HŐTAN, más szóval TERMODINAMIKA

Az előadások a következő témára: "HŐTAN, más szóval TERMODINAMIKA"— Előadás másolata:

1 HŐTAN, más szóval TERMODINAMIKA

2 a hőmérséklet az anyagot felépítő részecskék
A hőmérséklet az anyagok egyik fizikai jellemzője, állapothatározó. Későbbiekben tanulunk a másik két állapothatározóról is. E jellemzőt az ember elsősorban tapintás útján, a hőérzettel észleli, másodsorban hőmérő segítségével. A hőmérséklet a hőtan tudományának egyik alapfogalma. Fizika: a hőmérséklet az anyagot felépítő részecskék átlagos mozgási energiájával kapcsolatos mennyiségszögéből nézve : . A hőmérséklet statisztikus fogalom.

3 Galilei készítette 1593-ban
Galileo Hőmérő Galilei készítette 1593-ban Galilei hőmérője akár szobadísznek is megfelel, úgy ahogy sok más fizikai kísérleti tárgy vagy fizikai jelenséget felhasználó tárgy. (pld plazmagömb) A golyók tömegkülönbsége mindössze 2 / 1000 gramm. Ez a tömegkülönbség biztosítja számunkra 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.

4 A Celsius skála alappontjai:
0°C ⇒ az olvadó jég hőmérséklete normál nyomáson. 100°C ⇒ a forrásban lévő víz hőmérséklete normál nyomáson. Az eredeti Celsius hőmérő alappontjai fordítva helyezkedtek el, és Martin Strömer, más források szerint a skót Reinike fordította meg az alappontokat 1750-ben, így alakult ki a ma is használt Celsius hőmérő.

5 T = t + 273 KELVIN SKÁLA Ez a termodinamikai hőmérséklet-skála.
Az abszolút hőmérsékleti skála használatát William Lord Kelvin (eredeti neve William Thomson, ), angol fizikus vezettette be 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 anyag alapállapota. 0 K = -273,15°C 0°C = 273K 100°C = 373K A Kelvin skálán az egységek ugyanakkorák, mint a Celsius skálán. T = t + 273

6 [°C] = ([°F] ‒ 32) · 5/9 [°F] = [°C] · 9/5 + 32
ÁTVÁLTÁS [°C] = ([°F] ‒ 32) · 5/9 [°F] = [°C] · 9/5 + 32

7 HŐMÉRSÉKLETÁTSZÁMÍTÁS
Celsius Kelvin Rankine Fahrenheit 1

8 MI IS AZ ABSZOLÚT NULLA? (PERSZE, HA ÜRES A ZSEBEM)
a test hőmérsékletét a molekulák sebessége határozza meg. ahol ez a sebesség nulla, az anyag alapállapota. 0 K-nél az anyag részecskéi már nem mozognának. ezen a hőmérsékleten a gázok térfogata és nyomása is nulla lenne, ez az állapot nyilván nem következhet be a gázok elég alacsony hőmérsékleten cseppfolyóssá válnak. a hőelmélet III. főtétele értelmében ezt a hőmérsékletet nem lehet elérni az eddig előállított leghidegebb hőmérséklet 2⋅10-9 K az első hőmérők a gázok, folyadékok, szilárd anyagok hőtágulásán alapultak.

9 Néhány érdekes hőmérsékleti adat:
A Nap felszíni hőmérséklete: 6000°C A Nap belső hőmérséklete: 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

10 SZILÁRD TESTEK HŐTÁGULÁSA
Lineáris(vonalas) hőtágulás

11 Lineáris hőtágulásról olyan szilárd anyagoknál beszélünk, ahol a keresztirányú méret elhanyagolható a hosszirány méretéhez képest. Ilyen pl. a rudak, vezetékek, sínek, stb…hőmérsékletváltozás hatására bekövetkező méretváltozása. Hőtágulás oka: Hőenergia hatására a szilárd anyag belsejében megnő a részecskék rezgő- mozgásának energiája. Ez abban nyilvánul meg, hogy nő a rezgőmozgást végző részecskék amplitúdója. Így minden részecskének nagyobb lesz a térfogatigénye. Ez okozza a hosszváltozást. A hosszváltozás mértéke függ az anyag minőségétől, Minden anyagban más és más kémiai kötőerők működnek, amelyek a hőtágulás mértékét befolyásolják. a kezdeti hosszúságától, A kezdeti hosszal arányos azon részecskék száma, amelynek amplitúdója megváltozik hőenergia hatására. hőmérsékletváltozástól. A hőmérsékletváltozástól függ, hogy mekkora energia változtatja meg a részecskék rezgőmozgását. Mérések azt mutatják, hogy szilárd testek lineáris hőtágulásakor bekövetkezett hosszváltozása egyenesen arányos a kezdeti hossz és a hőmérsékletváltozás szorzatával.

12 A képen a diletációs rés hiánya miatti repedés látható
Felületi hőtágulás Az előzőek alapján egy kétdimenziós szilárd lemez hőtágulás során bekövetkező felületváltozása az alábbi összefüggés alapján határozható meg: A képen a diletációs rés hiánya miatti repedés látható

13 LÍRÁK na most fizika vagy magyar óra, ahol vagyunk?
A hosszú csővezetékekbe U lakú szakaszokat/ lírákat/ iktatnak. A vezeték tágulásakor illetve összehúzódásakor, az U alakú részek hajlanak meg, így a csövek nem károsodnak.

14 Térfogati hőtágulás a hőközlés hatására bekövetkező térfogatváltozás egyenesen arányos a kezdeti térfogat és a hőmérsékletváltozás szorzatával, az arányossági tényező a β-val jelölt térfogati hőtágulási együttható ÓRAI KÍSÉRLET Gravesande gyűrű A gyűrű környílása pontosan akkora, hogy a golyó éppen átfér rajta szobahőmérsékleten. Ha a golyót Bunsen-lángon felmelegítjük, kitágul, amit szemléletesen bizonyít, hogy így már nem fér át a gyűrűn. Melegítsük meg a gyűrűt is a lángban. A felmelegített gyűrű nyílásán a meleg rézgolyó ismét átfér, bizonyítva ezzel, hogy a szilárd testek belső üregei melegítés hatására ugyanúgy tágulnak, mintha az üreget is anyag töltené ki. EZT JEGYEZZÉK MEG

15 Folyékony halmazállapotú anyagok hőtágulása
A folyadékok hőközlés hatására legtöbbször a szilárd anyagokhoz hasonlóan viselkednek. Melegítés hatására általában kitágulnak. Ennek az az oka, hogy a befektetett hőenergia növeli a részecskék rezgőmozgásának energiáját. Ez abban nyilvánul meg, hogy a részecskék nagyobb amplitúdóval végzik mozgásukat. Így minden részecskének megnő a térfogatigénye, ezért a folyadék kitágul. A térfogatváltozás egyenesen arányos a kezdeti térfogattal, mert ez határozza meg, hogy hány részecskének változik meg a térfogatigénye. ΔV ~ V0 A térfogatváltozás egyenesen arányos a hőmérsékletváltozással, mivel ez határozza meg, hogy mennyivel változik meg a részecskék rezgő- mozgásának az energiája. ΔV ~ ΔT. A folyadék hőközlés hatására bekövetkező térfogatváltozása egyenesen arányos, a kezdeti térfogat és a hőmérsékletváltozás szorzatával, az arányossági tényező a folyadék hőtágulási együtthatója.

16 α 1/K vagy 1/°C Különböző feladatokban, táblázatokban vagy az 1/K vagy az 1/°C mértékegységgel találkozhatunk a lineáris hőtágulási együtthatónál. Van valami különbség? Mit kell tennem? Ezek a kérdések merülnek fel (?), esetleg a tanulókban. Mit is tanultunk a két hőmérsékleti skáláról? A Kelvin és a Celsius skálákról? Igeeeeeen! Talált! Szóval az előző tananyagrészben (lsd 5 számú dia) szó volt arról, hogy a Kelvin skálán az egységek ugyanakkorák, mint a Celsius skálán. Szóval nem kell semmit átszámolnunk!

17 A víz anomáliája kiegészítő anyag lásd másik ppt-n
A víz hőtágulása kivételes. 0 °C-tól 4 °C-ig nemhogy tágulna, hanem összehúzódik. Megfigyelések azt mutatják, hogy a víz 4 °C-on tölti ki a legkisebb térfogatot. Ebből az is következik, hogy a 4 °C-os víz sűrűsége a legnagyobb. A víz hőtágulása magasabb hőmérsékleten sem lineáris. A víz kivételes hőtágulásának fontos szerepe van a tavak és a folyók befagyásakor. Amikor a tó lehűl, a felszínén lévő lehűlt víz a tó aljára kerül, mert sűrűsége nagyobb. Amikor a víz teljes mélységben eléri a 4 °C-ot, akkor az áramlás megszűnik. A felszínhez közeli víz tovább hűl, de ez a réteg már nem süllyed le, mert sűrűsége kisebb, mint a 4 °C-os víz sűrűsége. Lassan a víz felszínén jég képződik, amely úszik a vízen. Ha a tó, folyó nem túl sekély, akkor az alján mindig marad víz, amely biztosítja az állatok és a növények túlélését a nagy hidegben is. A víz tehát felülről lefelé fagy meg, míg minden más folyadék alulról felfelé.

18 FELADATOK A példafeladatokat JPG file-ban találhatják meg a menüben.
Házifeladat példák: -téma első óráját követően: Moór Á. Középiskolai Példatár: ig -téma második óráját követően:Moór Á. Középiskolai Példatár: 759, 771 Szorgalmi: -a téma kezdetét követő 3 hét alatt leadható a Moór Ágnes Középiskolai Példatár: ig (kivéve: ) kidolgozva külön lapon, egy tantárgyi ötösért!!! Dolgozatban várhatóan több elméleti kérdés-meghatározás és 2-3 feladat-megoldás lesz. (külön figyelmet kérem, hogy a halmazállapotok meghatározására fordítsanak) Dolgozat időpontja: órán kerül bejelentésre Dolgozatot követően, akik 1, 2, 3-as jegyet szereztek a dolgozatukra, 1 héten belül kötelezően leadják nekem a Moór Ágnes Középiskolai Példatár: ig kidolgozva külön lapon! Már nem ötösért! Csak gyakorlásként!

19 ÉRDEKES LINKEK (EZ UGYAN ANGOL NYELVŰ, de hát Önök jól tudnak angolul!) (kísérletek) Dr. Juhász András HA VALAKI VALAMILYEN ÉRDEKESET TALÁL A NETEN SZÓLJON NEKEM, HOGY BŐVÍTHESSÜK A LISTÁT!!!

20 FELHASZNÁLT IRODALOM Fizika 10-Maxim Kiadó www.sdt.sulinet.hu
Ötösöm lesz fizikából-Gulyás János...-Műszaki Kiadó Fizika Középiskolásoknak - Dr. Siposs András-Korona Kiadó Fizika Hőtan - Dr. Zátonyi – Ifj. Zátonyi Fizika Szakközépiskolai Összefoglaló Feladatgyűjtemény (kísérletek) Dr. Juhász András Wikipedia, stb más internetes anyagok