HŐTAN, TERMODINAMIKA

A hőmérséklet az anyagok egyik fizikai jellemzője, állapothatározó. E jellemzőt az ember elsősorban tapintás útján, a hőérzettel észleli. Meghatározása hőmérő segítségével történik. A hőmérséklet az intenzív mennyiségek közé tartozik, tehát nem additív, termikus kölcsönhatása során a két test  hőáramlással kiegyenlítődésre törekszik. Fizikai szempontból : a hőmérséklet az anyagot felépítő részecskék átlagos mozgási energiájával kapcsolatos mennyiség.

A hőmérőkészítés gondolata Leonardo da Vincitől származik. Az első hőmérőt Galilei készítette 1593-ban Az első hőmérők a gázok, folyadékok, szilárd anyagok hőtágulásán alapultak GALILEI HŐMÉRŐJE A golyók tömegkülönbsége mindössze 2 / 1000 gramm. Ez biztosítja a pontosan 1 °C-nyi különbséget. A golyók lesűlyednek, ha a hőmérséklet növekszik és felemelkednek, ha a hőmérséklet csökken. Az aktuális hőmérséklet a felső részen úszó legalsó golyón függő plombáról olvasható le.

A Fahrenheit skála Hőmérőbeosztásnál Fahrenheit a fagypontot 32-vel jelölte, 0-val pedig azt a pontot, amely szülővárosában Danzigban 1708-ban a leghidegebb napon mért. 100 foknak saját testhőmérsékletét vette ( a normális emberi testhőmérséklet a 98,6 F fok.) Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) német fizikus Ő volt az első, aki a vizet a fagypont alá hűtötte, anélkül, hogy az megfagyott volna. 1,3 gigapascal nyomás mínusz 140 Celsius-fokon

A Celsius skála A hőmérsékleti skálák alapja, hogy bizonyos természeti jelenségek azonos hőmérsékleten következnek be. Andreas Celsius svéd természettudós, csillagász, a Celsius-skála megalkotója. 1737-ben tervezte meg a ma is használatos, 100-as beosztású hőmérsékleti skáláját, A skálát 1742-ben mutatta be a Svéd Akadémiában. 1750-ben Stromer svéd tudós módosította a skálát, és a fagyáspontot tette meg 0°-nak, a forráspontot pedig 100°-nak. Anders Celsius 1701–1744

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 1824. – 1907.  T = t + 273 Az eddigi előállított leghidegebb hőmérséklet 2⋅10-9 K. /2 nanokelvin/

Delisle-skála A Delisle-skála egy hőmérsékleti skála, amelyet Joseph Nicolas Delisle francia csillagász (1688–1768) vezetett be. 1732-ben Delisle tervezett egy hőmérőt, mely folyékony higannyal működött. A víz forráspontját (0 °De) normál atmoszferikus nyomásnál (101325 pascal, Pa) választotta vonatkozási pontnak. Eredetileg a Delisle-hőmérőnek 2400 fokbeosztása volt.  1738 telén Josias Weitbrecht (1702–1747) újrakalibrálta a hőmérőt. A víz forráspontja (150 °De) és a jég olvadáspontja (0 °De) lettek a vonatkoztatási pontok. A Delisle-féle hőmérőt 100 évig használták Oroszországban.

Hőmérsékleti skálák

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

Hőmérők, mérési elvek Kezdetben a hőmérőkbe alkoholt, majd később higanyt tettek. A higany -39°C-on megfagy, 357°C-on felforr. (Ha a higany fölé nitrogén gázt vagy szénsavat tesznek, akkor a hőmérő 750°C-ig használható.) A nagyon alacsony vagy nagyon magas hőmérsékletek mérésére más fizikai törvényeket kellett alkalmazni. ⇒ Az ellenállás-hőmérők azt használják ki, hogy a fémek ellenállása függ a hőmérséklettől. (ΔR=R0·α · ΔT) ⇒ A magasabb hőmérsékletű testeknél a sugárzás erősségét mérik. Ezek a pirométerek. (kohók, Nap) ⇒ Vannak olyan festékek, amelyek színváltozással reagálnak a hőmérsékletváltozásra. Ez a termokolor. (benzinmotor, lázmérő, akvárium hőmérő)

A víz A víz: dihidrogén-monoxid H2O Dipólusmolekula A „víz” megnevezés általában a szobahőmérsékleten folyékony állapotra vonatkozik, szilárd halmazállapotban jég, légnemű halmazállapotban gőz. A tiszta víz (vagyis hidrogén és oxigén atomok) semleges PH értékű. A Föld felületének 71%-át víz borítja, ennek kb. 2,5%-a édesvíz, a többi sós víz. A víz színtelen, szagtalan, ízetlen folyadék. Az ivóvíz kellemes ízét a benne oldott anyagok okozzák. A víz az egyetlen olyan anyag a Földön, amely mindhárom halmazállapotában megtalálható. A víznek +4 C fokon a legnagyobb a sűrűsége. A víz légnemű halmazállapota a vízgőz. 1 liter vízből kb. 1750 liter gőz keletkezik. George Stephenson 1815 Blücher

A víz szilárd halmazállapota: jég A jég sűrűsége kisebb, mint a vízé és fagyáskor a többi anyagtól eltérően a víz térfogata megnő (mintegy 9%-kal). Ezért úszik a jég a vízen. A víz megfagyásakor kialakuló kristályszerkezetben hidrogén-híd kötések alakulnak ki, amelynél a hidrogén atommagok közti távolság nagyobb, mint a kovalens kötésű hidrogén és oxigén atommagok közti távolság, és egyre inkább eltávolítja egymástól a vízmolekulákat.  Túlhűtött víz  A víz jéggé alakulásához apró, szilárd szennyezőanyagoknak kell a vízben lenniük, amik körül a jéggé alakulás megindulhat. A mindenféle szennyeződéstől mentes („szupertiszta”) vizet -48 °C-ig is le lehet hűteni anélkül, hogy jéggé fagyna.

A víz élettani hatása Egy átlagos felnőtt teste 70%-a vízből áll. ( A Föld felszín 70%-át borítja víz) Születéskor, a kisbabák teste 80%-ban vízből áll. Ahogy öregszünk ez az arány csökken. Ha egy ember testében a víz arány 50% alá csökken, abba belehal. Vízkeménység A keménységet a vízben oldott kalcium- és magnézium-sók okozzák, a nátrium- és kálium-sók pedig lágyítják a vizet. A nitrát- és nitrit-szennyezés fogyasztásra alkalmatlanná teheti a vizet, a fluortartalom elszínezheti a fogakat és fogszuvasodást okozhat 1 nk° keménységű az a víz, mely 10 mg/l kalcium-oxiddal (CaO) egyenértékű kalcium- vagy magnéziumvegyületet tartalmaz. nk keménység 0–4 nagyon lágy 4–8 lágy 8–18 közepesen kemény 18–30 kemény 30 felett nagyon kemény

1 kg víz Térfogatának változása a hőmérséklet függvényében

SZILÁRD TESTEK HŐTÁGULÁSA Lineáris(vonalas) hőtágulás Felületi hőtágulás Térfogati hőtágulás Az anyagok hőmérséklettel együtt változó jellemzői: hőtágulás Mértéke függ: Hosszúság (l0) /kezdeti térfogat (V0) Hőmérsékletváltozás (ΔT) Anyagi minőség (hőtágulási együttható)

Lineáris(vonalas) hőtágulás Lineáris hőtágulásról olyan szilárd anyagoknál beszélünk, ahol a keresztirányú méret elhanyagolható a hosszirány méretéhez képest. A lineáris hőtágulási együttható (α) számértéke kifejezi, hogy egy kelvin hőmérsékletváltozás hatására létrejövő hosszváltozás hányszorosa a kezdeti hossznak.

α α Néhány anyag hőtágulási együtthatója: ANYAG NEVE cement 1,8 jég 5,25 márvány 0,5 üveg plexi 13,0 fa gyémánt 0,12 ANYAG NEVE α alumínium 2,4 ólom 2,8 réz 1,6 vas 1,1 tégla 0,95 beton 1,2 acél

Melegben a hidak fémszerkezete is hosszabb lesz, ezért a nagy hidaknak legalább az egyik végét görgőkkel támasztják alá.

A hosszú csővezetékekbe U lakú szakaszokat/ lírákat/ iktatnak A hosszú csővezetékekbe U lakú szakaszokat/ lírákat/ iktatnak. A vezeték tágulásakor illetve összehúzódásakor, az U alakú részek hajlanak meg, így a csövek nem károsodnak.

Előfordulhat , hogy nagy melegben a sín meghajlik.

A torony hőtágulása: 0 C fokon 300 m 30 C fokon 15 cm-rel magasabb. Az Eiffel-torony Gustave Eiffel mérnökről kapta a nevét. Az 1889. évi világkiállításra készült, az eredeti tervek szerint a kiállítás után lebontották volna. A torony összmagassága 322 m, ebből maga a torony 300 m, rászerelve 22 m-re magasodik egy tévé-adóantenna. Első emelete 58, második emelete 116, a harmadik 276 m magasban van.[ A torony hőtágulása: 0 C fokon 300 m 30 C fokon 15 cm-rel magasabb.

A BIMETÁL Két különböző fémből áll, melyeket szegecseléssel vagy hegesztéssel egymáshoz erősítenek. Hőmérséklet változáskor a két fém különböző mértékben tágul, illetve húzódik össze, ezért a bimetall meghajlik. A meghajlásból következtetni lehet a hőmérsékletre.

Kapcsolók, szelepek működtetésére használják például tűzhelyek, vízmelegítők, fűtőberendezések biztonságos működtetése oldható meg vele. Így működnek a tűzjelzők.

Felületi hőtágulás: Kétdimenziós szilárd lemez hőtágulás során bekövetkező felületváltozása: A parketta, az autópályák betonelemei vagy a díszburkolat elhelyezésekor úgynevezett dilatációs hézagot kell hagyni, hogy a melegedés hatására ne púposodjon fel a felület, illetve lehűléskor ne törjön el. A fémalátétek, mozgólépcsők, csukó, záró szerkezetek lemezeinél is figyelni kell a felületi tágulásra.

Helytelenül megtervezett dilatációs kiosztás az épület végétől 1,5 m-re Dilatációs hézag hiánya miatt keletkező repedés

TÉRFOGATI HŐTÁGULÁS 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. A hőközlés hatására bekövetkező térfogatváltozás egyenesen arányos a kezdeti térfogat és a hőmérsékletváltozás szorzatával, az arányossági tényető a β-val jelölt térfogati hőtágulási együttható.

FOLYADÉKOK TÉRFOGATI HŐTÁGULÁSA A folyadékoknak nincsen állandó alakjuk, így velük kapcsolatban csak térfogati hőtágulásról beszélhetünk.  Térfogati hőtágulási együttható:  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. Víz: Jég:

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.

Jégtábla A jéghegy a tengerbe nyúló gleccserekről és a szárazföldi jégtakaróról leszakadó, a tengeráramlatok által szállított jégtömeg. A néha több száz méter vastag jéghegyeknek alig 1/9 része áll ki a vízből, ezért veszélyeztetik a hajózást.  1912. április 14-én, az északi szélesség 41° és nyugati hosszúság 50°-nál tragikus dolog történt: a Titanic jéghegynek ütközött. A tragédiának több, mint 1500 áldozata volt. A hajóroncs most több, mint 3 km-es mélységben nyugszik. Gleccser A gleccser hóból kialakult jégtömeg, ami a nagy mennyiségű hó saját súlyának nyomása, az alacsony hőmérséklet, és a terepviszonyoknak megfelelően lassú folyamatos csúszó mozgást végez.