25 אפריל 2025 
7 דקות סרטונים ברשתות החברתיות הראו לנו “טריק” להפשרה מהירה של בשר קפוא: פשוט שימו אותו בין שני סירים! בעקבות זאת, החלטנו לבדוק שיטות שונות להפשיר קוביית קרח, כדי להבין מה משפיע על מהירות ההפשרה. תוך כדי כך נלמד על תכונת הולכת החום של חומרים שונים.
אם נשאיר כוס קפה חמה על גבי שולחן בחדר – כעבור זמן מה היא תתקרר ותגיע לטמפרטורת החדר. אם נשאיר באותו חדר קערה עם גלידה קרה, כעבור זמן מה היא תתחמם, תפשיר ונוזל הגלידה יגיע לטמפרטורת החדר כמו כוס הקפה – כך שהכול יגיע לשיוויון טמפרטורות. תופעה זו שנראית לנו “ברורה מאליה” עומדת בבסיס חוקי היסוד של ענף בפיזיקה הקרוי תרמודינמיקה, ועוסק במעברי אנרגיה, חום ועבודה במערכות פיזיקאליות.
בין היתר, חוקי התרמודינמיקה קובעים כי אנרגיית חום תמיד תעבור מגוף חם אל גוף קר. מצב זה מתרחש עד מצב של שיווי משקל תרמי – שזה במילים פשוטות יותר, עד ששני הגופים מגיעים לאותה הטמפרטורה (זכרו כלל פשוט זה להמשך ההסבר). ולכן אם אנחנו רוצים להפשיר קובייה של קרח, או בשר קפוא, יש להעביר אליהם חום מגוף חם יותר. קצב העברת החום יקבע את מהירות ההפשרה.
אם נעשה “זום” לחומרים עד רמת החלקיקים הקטנים שבונים אותם, נראה שאנרגיית החום והטמפרטורה באים לידי ביטוי בתנועה של החלקיקים הבונים את החומר: ככל שהטמפרטורה עולה תנועת החלקיקים הבונים את החומר גדלה, כך שיש להם יותר אנרגיית תנועה (אנרגיה קינטית). חשוב לדעת שאפילו בחומרים מוצקים יש תנועה של החלקיקים, כמו רטט זעיר במקום. אנרגיית חום יכולה לעבור מגוף לגוף באמצעות שלוש שיטות: הולכת חום – שבה עוסק הניסוי שלנו ועליה נרחיב, הסעה והקרנה, שעליהן נדבר בקצרה בסוף הכתבה.
הולכת חום היא אחת מהתכונות של חומרים, ואפשר להגדיר אותה כמעבר של אנרגיה בתוך החומר עקב תנועה אקראית של החלקיקים המרכיבים אותו. במילים פשוטות יותר, הולכת חום אחראית לכך שאם נחמם חומר מסויים בקצה אחד, אז גם הקצה השני שלו יתחמם. ככל שחומר מוליך חום טוב יותר, אז קצב מעבר החום בין חלקי החומר יהיה מהיר יותר. יש חומרים שמוליכים חום בצורה טובה – כל המתכות – ויש חומרים שלא מוליכים טוב חום כמו פלסטיק, זכוכית או אוויר. זאת הסיבה מדוע ניתן לגעת בידית פלסטיק של מחבת לוהטת, בלי להיכוות: הפלסטיק פשוט לא מוליך את החום אל היד. מבחינה מספרית המתכת אלומיניום, למשל, מוליכה חום פי 200 יותר טוב (!) מזכוכית, ופי 9,000 יותר טוב מאוויר, שהוא מוליך חום גרוע מאוד, ולמעשה אפשר להתייחס אליו במילת התואר ההופכית – חומר מבודד. זו הסיבה ששמיכות ובגדים “מחממים” כולאים בתוכם אוויר. הם לא מחממים באמת, אלא מבודדים: פשוט מונעים הולכה של חום מהגוף אל עבר הסביבה הקרה. זו גם הסיבה שהפשרה של קרח או בשר בעזרת השארה באוויר הפתוח היא הכי איטית ולא מומלצת.
הניסוי שעשינו הוא למעשה ניסוי בהולכת חום, כאשר מהירות ההפשרה של קוביית הקרח היה מדד עבורינו להולכת החום של החומרים השונים. ככל שקוביית הקרח נוגעת במוליך חום טוב יותר כך היא תופשר מהר יותר, ולהפך. אפשר להרחיב את הניסוי ולבדוק חומרים נוספים ואפילו סוגי מתכות שונות, כמו אלומיניום, ברזל, נחושת ועוד, לראות מה קצב ההפשרה של קוביית קרח על חומרים אלו, ומכך להסיק את מוליכות החום שלהם.
פרמטרים נוספים
מהניסוי הפשוט נראה כי הולכת החום היא משתנה מרכזי המשפיע על ההפשרה, אבל הוא אינו היחיד. במהירות ההפשרה של קרח מעורבים משתנים רבים נוספים, נסקור בקצרה את החשובים שבהם:
שטח המגע – מעבר האנרגיה בין שני חומרים מתרחש בשטח המגע שלהם. ככל שהחלק שנוגע בחומר השני גדול יותר כך קצב מעבר האנרגיה גדול יותר, ולכן ככל ששטח המגע של קוביית הקרח עם הגוף החם גדול יותר, גם כך גדלה מהירות ההפשרה. סירי מתכת משני צידי קוביית הקרח, אם כך, יפשירו אותה מהר יותר מאשר מגע בצד אחד בלבד.
לחץ – ללחץ תפקיד כפול. קודם כל, הוא מאפשר מגע הדוק יותר בין הקרח לסירים: אחרי שהקרח מפשיר הוא הופך למים נוזלים, שלא מוליכים חום טוב, אבל אם לוחצים על קוביית הקרח, המים הנוזלים נדחקים כל הזמן ביעילות החוצה מהמרווח בינה לבין סיר המתכת, כך שכל הזמן יש מגע בין הקרח אותו רוצים להפשיר והמתכת, זה מאפשר הולכת חום ישירה אל הקרח שרוצים להפשיר, וכתוצאה מכך ההפשרה מהירה יותר. גורם זה משמעותי בקרח חשוף, אבל בהפשרה של בשר הנמצא בתוך שקית התוחמת את המים הוא פחות משמעותי.
בנוסף לכך, הלחץ גורם לאפקט מעניין שמתקיים בקרח בלבד: כאשר מים קופאים, בניגוד לכמעט כל החומרים האחרים בטבע, הנפח שלהם עולה. זה נקרא “האנומליה של המים“, כלומר ההתנהגות הלא נורמלית של המים, כי ההתנהגות ה”נורמלית” של רוב החומרים, היא להקטין את נפחם כשהם קופאים. האנומליה מתרחשת בעקבות סידור החלקיקים בקרח, שהוא בעל חללים גדולים יותר בהשוואה לסידור שלהם במים נוזליים. זאת הסיבה מדוע אסור להקפיא מים בכלי זכוכית – הנפח שלהם עולה, והם עלולים לנפץ את הכלי. לא הרבה יודעים כי קיים גם האפקט ההפוך: כאשר מפעילים לחץ על קרח, כלומר מנסים להקטין את נפחו, הוא מפשיר והופך למים נוזליים! גם זה מאיץ את ההפשרה, כי המים הללו מיד נדחקים הצידה מבין הקרח והסירים, וחושפים שכבת קרח חדשה להפשרה.
בהתאם לכך, מסקנה מתבקשת היא שהגברת הלחץ תגביר את קצב ההפשרה, ולכן אם למשל נמלא את הסיר המונח על מה שרוצים להפשיר במים, כך שיהיה יותר כבד, ההפשרה תתרחש עוד יותר מהר.
קיבול חום – קיבול חום זאת תכונה שיש לכל חומר, והיא קובעת כמה אנרגיה צריך לספק לחומר כדי להעלות לו את הטמפרטורה במידה מסויימת. דרך אחרת להגיד זאת, היא שקיבול חום מאפשר לחשב כמה אנרגיה תרמית אצורה בכל חומר. מהבחינה הזאת – מים נמצאים במקום הראשון מבין כל החומרים: יש להם את קיבול החום הכי גבוה.
נחזור לכלל שהזכרנו בתחילת הכתבה, הקובע כי חילופי אנרגיה של חום מתרחשים בין חומרים עד שהם מגיעים לשיוויון טמפרטורה. עכשיו נחשוב מה מתרחש בתהליך ההפשרה: הקרח מקבל אנרגיה ומתחמם, והגוף שנוגע בו מאבד אנרגיה ומתקרר. זה אומר שאם הקרח מקרר את האזור בגוף שנוגע בו עד טמפרטורה של אפס מעלות, שזו טמפרטורת ההפשרה של קרח, תהליך ההפשרה ייעצר עד שהאזור יתחמם שוב בהולכה. בקוביית קרח קטנה אין סכנה שזה יקרה, אבל בכמות גדולה של מזון שרוצים להפשיר זה עלול לקרות. לעיתים, אם מפשירים מזון קפוא בתוך קערה עם מים, אפילו המים שבקערת ההפשרה קופאים בעצמם. כאן להפשרה בעזרת סירים ממתכת יש חיסרון: למתכת יש קיבול חום נמוך, שגורם לכך שהם מתקררים במהירות. כדי למנוע מקרה כזה, ההמלצה היא, שוב, למלא את אחד הסירים במים, ובכך להעלות את קיבול החום ותכולת האנרגיה שלו.
הסעה של חום – עד עתה עסקנו בהולכה של חום, שמתרחשת על ידי תנועת החלקיקים הקטנטנים בתוך החומר, תנועה שאי אפשר לראות בעיניים. אבל אפשר גם להעביר חום על ידי הסעה, שזאת תנועה של החומר שכבר ניתן לראות. לצורך העניין, אם נפשיר באמצעות זרם מים מהברז, ולא בקערה עם מים עומדים, אל הבשר הקפוא יגיעו כל הזמן בהסעה מים חדשים, שלא התקררו מהחשיפה לבשר ולכן יהיו בטמפרטורה גבוהה יותר, ויפשירו את הבשר מהר יותר. אפשר להשיג אפקט דומה אם נערבב מדי פעם את קערת המים להפשרה, דבר שיקרב לבשר הקפוא מים חמים יותר מהמים שנמצאים סביבו וכבר התקררו, וכך יאיץ את תהליך ההפשרה.
טמפרטורה – כפי שנאמר בסרטון, לפני תחילת הניסוי הקפדנו לשטוף את כל הכלים בהם השתמשנו באותם המים שנמצאים בקערה, כדי שכולם יהיו באותה הטמפרטורה (לא הראינו זאת בסרט מטעמי קיצור). זהו שלב מאוד חשוב בשביל שהניסוי יהיה הוגן, כי לטמפרטורה תפקיד משמעותי: ככל שהטמפרטורה יותר גבוהה, גם תכולת אנרגיית החום האצורה בחומר גבוהה יותר, וגם קצב העברת האנרגיה לחומרים אחרים מהירה יותר. אם הסירים היו בטמפרטורה גבוהה משל המים, היה להם יתרון על פני המים, והניסוי היה לא הוגן. עם הזמן – האוויר בחדר (שהיה בטמפרטורה גבוהה יותר מהמים) מחמם את הסירים בחזרה, אבל סביר להניח שבדקות הספורות בהן התרחש הניסוי, זה לא היה משמעותי. מהבחינה הזאת יש לשיטת ההפשרה עם הסירים עוד יתרון: כיוון שהשטח שלהם גדול יותר מהקרח אותו רוצים להפשיר, הם קולטים יותר ביעילות חום מהאוויר עם הזמן. בקוביית קרח קטנה זה פחות רלוונטי כי רוב אנרגיית החום מגיעה מהסירים עצמם, אך כשמפשירים משהו גדול וההפשרה אורכת יותר זמן, אז זה כבר אפקט משמעותי של קליטת חום מהאוויר על ידי הסירים הגדולים, מה שמעלה את הטמפרטורה שלהם ומאיץ את תהליך ההפשרה.
חשוב לציין כי המלצות משרד הבריאות להפשרת בשר הן הפשרה בטמפרטורה של עד 10 מעלות, וההמלצה היא להפשיר בתוך המקרר, שהטמפרטורה בו היא כארבע מעלות. הסיבה לכך היא חשש תברואתי: הפשרה בטמפרטורת החדר מעודדת התרבות של חיידקים העלולים לגרום לתחלואה, ובטמפרטורה כזו יכולים להכפיל את מספרם כל 20 דקות (!). כאשר שלחו אלינו למכון את השיטה של ההפשרה המהירה בין שני סירים כדי שנבדוק, נסביר ונגיב עליה, התעורר דיון בקרב צוות הכתבים שלנו. אחת הטענות שעלתה היא שהפשרה במקרר אורכת לעיתים 24 שעות; ולעומתה שיטת הסירים אומנם מתרחשת בטמפרטורת החדר, אבל היא מהירה מאוד, ומשאירה פחות זמן לחיידקים להתרבות. אנו לא נמליץ בניגוד למשרד הבריאות, אבל כן נוסיף הנחיה – אם בכל זאת אתם משתמשים בשיטת הסירים מפאת חוסר זמן, הקפידו לשים את הבשר בתוך שקית, כך שלא יגע ישירות בסירים, ובשלו אותו מיד עם הפשרתו. אם אתם מתכוונים להפשיר בשר מראש ולבשל אותו אחרי מספר שעות – חד משמעית מומלץ לא להשתמש בשיטה.
בהקשר הזה נציין כי הדרך העיקרית השלישית למעבר חום היא באמצעות הקרנה, וכמעט בכל בית ישנו מכשיר המאפשר אותה: המיקרוגל. המיקרוגל מחמם ומפשיר מאוד מהר, ומהבחינה הזאת גם בו אפשר להשתמש להפשרה, בתנאי שמבשלים את הבשר מיד לאחר מכן.
