Komplex természettudomány 9.évfolyam Hőtan I.-alapok, hőtágulás, gáztörvények Komplex természettudomány 9.évfolyam

1. Alapok Fizikai szempontból : A hőmérséklet az anyagok egyik fizikai jellemzője, állapothatározó. E jellemzőt az ember elsősorban tapintás útján,a hőérzettel észleli. Meghatározása hőmérő segítségével történik. Fizikai szempontból : a hőmérséklet az anyagot felépítő részecskék átlagos mozgási energiájával kapcsolatos mennyiség. A Celsius skála A hőmérsékleti skálák alapja, hogy bizonyos természeti jelenségek azonos hőmérsékleten következnek be. Andreas Celsius svéd természettudós, csillagász, a Celsius-skála megalkotója.

2. Alapok KELVIN SKÁLA T = t + 273 Ez a termodinamikai hőmérséklet-skála. Az abszolút hőmérsékleti skála használatát William Lord Kelvin (eredeti neve William Thomson, 1724-1907), angol fizikus vezettette be. 1892-ben Viktória királynőtől nemesi címet kapott (Kelvin néven ütötték lorddá). A skála alappontja az abszolút zérus pont. Abból a megfontolásból adódik, hogy a test hőmérsékletét a molekulák sebessége határozza meg. Ahol ez a sebesség nulla, az az anyag alapállapota. 0 K = -273,15°C 0°C = 273K 100°C = 373K A Kelvin skálán az egységek ugyanakkorák, mint a Celsius skálán. ÁTVÁLTÁS: T a hőmérséklet Kelvinben, t Celsius fokban Lord Kelvin William Thomson T = t + 273 Az eddigi előállított leghidegebb hőmérséklet 2⋅10-9 K. /2 nanokelvin/

Néhány érdekes hőmérsékleti adat: A Nap felszíni hőmérséklete: 6000°C A Nap belső hőmérséklete: 10 millió °C Legforróbb csillagok belső hőmérséklete :50 millió°C Hidrogénbomba robbanásakor: 300 millió°C Földfelszín átlaghőmérséklete: 15°C Ezen a hőmérsékleten a legnagyobb a víz sűrűsége: 4 °C Téli álmot alvó aranyhörcsög: 3,5°C Sütő hőmérséklete:200 °C Max sütő: 380 °C Vas olvadáspontja :1539 °C Vas forráspontja: 3000 °C Arany olvadáspont:1000 °C Volfrám, a legmagasabb olvadáspontú fém : 3380 °C Higany fagyáspontja: -39 °C Földön mért leghidegebb hőmérséklet -89,2 °C /Antarktisz 1983/ Oxigén fagyáspontja:-219 °C Nitrogén fagyáspontja -210 °C Nitrogén forráspontja :-196°C Plútó felszíni hőm:-220°C Galaxisok közötti tér hőm: -270°C

3. Szilárd anyagok hőtágulása Lineáris hőtágulásról olyan szilárd anyagoknál beszélünk, ahol a keresztirányú méret elhanyagolható a hosszirány méretéhez képest. Ha egy szilárd testnek a tér mind a három irányában közel azonos a mérete, (egymáshoz képest nem elhanyagolható) akkor a hőközléskor bekövetkező hosszváltozást mind a három irányban figyelembe kell venni. Ez eredményezi a térfogatváltozást.

Alkalmazások

4. Folyadékok hőtágulása A folyadékoknak nincsen állandó alakjuk, így velük kapcsolatban csak térfogati hőtágulásról beszélhetünk. A víz mint folyadék eltérő tulajdonsággal viselkedik . 4 °C ig úgy viselkedik mint a többi folyadék , viszont 4 °C alatt a hőmérséklet csökkenésével nő a térfogata. A víz rendellenes hőtágulásának egyik következménye, hogy télen a tavak fentről lefelé kezdenek befagyni. A levegőtől lehűlő víz lesüllyed, így a hőáramlás miatt a tó vize 4°C-os lesz. További hűléssel azonban a felszínen maradt vízréteg megfagy. A jég viszont már jó hőszigetelő, ami megakadályozza a mélyebb vízrétegek további lehűlését.

5. Gázok hőtana 1. Állapotjelzők Adott mennyiségű gáz állapotát a következő három állapotjelzővel írhatjuk le: nyomás, térfogat, hőmérséklet. (Ha a gáz mennyisége is változik, akkor ezekhez járul negyedikként az anyagmennyiséget leíró mólszám is.) Állapotváltozások A, Izoterm folyamat: Állandó hőmérséklet mellett a gázok nyomása és a térfogata közötti összefüggést a tizenhetedik században egymástól függetlenül Robert Boyle (1627-1691) angol és Edme Mariotte (kb.1620-1684) francia fizikus fedezte fel. A törvényt róluk nevezték el Boyle_Mariotte-törvénynek, ami kimondja: Adott gázmennyiség nyomása és térfogata csak úgy változhat állandó hőmérséklet esetén, hogy a nyomás és a térfogat szorzata közben állandó marad:  p*V = állandó

6. Gázok hőtana 2. B, Izobár folyamat: Gay-Lussac első törvénye Használjuk a Kelvin-skálát a gázok hőtágulásának vizsgálatakor. Ábrázoljuk a gázok térfogatát az abszolút hőmérséklet függvényében állandó nyomás mellett. A kapott egyenes arányosság azt jelenti, hogy állandó nyomás mellett a gáz térfogata és az abszolút hőmérséklet hányadosa állandó: V / T = állandó. C, Izochor folyamat: Gay-Lussac második törvénye azt vizsgálja, hogyan változik egy gáz nyomása a hőmérséklet függvényében, ha a gáz térfogatát állandónak tartjuk.Ha az állandó térfogat mellett mérhető nyomást az abszolút hőmérséklet függvényében ábrázoljuk, akkor origón átmenő egyeneseket kapunk. A kapott egyenes arányosság azt jelenti, hogy állandó térfogat mellett a gáz nyomása és az abszolút hőmérséklet hányadosa állandó: p / T = állandó.

7. Gázok hőtana 3. Az egyesített gáztörvény Egy adott gázmennyiséget jellemző állapotjelzők között keresünk összefüggéseket. Három állapotjelzőt tanulmányozunk: a gáz nyomását, térfogatát és hőmérsékletét. Célunk az, hogy olyan összefüggést találjunk, amely egyszerre tartalmazza a gáz térfogatát, nyomását és hőmérsékletét. Elképzelhetünk viszont egy olyan gázt is, amelyre a megtanult gáztörvények pontosan igazak. Az ilyen gázt (amely persze csak képzeletünkben létezik) ideális gáznak nevezzük. Az ideális gázt a valódi gázok elméleti modelljének kell tekintenünk, amelynek haszna, hogy segítségével a valódi gázok az esetek nagy többségében megfelelő pontossággal matematikailag egyszerűen írhatók le

8. Gázok hőtana 4. Ideális gázok állapot egyenlete: Ha az egyesített gáztörvény által adott állandó értéket megakarjuk határozni akkor az egyetemes gázállandót kapjuk, aminek jele: R. Ha ezt felhasználjuk n mól ideális gáz esetén, akkor kapjuk az alábbi ideális gázokra vonatkozó állapotegyenletet: