FIZIKA Htan Balthazr Zsolt Apor Vilmos Katolikus Fiskola

FIZIKA Hőtan Balthazár Zsolt Apor Vilmos Katolikus Főiskola 1

Alapfogalmak — 1 A 19. század folyamán sikerült igazolni, hogy • a hő energia • zárt rendszerben érvényes az energiamegmaradás törvénye • körfolyamatban a hőt nem lehet teljes egészében más energiafajtává alakítani • a hő rendezetlen mozgási energia 2

Alapfogalmak — 2 Mit ismertek? • Hőtágulás, gázok és folyadékok hőtágulása · innen jön a higanyos hőmérő • Hőerőgépek hatásfokkorlátja: S. Carnot 1821: · nem oldható meg a 100%-os hatásfok • R. Mayer 1841: energiamegmaradás törvénye · a cikket nem akarta a szaksajtó közölni! 3

Alapfogalmak — 3 • • Hőtágulás Legnagyobb a gázoké, a folyadékoké közepes, legkisebb a szilárd testeké A víz rendhagyó viselkedése Szilárd testeknél általában a térfogat nő, az alak (arányok) nem változnak Készítsünk hőmérőt? Mi kell hozzá? 4

5

6

Egy szokatlan hőmérő • A folyadék fajsúlya függ a hőmérséklettől. Az üveggömbök fajsúly szerint úsznak vagy elmerülnek. Alkalmas folyadékkal és üveggömbbel hőmérő készíthető. 7

Alapfogalmak — 4 Hőmennyiség • Csak két állapot közötti energiakülönbséget tudjuk megállapítani • Fajhő: az a hőmennyiség, amelynek befektetésével 1 g anyag hőmérséklete 1 o. Cszal emelkedik • Gázoknál más az állandó nyomáson és az állandó térfogaton mért fajhő 8

Hőtan 1. főtétele A hő energia. Zárt rendszerben érvényes az energiamegmaradás törvénye. Következmények: • A rendszer energiaváltozása egyenlő a munkavégzés és a hőleadás-felvétel összegével • Nem lehet olyan gépet készíteni, amely több energiát termel, mint fogyaszt 9

Hőtan 2. főtétele Hő önként csak a melegebb helyről terjed a hidegebb helyre Következmények: • Nem lehet olyan gépet szerkeszteni, amely egyetlen hőtartályt használva a hőt munkává tudja alakítani, két különböző hőmérsékletű tartályra van szükség • Két hőtartályos rendszerrel viszont nem lehet a hőt teljes egészében munkává alakítani 10

Hőtan 3. főtétele A 0 K hőmérséklet nem érhető el. Következmények: • A 2. főtételt nem lehet úgy megkerülni, hogy a második hőtartály 0 K hőmérsékletű legyen • 0 K-en is végeznek a részecskék rezgőmozgást, ezt azonban nem lehet megszüntetni 11

Clausius-féle hőhalál elmélet Minden energiaváltozás során keletkezik hő. Ha a hőt munkává alakítjuk, a felhasznált hő egy része alacsonyabb hőmérsékletre kerül. Idővel minden energiafajta hővé alakul, de nem lesz hőmérsékletkülönbség, hogy a hőt munkává lehessen alakítani. Ekkor semmiféle változás nem lehetséges: ez a halál. „Míg minden megtelt, míg minden kihűlt, és megmarad a semleges salak. ” (Madách) 12

… és miért nem? • A Világegyetemről nem tudjuk eldönteni, hogy az nyitott vagy zárt rendszer • A 2. főtételt tapasztalati alapon állítja a fizika, ezeket a tapasztalatokat viszont csak a Világegyetem egészen kis részén gyűjtötte össze • Nem ismerjük azokat a folyamatokat, amelyek a Világegyetemben szélsőséges körülmények között játszódnak le 13

Az anyagi halmazok állapota — 1 Gázok: · nincs alakjuk, térfogatuk · a molekulák rugalmasan ütköznek egymással és a határoló fallal nincsen más kölcsönhatás · a gázmolekulák sebessége az anyagi minőségtől és a hőmérséklettől függ · óriásiak a sebességkülönbségek adott állapotú gázban is 14

Az anyagi halmazok állapota — 2 Folyadékok · Térfogatuk van, alakjuk nincsen · A részecskék között jelentős erők működnek, de a hőmozgás megakadályozza a részecskék rácsponthoz rögzítését · Rendezett zónák keletkeznek és esnek szét igen rövid idő alatt 15

Az anyagi halmazok állapota — 3 Szilárd anyagok · Határozott alakjuk és térfogatuk van · A legtöbb szilárd anyagnak kristályszerkezete van, de soknak nincsen (üveg, fa, főtt tojás) · Nem minden szilárd test egyben merev test is! · Nem minden anyagnak létezik mindhárom állapota! Ezt a kémiai szerkezet szabja meg 16

Halmazok átalakulása — 1 Gázokból • Folyadék: lecsapódás, kondenzáció. Felhőképződés. Köd. Csapadék: harmat. Bepárásodó hideg felületek. Harmatpont • Szilárd: viszonylag ritka: csapadék esetén zúzmara 17

Halmazok átalakulása — 2 Folyadékokból • Gázok: párolgás, forrás. Szerepe a víz globális körforgásában. A forrás hőmérséklete nyomásfüggő. Gyakorlati alkalmazás: kukta • Szilárd: fagyás. Víz a megszokottól eltérő viselkedése: téli víztelenítés, úszó jéghegy. Csapadékformák: megfagyó harmat a dér 18

19

Halmazok átalakulása — 3 Szilárd anyagokból • Gázok: szublimáció. Olvadás nélkül „eltűnik” a jég. Kámfor, mentol • Folyadékok: olvadás. A víz szokatlan viselkedése: nyomás növekedésére a jég megolvad. Korcsolya 20

Zuzmara • A levegő és a környezet 0ºC alá hűlt. A levegő hőmérséklete tovább csökkent, a harmatpont alá. A víz gáz állapotból szilárd állapotúvá vált. 21

Hőátadás • Sugárzással. Így melegíti a Földet a Nap. Nem kell közeg hozzá • Hővezetéssel. Az anyagot felépítő részecskék egymásnak adják át a rendezetlen mozgási energiát, helyváltoztatás nélkül. • Áramlással. Folyadékokban és gázokban áramlással terjed a hő. 22

Hővezetés • Jó hővezetők: főleg a fémek, ezekben a hővezetést az elektronfelhő biztosítja (ezek többnyire jó elektromos vezetők is) • Hőszigetelők: ha a gázbuborék kicsi, nem jön létre áramlás. Ezért a szivacsos szerkezetű anyagok jó hőszigetelők. • Réteges öltözködés: jobb hőszigetelés is! 23

Levest főzünk • Az edény fala vezeti a hőt, ez jó, mert különben hideg marad a leves • A kezünkhöz azonban ne vezesse, mert ez égési sérüléshez vezet 24

25

Ellenőrző kérdések — 1 • Miért nem fagy be a Balaton soha fenékig? • Ha a gáz kitölti a teret (ha módja van a vákuumot, ) miért van a Földnek légköre? • Mitől függ a hőmérő érzékenysége? (Érzékenység: minél kisebb hőmérsékletkülönbség mérési lehetősége. ) • Hogyan működik és mire használják a bimetált? 26

Ellenőrző kérdések — 2 • Télen vagy nyáron nagyobb a vonat gördülési zaja? • Miért van a távhővezetéken alakú szakasz? • Miért nincsen alumíniumbeton? • Miért árulnak külön fagyálló járólapot az építőanyag-kereskedésben? 27