זו מכונית? זה תנור? בקיץ – גם וגם!

בניסוי הזה נשתמש במכונית כתנור המאפשר אפייה של דברים הדורשים חום נמוך, ובהזדמנות זו נלמד קצת על חום וחממה.

ציוד וחומרים

להכנת הקצפיות / נשיקות (על פי המתכון לקצפיות המרנג של אתר פיית העוגיות)

•       4 חלבונים בינוניים (135 גרם) בטמפרטורת החדר
•       קורט מלח
•       120 גרם (חצי כוס ועוד 2 כפות) סוכר
•       150 גרם (כוס ורבע) אבקת סוכר
•       מקצפה או מיקסר

בחרנו בקצפיות כי הן דורשות אפייה ממושכת בחום נמוך יחסית (80 מעלות צלזיוס). אפשר לנסות כל מתכון אחר הדורש אפייה בחום כזה, העיקר שבמקום תנור יש להשתמש במכונית החונה בשמש הקופחת.

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי אפשר לראות בסרטון הבא:

אור וחום

השמש מחממת את כל העולם, והיא גם האחראית לחימום המכונית ואפיית נשיקות המרנג בניסוי שלנו. כדי להבין מדוע המכונית הסגורה מתחממת כל כך, חשוב להבין תחילה כיצד השמש מחממת דברים באופן כללי. מה שאנחנו קוראים לו ‘חם’ בשפת היום יום הוא משהו שהטמפרטורה שלו גבוהה, בשפה מדעית יותר. אבל מה משתנה בחפץ שהטמפרטורה שלו עלתה, נאמר מ-25 מעלות ל-80 מעלות? כדי להבין זאת צריך לצלול לעומק המבנה החלקיקי של החומר: כל החומרים בעולם בנויים מחלקיקים קטנטנים שאי אפשר לראות בעיניים, יש כמה סוגים של חלקיקים קטנטנים, אטומים, מולקולות ויונים, שמרכיבים סוגים שונים של חומרים. מה שחשוב לדעת הוא שהחלקיקים הקטנטנים נעים כל הזמן! בגזים ובנוזלים הם נעים בחופשיות יחסית. זאת הסיבה שאנו מסוגלים להריח בושם או גז גם מקצה רחוק של חדר: חלקיקי הריח הגזיים יכולים לנוע באוויר, ממקור הריח עד האף שלנו.

אבל אפילו בחומרים מוצקים שנראים לנו יציבים, החלקיקים המרכיבים אותם רוטטים ורועדים במקומם כל הזמן. הרטט כל כך קל שחושינו לא יכולים להבחין בו, אבל אפשר למדוד אותו בעזרת שיטות מתוחכמות. והטמפרטורה? הטמפרטורה היא המדד למהירות התנועה של החלקיקים! באופן כללי, ככל שהטמפרטורה של חומר גבוהה יותר כך מהירות החלקיקים המרכיבים אותו גבוהה יותר. אם נחזור לחפץ שהזכרנו קודם, כאשר הוא בטמפרטורה של 80 מעלות החלקיקים שהוא מורכב מהם, נעים יותר מהר בהשוואה לאותו החפץ הנמצא ב-25 מעלות. בשפה מדעית אנחנו אומרים כי כשהחפץ חם יותר, יש לחלקיקי החומר יותר אנרגיה קינטית, שהיא אנרגיית התנועה שלהם. 

אם השמש מחממת את העולם, לפי מה שהסברנו לגבי חום כרגע, זה אומר שהשמש גורמת לחלקיקי החומר לנוע יותר מהר. היא כמובן לא יכולה לגעת בחומר פיזית כדי לעשות זאת, והיא עושה זאת באמצעות קרינה: השמש פולטת כל הזמן קרינה אלקטרומגנטית, וכאשר הקרינה הזו פוגעת בחלקיקי החומר ונבלעת בהם – הם מתחילים לנוע מהר יותר. מהי אותה קרינה אלקטרומגנטית מהשמש? זהו האור שכולנו רואים. כן, גם האור הנראה הוא סוג של קרינה.

לא כל החומרים מתחממים באותה מידה. כאמור, כדי שאור יחמם חומר – הוא צריך להיבלע בתוכו, ולהעביר לחומר את האנרגיה שלו.  אבל לא כל החומרים בולעים אור אותו הדבר: עצמים בהירים מאוד, כמו השכבה הכסופה שמתחת לזכוכית במראה, או חפצים שצבעם לבן, מחזירים חזרה את רוב האור הפוגע בהם, ולא מתחממים כמעט. לעומת זאת, עצמים כהים מאוד בולעים כמעט את כל האור הנראה שפוגע בהם והופכים אותו לחום. שאר צבעי הקשת מחזירים אור ובולעים אור ומתחממים מהאור בדרגות ביניים בין השחור ללבן. מכיוון שצבע שחור הוא היעיל ביותר בהמרה של אור לחום, משתמשים בו במכשירים שמיועדים לקלוט את אור השמש ולהמירו לחום – למשל בקולטי שמש של דוד שמש.

 חממה

כשגוף מתחמם יותר מהסביבה שלו הוא מתחיל מיד גם להתקרר, או למסור את עודף האנרגיה שלו לסביבה. זאת הסיבה שכוס קפה חם מתקררת כעבור זמן קצר. גם דברים שמתחממים בשמש מתחילים לפלוט את אנרגיית החום שלהם לסביבה. ככל שהפרש הטמפרטורה בין העצם לסביבה גדול יותר כך קצב פליטת החום גבוה יותר. מסיבה זו דברים שעומדים בשמש לא מתחממים עוד ועוד, אלא רק עד טמפרטורה מסוימת שבה קצב קליטת האנרגיה שלהם מהשמש זהה לקצב איבוד האנרגיה שלהם. ומהי “הסביבה”? – לרוב פשוט מדובר באוויר שסביבנו. האדמה שמתחממת באור השמש מחממת את האוויר שנמצא מעליה, האוויר החם עולה מעלה בגלל צפיפות נמוכה ומתקרר עם העלייה לגובה. כך הוא מאפשר לאוויר חדש להגיע ולהתחמם, וחוזר חלילה. לכן אם רוצים להגביר את החימום באמצעות אור השמש, אנו רוצים להפחית את איבוד החום לאוויר ופשוט למנוע מהאוויר החם “לברוח” מהמערכת עם האנרגיה שלו. כך הומצאה החממה – מבנה זכוכית שקוף שמאפשר כניסה של אור, אך מונע יציאה של אוויר חם. בעזרת חממה אפשר לגדל אפילו בחורף גידולי קיץ כמו עגבניות ומלפפונים, ולגדל במדינות קרות צמחים שמתאימים למדינות חמות יותר.

מכונית סגורה היא סוג של חממה, לכן הטמפרטורה שבתוכה עולה במידה רבה כל כך, שמאפשרת אפייה.

 בניסוי שלנו לא ראינו הבדל ניכר בין המכונית הלבנה לכתומה, אבל זה כנראה בגלל שהניסוי לא היה השוואה הוגנת. המכוניות היו מדגמים שונים, עם גודל שמשות שונה, ובידוד שונה. למכונית הכתומה גם היו חלונות אחוריים מוכהים שגם השפיעו על כניסת האור לתוך המכונית. כדי לבדוק באמת את השפעת צבע המכונית על התחממותה יש לבצע ניסוי מוקפד יותר  ולהשוות שתי מכוניות מאותו דגם, רק בצבעים שונים. האמת שלא חייבים ניסוי. מספיק לגעת בפח של מכונית לבנה ובפח של מכונית כהה שחונות בשמש ולהיווכח בהבדל.

אפקט החממה

בהשאלה למה שקורה בחממה של צמחים, ניתן הביטוי ‘אפקט החממה‘ לתהליך המתרחש בכדור הארץ, וגורם לחימומו. התהליך הוא דומה למתרחש בחממה, אך לא זהה. אנרגיית חום עוברת מחפצים גם בעזרת מגע, או בלשון מדעית הולכת חום; גם באמצעות הסעה, כמו האוויר החם שנע ממקום למקום; וגם באמצעות קרינה – החומר החם פולט בעצמו קרינה אלקטרומגנטית. בדרך כלל הקירנה שחומר חם פולט אינה אור נראה, אלא בעיקר קרינה הנקראת  תת-אדומה. רק חומרים שיכולים להגיע לטמפרטורות גבוהות מאוד כמו ברזל מלובן או זכוכית מותכת פולטים אור נראה. חממה רגילה מונעת בעיקר את בריחת החום בהסעה, כלומר חוסמת את יציאת האוויר החם.  יש בחממה גם בליעה של קרינה תת-אדומה, כך שלא תוכל לצאת החוצה, אך ההשפעה שלה על ההתחממות קטנה מאוד. באפקט החממה שמתרחש בכדור הארץ, ההתחממות נובעת בעיקר מכך שגזים באטמוספרה בולעים את הקרינה התת-אדומה שנפלטת מפני השטח המתחממים בשמש, ומונעים מהקרינה הזו לברוח לחלל עם האנרגיה שלה, מה שהיה מקרר את כדור הארץ. הגזים באטמוספרה שבולעים את הקרינה ההת-אדומה נקראים גזי חממה, והם הופכים את הקרינה לחום  שנשאר בכדור הארץ.

אפקט החממה תרם להתפתחות החיים על כדור הארץ: בלעדיו הטמפרטורה הממוצעת על פני כוכב הלכת שלנו הייתה 18 מעלות מתחת לאפס.  ואולם במאתיים השנים האחרונות עם התפתחות התעשייתית ושריפת דלקים מוגברת, עלתה מאוד הפליטה של גזי חממה לאטמוספרה מה שמוביל לאפקט חממה מוגבר ולחימום מואץ של כדור הארץ, שגורם לשינויי אקלים הרסניים למיליוני בני אדם – כמו הפשרת מואצת של קרחונים ועליית פני האוקיינוסים במידה שתציף אזורי מחייה רבים. בשנים האחרונות עולה המודעות הציבורית לסכנות של גזי החממה, ומדינות העולם נרתמו לצמצם את הפליטה של גזי חממה לאוויר, אבל יש עוד הרבה מה לעשות כדי שהירידה תהיה מספקת וההתחממות תואט.