יום שני, 20 בדצמבר 2010

מקרר פתוח ואוורור הבית

שוב תפסתי את עצמי מעיר לילדים על משהו שאני לא בטוח בו. "תסגור מיד את דלת המקרר, לפני שהוא מתקלקל", אמרתי לו. מזל שהפעם הוא לא שאל "למה?", וכך היה לי זמן לחפש תשובה.

ראשית, כמה מילים על המושג המרכזי בפוסט הזה: זרימת חום. בלשון הדיבור המילה חום מתייחסת לטמפרטורה, אבל במדע יש הבדל בין השניים. בפיזיקה חום קשור תמיד למעבר של אנרגיה מעצם אחד לעצם אחר, ולכן יש לומר זרימת חום כשמתייחסים לחום באופן מדעי. מעבר האנרגיה הקרוי זרימת חום נובע מהפרשי טמפרטורות בין שני עצמים או בין אזורים שונים בעצם אחד. זו טעות להתייחס לחום ככמות אנרגיה שאגורה בעצם. לאנרגיה זו יש שם אחר - אנרגיה פנימית. לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה השינוי באנרגיה הפנימית שווה לחום שזרם פנימה פחות העבודה שנעשתה על ידי העצם. זהו בעצם חוק שימור האנרגיה בניסוח תרמודינמי.

החוק השני של התרמודימיקה מתייחס לכיוון זרימת החום. לפי החוק הזה, החום זורם באופן ספונטני מעצם חם לעצם קר. המקרר, לעומת זאת, מצליח לגרום לחום לזרום מתוכו החוצה, כלומר הוא מעביר חום ממקום קר למקום חם יותר. הפעולה הזו מנוגדת לחוק השני, והיא לא יכולה להתרחש באופן ספונטני. זרימת החום מהמקרר החוצה מתרחשת בזכות השקעה חיצונית של אנרגיה - החשמל שהמקרר צורך.

מה קורה כשפותחים את דלת המקרר? חום זורם פנימה בשתי צורות: הולכה והסעה. ההולכה נובעת ממגע בין האוויר החם שבחוץ לאוויר הקר שבמקרר, וההסעה מתרחשת באמצעות זרימה של אוויר חם פנימה ואוויר קר החוצה. התוצאה היא התחממות החלל הפנימי של המקרר, וכעת המנוע שלו צריך לעבוד קשה יותר על מנת לקרר חזרה.

השאלה המרכזית היא כמה חום זורם פנימה כשפותחים את דלת המקרר ובכמה מעלות משתנה הטמפרטורה. התשובה נעוצה במושג קיבול חום. קיבול חום הוא כמות החום הזורמת חלקי השינוי בטמפרטורה. קיבול החום ליחידת נפח של האוויר, ושל גזים בכלל, נמוך מאוד בגלל הצפיפות הנמוכה שלהם. המשמעות היא שהאוויר במקרר מתחמם מהר מאוד, אף על פי שכמות החום שנכנסה פנימה היא קטנה. קיבול החום של מוצקים ושל נוזלים גדול בערך פי אלף - זהו היחס האופייני בין צפיפות האטומים של מוצק לצפיפות האטומים של גז. המשמעות היא שאותו חום שנכנס לתוך המקרר כמעט שלא מחמם את מוצרי המזון בתוך המקרר, את המדפים ואת קירות המקרר.

אם כך, פתיחת דלת המקרר, אפילו למשך חצי דקה או דקה, תחמם מעט מאוד את מוצרי המזון, ולאחר סגירת הדלת הם יקררו במהירות את האוויר במקרר מבלי שהמנוע יצטרך להתאמץ. ברור שפתיחת הדלת לפרק זמן ארוך, מספר דקות ומעלה, איננה מומלצת.

הצורך לאוורר את הבית בחורף מציב בעיה דומה. נניח שחיממנו את החדר ואנו לא רוצים שהוא יתקרר, אבל רוצים שייכנס אוויר נקי מבחוץ. פתיחה של החלון לפרק זמן של כחצי דקה תאפשר החלפת אוויר מהירה בתהליך של דיפוזיה (פעפוע), אבל לא תגרום לזרימה גדולה של חום מתוך החדר. העצמים המוצקים בחדר, שכוללים במקרה זה את הרהיטים, חלק מעובי הקירות ולמעשה גם אותנו, לא יתקררו כמעט במשך אותה דקה. לאחר סגירת החלון אותם עצמים מוצקים יחממו במהירות את האוויר כמעט לטמפרטורה שבה הוא היה לפני פתיחת החלון. השארת חריץ צר בחלון לכמה שעות פחות יעילה מבחינה זו, משום שכמות החום המצטברת שתזרום החוצה עלולה להיות גדולה, והחדר יתקרר.

המסקנה, אם כן, היא לא להתעצבן על הילדים המתלבטים שעומדים מול מקרר פתוח, ולא לצעוק על מי שרוצה לאוורר את החדר ביום חורף קר, ובכלל להיות רגועים...

לקריאה נוספת:
* Physics in daily life: heating problems, L.J.F. (Jo) Hermans
* כמה חם היה? פוסט לכבוד חורף מבולבל, בבלוג מסה קריטית של יואב לנדסמן
* חוק דולון-פטי (Dulong-Petit law) שבעזרתו ניתן להעריך את קיבול החום של חומרים שונים. לפי החוק הזה התרומה של אטום כלשהו לקיבול החום של החומר היא זהה, ללא תלות בזהות האטום. חקר הסטיות מהחוק הזה היוו צעד חשוב בהתפתחות הפיזיקה המודרנית.

מיתוס אחר שכתבתי עליו: האם מסוכן לשבת קרוב לטלוויזיה?

קרדיט לתמונה: צבא ארצות הברית

19 תגובות:

אורן פרבר אמר/ה...

מעניין מאוד! מדע פשוט במיטבו.
אתה מדבר על קיבול חום ליחידת נפח ולא ליחידת מסה, כמקובל (קיבול חום סגולי) זה קצת בלבל אותי בהתחלה.
לדעתי תמונות יכולות לתרום לפוסטים שלך, אלא אם כן אתה מעדיף טקסט נקי באופן עקרוני.

מהגג אמר/ה...

כמובן שאני אמסכים שלא כדאי לריב סתם עםהילדים אבל אני חושב שהם כן הורסים את המקרר.

פשוט מאוד, המדחום במקרר מודד את האוויר, כל זמן שהאוויר מעל סף מסוים המנוע של המקרר עובד, אם ילד ישאיר את המקרר פתוח במשך דקה אז סביר להניח שמהר מאוד המנוע יתחיל לפעול, למשך הדקה ועוד משך הזמן שייקח עד שהטמפרטורה בתוך המקרר תרד מתחת לסף.

המנוע לא תוכנן לעבוד רצוף יותר מדי ולאורך זמן זה כם מזיק למקרר. טוב, קצת מזיק.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

תודה אורן. אני בעד איורים ותצלומים! הבעיה היא זמן. אני משתדל למלא את דרישות זכויות היוצרים ולוקח לי המון זמן לאתר תמונות חופשיות מתאימות או לחלופין לפנות לבעלי הזכויות ולבקש רשות להשתמש.
לפעמים אני מוסיף מאוחר יותר כשמתפנה לי קצת זמן. אני מקווה לקנות בקרוב מצלמה איכותית ואז הכל יהיה פשוט יותר, כי הרבה מהדברים שאני כותב עליהם קשורים לדברים שאני מנסה בבית.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

מהגג, עלית על נקודה חשובה.
עם זאת, צריך לקחת בחשבון שהאוויר לא מוליך חום בצורה טובה. לכן לוקח זמן למד-הטמפרטורה שבמקרר להגיב ולמדוד את הטמפרטורה המדויקת של האוויר.

אני משער שאם מדובר בפתיחת דלת לפרק זמן קצר יחסית (בערך דקה), האוויר יתקרר בחזרה לפני שמד הטמפרטורה יגיב.

ניסיתי את זה בפועל - פתחתי כעת את דלת המקרר הביתי למשך שתי דקות והמנוע לא התחיל לעבוד. אני מקווה לעשות פעם מדידה מדויקת יותר.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אורן, אתה צודק שזה לא היה ברור - הוספתי את המילים "ליחידת נפח" ליד "קיבול חום".

יואב לנדסמן אמר/ה...

מאמר מעניין וברור!
כפי שציינת, הולכת חום מושפעת מהפרש הטמפרטורות, ולכן אם בכוונתך לערוך ניסוי מדידת זמן עד שהמדחס יתחיל לפעול כאשר דלת המקרר פתוחה, רצוי לערוך אותו גם בחודשי הקיץ לשם השוואה.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

כן, נכון. זו נקודה חשובה.

מהגג אמר/ה...

זה לא שאני מחפש להוסיף לך עבודה אבל הדרך הנכונה לעשות את הניסוי היא כזאת:
- להשאיר את הדלת סגורה ולמוד כל כמה זמן המנוע (X), עובד ולכמה זמן (Y)
- לחזור על זה כמה פעמים ולוודא שזה פחות או יותר קבוע.
- לפתוח את הדלת מייד אחרי שהמנוע נכבה לפרק זמן כלשהו (Z) ולבדוק איך זה השפיע על XוY.
- גם על זה לחזור כמה פעםמים ולוודא שזה שבוע.
- למי שבאמת מדען - למוד את ההשפעה של Z שונים על XוY.

ההשערה שלי היא שרק X יושפע וY לא לטמפרטורת חדר קבועה.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

מהגג, אתה צודק - כך צריך לעשות זאת. אני מקווה שיהיה לי זמן לניסוי ארוך כזה.
בכל אופן, בהתאם לניתוח בפוסט עצמו, אני משוכנע שההשפעה של פתיחת דלת מקרר למשך דקה היא זניחה.

אלעד טורצ'ין אמר/ה...

נכון אבל מה לגביי הביצים המסכנות שבד"כ נמצאות בדלת המקרר, הן לא נמצאות בתוך המקרר, לכן כאשר פותחים את המקרר הן חשופות לחום גבוהה יותר, האם זה לא מקלקל אותן?

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אלעד, אני סבור שעניין הביצים מחזק את טענתי שהטמפרטורה של מוצרי המזון כמעט שלא עולה עקב פתיחת דלת למשך דקה-שתי דקות.

כפי שכתבת, הביצים חשופות מיד לטמפ' גבוהה יחסית, אבל הן לא מתקלקלות. הסיבה היא שהטמפ' שלהן עולה באיטיות רבה אפילו אם האוויר סביבן משנה את הטמפ' שלו במהירות.

בהערכה גסה, ביצה צריכה בערך חצי שעה של מקרר פתוח על מנת להגיע לטמפרטורת הסביבה מחוץ למקרר. בקבוק יין זקוק לשלוש שעות בערך.

מהגג אמר/ה...

זה לא נכון, ביצים צריכות מקרר רק בקיץ הישראלי.
באירופה הקרה משאירים אותם מחוץ למקרר כל השנה והן לא מתקלקלות

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

מהגג, זיהומים מיקרוביאליים בביצים לעומת מוצרים אחרים (מוצרי חלב למשל) הוא נושא מרתק בפני עצמו.

זה נכון שביצים מוגנות באופן יחסי מהתפתחות זיהומים בזכות חומרי הגנה שיש בחלבון הביצה ובזכות הקליפה.

מצד שני, ההמלצה בארצות הברית, ולמיטב ידיעתי גם בשאר המדינות, היא לשמור ביצים בקירור של 4 מעלות צלזיוס או פחות:

http://www.fsis.usda.gov/Fact_Sheets/Focus_On_Shell_Eggs/index.asp#19

מופיע שם המשפט:
Temperature fluctuation is critical to safety... Refrigerated eggs should not be left out more than 2 hours.

לצורך הדיון הנוכחי, מובן שלא נבדוק את התרמודינמיקה באמצעות טריות המוצרים במקרר...

utopianfragments אמר/ה...

הדבר בכי טוב במזג האוויר האירופי הוא שבחורף לא צריך מקרר בשביל השתייה עם עושים מסיבה. מספיקה מרפסת. מצד שני תשאיר את החלב יותר מדי זמן ויש לך סוג של גלידה.
וחוץ מזה - תודה
ברגע אחד שכנעת את חברה שלי לאפשר לי לפתוח את החלון יותר מפעם ביום.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אני תמיד שמח לעזור :-)

שמעון לוי אמר/ה...

פעם התחבטתי באותה שאלה.
כשקוראים את זה התשובה נראית כל כך ברורה...
תודה רבה

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

תודה שמעון.

lidor drob אמר/ה...

אם אני פותח את דלת המקרר , האם הטמפ׳ בחדר משתנה?
להבנתי הטמפ׳ לא תשתנה והחדר לא יתקרר נכון?

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

מקרר רגיל שעובד עם דלת סגורה פולט חום לחדר דרך המעבה שנמצא בגב המקרר. התוצאה היא עליית טמפרטורה בחדר.
אם הדלת של המקרר פתוחה ייש לקחת בחשבון לא רק את הקור של פנים המקרר שמקרר את החדר, אלא גם את החום שנפלט מהמעבה.
לפי החוק השני של התרמודינמיקה בעת עבודת המקרר נפלט יותר חום אל מחוץ למקרר מאשר חום שיוצא מפנים המקרר, וזאת משום שחלק מהאנרגיה החשמלית מומר לחום, ולכן הטמפ' בחדר תעלה גם כשדלת המקרר פתוחה.