HŐTAN 9. KÉSZÍTETTE: SZOMBATI EDIT

Az előadások a következő témára: "HŐTAN 9. KÉSZÍTETTE: SZOMBATI EDIT"— Előadás másolata:

1 HŐTAN 9. KÉSZÍTETTE: SZOMBATI EDIT
HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

2 HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK
1. halmazállapotok A természetben minden anyagnak három halmazállapota fordul elő: szilárd, folyékony, légnemű. SZILÁRD HALMAZÁLLAPOT Határozott alakkal és határozott térfogattal rendelkezik. Az atomok rácsszerkezetbe rendeződnek, négyféle rácsszerkezetet különböztetünk meg: atomrács, ionrács, fémrács és molekularács. Az atomok a rácsszerkezetben helyhezkötöttek, rezgőmozgást végeznek, a hőmérséklet növekedésével a rezgés amplitudója nő. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

3 HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK
1. halmazállapotok FOLYÉKONY HALMAZÁLLAPOT Nincs határozott alakja, felveszi az edény alakját, de határozott térfogattal rendelkezik. A folyadék részecskéit másodrendű kötések tartják össze. Ezt az összetartó erőt kohéziós erőnek nevezzük (diszperziós, dipólusos és hidrogénhíd). A folyadék részecskéi egymáson könnyen gördülő golyókkal modellezhető. Ez a modell jól magyarázza, hogy miért veszik fel az edény alakját. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

4 HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK
1. halmazállapotok LÉGNEMŰ HALMAZÁLLAPOT Nincs sem határozott alakja, sem határozott térfogata. Kitöltik a rendelkezésre álló teret. A részecskék között nincs semmilyen összetartó erő, egymástól függetlenül, szabadon mozognak. A részecskék mozgásuk közben folyamatosan és tökéletesn rugalmasan ütköznek egymással és az edény falával. Az edény falának való ütközéssel arra nyomást gyakorolnak. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

5 2. Halmazállapot változások

6 2. Halmazállapot változások
OLVADÁS Szilárd halmazállapotú anyag folyékonnyá válik. Energia befektetést igényel. A befektetett energia/hőmennyiség: Q = Lom, ahol Lo az olvadáshő, anyagra jellemző állandó, m az anyag tömege. Egy adott hőmérsékleti ponton, az olvadásponton megy végbe. Olvadás közben az anyag hőmérséklete nem változik. Az olvadáspont nyomásfüggő: magasabb nyomáson az olvadáspont alacsonyabb. Erre két példa: Kísérlet: Jégtömbön (melynek hőmérséklete 0oC alatt van) átvetett drót két végére súlyokat helyezünk, így a drót alatt nagy nyomás alakul ki. A drót alatt a víz megolvad, a drót felett újra megfagy. Így a drót úgy megy át a jégtömbön, hogy az egyben marad. Jégkorcsolya: A jégkorcsolya éle vékony, így alatta a nyomás nagy. A nagy nyomás hatására a korcsolya alatt a víz megolvad. A korcsolyázó azért siklik olyan könnyen, mert valójában vízmolekulákon gördül. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

7 2. Halmazállapot változások
OLVADÁS Az olvadás magyarázata a részecskék szintjén: A részecskék rezgőmoz-gásának amplitudója olyan nagy lesz, hogy a rácsszerkezet összeomlik. FAGYÁS Az olvadással ellentétes irányú folyamat. Folyékony halmazállapotú anyagból szilárd halmazállapotú anyag keletkezik. Egy adott hőmérsékleti ponton, a fagyásponton megy végbe. A fagyáspont megegyezik az olvadásponttal. Energia felszabadulással jár. Adott tömegű, adott anyag olvadása közben pontosan annyi energia szabadul fel, mint amennyi energia az olvadáshoz szükséges. Olvadás közben a környezet energiája, hőmérséklete tehát növekszik. A fagyás folyamata a részecskék szintjén: A folyadékban, például vízben jégcsírák keletkeznek, amely csírák köré ráfagy a többi részecske. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

8 2. Halmazállapot változások
TÚLHŰTÉS FOLYAMATA Elég nagy tisztaságú anyag, kellő óvatossággal, jóval a fagyáspontja alá hűthető anélkül, hogy megfagyna. Ekkor egy idegen anyag beledobásával, illetve rázással a túlhűtött anyag azonnal megfagy. Kísérlet: hosszabb ideig forrással „tisztított”, majd lehűtött vizet óvatosan tegyünk be a fagyasztóba. A folyadékot 0ºC alá hűtjük, majd kivesszük a fagyasztóból és megrázzuk. A folyadék azonnal megfagy. Magyarázat: a tiszta, mozdulatlan folyadék nem kedvez a jégcsírák kialakulásának, ezért hűthető fagyáspont alá a víz; rázással a részecskék egymáshoz nyomódnak, ami kedvez a jégcsírák kialakulásának, és a túlhűtött folyadék gyorsan megfagy. VIDEÓ Példák a természetből: (1) Ónos eső: túlhűtött folyadék a földnek csapodva arra azonnal ráfagy. (2) Repülőgépek által húzott „kondenzcsík”: a túlhűtött folyadékrészecskék a repülőgépből kiáramló szennyező anyagokra ráfagy. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

9 2. Halmazállapot változások
PÁROLGÁS - Párolgás során folyékony halmazállapotú anyagból légnemű halmazálla-potú anyag lesz. A folyadék minden hőmérsékleten párolog. A párolgás sebessége függ: a külső hőmérséklettől, a környezet páratartalmától, a légáramlattól, a párolgó felület nagyságától. A párolgás jelenségének magyarázata a részecskék szintjén: egyes folyadékrészecskék mozgásuk közben, a többi folyadékrészecskével ütközve olyan nagy mozgási energiára tud szert tenni, hogy képes a többi folyadékrészecske vonzó hatását legyőzve kiszakadni a folyadékból. A párolgással párhuzamosan, egy azzal ellentétes irányú folyamat is lejátszódik, ez a „kicsapósás”, amelynek során a részecskék „visszalép-nek” a folyadékba. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

10 2. Halmazállapot változások
FORRÁS - Forrás során folyékony halmazállapotú anyagból légnemű halmazállapotú anyag lesz. A forrás energia befektetéssel járó folyamat. A forráshoz szükséges energia az alábbi képlettel számolható: Q = Lfm, ahol Lf a forráshő, anyagra jellemző állandó, m az anyag tömege. A forrás egy adott hőmérsékleti ponton, a forrásponton megy végbe. Amíg a teljes mennyiségű anyag nem forr el, addig a hőmérséklet nem változik. A forráspont az anyagi minőségre jellemző érték. A forráspont nyomásfüggő: magas nyomáson a forráspont is magasabb, alacsony nyomáson a forráspont alacsonyabb. Példák a forráspont nyomásfüggésére: (1) A magas hegyekben az alacsony légnyomás miatt akár már 95ºC-on forr a víz. (2) Üvegbúra alá helyezünk egy pohár szobahőmérsékletű vizett. A búra alól a levegőt kiszivattyúzva búra alatti nyomást folyamatosan csökkentjük. Egy adott nyomáson a víz szoba hőmérsékleten forrni kezd. VIDEO HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

11 2. Halmazállapot változások
FORRÁS A forrás jelenségének magyarázata a részecskék szintjén: folyadék nem csak a felszínén, hanem a folyadék belsejében is párolog, ennek során a folyadékban üregek(buborékok) keletkeznek. Az üregekben vízgőz van, és ennek a vízgőznek nyomása van. Melegítés során ez a nyomás növekszik. Ha az üregekben lévő vízgőz nyomása eléri a külső nyomást akkor beindul a forrás folyamata. Értelem szerűen ha a külső nyomás alacsony, akkor a forrás egy alacsonyabb hőmérsékleten, víz esetében akár szobahőmérsékleten is beindulhat. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

12 2. Halmazállapot változások
LECSAPÓÁS A forrással ellentétes irányú folyamat: légnemű halmazállapotú anyagból folyékony halmazállapotú anyag keletkezik. Energia felszabadulással járó folyamat. A lecsapódás során pontosan annyi energia szabadul fel, mint amennyi energia szükséges ugyanolyan anyagi minőségű és ugyanannyi tömegű anyag elforralásához. Egy adott hőmérsékleti ponton a forrásponton megy végbe. Az anyag hőmérséklete a lecsapódás során nem változik. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

13 2. Halmazállapot változások
SZUBLIMÁCIÓ Szilárd halmazállapotú anyag közvetlenül légnemű halmazállapotú anyaggá alakul át. Például jégből vízgőz lesz (koncertek). Bármilyen hőmérsékleten végbemegy: ezért érezzük az anyagok illatát. Energia befektetést igényel. Nyomásfüggő: alacsonyabb nyomáson a folyamat intenzívebb, magas nyomáson kevésbé. Megfigyelhető a folyamat ellentétes iránya is: deszublimáció, vagy kristályosodás: a légnemű halmazállapotú anyag közvetlenül szilárd halmazállapotú anyaggá alakul át. Gyakorlati példa: instant kávé előállítása: hagyják száradni a kávét, így magától elpárolog a benne lévő nedvesség, majd a koncentrátumot -40°C-ra hűtik. Alacsony nyomást hoznak létre, így könnyebben létrejön a szublimáció, ekkor a jég elpárolog, a zamatanyagok nem károsodnak, száraz kávépor marad vissza. HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK

14 3. Melegedési/lehűlési görbe
HALMAZÁLLAPOT VÁLTOZÁSOK