קומקום חשמלי הוא חלק בלתי נפרד משגרת הבוקר שלנו. הוא מחמם את המים על ידי ניצול אנרגייה חשמלית, ובעזרת מנגנון פשוט להחריד ומעניין להפליא הוא יודע בדיוק מתי לעצור את החימום, ואנחנו זוכים ליהנות מכוס קפה רותחת.

כבר סיפרנו לכם בעבר על אופן הפעולה של קומקום, איך הוא מחמם את המים [1], ומה גורם לרעש המוכר של פעפוע המים [2]. אבל איך יודע הקומקום מתי להפסיק לפעול? התשובה לכך היא פשוטה לכאורה - כאשר המים רותחים הוא נכבה. רגע רגע, אבל איך הקומקום מזהה את הרתיחה? פה אנחנו מתחילים קצת להסתבך.

הקומקום המסורתי, שאותו מניחים על אש גלויה, מכיל משרוקית אדים - פיה צרה, שכאשר מצטברים אדים בלחץ גבוה מספיק בתוך הקומקום, הם פורצים דרכה החוצה בקול שריקה חזקה. כהערת אגב נוסיף שמי שהשתמש בקומקום שורק בזמן שהתינוק שלו ישן, זכה מן הסתם לצווחות בכי שכנראה דחו את הקפה של הבוקר ובוודאי מנעו ממנו לחזור למיטה. שיטת הקומקום השורק מעניינת, כיוון שאנחנו כלל לא מודדים את טמפרטורת המים בקומקום, אלא מקבלים חיווי על לחץ האדים בתוכו. למזלנו, ניתן לתאר בצורה די פשוטה את הקשר בין לחץ של אדי מים לטמפרטורה שלהם, וכך ניתן להסתמך על לחץ אדי המים כדי לדעת שהמים רתחו. 

הקומקום המודרני מכיל גוף חימום חשמלי שמתחמם בעצמו לטמפרטורה גבוהה מאוד - הרבה מעבר לטמפרטורת הרתיחה של המים, ובכך מעביר חום למים, שבתורם יגיעו לרתיחה. כל עוד זורם זרם חשמלי בגוף החימום הוא ימשיך להתחמם. אם כך, אנחנו צריכים מנגנון שינתק את המעגל החשמלי ברגע שהמים יגיעו לטמפרטורה הרצויה. 

אפשרות אחת היא להשתמש באותו מנגנון שנמצא בתנור האפייה. בתוך חלל התנור נמצא רכיב קטן המורכב משני חלקי מתכת מסוגים שונים שצמודים זה לזה, הנקרא צמד תרמי [3] (Thermocouple). כשהתנור מתחמם נוצר מתח חשמלי בין שני חלקי הצמד התרמי. את המתח החשמלי ניתן למדוד ובעזרתו להעריך את הטמפרטורה. השיטה הזו מצריכה כמה התאמות על מנת להשתמש בתוך קומקום, בין היתר כדי להתמודד עם סביבה רטובה (בניגוד לחלל התנור), ובנוסף, נדרשים רכיבים אלקטרוניים נוספים שידעו למדוד את המתח ו"להחליט" האם לכבות את החימום. בגלל הקושי והמורכבות לא נוהגים להשתמש בשיטה זו בקומקום.

קיימת שיטה נוספת למדידת טמפרטורה וגם היא משתמשת בשתי מתכות צמודות. אבל קודם, בואו נדבר על תכונה מעניינת של חומרים, בפרט מתכות: הנפח שלהם גדל בעת החימום. אבל: בכמה יגדל הנפח? זה כבר תלוי בסוג המתכת. אנחנו נוהגים לתאר את מקדם ההתפשטות של כל חומר בתור היחס בין השינוי בנפח לשינוי הטמפרטורה. מה יקרה אם נחמם שתי מתכות צמודות זו לזו בעלות מקדם התפשטות שונה? לוקחים שתי פיסות מתכת דקות מאוד, בעובי נייר, צמודות זו לזו ובאותו אורך. אם אחת מהן תתארך והשנייה תישאר באותו אורך, נקבל כיפוף של שתי הפיסות וזאת כדי לשמור על הקצוות שלהן צמודים. זוהי דרך [4] להמיר שינוי בטמפרטורה לתנועה מכנית, ובאמצעות התנועה אפשר ללחוץ על מפסק שיפסיק את הזרם החשמלי בקומקום שלנו.

אז מצאנו מנגנון פשוט שיודע להפוך שינוי טמפרטורה להזזה של מפסק. אבל איפה נמקם את אותה דו־מתכת (Bimetal)? בתוך המים אין אפשרות כי לא נרצה שהמתכת תחליד, בכלל לערב חשמל ומים זה לא סבבה, וגם באיזה גובה נמקם את הדו־מתכת? הרי אנחנו רוצים שהקומקום יעבוד עבור כמויות שונות של מים.

אז איפה? גם כאן באים לעזרתנו אדי המים. כמו בקומקום המסורתי, אנחנו מתבססים על העובדה שמים רותחים יוצרים הרבה אדים, והם אפילו חמים, למרבה ההפתעה. בתוך הקומקום יש תעלה שמתחילה בחלק העליון של מיכל המים, ממשיכה לאורך הידית ויורדת לתחתית המיכל, ושם מחכה ידידנו הדו־מתכת. במהלך חימום המים נוצרים אדים, שהולכים ומתחממים ככל שטמפרטורת המים עולה. כאשר נוצרים מספיק אדים, הלחץ שלהם עולה והם מתחילים לזרום בתוך התעלה עד שהם פוגשים את הדו־מתכת. כאשר האדים חמים מספיק, הם מחממים את המתכות, הדו־מתכת מתעוותת, המפסק נלחץ והקומקום מפסיק לחמם. 

רוצים לבדוק אם זה המנגנון שיש בקומקום שלכם? יש שיטה פשוטה מאוד - תפעילו את הקומקום ותשאירו את המכסה פתוח. אם הקומקום לא מפסיק לפעול מעצמו - אז זו השיטה שעליה הוא מתבסס. בכך שהשארתם את המכסה פתוח, כל האדים בורחים החוצה ולא נכנסים לתעלה הייעודית (זהירות! לא להשאיר את הקומקום במצב הזה יותר מדי זמן כי כל המים יתאדו).

בפוסט זה תיארנו כמה שיטות למדידת טמפרטורה, בין היתר הצמד התרמי והדו־מתכת, המנצלות תכונות בסיסיות של חומרים כמו הופעה של מתח חשמלי כאשר הטמפרטורה עולה והתרחבות. נכון שדיברנו על הפעלת קומקומים ותנורי אפייה, אך מעניין לדעת שיש מגוון רחב מאוד של יישומים לשיטות האלו לצורך מדידה וחיווי של טמפרטורות בטווח רחב. כתבו לנו בתגובות על יישומים שאתם מכירים.

עריכה: גליה הלוי שדה

מקורות והרחבות

[1] איך לחמם מים במיקרו בצורה אחידה

[2] הסערה שלפני הקפה

[3] צמד תרמי (Thermocouple)

[4] דו־מתכת (Bimetal)