חום וטמפרטורה (Heat and Temperature) – מילון מונחים

במאה ה-17 סברו אנשי המדע כי החום הוא מין נוזל, שזורם מגוף חם לגוף קר כאשר הם באים במגע. הנוזל הזה כונה בשם קָלוֹריק, ויחידת החום נקראה בשם קָלוֹריה. קלוריה אחת מוגדרת ככמות החום הדרושה כדי להעלות את הטמפרטורה של גרם אחד של מים במעלת צלזיוס אחת.

בשנת 1840 הוכיח ג’יימס ג’אול (Joule) מאנגליה (שעל שמו נקראת יחידת האנרגיה – הג’אול) כי החום הוא צורה של אנרגיה. הוא הראה כי אפשר להפוך עבודה לחום וחום לעבודה וכי קלוריה אחת שווה 4.18 ג’אול. בעקבות זאת ננטשה תורת הקלוריק והתפתחה התרמודינמיקה, שהיא התיאוריה הפיסיקלית החוקרת את הקשר בין עבודה, אנרגיה, חום וטמפרטורה במערכות פיסיקליות כלליות. ב-1850 ניסח רודולף קלאוזיוס ((Clausius מגרמניה את החוק הראשון של התרמודינמיקה, שקבע כי: כמות החום שמושקעת במערכת בזמן מסויים, פחות העבודה שהמערכת ביצעה באותו זמן, שווה לשינוי באנרגיה הפנימית של המערכת. חוק זה השלים את ניסוח הרעיון שלפיו החום הוא צורה של אנרגיה, המכונה אנרגיה תֶּרְמִית.

הטמפרטורה הוגדרה במאה ה-17 וה-18 באמצעות הגדרה מעשית, שהתבססה על מדידתה באמצעות מדחום (למשל של כספית). סקלת הטמפרטורה הנפוצה היא סקלת צלזיוס (Celsius) שבה נקודת הקיפאון של המים מוגדרת כאפס מעלות, ונקודת רתיחתם מוגדרת כמאה מעלות. מתופעות שונות אפשר להסיק כי הטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית היא מינוס 273.16 מעלות צלזיוס (273.16^oC-) והיא מכונה האפס המוחלט. בפיסיקה מרבים להשתמש בסקלת טמפרטורה שבה האפס הוא ב- 273.16^o– צלזיוס, וגודל המעלה שווה למעלת צלזיוס (כלומר, המרווח בין נקודות הקיפאון והרתיחה של המים הוא מאה מעלות). סקלה זו מכונה טמפרטורה מוחלטת, או הטמפרטורה במעלות קלווין (K). בסקלה זו אין טמפרטורות שליליות, ונוסחאות התרמודינמיקה מקבלות צורה פשוטה יותר. נקודת הקיפאון של המים היא 273.16 קלווין (K273.16) ונקודת רתיחתם היא K373.16.
במאה ה-19 נוסחה התיאוריה המולקולרית-קינטית הקובעת שהמולקולות בחומר נמצאות בתנועה מתמדת. בגז התנועה היא קווית (ולפעמים גם סיבובית ותנודתית); במוצק המולקולות קבועות במקומן והתנועה התרמית מתבטאת ברטט בלתי פוסק שלהן. בנוזל המולקולות קרובות זו לזו אך אינן קבועות במקומן והן נעות בדומה לתנועה של אנשים בהמון צפוף. בכל מצב צבירה האנרגיה הפנימית (עליה מדבר החוק הראשון של התרמודינמיקה) שווה לאנרגיה הקינטית והפוטנציאלית של כל המולקולות שבחומר.

כל תופעות החום נובעות מהתנועה המולקולרית. כאשר אנו מחממים חומר, האנרגיה התרמית שאנו מספקים לו מתווספת לאנרגיה של המולקולות שלו, והן נעות מהר יותר. כשגוף חם בא במגע עם גוף קר, המולקולות האנרגטיות בגוף החם מתנגשות עם המולקולות האיטיות יותר בגוף הקר וגורמות להן לנוע יותר מהר. כתוצאה מכך, הגוף החם מתקרר והגוף הקר מתחמם.

המודל המולקולרי סיפק הגדרה חדשה למושג טמפרטורה. כשם שהחום קשור לאנרגיה הכוללת של המולקולות, הטמפרטורה קשורה לאנרגיה הקינטית הממוצעת של מולקולה. בגז הטמפרטורה (במעלות קלווין) זהה – עד כדי קבוע פרופורציה – לאנרגיה הקינטית הממוצעת הקשורה לתנועה הקווית של המולקולה.