דף הבית

גוף וחומר: מושגי יסוד

 

תכונות חומרים

 

 מסה ונפח

 

צפיפות

 

הנדסת חומרים, תיכון ותכנון

 

חומרים טבעיים והנדסיים

 

חומרים: תועלת ומחיר סביבתי

 

 

 

 

תכונות חומרים

 

כפי שראינו כבר קודם, לחומרים שונים יש תכונות שונות. זו אחת הסיבות שבהזדמנויות מסוימות אנחנו בוחרים להשתמש בחומר מסוים ולא באחר, ובהזדמנויות אחרות אנחנו בוחרים להשתמש בחומרים אחרים.

מצבי צבירה

התכונה הראשונה של כל חומר הוא מצב הצבירה שלו. בשנה שעברה כבר למדתם על מצבי הצבירה השונים ולכן נחזור על החומר בקצרה.

1.      אילו שלושה מצבי צבירה אתם מכירים?

2.      מה גורם לחומר לעבור ממצב צבירה מוצק למצב צבירה נוזל?

3.      איך נגרום לחומר לעבור ממצב צבירה גז למצב צבירה נוזל?

 
 

   מים במצב צבירה מוצק- תמונה מהאזור הארקטי (הקוטב הצפוני).

בטבע אנחנו מכירים ארבעה מצבי צבירה. שלושה מהם מוכרים לכולנו והם המוצק, נוזל וגז. כל חומר יכול להיות בכל אחד משלושת מצבי הצבירה הללו. ישנם חומרים יוצאי דופן בודדים שעוברים ישירות ממצב צבירה מוצק לגז בתהליך שנקרא המראה (כגון יוד ופחמן דו חמצני). המעבר בין שלושת מצבי הצבירה תלוי בטמפרטורה, וחימום או קירור גורמים לחומר לעבור בין מצבי הצבירה השונים.

מצב הצבירה הרביעי נקרא "פלזמה" וזהו מצב של גז בעל מטען חשמלי (למרות שמדובר בגז, יקב המטען החשמלי מצב זה מוגדר כמצב צבירה בפני עצמו). לא נרחיב את הדיבור על מצב צבירה זה, אך נציין כי הוא על פני כדור הארץ הוא נדיר ולרוב נקבל אותו רק בתנאי מעבדה.  עם זאת , מרבית החומר ביקום נמצא במצב צבירה זה, כולל השמש שלנו וכוכבים רבים אחרים. גם הברק שאנחנו רואים בחורף הוא צורה של מצב צבירה פלזמה.

 

בפרקים הבאים נרחיב עוד יותר את הדיבור על מצבי הצבירה ועל הקשר שלהם למבנה החומר, אך נזכיר פה בקצרה שמצב הצבירה תלוי במרחק בין החלקיקים של החומר. היכן לדעתכם המרחק בין החלקיקים גדול יותר- במוצק, נוזל או גז? נמקו את תשובתכם. (רמז- איפה יותר קל להעביר יד- במוצק נוזל או גז? איפה יותר קל להגיע לרכבת, כשהתחנה ריקה מאנשים או כשיש הרבה מאד אנשים?).

מה הקשר בין הטמפרטורה למצב הצבירה? בתשובתכם, עליכם להתייחס למרחק בין חלקיקי החומר.

 

 

מוליכות חשמל

השכנים של מועדון ריקודים מסוים התלוננו על הרעש שבוקע מהמקום, בעיקר בשעות הלילה המאוחרות. בעל האולם והשכנים הגיעו להסכמה. בעל האולם יצפה את קירות המקום בחומרים מבודדים מיוחדים שיקטינו את הרעש הנפלט החוצה.

1.      האם לדעתכם, חומרים אלו הם מוליכי קול או מבודדים?

2.      מה משמעותו של המונח מבודד?

 

ישנם חומרים שאחת מהתכונות שלהם היא העברת אנרגיה. האנרגיה שהם מעבירים יכולה להיות מסוגים שונים כגון אנרגיה חשמלית, אנרגיית חום או אנרגיית קול, ועוד. חומרים אלה הם "מוליכים" של האנרגיה. מצד שני, ישנם חומרים שאינם מעבירים את האנרגיה (חשמל, חום, קול, וכו) והם למעשה "מבודדים".

מי שיש לו אחים קטנים בבית, יודע שההורים מאד נזהרים שהתינוקות לא יגיעו לשקע החשמלי, ושלא יתחבו חפצים לתוכו. מדוע לדעתכם יש מקום לדאגה של ההורים? בבתים מסוימים ההורים גם אוטמים את השקעים בעזרת פקקי פלסטיק. מדוע לדעתכם הפלסטיק הוא חומר טוב למניעת התחשמלות?

בדומה לזה, בעבר, מכשירי חשמל רבים כגון מאווררים, מצנמים (טוסטרים), מנורות שולחן ועוד, היו עשויים ממתכת. כיום הם עשויים מפלסטיק ורק חלקים מסוימים בתוכם עשויים ממתכת.  מה לדעתכם היא הסיבה לשינוי זה? אם התשובה לא ברורה לכם נסו לחשוב על השאלה הבאה- חוטי חשמל עשויים מחוטי נחושת מחופים (מכוסים) בפלסטיק. בזכות איזו תכונה, לדעתכם, בחרו בנחושת כדי להכין ממנה חוטי חשמל, ומה התכונה החשובה בפלסטיק שבו משתמשים לחיפוי (כיסוי) המתכת? אם גם כעת אינכם בטוחים בתשובתכם, קראו את הגדרה וענו על השאלה.

                

 לאחר שדנו בנושא המוליכות החשמלית, ננסה להגדיר אותה באופן ברור:

הגדרה: מוליכות חשמלית היא התכונה של חומר לאפשר לזרם חשמלי לעבור דרכו, או מידת היכולת של זרם חשמלי לעבור בחומר. בחומרים אלה המוליכות גבוהה וההתנגדות למעבר הזרם נמוכה. החומרים המוליכים שרובנו נפגשים איתם הם בעיקר מתכות ותמיסות. חומרים שאינם מעבירים זרם חשמלי או נקראים מבדדים (או מבודדים). במבדדים, ההתנגדות למעבר הזרם החשמלי גבוהה מאד.

 

נסכם את תכונה זו בניסוי וירטואלי מאתר אופק. תצטרכו לבדוק חומרים שונים ולראות מי מהם מוליך חשמל. נסו לשער, לפני הניסוי, מי מהחומרים מוליך חשמל ומי לא, ולאחר מכן בצעו את הניסוי לאישור או שלילת השערתכם. בתום הניסוי רדו להמשך העמוד וענו על השאלות.

 

מוליכות חום

ביום קר אנחנו לובשים מעיל. חישבו על הדוגמה של המועדון והחומר מבודד הרעש, וענו:

1.      האם מטרת המעיל היא להוליך חום או לבודד אותנו מהסביבה הקרה?

2.      מה קורה לחום שפולט הגוף שלנו- האם הוא עובר לצידו השני של המעיל או שהמעיל מונע מהחום לעבור לצד השני?

בדומה לתכונה של הולכת חשמל, אנחנו מתייחסים גם ליכולת של חומר להעביר חום, או אנרגיית חום. לדוגמה, כשאנחנו מכינים לעצמו קפה או תה חם, הצד החיצוני של הכוס שלנו מתחמם למרות שהוא לא בא במגע עם הנוזל החם. גם החלק העליון של הכפית בה השתמשנו מתחמם. האם לדעתכם זכוכית ממנה עשויה הכוס היא מוליכת חום או מבודדת?

הגדרה: היכולת של חומר להעביר את החום ממוקד החימום אל אזורים אחרים של הגוף, נקראת מוליכות חום. הולכת החום מעלה את החום בצד הקר ומורידה את החום בצד החם.

 

 

ניסוי בית: מלאו בבית שתי כוסות במים רותחים. כעת הכניסו לאחת כפית מתכת ולשנייה כפית פלסטיק או עץ. המתינו שתי דקות ואחזו בכפיות. מה ההבדל בחום של הכפיות? מה לדעתכם התכונה הבולטת של המתכת לעומת החומרים האחרים?

 התארגנו בקבוצות של ארבעה, הורידו למחשב את דף המשימה וענו עליו. שימו לב, זו משימה נושאת ציון. 

 

מגנטיות

יש מישהו שלא מכיר מגנט? מספיק להביט אל דלת המקרר. בבתים רבים דלת המקרר מכוסה במגנטים שונים ועליהם פרסומות וטלפונים של בעלי מקצוע שונים. אז איך נוצר המגנט? יש חומרים המסוגלים ליצור שדה מגנטי המושך או דוחה גופים שונים. למעשה, כל חומר יהיה מושפע מהשדה המגנטי, עם זאת, ההשפעה על רוב החומרים קטנה ואינה מורגשת. אנחנו כן יכולים לראות את ההשפעה של שדות מגנטיים עם ברזל וגופים המכילים ברזל. בהמשך השנה או בשנה הבאה, נלמד איך ניתן לנצל מגנט להפקת זרם חשמלי. בינתיים, כנסו לפעילות בנושא המגנט שנמצאת באתר אופק, ונסו לראות אם אתם יודעים מה נמשך למגנט ומה לא.

 

חוזק וקושי

נחשוב לרגע, שאנו מחזיקים ביד אחד ענף עץ עבה, וביד השנייה כוס זכוכית עבה. כעת נלחץ אותם אחד אל השני- האם העץ ישאיר סימן בזכוכית או הזכוכית תשאיר סימן בעץ? כעת נטיח אותם בעוצמה רבה זה בזה. האם העץ ישבר או שמא כוס הזכוכית תשבר? חשבו וענו- האם חוזק וקושי הם אותה התכונה? האם חומר שהוא קשה יותר יכול להיות חלש יותר מחומר אחר?

 

חוזק וקושי הן שתי תכונות שמאפיינות חומרים שונים, ולעיתים יש נטייה להתבלבל ביניהן. ננסה כעת להבהיר את ההבדל בין שתי תכונות אלה.

נדמיין לרגע שתי כוסות באותו העובי. אחת מנייר והשנייה מזכוכית, אשר שתיהן נופלות מהשיש במטבח. מה לדעתכם יקרה לכוס הזכוכית ומה יקרה לכוס הנייר? כעת נשתמש בפיסת זכוכית ובפיסת נייר כדי לחרוץ (לעשות חריץ) בעזרתן לוח עץ . איזה פיסה תהיה יעילה יותר לדעתכם?

 

יהלום נחשב לחומר הקשה ביותר בטבע (היהלום הוא בעל דרגה 10 בסולם מוז המציין את דרגת הקשיות של חומרים. בסולם זה לטלק יש דרגת קשיות של 1). למעשה, יהלום אפשר לחתוך רק עם יהלום אחר או עם קרן לייזר. משום כך, היהלום נמצא בשימוש רחב בתעשייה כחומר שמסוגל לחתוך ולנסר חומרים אחרים, ועם קצב השחיקה והבלייה הנמוך ביותר. גם זכוכית היא חומר קשה מאד ומעניין לדעת, שמשתמשים ביהלום כדי לחתוך זכוכית כי רוב החומרים האחרים אינם חותכים זכוכית. סכין ברזל לא יכולה לחתוך או אפילו לחרוץ (לעשות חריץ) זכוכית. מצד שני, אם הסכין תיפול על הרצפה שום דבר לא יקרה, אך זכוכית שנופלת מגובה לא רב תתנפץ לרסיסים. בדומה לזאת, רסיס זכוכית יכול לחרוץ עץ, אך עץ לא יכול לחרוץ זכוכית. מצד שני, כשמכים עם פטיש על עץ נוצר שקע קטן והזכוכית תתנפץ.

 

מתוך הקטע שקראתם- מה תוכלו להסיק לגבי קושי וחוזק? מה דומה ומה שונה בין שני המונחים?

        

 

 

דוגמה נוספת לשוני בין חוזק לקושי אפשר לקבל מקורי העכביש. קורי העכביש הם למעשה חוטי משי עשויים מחלבון אותו מייצר גופם של העכבישים. בבדיקות מעבדה התברר כי קורי העכביש חזקים מחוט פלדה בעובי דומה. כלומר, הקורים יכולים לשאת משא גדול יותר מחוטי הפלדה. מצד שני, הפלדה יותר קשה בעוד קורי העכביש הם רכים למגע. המסקנה היא, שלא תמיד חומר קשה הוא גם חומר חזק.

                   

 

תוכלו כעת להגדיר לבד מהי קשיות ומהו חוזק של חומרים?

 

אלסטיות ופלסטיות

קחו כדור פלסטלינה (או כדור ממסטיק), החזיקו אותו בגובה המותן שלכם, ותנו לו ליפול. כעת חזרו על הפעולה עם כדור טניס.

מה ההבדל העיקרי שאנחנו יכולים לראות בין שני המקרים? האם תוכלו לזרוק את כדור הפלסטלינה בכוח אל הרצפה כך שהוא יחזור אליכם?

 

הגדרה: אלסטיות היא תכונה שמאפשרת לחומר לחזור לצורתו המקורית לאחר שהופעל עליו כוח חיצוני כמו כיפוף או מעיכה. פלסטיות היא התכונה ההפוכה- היכולת של חומר לקבל צורה חדשה בהתאם לכוח חיצוני שהופעל עליו.

 

לאחר שקראתם את ההגדרה, חישבו וענו- האם פלסטיק הוא פלסטי או אלסטי?

הציעו ניסוי לבדיקת האלסטיות והפלסטיות של שני גופים נוספים.

 
 

אלסטיות-העשרה: עד להופעת כלי הנשק מבוססי אבק השריפה, השתמשו הצבאות השונים בכלי נשק מבוססי חבל. בעוד שאבק השריפה מעיף את הכדור או הפגז באמצעות לחץ גזים, הבליסטרה עובדת על שחרור מהיר של חבל מתוח. את החבל היו מותחים מספר חיילים עד לנקודה המירבית. לאחר מכן היו מניחים אבן בכף זרוע הבליסטרה, וכשהיו משחררים את המנוף, החבל היה משתחרר בבת אחת, מסובב את הזרוע ומעיף את האבן.

 

 

 

למעשה, יש הרבה מאד תכונות של חומרים שונים ולכן לא נוכל לפרט את כל התכונות כאן. נזכיר בקצרה מספר תכונות נוספות:

מסיסות

מסיסות היא היכולת של חומר (מומס) להתפרק כך ושל חלקיקיו להיפרד זה מזה ולהיכנס בין חלקיקי חומר אחר (הממס). ממסים שונים יכולים להמיס חומרים שונים וחומר שמתמוסס בממס אחד, לא בהכרח יתמוסס בממס אחר. לדוגמה- מים יכולים להמיס מלח או סוכר אך לא שומנים,  בעוד שאצטון, אך לא מים, יכול להמיס לק לציפורניים או שומנים.

ניסוי בית: קחו בביתכם שתי כוסות מים ריקות. כעת הוסיפו לכל אחת שתי כפיות מים. לראשונה הוסיפו שתי קוביות קרח ואז מלאו אותה מים. בחשו את המים ומידדו את הזמן שעבר עד שהסוכר כולו יתמוסס ויעלם. כעת מזגו מים רותחים לכוס השניה ובחשו את המים. כמה זמן לקח הפעם לכל הסוכר להתמוסס ולהעלם? מה מסקנתכם מהניסוי? 

 

ציפה

היכולת של חומר אחד להתרומם ולצוף מעל חומר אחר. ברזל שוקע במים, אך עץ יכול לצוף על מים. גם קלקר צף על פני המים. מים חמים צפים על פני מים קרים. יכולת הציפה של חומר מסוים תלויה בצפיפות החלקיקים שלו. ככל שהחלקיקים של חומר צפופים יותר והחומר מרוכז יותר, היכולת שלו לצוף על פני נוזלים שונים נמוכה יותר.

בהתאם למה שקראתם, אם עץ צף על פני המים, האם צפיפותו גבוהה או נמוכה משל המים? ובהמשך לתשובתכם, חשבו וכתבו- קוביות קרח צפות בכוס מים. האם לדעתכם צפיפות הקרח גבוהה או נמוכה משל צפיפות המים מהם הוא נוצר? אם כך, מה קורה לחלקיקים של המים בזמן שהם עוברים ממצב צבירה נוזלי למצב צמרה מוצק (קרח).

 

שקיפות וברק

היכולת של חומר להעביר דרכו קרני אור, או אנרגיית אור. כלומר, אם נסתכל מצד אחד של החומר נוכל לראות דברים שנמצאים בצד השני שלו. מכירים חומרים כאלו? למה הם משמשים?

ברק היא התכונה ההפוכה לשקיפות. זו היכולת של חומר להחזיר אור שמוקרן עליו.

 

דליקות

היכולת של חומר לבעור. לחומרים שיכולים לבעור ולשחרר אנרגיית חום אנו קוראים חומרי דלק. אילו חומרי דלק אתם מכירים?

בעירה תלויה בשלושה גורמים. נוכחות חומר דלק (חומר בעירה), נוכחות חמצן, וחום.

 

תכונות נוספות הן טעם, צבע, ריח, מוליכות למחצה, ועוד ועוד. למעשה, לחומרים שונים יש אין ספור תכונות ואם נבחן את עולם החומרים נוכל למצוא תכונות רבות ונוספות שאינן מוזכרות כאן.

לאחר שהבנו שלכל חומר יש תכונות רבות ושונות, והשימוש בו נעשה לפי התאמת התכונות לצורך, כנסו לדף העבודה, ועבדו לפי ההוראות.

 

סיכום

1.      לחומרים שונים יש תכונות שונות.

2.      לחומר מסוים יכולות להיות תכונות רבות ושונות.

3.      האדם מנצל לשימושיו חומרים שונים בהתאם לתכונותיהם השונות.

4.      במקרים מסוימים האדם גם מפתח חומרים חדשים בעלי תכונות המתאימות לצרכיו.

 

כעת זה הזמן לעבור לדף הבא שבו נלמד על מסה ונפח.