ניסויים בדינמיקה תרמית לילדים

דינמיקה תרמית, הנקראת גם תרמודינמיקה, היא תהליך האופן בו מועבר חום מאזור אחד לאחר. חום הוא סוג של אנרגיה, כלומר העברת חום היא למעשה העברת אנרגיה. מסיבה זו, חקר התרמודינמיקה הוא למעשה המחקר כיצד ומדוע אנרגיה נעה פנימה והחוצה ממערכות. ישנם מגוון ניסויים שונים שיכולים להיות יעילים בהסבר לילדים על התרמודינמיקה.

לפני שעורכים ניסויים, ילדים צריכים קודם כל להבין את שלושת החוקים של התרמודינמיקה. החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע כי כל שינוי באנרגיה הפנימית של המערכת שווה למערכת פחות העבודה שנעשתה על ידי המערכת. החוק השני קובע שלעולם לא ניתן להעביר חום מגוף קר לגוף חם יותר. החוק השלישי של התרמודינמיקה מתייחס למצב האנטרופיה, או האקראיות, שבה מערכת, כשהיא מתקרבת לטמפרטורה של אפס מוחלט, נאלצת לשאוב אנרגיה ממערכות סמוכות אחרות; עם זאת, מכיוון שהיא שואבת אנרגיה ממערכות אלה, היא לעולם לא תגיע לאפס מוחלט, מה שהופך את החוק השלישי של התרמודינמיקה לבלתי אפשרי פיזית.

ניסוי מהנה וטעים שילדים יכולים לבצע הוא להכין גלידה תוצרת בית באמצעות מתכון שנמצא באתר מועדון הילדים של קלווין (zapatopi.net/kelvin/kidsclub). על ידי ביצוע המתכון, ילדים יראו כיצד אנרגיית החום בתערובת הגלידה זורמת לתמיסת מלח, שהייתה טמפרטורה קרה יותר בגלל המלח שנוסף כדי להוריד את הטמפרטורה שלו, עד שגם הגלידה וגם המלח היו זהים טֶמפֶּרָטוּרָה. חום הגוף החם הועבר לגוף הקר יותר עד ששניהם הפכו לאותה הטמפרטורה, ובכך הוכיח את החוק השני של התרמודינמיקה.

ניסוי זה בוחן מדוע סיר מים רותחים מפסיק לפתע לרתוח כשמניחים בו קוביית קרח. מחממים סיר מים על הכיריים עד שהוא מגיע לרתיחה מתמדת, ואז מניחים כמה קוביות קרח בסיר; המים יפסיקו מיד לרתוח. ניסוי זה גם מוכיח את החוק השני של התרמודינמיקה, המדגים כי החום מהבערה תמיד יזרום לאובייקט הקר ביותר בסיר, שהוא במקרה הזה הקרח. לכן החום מהבערה מפסיק להרתיח את המים מכיוון שהוא פועל במקום כדי להמיס את הקרח המוצק ולהפוך למים.

ניסויים נוספים המתאימים לילדים הכוללים תרמודינמיקה ניתן למצוא בספרו של פיטר ברנהאם "מדע הבישול". ברנהאם, פרופסור באוניברסיטת בריסטול, בריטניה, מסביר כיצד הכנת אוכל וארוחות בישול כרוכות בתרמודינמיקה עקרונות. בספר, ברנהאם מתעמק בכימיה של מזונות, דן כיצד זה תורם לטעם של אוכל מסוים. ברנהאם בוחן גם את תפקידה של התרמודינמיקה בבישול, כאשר ברוב הפרקים יש ניסוי מבוסס אוכל שילדים יכולים לערוך.