חום (פיזיקה)

חום הוא אנרגיה תרמית שמועברת בין מערכות בגלל הפרשי טמפרטורות.

מעבר החום יכול להתרחש בשלוש דרכים עיקריות: הולכה (העברה דרך מגע ישיר), הסעה (תנועה של חומר, למשל זרימת אוויר) וקרינה (אנרגיה נישאת בגלים, כמו בחימום בעזרת לייזר). התחום שעוסק בכך נקרא תרמודינמיקה.

ברמת החלקיקים, חום נובע מאינטראקציות רבות בין חלקיקים מיקרוסקופיים. כשאנרגיה עוברת כתוצאה מאינטראקציות אלה, קוראים לה "חום". חשוב להבחין בין חום וטמפרטורה: טמפרטורה מודדת כמה חם או קר חומר, והיא קובעת את כיוון מעבר החום. החום עצמו הוא האנרגיה שעוברת מגוף חם לגוף קר.

לפי החוק הראשון של התרמודינמיקה יש שתי אפשרויות להעברת אנרגיה בין מערכות: האחת, ניתנת לזהותה כעבודה פיזיקלית, כמו דחיסה מכנית או עבודה חשמלית. השנייה, האנרגיה עוברת בגלל אינטראקציות מיקרוסקופיות, ובמקרה הזה מדובר במעבר חום.

כאשר אנרגיה נמצאת בתוך מערכת, אין הבדל מטעמי מצב סופי אם היא הגיעה בעבודה או בחום. לכן אי אפשר "לאחסן" כמות חום במערכת כמשתנה מצב עצמאי. חום הוא תמיד מעבר, ולא פונקציה של מצב.

חום וטמפרטורה אינם זהים. טמפרטורה מדרגת גופים וקובעת את כיוון הזרימה. חום הוא האנרגיה שעוברת כאמור. כמות חום זהה יכולה לשנות טמפרטורות של חומרים שונים בצורה שונה. לדוגמה, למים יש קיבול חום (הכמות של אנרגיה שדרושה להעלות טמפרטורת יחידת מסה), ולכן מים דורשים יותר אנרגיה מהשמן כדי להגיע לאותה טמפרטורה.

החוק הראשון של התרמודינמיקה מקשר שינוי באנרגיה הפנימית של מערכת (ΔU) לחום שנכנס אליה (Q) ולעבודה שהמערכת מבצעת (W):
ΔU = Q - W

חום נמדד ביחידות אנרגיה, כגון ג'אול או קלוריות. מעלות צלזיוס וקלווין משמשות למדידת טמפרטורה, ולא למדידת חום.

כאשר עבודה מכנית נעלמת, למשל בחיכוך, האנרגיה עוברת לדרגות החופש המיקרוסקופיות של החומר. נהוג להשתמש גם במונח "תרמליזציה" כדי לתאר מעבר זה של אנרגיה לצורות מיקרוסקופיות.

קבוע בולצמן מקשר בין אנרגיה של חלקיק לטמפרטורה של חומר ממנו הוא מורכב. עבור מימן, בהנחה שיחידת המהירות היא מהירות האור, מתקבלת טמפרטורה תיאורטית של סדר גודל 10^13 מעלות. בעבור חלקיקים כבדים מאוד, ובהנחה של מסת פלאנק (מסת פלאנק היא מסת יחידת יסוד תיאורטית), החישוב מוביל לטמפרטורה סדר גודל 10^32 מעלות, הגבול העליון התיאורטי לטמפרטורה, שנקרא טמפרטורת פלאנק.

חום זה אנרגיה שעוברת כשיש הבדל בטמפרטורה. הבדל טמפרטורה זו אומר שמקום אחד חם יותר מאחר.

יש שלוש דרכים להעברת חום: הולכה (העברה דרך מגע), הסעה (תנועה של חומר, כמו אוויר שזורם), וקרינה (אנרגיה שעוברת בגלים, לדוגמה בלייזר).

חום וזה לא אותו דבר כמו טמפרטורה. טמפרטורה מודדת כמה חם משהו. חום הוא מה שעובר בין שני דברים.

אפשר לחמם חומר בשתי דרכים: בעבודה מכנית (לחץ או דחיסה) או על ידי העברת חום. התוצאה הסופית יכולה להיות זהה.

חומר שונה צריך אנרגיה שונה כדי להתחמם. זה נקרא קיבול חום. למשל, מים צריכים יותר אנרגיה מהשמן כדי להתחמם באותה מידה. לכן שמן מתחמם מהר יותר מאש זהה.

חום נמדד ביחידות של אנרגיה, כמו ג'אול וקלוריות. טמפרטורה נמדדת במעלות, כמו צלזיוס וקלווין.

יש גם רעיון של טמפרטורה תיאורטית מקסימלית. עבור מימן זה בערך 10,000,000,000,000 מעלות. עבור חלקיקים תיאורטיים כבדים מאוד יש גבול עוד גבוה יותר, שנקרא טמפרטורת פלאנק.