרוי קיבול חום. החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע כי האנרגיה הפנימית ( U {\displaystyle U} ) של מערכת נשארת קבועה, אלא אם היא משתנה כתוצאה מעבודה ( W {\displaystyle W} ) או אנרגיית חום שנכנסת למערכת או יוצאת ממנה. Δ U = Q − W {\displaystyle \,\Delta U=Q-W} העבודה מסומנת במינוס מכיוון שאם המערכת היא זו שביצעה את העבודה, היא תאבד אנרגיה פנימית. לעומת זאת, אם נעשתה עבודה על המערכת, היא תרוויח אנרגיה פנימית. עבור המערכת שעושה את העבודה, העבודה עצמה חיובית, ועל כן נצרך להוסיף את המינוס. חום ( Q {\displaystyle Q} ) נמדד ביחידות מידה של אנרגיה (ג'אול, קלוריות, ארג וכדומה) ולא במעלות. מעלות צלזיוס, קלווין, ופרנהייט משמשות למדידת הטמפרטורה. בלשון הדיבור מתייחסים לחום בתור מושג נרדף לאנרגיה תרמית, שהיא למעשה האנרגיה הפנימית של מערכת תרמודינמית. פעמים רבות אומרים כי "אנרגיה מתבזבזת והופכת לחום" או כי "חיכוך יוצר חום". השימוש במילה "חום" במשפטים כגון אלה הוא שגוי חלקית. מדובר במעבר של אנרגיה מצורה ידועה (כגון אנרגיה מכנית) לתוך דרגות החופש המיקרוסקופיות. בהיעדר מושג טוב יותר (ייתכן ש"תרמליזציה" הוא המושג הנכון ביותר) אומרים כי "נוצר חום", או כי האנרגיה "הופכת לחום", אף על פי שהאנרגיה למעשה הפכה לסכום של אנרגיות מיקרוסקופיות רבות ממגוון סוגים (אנרגיה קינטית של החלקיקים, אנרגיה אלקטרומגנטית של האינטראקציות המיקרוסקופיות ביניהם וכדומה). על פי קבוע בולצמן המקשר בין אנרגיה של חלקיק מסוים לטמפרטורה הנמדדת של חומר המורכב מחלקיקים אלה. בעבור היסוד הנפוץ ביותר ביקום, מימן, נמצא שהטמפרטורה המקסימלית האפשרית של החום, במהירות האור, היא בסביבות 1013 מעלות. מימן הוא האטום הנפוץ ביקום, אבל גם הקל ביותר. ככל שחלקיק כבד יותר, כך האנרגיה הקינטית שלו גבוהה יותר, ולכן גם הטמפרטורה שלו במהירות נתונה גבוהה יותר. מסת החלקיק הכבד ביותר האפשרי באופן תאורטי נקראת מסת פלאנק, וחישוב בעבור חלקיק עם מסה כזו מניב טמפרטורה מרבית של 1032 מעלות – הגבול העליון לטמפרטורה ("טמפרטורת פלאנק"). חום (תסמין) מדיה וקבצים בנושא חום בוויקישיתוף חום, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) חום, דף שער בספרייה הלאומית ד"ר אבי סאייג, האם יש גבול לקור ולחום?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי