נוסח השאלה המלא: האם בתהליך המסה במים גלגול האנרגיה הוא מאנרגיה כימית לחום והאם ניתן לומר שבשמש אנרגיה כימית מתגלגלת לאנרגית קרינה (במקום אנרגיה גרעינית לאנרגית קרינה)?
כדי לענות על השאלה, חייבים ראשית להגדיר בדיוק מהו תהליך כימי, הבעיה היא שאין איזו הגדרה מקובלת מהו בדיוק תהליך כימי. 2 הגדרות נפוצות שבשימוש הן:
1) תהליך שבו נשברים ו/או נבנים קשרים כימיים.
2) תהליך שבדרך כלשהי גורם לשינוי בכימיקל אחד או יותר או בתרכובת כימית (תרגום מתוך ויקיפדיה האנגלית, גם שם הם מסייגים את ההגדרה של עצמם).
עכשיו – האם המסה של חומר במים יכולה להחשב כתהליך כימי, לפי ההגדרות הנ"ל? בהחלט כן:
בהמסה של מוצק או נוזל בתוך מים נשברים הקשרים הכימיים שמחזיקים יחדיו את המולקולות או היונים יחדיו בחוזקה (ושומרים על החומר מוצק או נוזל) ונבנים קשרים כימיים חדשים בין המולקולות של המים לבין החלקיקים של הנוזל או המוצק (מולקולות או יונים) שהתפזרו בתוך המים. לדוגמא, כאשר ממסים סוכר בתוך מים – נשברים קשרי המימן וקשרי ואן-דר-וולס שמחזיקים יחדיו את מולקולות הסוכר בגביש יפה, ומצד שני, עקב כך שמולקולת סוכר הינה עשירה בקבוצות כימיות מסוג הידרוכסיל (-OH), כל מולקולה מקיפה את עצמה במספר רב של מולקולות מים היוצרות איתה קשרי מימן.
דוגמא נוספת: כאשר ממסים מלח בישול (נתרן כלורי, NaCl) בתוך מים בתוך מים – נשברים הקשרים היוניים, בין הנתרן לבין הכלור שהיו קיימים בגביש המלח, ומצד שני נוצרים קשרים בין מולקולות המים המקוטבות חשמלית, לבין היונים של הנתרן (+Na) ושל הכלור (-Cl) הטעונים מטען חשמלי. גם לפי ההגדרה השנייה, הכוללנית יותר, המסה היא תהליך כימי – כי מתרחש 'שינוי כלשהו' בחומר (גביש מלח בישול מוצק, 'נעלם' בתוך התמיסה, והיונים שהיו קרובים אחד לשני כבר לא נמצאים במבנה מיקרוסקופי מסודר בתוך התמיסה).
גם המסה של גז בתוך מים (למשל המסת פחמן-דו-חמצני בעת יצירת סודה) יכולה להיחשב תהליך כימי. אמנם בין מולקולות הגז אין קשרים בין מולקולריים הקושרים את המולקולות יחדיו (ולכן הוא גז), אבל שוב, בעת ההמסה כל מולקולת גז מקיפה את עצמה במולקולות מים היוצרות איתה קשרים בין-מולקולריים.
ולכן – אפשר לסכם ולומר, שאם תהליך המסה הוא תהליך כימי, אז פליטה או בליעה של חום בעת תהליך המסה הוא אכן תהליך בו אנרגיה כימית הופכת לאנרגיה של חום.
כפי שהוסבר בעבר, אנרגייה כימית נפלטת בעת יצירת קשרים כימיים (לחצו על הקישור להסבר) מעניין לציין שישנם מלחים (רוב המלחים למעשה) שפולטים אנרגיה ומחממים את המים כאשר הם נמסים, דוגמא בולטת במיוחד זה המלח 'סודה קאוסטית' NaOH, שהמסה שלו בתוך מים בכמות גדולה גורמת למים לרתוח!
גרגירים של סודה קאוסטית. תמונה באדיבות ויקיפדיה
אולם ישנם מלחים בהם האנרגיה שמושקעת בעת שבירת הגביש גדולה בהרבה מהאנרגיה שמשתחררת בעת יצירת הקשרים בין היונים למים, דוגמא לכך היא החומר 'אמוניום חנקתי', NH4NO3, שכאשר מומס במים הוא מקרר אותם מאוד, ובאמת החומר משמש ברפואה לצורך יצירת מטליות קרות: כאשר מטלית ספוגה בחומר נטבלת במים היא מיד מתקררת (ועוזרת לקרר איזור גוף שצריך קירור).
בקשר לשמש
צריך להבין שמקור האנרגיה של השמש הוא במספר תהליכים גרעיניים, כאשר התהליך העיקרי הוא היתוך של גרעיני של מימן (H) – היסוד הראשון בטבלה המחזורית אל גרעין של אטום הליום, He, היסוד השני בטבלה המחזורית. בתהליך ההיתוך הגרעיני הזה מספר שלבים, כאשר בסה"כ ארבעה אטומי מימן הופכים לאטום הליום. צריך לא להתבלבל בין תהליך היתוך כימי רגיל (בו מוצק הופך לנוזל, למשל כאשר מחממים פתיתי גבינה צהובה על פיצה) לבין תהליך היתוך גרעיני – כאן השם הוא רק מטאפורה, כי כאילו הגרעינים של האטומים נצמדים יחד ונדבקים לגוש אחד.
(דרך אגב, באמצעות תהליכי היתוך גרעיני דומים נוצרו שאר היסודות בעולם).
מעגל, CNO, אחד מהתהליכים האפשריים בשמש בהם 4 אטומי מימן הופכים לאטום הליום. (ויקיפדיה)
במהלך התהליך משתחררת אנרגיה רבה ביותר (כפי שאנחנו רואים ומרגישים יום יום, ובייחוד בקיץ). ומה מקורה של האנרגיה? ובכן, חישוב פשוט מראה כי: אטום אחד של מימן שוקל:1.007825 יחידות אטומיות (כאשר הייחוס הוא אטום פחמן 12, ששוקל בדיוק 12), ומכאן ש-4 אטומי מימן שוקלים: 4.0313. ומצד שני אטום של הליום אליו הופך המימן בשמש שוקל 4.002603. טיפ-טיפה פחות, אבל עדיין – ישנו בטבע 'חוק שימור החומר' שקובע שחומר לא יכול להעלם, וכאן, במהלך התהליך נעלמה 0.7% מהמסה!. (כלומר על כל קילו של מימן שהופך להליום בשמש, 7 גרמים 'נעלמים').
את התעלומה פתר הפיסיקאי המהולל אלברט אינשטיין, שגילה שחומר (או מסה, m) יכולה להפוך לאנרגיה (E), או כפי שהוא ניסח זאת במשוואתו המפורסמת:
E=mc2
כאשר c2 זה פשוט מקדם ההמרה בין המסה לאנרגיה (כמו שיש מקדם המרה בין דולרים לשקלים). בפועל זהו מקדם מאוד גדול, כי c מיצג את מהירות האור, שהיא גבוהה מאוד (300 אלף קילומטר לשנייה).
חשבון פשוט מראה, כי על כל קילו של מימן שהופך להליום (על שבעת הגרמים שנעלמים והופכים לאנרגיה) משתחררים 0.007*(3*108)2=630,000,000,000,000 (630 טריליון ג'אולים של אנרגיה, כאשר תנור חשמלי ממוצע משתמש רק ב 2000 ג'אולים של אנרגיה כל שנייה). כלומר תהליך היתוך גרעיני כזה משחרר כמות אנרגיה אדירה.
ובכל אופן – בשמש התהליך הוא תהליך גרעיני טהור, ולא תהליך כימי, ולא נפלטת בו 'אנרגיה כימית'. ובכלל בטמפ' שנמצאות על השמש (כ-5500oC בנקודה הקרה ביותר שלה, על פני השטח) לא יתכנו תגובות כימיות או קשרים כימיים כי כל החומרים בטמפ' כזו כבר נמצאים במצב גזי, ומפורקים לאטומים בלבד בגלל האנרגיה הרבה שיש להם.
מאת: ד"ר אבי סאייג
מכון דוידסון לחינוך מדעי
ומכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
