A gázok rendezetlen hőmozgást végző részecskékből állnak. A Brown-mozgás a porszemek, virágporok és más apró testecskék rendezetlen mozgása. Ezt az atomi részecskék rendezetlen mozgásának következményeként értelmezzük. A folyadékok és gázok spontán elkeveredése, diffúziója szintén a részecskék hőmozgásával értelmezhető.

A gázrészecskék rendezetlen hőmozgásuk során rugalmasan ütköznek egymással és az edény falával. A sebességváltozás lendületváltozást is jelent, amely erőhatást eredményez az ütköző részecske és a fal között. Ezt az erőhatást nyomásként érzékeljük. A részecskék által kifejtett nyomás függ:  a részecskék sebességétől,  a részecskék számától.

A gáz nyomása egyenesen arányos:  a részecskék térfogati sűrűségével (N/V),  a gáz abszolút hőmérsékletével (T).

Az izoterm ( T = állandó) állapotváltozásoknál a térfogatváltozással együttjáró részecskesűrűség megváltozása okozza a nyomás változását. Az izochor ( V = állandó) állapotváltozásoknál a részecskék rendezetlen hőmozgásának átlagos sebességváltozása okozza a gáz nyomásának változását. Az izobár ( p = állandó) állapotváltozásoknál a részecskesűrűség változását a hőmozgás átlagos sebességének változása egyenlíti ki, ezért marad állandó a gáz nyomása.

Az ideális gáz belső energiáját a részecskék rendezetlen mozgásából származó mozgási energiák összege adja. Az egy részecske egy szabadsági fokára jutó energia: Az N részecskéből álló gáz belső energiája: Szabadsági fokok: Egyatomos gáz:f=3 Kétatomos gáz:f=5 Többatomos gáz:f=6

41/1 Mekkora a belső energiája 1 molnyi normál állapotú egyatomos, illetve kétatomos gáznak? (R=8,314 J/mol·K) Válasz: Számolás: Képlet: Adatok: Az egyatomos gáz belső energiája: 3405 J A kétatomos gáz belső energiája: 5674 J

41/2 Becsüljük meg egy 4 m X 5 m X 3 m méretű szobában lévő levegő belső energiáját! Válasz: Számolás: Képlet: Adatok: A szoba levegőjének belső energiája: 15·10 6 J

41/4 Mennyivel változik meg 1 mol kétatomos ideális gáz belső energiája, ha hőmérséklete 3 K-nel növekszik? (R=8,3 J/mol·K) Válasz: Számolás: Képlet:Adatok: A gáz belső energiája 62,25 J-lal nő.

41/5 5 mol normál állapotú egyatomos ideális gáz belső energiája melegítés során 10%-kal nő. Mekkora a gáz hőmérséklete melegítés végén? Válasz: Számolás: Képlet:Adatok: A gáz hőmérséklete a melegítés végén: 27,3°C.

A gáz belső energiájának megváltozása egyenlő a gáznak termikus úton átadott Q hőmennyiség és a gázon végzett W mechanikai munka előjeles összegével: ΔE b =Q+W

Izobár állapotváltozásnál a gáz tágulási munkáját úgy számíthatjuk ki, hogy az állandó p nyomást megszorozzuk a ΔV térfogatváltozással: W=p ⋅ ΔV Izobár állapotváltozáskor a gáz egyidejűleg van környezetével termikus és mechanikai kölcsönhatásban. A gáz belső energiájának változását a gázzal közölt hőenergia és a térfogati munka együttesen idézi elő: ΔE b =Q−p ⋅ ΔV

Izochor állapotváltozáskor a térfogat állandóságából adódóan nincs térfogati munka. Izochor állapotváltozás során a gáz belső energiájának megváltozása: ΔE b =Q

Izoterm állapotváltozáskor a gáz hőmérséklete állandó. Így a gáz belső energiája nem változik. Izoterm állapotváltozás során a gáz belső energiájának megváltozása zérus, azaz: ΔE b =Q+W=0

Adiabatikus állapotváltozáskor a rendszer és a környezet között nincs hőcsere. Q=0 Adiabatikus állapotváltozás során a gáz belső energiájának megváltozása megegyezik a gázon végzett munkával: ΔE b =W

47/3 2 mol kétatomos, normál állapotú ideális gázt állandó nyomáson 27°C hőmérsékletre melegítünk. a)Mennyivel változott meg a gáz belső energiája? b)Mennyi hőt közöltünk a gázzal? Válasz: Számolás:Képlet: Adatok: A gáz belső energiája 1122 J-lal nőtt, a gázzal 1571 J hőt közöltünk.

47/4 Egyatomos gáz állandó nyomáson történő melegítése során a gáz 200 J tágulási munkát végzett. Mennyivel változott meg a gáz belső energiája? Mennyi hőt közöltünk a gázzal? Válasz: Számolás: Képlet: Adatok: A gázzal 500 J hőt közöltünk, belső energia 300 J-lal nőtt.

Kérdés:Miért fagy rá a kezünk a szénsavas patronra, amikor szódát készítünk? Kérdés:Előfordulhat-e, hogy egy gázt melegítünk (termikus kölcsönhatásban hőt kap), mégis lehűl? Válasz:Igen, abban az esetben, ha a folyamat közben a gáz több mechanikai munkát végez, mint amennyi hőt környezetétől kap. Ebben az esetben a hiányzó energiát a belső energiából fedezi, tehát lehűl. Válasz:A patronban nyomás alatt lévő szén-dioxid gáz van. Amikor szódát csinálunk, a gáz kiszabadul a patronból, kiterjed, és térfogati munkát végez. Ez a belső energia csökkenésével jár, a patron lehül.

Egy adott anyag fajhője megmutatja, hogy mekkora hőmennyiség felvételére vagy leadására van szükség ahhoz, hogy az 1 kg tömegű anyag hőmérséklete 1°C -kal változzon. A gázok fajhője nem csak az anyagi minőségtől, hanem a hőközlés módjától is függ. Izobár állapotváltozásoknál a gázok fajhője nagyobb, mint az izochor állapotváltozások esetén ( c p > c v ).

Kérdés:A tenger partvidékén sokkal kisebb a téli és a nyári hőmérséklet közötti ingadozás, mint kontinentális éghajlati viszonyok között. Miért? Kérdés:Egy szoba szellőztetése során hogyan változik meg a szoba levegőjének, és a szobában lévő szilárd anyagok és folyadékok belső energiája? Válasz:Mivel a p·V szorzat állandó a szobában lévő levegő belső energiája nem változik. A szoba tárgyainak belsőenergia- csökkenését a szobából távozó levegő viszi magával. Válasz:A víz fajhője sokkal nagyobb, mint a talajé, ezért lassabban melegszik fel, de lassabban is hűl le. Nyáron a lassabban melegedő víz a tengerpart környékén hűti, télen pedig a lassúbb lehűlés miatt melegíti a levegőt.

- Jean, hány fok van idebent? - 18 fok, uram. - És odakint? - 2 fok uram. - Jean, akkor legyen szíves nyissa ki az ablakot, és engedje be azt a két fokot is!

A mechanikai energia teljes egészében belső energiává alakulhat, belső energia nem alakulhat vissza teljes egészében mechanikai energiává. Termikus kölcsönhatás során mindig a melegebb test ad át energiát a hidegebb testnek. Az energiacsere folyamatának ez az iránya – magától, külső beavatkozás nélkül – nem megfordítható.

A hőtan második főtétele szerint másodfajú perpetuum mobile nem készíthető. A hőerőgépek energia- átalakító berendezések, a termikus energiát alakítják át mechanikai energiává. Hatásfokuk attól függ, hogy a bemenő energia hányad része válik hasznosíthatóvá. A gép Q M hőt vesz fel a kazánból és Q A hőt ad le a hűtőnek. A végzett hasznos munka: W=Q M -Q A A gép hatásfoka:

Kérdés:A hűtőszekrényt nem szabad szorosan a fal mellé állítani – a faltól legalább 5 cm-es távolságban kell elhelyezni. Nem célszerű éléskamrában sem üzemeltetni. Miért? Kérdés:A légkondicionáló berendezéseket az épületek külső falán helyezik el. Miért nem az épületen belül szerelik fel a légkondicionáló berendezéseket? Válasz:A légkondicionáló berendezés úgy működik, mint egy hűtőszekrény. Munkavégzés árán energiát von el belülről, de ennél több hőt ad át a külső környezetnek. Ha a hőt az épületen belül adná le, akkor nem hűtene, hanem fűtene! Válasz:A hűtőszekrény a hűtőtérből hőt von el, és ezt környezetének adja át, tehát fűt. A fűtőhatás miatt nem ajánlatos éléskamrában tartani, és utat kell hagyni a hűtőbordákról a meleg levegő távozásának.

 A szilárd, kristályos anyagok részecskéi szabályos kristályrácsban helyezkednek el.  A szomszédos részecskék között erős molekuláris vonzóerők működnek.  A szilárd testek részecskéi helyhez kötött rezgőmozgást végeznek.

Ha a szilárd testek melegítésekor a hőmérséklet eléri az olvadáspontot, akkor a részecskék egyre fokozódó rezgőmozgásának következtében a kristályrács összeomlik. A kristályos szerkezet megszűnik, a szilárd test megolvad. A test folyékony halmazállapotú lesz. A folyadékokban a részecskék között gyengébb, vonzó jellegű kohéziós erők működnek, amelyek lehetővé teszik, hogy a részecskék egymáshoz képest rendezetlenül elmozduljanak.

Párolgáskor és forráskor egyes folyadék részecskék képesek legyőzni az összetartó kohéziós erőt, és kilépnek a folyadékból. A részecskék közötti vonzó kölcsönhatás megszűnik. A gázrészecskék szabadon röpködnek. Rugalmasan ütköznek egymással, rendezetlen mozgásuk során betöltik a rendelkezésükre álló teret.

Energiabefektetést igénylő átmenetek:  olvadás (szilárd ⇒ cseppfolyós),  párolgás, forrás (folyékony ⇒ légnemű),  szublimáció (szilárd ⇒ légnemű). Energiafelszabadulással járó átmenetek:  lecsapódás (légnemű ⇒ cseppfolyós),  fagyás (cseppfolyós ⇒ szilárd),  kristályosodás (légnemű ⇒ szilárd átmenet). A halmazállapot- változások az energiacsere iránya szerint két csoportba sorolhatók:

Olvadáspont (fagyáspont): az a hőmérsékleti pont, amelyen az olvadás és a fagyás folyamata végbemegy. Az olvadáspont függ az anyagi minőségtől és a külső nyomástól. Az m tömegű test megolvadásakor felvett vagy megfagyásakor leadott hőmennyiséget a Q=L o ⋅ m összefüggéssel számíthatjuk ki. Az L o az olvadáshő vagy fagyáshő, mértékegysége: J/kg).

Forráspont: az a hőmérsékleti pont, amelyen a forrás folyamata végbemegy. A forráspont függ az anyagi minőségtől és a külső nyomástól. Az m tömegű folyadék elforralásához szükséges hőmennyiséget a Q=L f ⋅ m összefüggéssel számíthatjuk ki, ahol L f a forráshő, mértékegysége: J/kg).

Kérdés:Hogyan gyorsíthatjuk meg a vizes ruha száradását? Kérdés:Miért csúszik a korcsolya a jégen és a síléc a havon? Válasz:A sítalpak és a korcsolya csúszását a csúszó felület és a hó vagy a jég között képződő vékony, megolvadt vízrétegnek köszönhetjük. A vízréteg elsősorban a súrlódásban felszabaduló hő hatására alakul ki, amit még a megnövekedett nyomás is elősegít. Válasz:  Kiterítjük, hogy nagyobb legyen a felülete.  Szabadban szárítjuk, hogy a szél elfújja a párát.  Napon szárítjuk, mert melegben gyorsabban szárad.

56/5 Egy termoszban lévő 400 g tömegű, 25°C hőmérsékletű vízbe 100 g tömegű olvadó jeget teszünk, majd a termoszt lezárjuk. Elolvad-e a termoszban a jég? Ha nem olvad el a jég, akkor mennyi marad belőle? Ha elolvad, akkor mekkora lesz a termoszban lévő víz hőmérséklete? Válasz: Számolás: Képlet: Adatok: A jég elolvad, a termoszban 4,05 °C hőmérsékletű víz marad.

56/6 Hőszigetelt edényben 400 g tömegű olvadó jég található. A jégre 100 g tömegű 100°C hőmérsékletű gőzt engedünk, majd az edényt lezárjuk. Termikus egyensúly kialakulása után mennyi lesz a hőmérséklet a termoszban? Válasz: Számolás: Képlet: Adatok: Az edényben 63,6°C hőmérsékletű víz marad.