אשכול האנומליה של המים - חלק ג - נפח המים

תזכורת

באשכולות הקודמים, האנומליה של המים – גרף צפיפות המים – חלק א והאנומליה של המים – צפיפות המים ופרבולה – חלק ב, למדנו כי:

מסה – היא כמות החומר המצויה בגוף כלשהו.

היחידה למדידת מסה היא קילוגרם (ק"ג) או גרם, מיליגרם, טון ועוד.

צפיפות החומר – היא המסה של יחידת נפח של החומר, לדוגמא המסה של סמ"ק או המסה של מ"ק .
הצפיפות נמדדת ביחידות של מסה לנפח,
כלומר, בגרם לסמ“ק (\(\large\frac{gr}{cm^3}\)) או ב- ק“ג למ"ק (\(\large\frac{kg}{m^3}\)).

בדקנו כיצד משתנה צפיפות המים והקרח (מים במצב מוצק) בהתאם לשינוי בטמפרטורה שלהם.

ראינו שבעוד שבדרך כלל, כאשר מחממים חומר צפיפותו יורדת ולכן גם צפיפותו של מוצק גדולה מצפיפותו של נוזל של אותו חומר, במים קיימת אנומליה:
צפיפות הקרח ב- \(0^{\circ}C\) קטנה מצפיפות המים ב- \(0^{\circ}C\).

כאשר מחממים את המים מ- \(0^{\circ}C\) עד \(4^{\circ}C\) צפיפותם תעלה.
כאשר נמשיך לחמם אותם מעבר לטמפרטורה של \(4^{\circ}C\) צפיפותם תרד.

תיאור סיטואציה

באשכול זה נעסוק בקשר בין צפיפות החומר לנפחו ונתמקד בהשתנות נפח חומר כתלות בטמפרטורה.

כאשר מחממים חומר מסתו אינה משתנה, אבל נפחו משתנה. כמעט בכל החומרים הנפח גדל, וכאשר מקררים חומר בדר"כ ניפחו קטן.

לדוגמה:
כדור מתכת עובר בתחילה בקלות דרך דסקית. חימום כדור המתכת יגרום לכך שהוא לא יעבור דרך הדסקית, כיוון שנפח כדור המתכת גדל.
צפו בסרטון הווידאו: https://www.youtube.com/watch?v=QNoE5IoRheQ

לפני חימום של הכדור, הוא עובר בקלות דרך הדסקית

אחרי חימום הכדור, הוא אינו עובר דרך הדסקית

התמונות נלקחו מסרטון הווידאו: https://www.youtube.com/watch?v=QNoE5IoRheQ

כאשר נחמם אוויר בתוך כדור פורח, נפח האוויר גדל ומנפח את הכדור.

חימום האוויר בתוך הבלון

במדחום כספית, נפח הכספית יגדל כאשר החום יעלה, ולכן גובה הכספית יעלה, ככל שהחום יהיה גבוה יותר.

יוצאי דופן מבחינה זו הם המים.

במשימה הנוכחית, נרצה לבחון את הקשר בין נפח המים והטמפרטורה שלהם.

1. בעיית מטרה 1

לפניכם גרף המתאר את התלות בין צפיפות של מים מתוקים לטמפרטורה של המים,
וכן את התלות בין צפיפות של קרח לטמפרטורה של הקרח.

צפיפות החומר – היא המסה שלו ליחידת נפח.

 \(תופיפצ=\Large\frac{הסמ}{חפנ}\)

בתשובות מספריות לבעיות הבאות עליכם לתת תשובות סופיות בדיוק של 3 ספרות אחרי הנקודה העשרונית.

  1. צפיפות 1 ק"ג מים מתוקים ב- \(0^{\circ}C\) היא 999.87 ק"ג/מ"ק. ב- \(0^{\circ}C\) המים קופאים והופכים לקרח.
    א1. מי גדול יותר: נפח המים ב- \(0^{\circ}C\), או נפח הקרח ב- \(0^{\circ}C\)? נמקו.
    א2. כאשר המים קופאים, בכמה סמ"ק משתנה הנפח של 1 ק"ג מים?
  2. היעזרו בגרף הנתון ובנוסחת הצפיפות,
    ב1. תארו במילים את השתנות הנפח של 1 ק"ג מים מתוקים כאשר מחממים אותם מ- \(0^{\circ}C\) עד ל- \(14^{\circ}C\).
    ב2. הסבירו מדוע המים יוצאי דופן מבחינת השתנות נפח המים, כתלות בטמפרטורה. פרטו ונמקו תשובתכם. 
  3. תארו במילים את השתנות הנפח של 1 ק"ג קרח, כאשר מחממים אותו מ- \(-4^{\circ}C\) עד ל- \(0^{\circ}C\).

הערה: שימו לב לסימון \(\approx\) המציין "קפיצה" בערכי הצפיפות,
בין 917.4 לבין 998.4, שפירושה שקנה המידה אינו אחיד.

(ניתן ללחוץ על התמונה ולהגדיל אותה)

מבנה האשכול

  • 1. בעיית מטרה 1
    • 1.1 מדרגה 1
    • 1.2 מדרגה 2
    • 1.3 מדרגה 3
  • 2. בעיית מטרה 2
  • 3. מה עוד אפשר לשאול?