על מנת לענות על שאלה זו, ראשית נבהיר לעצמנו מהו בעצם מעבר חום.
נניח שאנו מניחים כוס תה חם חם או כוס עם קוביות קרח בטמפרטורת החדר. אנו יודעים מה יקרה. כוס התה תתקרר לטמפרטורת החדר וכוס קוביית הקרח תתחמם לטמפרטורת החדר. זהו עיקרון יסוד בתרמודינמיקה: אם נשים שני גופים בטמפרטורה שונה זה מזה ביחד, אזי מעבר חום יגרום לשני הגופים להגיע לאותה טמפרטורה. לכן, "החדר" ו"כוס התה החם" מגיעים לאותה טמפרטורה ע"י מעבר החום, החדר מתחמם אך במעט וכוס התה מתקררת מאוד. אם נרצה לשמור על כוס התה החם כמה שיותר זמן כלומר, אם נרצה להאט את קצב מעבר החום כמה שיותר, אנו נצטרך להאט את שלושת התהליכים שגורמים למעבר חום.
שלושת התהליכים הם: הולכת חום, קרינה והסעת חום.
ראשית, נבהיר לעצמנו מהו חום?
בפשטות, אפשר לומר שחום הוא 'תנועה אטומית'. אטום מייצר את "החום" שלו ע"י מהירותו. בטמפרטורת האפס המוחלט, אין תנועה של אטומים. אבל כאשר האטומים מתחממים הם נעים. חום עובר כאשר אטום מתנגש באטום אחר. כאשר דבר זה מתרחש, האטום השני צובר חלק מהתנועה של האטום הראשון (בערך כמו בכדורי ביליארד) וחום עובר בהתנגשויות אלו.

הולכת חום:
הדרך הטובה ביותר לתאר הולכת חום היא לקחת מוט מתכת ולחמם קצה אחד של מוט זה. הקצה השני יתחמם ע"י הולכת חום. אם נניח סיר על כריים, פנים הסיר יתחמם ע"י הולכת של החום דרך התחתית המתכתית של הסיר. ישנם חומרים כדוגמת מתכות שהם מוליכי חום טובים יותר מאשר חומרים אחרים כמו פלסטיק לדגומא.

קרינה אינפרה-אדומה:
תופעת לוואי נוספת של תנועה אטומית היא ויברציה (תנודה). ויברציה גורמת לתופעה של קרינה אינפרא-אדומה. כמובן שהעין שלנו אינה מסוגלת לראות קרינת אינפרא-אדום, אך העור שלנו יכול להרגיש זאת. כמחצית מאנרגיית השמש שמגיעה אלינו היא בצורת קרינת איפרא אדומה, כששאר האנרגיה היא בטווח האור הנראה. קרינת אינפרא-אדום, כמו האור הנראה, מוחזרת ע"י מראות ונספגת טוב יותר בגופים שחורים. כשקרינת איפרא אדום נספגת, הדבר מתבטא בתנועה אטומית, ועל כן, בעלייה בטמפרטורה.

תופעת הסעת החום:
הסעת חום היא תכונה של נוזלים וגזים. היא מתרחשת בגלל שכאשר גז או נוזל מתחממים, החום נוטה לעלות מעל לגוף הנוזל או הגז. אם נניח כוס תה חם על השולחן, הוא יחמם שכבה של אוויר שמקיפה את כוס התה. שכבה זו מתרוממת משום שהיא חמה יותר מהאוויר שמסביב. כאשר הטמפרטורה בחלק מסוים של נוזל או גז שונה מזו בחלק אחר שלו, מתרחשת תופעה זו המכונה הסעת-חום. כלומר, החום מוסע מן החלק האחד לחלק האחר על-ידי תנועת הנוזל או הגז. אנו יודעים שאם נחמם נוזל, הוא יתפשט מעט; המשקל הסגולי של הנוזל החם קטן יותר מהמשקל הסגולי של הנוזל הקר והוא נע כלפי מעלה. בראדיאטור או בדוד מים חמים, המים חמים יותר בחלק העליון של הכלי מאשר בתחתית שלו. לפעמים אנו רואים זרמי אוויר חם נעים כלפי מעלה מעל כביש חם בקיץ, דבר שלמעשה הינו הסעת חום.


בשני האיורים אנו רואים את שלושת התהליכים במעבר חום: הולכה, הסעה וקרינה.

עתה, נחזור לעניין התרמוס.
על מנת לבנות תרמוס טוב, כל מה שאנו צריכים זה להקטין עד כמה שאפשר את שלושת התופעות של העברת החום שציינו. דרך אחת לבנות מיכל הדומה לתרמוס יהיה לקחת צנצנת ולעטוף אותה בחומר-ריפוד.

בידוד עובד ע"י שני עקרונות. ראשית, הפלסטיק שבגומי הריפוד הוא לא מוליך חום טוב. שנית, האוויר שלכוד בחומר המבדד הינו למעשה בעל מוליכות חום גרועה עוד יותר. על כן, בכך אנו הצלחנו להפחית את תופעת הולכת החום. מכיוון שהאוויר 'מתפרק' לבועות קטנטנות, הדבר הנוסף שהחומר-המבדד מצליח לעשות זה 'לסלק' במידה רבה הסעת חום שבתוך החומר-מבדד. העברת חום דרך חומר-מבדד היא על כן מאוד קטנה.

אולם, מסתבר שיש חומר-מבדד שהוא למעשה טוב יותר מאשר חומר-ריפוד: הואקום (ריק)!
ואקום זה 'מקום ללא אטומים'. "ואקום מושלם" מכיל אפס אטומים. זה כמעט בלתי אפשרי, אך אנו יכולים להתקרב למצב שכזה. למעשה, ללא אטומים אנו מבטלים את תופעת הולכה והסעת חום לחלוטין.

מה שיש במיכל תרמוס זו מעטפת זכוכית. בתוך התרמוס יש זכוכית, ומסביב לזכוכית ישנו ואקום. מעטפת הזכוכית היא שברירית, ועל כן היא ארוזה בתוך מיכל עשוי פלסטיק או מתכת. הזכוכית שבתוך התרמוס מצופה בכסף (כסופה), כמו מראה, על מנת להפחית קרינה אינפרא-אדומה. שילוב זה של ואקום ומעטפת כסופה מפחיתה משמעותית העברת חום על ידי הולכה, הסעה וקרינה.

אז מדוע נוזל חם בתרמוס לבסוף מתקרר?
אנו יכולים לראות באיור שני דרכים של העברת חום. הגדול יותר הוא המכסה. השני זו הזכוכית, אשר מאפשרת הולכה בחלק העליון של הבקבוק שבו הדפנות הפנימיים והחיצוניים נפגשים. על אף שמעבר חום דרך מעברים אלו הוא קטן, הוא אינו אפס.

האם התרמוס יודע באם הנוזל שאנו מכניסים לתוכו הוא חם או קר? לא. כל מה שהתרמוס עושה הוא להגביל את מעבר החום דרך הדפנות של התרמוס. זה מאפשר לנוזל שבתוך התרמוס לשמור על הטמפרטורה שלו כמעט קבועה לאורך זמן ממושך באם הטמפרטורה היא קרה או חמה.

מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון 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.