ELTE Apáczai Csere János Gyakorló Gimnázium és Kollégium Biológia tagozat. Fizika 10. osztály. I. rész: Hőtan. Készítette: Balázs Ádám

Átírás

1 ELTE Apáczai Csere János Gyakorló Gimnázium és Kollégium Biológia tagozat Fizika 10. osztály I. rész: Hőtan Készítette: Balázs Ádám Budapest, 2018

2 2. Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék Hőtan A hőmérséklet és a hőmennyiség A hőmérsékleti skálák A lináris hőtágulás Szilárd anyagok hőtágulása A gázok állapotjelzői Az izobár állapotváltozás Nulla Kelvin mérése Feladatok izobár állapotváltozásra Az izochor állapotváltozás Az izoterm állapotváltozás Feladatok speciális állapotváltozásokra Egyesített gáztörvény Vegyes gyakorló feladatok Feladatok az ideális gáz állapotegyenletére A molekuláris hőelmélet A belső energia A hőtan I. főtétele Feladatmegoldás Ideális gázok hőkapacitása és fajhője Az adiabatikus állapotváltozás Körfolyamatok A hőszivattyú A termodinamika II. főtétele Halmazállapot változások

3 Tartalomjegyzék Számítások

4 4. 1. óra. A hőmérséklet és a hőmennyiség 1. óra A hőmérséklet és a hőmennyiség

5 2. óra A hőmérsékleti skálák 2. óra. A hőmérsékleti skálák 5.

6 6. 3. óra. A lináris hőtágulás 3. óra A lináris hőtágulás

7 4. óra. Szilárd anyagok hőtágulása óra Szilárd anyagok hőtágulása

8 8. 5. óra. A gázok állapotjelzői 5. óra A gázok állapotjelzői Állapotjelző: p,v,t,m,u,n csak a rendszer állapotától függ, és nem függ attól, hogyan jutott a rendszer ebbe az állapotba. Extenzív: a térfogat, a tömeg, az energia összadódik. Pl.: 40g+2g=42g Intenzív: a hőmérséklet, a nyomás kiegyenlítődik Pl.: 20 C + 30 C = 21 C Az állapotjelzők mérésének elve: Gáztérfogat A gáz tömege A gáz hőmérséklete A gáz nyomása Torricelli ( ) 760mm Hg Egyensúlyi állapot: Az intenzív állapotjelzők kiegyenlítődtek, a T és P mindenütt azonos. Általában mindig már egyensúlyi állapotban vizsgáljuk a gázt. Speciális állapotváltozások közül csak 2 db változik meg 1. Ugyanazzal a gázzal végzünk kísérletet és a (P,T,V) 1 Olyan állapotváltozás nincs, hogy csak az egyik változna meg.

9 6. óra. Az izobár állapotváltozás óra Az izobár állapotváltozás. V = V 0 (1 + βt )

10 óra. Nulla Kelvin mérése 7. óra Nulla Kelvin mérése Kísérlet. Tekintsünk egy ismert térfogatú gázt és határozzuk meg, hogy a térfogata hogyan változik meg a hőmérséklet növekedésével. Illesszünk egyenest az adatokra és határozzuk meg, hogy melyik hőmérsékleten lenne a gáz térfogata nulla!

11 8. óra. Feladatok izobár állapotváltozásra óra Feladatok izobár állapotváltozásra 1. Feladat. Hány liter levegő távozik egy 4m 5m 3m méretű szobából, ha a levegő 0 C-ról 20 fokra növekszik a szobában? 2. Feladat. Egy lufi kerülete 72 mm, ekkor a levegő 25 -os. A lufit a hűtőszekrénybe helyezve 67 mm kerületű lett. Hány fokos a levegő a hűtőszekrény belsejében? 3. Feladat. Állandó nyomáson a normálállapotú 1 gázt 150 C-re melegítjük. Ábrázoljuk a folyamatot V T és P T diagramon. 4. Feladat. Egy meteorológiai léggömbben lévő levegő térfogata állandó nyomáson 15%-kal megnőtt. Mekkora lett a hőmérséklete, ha kezdetben 22 C volt? 5. Feladat. Egy 2 literes, félig vízzel töltött műanyag palack a kinti 10 C-os hidegben behorpadt és a teljes térfogata 10%-kal csökkent le. Vajon mekkora lehetett a hőmérséklet ott, ahol a kupakot rácsavarták? 1 A hőmérséklet 0 C (273,15 K), a nyomás 1 atm ( Pa), a térfogat 22, 41 l (0,02241 m 3 )

12 óra. Az izochor állapotváltozás 9. óra Az izochor állapotváltozás Kísérlet. Melegítsünk egy üreges fémgömböt! Mely állapotjelzők maradnak fixen és melyek változnak meg? Milyen fizikai állandót határozhatunk meg a kísérletből? Izochor állapotváltozás: Gay-Lussac II. törvénye 6. Feladat. Egy befőttes üveget lezárunk, mikor a benne lévő lekvár hőmérséklete 60 C. Miután 20 C-ra lehűlt, mekkora a nyomása? 7. Feladat. Délelőtt 20 C-os a levegő és egy autó kerekeiben 200kPa túlnyomás van. Mekkora lesz a túlnyomás 30 C-on és 10 C-on? 8. Feladat. Egy 27 C-os lakásból a zárt gázpalackot kivisszük a szabadba. Hány fok lehet kint, ha a palackon lévő nyomásmérő bent 240kP a-t mutatott, de kint már csak 200kP a-t? 1. Házi feladat. Egy gázpalackot biztonsági szeleppel szereltek fel. A palackban 10 C-on a túlnyomás 160 kpa. Mekkora nyomásál fog kinyitni a szelep, ha az van ráírva, hogy 80 C-on niyt ki a szelep? 1. Szorgalmi feladat. A gáztartályban a nyomás 30%-kal csökkent. Mekkora lett a gáz hőmérsékelete, ha kezdetben 12 C volt?

13 10. óra. Az izoterm állapotváltozás óra Az izoterm állapotváltozás Kísérlet. Egy lezárt, A keresztmetszetű 20 cm hosszúságú hengerben levegő van p 0 nyomáson és a benne lévő levegőt összenyomjuk a felére. Mekkora lesz a nyomása? A Boyle-Mariotte-törvény:

14 óra. Feladatok speciális állapotváltozásokra 11. óra Feladatok speciális állapotváltozásokra 9. Feladat. Egy tornaterem levegőjének hőmérséklete 0 C. A terem 15 C-re való felfűtése során az ablakok résein 50 m 3 levegő távozott. Mekkora a tornaterem magassága, ha alapterülete 200 m 2? 10. Feladat. Egy dugattyúval elzárt 0,8 dm 2 alapterületű edénybe 4 dm 3 ammóniagázt töltöttünk, melynek hőmérséklete 0 C. A melegítés hatására 5 cm-t mozdult odébb a dugattyú. Mekkora lett a gáz hőmérséklete (β Ammónia = 0, ). Mekkora a hiba, hogyha ideálisnak tekintjük a C gázt? 11. Feladat. Egy befőttesüveget 8 cm átmérőjű fedéllel zártunk le, a benti levegő 80 C-os. Mekkora erővel nyomódik rá a fedél az üvegre, ha 20 C-ra hűlt a befőtt?

15 11. óra. Feladatok speciális állapotváltozásokra Feladat. Egy 3cm 2 keresztmetszetű nyílással rendelező palackban 15 C-os levegő van. Egy 30 g-os pénzérmét elhelyezünk rajta és bevisszük a szobába. Mekkora a gáz hőmérséklete akkor, amikor először megemelkedik az érme? 13. Feladat. Egy 0, 5dm 2 alapterületű dugattyúra egy 6,24 kg-os hengert helyeztünk. A levegőoszlop hossza 30 cm. Hány cm-t süllyed le? 14. Feladat. Egy tó alján 5 méter mélységben egy búvár által kibocsátott buborék hány százalékkal nő meg, mire felérkezik a felszínre? 2. Házi feladat. A fenti feladatokat befejezni. 2. Szorgalmi feladat oldal/8

16 óra. Egyesített gáztörvény 12. óra Egyesített gáztörvény 15. Feladat. Egy tóban 10 m mélyen, ahol 10 C van, egy buborék térfogata 3 cm 3. Mekkora lesz a légbuborék térfogata, ha feljön a felszínre, ahol 20 C van? Egyesített gáztörvény: Állandó tömegű gáz nyomásának és térfogatának szorzata egyenesen arányos az abszolút hőmérséklettel. p 1 V 1 T 1 = p 2 V 2 T 2 p V T = állandó 16. Feladat. Adott 1 mól normálállapotú gáz. Határozzuk meg az egyesített gáztörvény konstansát! (a hőmérséklet 0 C, a nyomás Pa és a térfogat 22, 41 l) Univerzális gázállandó: Henri Victor Regnault tiszteletére a jele R, értéke: Ideális gáz állapotegyenlete: R = 8, 31 J mol K Ha nem 1 mól gázt veszünk, hanem n mólt, akkor az egyesített gáztörvényben a konstans n-szerese az 1 mólra vonatkozónak. A gáz tömege (m) és moláris tömegee (M) segítségével is felírható az egyenlet. P V T = n R p V = n R T p V = m M R T A van der Waals állapotegyenlet: Valódi gázoknál a részecskék méretét levonjuk a gáztérfogatból és van der Waals-erők miatt a nyomás nagyobb: (p + a ) n2 (V n b) = n R T V Feladat. Kezdetben a nyomás 200 kpa, a hőmérséklet 20 C. A hőmérséklet megnő 20 fokkal, kiengedtünk annyi gázt, hogy újra visszaálljon a 200 kpa. Hányadrészét engedtük ki? Ha ismét 20 fokra hűlne a gáz, mekkora lenne a nyomás? 3. Házi feladat. Tankönyv 164. oldal /1,2,3 3. Szorgalmi feladat. Tankönyv 164. oldal /7

17 13. óra. Vegyes gyakorló feladatok óra Vegyes gyakorló feladatok 18. Feladat. Mennyit tágul 20 cm 3 argon 42 C-os felmelegedéstől? 19. Feladat. Mekkora térfogatú xenon tágul 60 C-os felmelegedéstől 11 cm 3 -t? 20. Feladat. Mekkora felmelegedéstől tágul ki 8 cm 3 neon 572 mm 3 -t? 21. Feladat. Mekkora hőmérsékleten lesz a kezdetben 0 C-os, 472 cm 3 térfogatú levegő 451 cm 3 terfogatú? 22. Feladat. Egy tartályban 9 dm 3 levegő van légköri nyomáson. Mekkora lesz a nyomás, ha 7,5 dm 3 -re nyomjuk össze változatlan hőmérsékleten? 23. Feladat. Egy légbuborék átmérője 2 mm. Milyen mélyen lesz az átmerője 1,5 mm. Ebben a tóban állandó a hőmérséklet mindenhol. 24. Feladat. Egy 90 cm hosszúságú, állandó keresztmetszetű, egyik végén nyitott csőben 21 cm hosszú higanyoszlop h hosszúságú levegőoszlopot zár el, ha a csövet nyitott felével függőlegesen tartjuk. Ha nyílásával lefelé fordítjuk a higany kétharmada kifolyik. Mekkora volt a h? 25. Feladat. Egy 20 cm hosszú üvegcsövet függőleges helyzetben szájával lefelé higanyba nyomunk le. Milyen mélyen van a kémcső szája, ha benne a levegő az eredeti térfogatának 90%-ára nyomódott össze? 26. Feladat. Mekkora lesz az új nyomása az eredetileg 600 kpa nyomású 0 C-os nitrogénnek, ha 30 fokkal melegítjük fel? 27. Feladat. Egy gázpalack 600 kpa túlnyomást bír ki. Tengerszinten feltöltötték a palackot, a benne lévő gáz nyomása 500 kpa és 20 C. Repülőgéppel olyan magasra vitték, ahola légnyomás harmada a felszíni 100 kpa-nak. Hány fokra melegedhet maximum a palack?

18 óra. Feladatok az ideális gáz állapotegyenletére 14. óra Feladatok az ideális gáz állapotegyenletére

19 15. óra. A molekuláris hőelmélet óra A molekuláris hőelmélet Az ideális gáz modellje: A gázt alkotó molekulák apró golyók, melyekre teljesül: A részecskék mérete kicsi az átlagos távolságukhoz képest. A részecskék térfogata jóval kisebb, mint a tartály térfogata. Egymásra sem vonzó, sem taszító hatást nem fejtenek ki a részecskék. Egymással és az edény falával rugalmasan 1 ütköznek. A részecskék sebessége egyedül a hőmérséklettől függ. A tartály falai tökéletesen merevek és nem mozognak. A nyomás a részecskék szintjén: A részecskék a rendezetlen hőmozgás során a gázt tartalmazó edény falával rugalmasan ütköznek, közben lendületük változik, és ez erőhatást eredményez a részecske és a fal között. A mikroütközések következtében a részecskék a falra egy átlagos erőt, ill. átlagos nyomást fejtenek ki: F = I t = (mv) t p = F A = m v A t A hőmérséklet a molekulák szintjén: A gázmolekula mozgási energiája: E kin = 1 2 m v2 T E kin A hőmérséklet növelése energiaátadással lehetséges. Ez az energia a részecskék sebességét növeli. A nagyobb hőmérsékletű gázban átlagosan gyorsabbak a részecskék. Elméletileg 273, 15 -on megállnának a részecskék, de ez nem teljesülhet 2. Az izobár állapot változás értelmezése: A melegedés miatt a részecskék átlagos sebessége megnő, gyorsabbak lesznek, de ritkábban helyezkednek el, mert a térfogat nő. Így ritkább, de nagyobb erejű ütközés éri az edény falát, tehát a nyomás állandó. A hőmérséklet csökkenés miatt a részecskék lassabbak lesznek, de sűrűbben helyezkednek el a lecsökkent térfogatban. Több, kisebb erejű ütközés éri az edény falát, így a nyomás állandó marad. 1 Nincs energiaveszteség, az ütközéskor sebességet cserélnek, irányt váltanak. 2 Később fogjuk látni, hogy miért.

20 óra. A molekuláris hőelmélet Az izochor állapot változás értelmezése: A tartály mérete fix, és melegítéskor a gázrészecskék hőmozgása fokozódik, az átlagos sebességük megnő. Erősebben ütik a tartály falát, ezt a gáz nyomásának növekedéseként érzékeljük. Hűtéskor a hőmozgás intenzitása csökken, ezért az átlagos sebesség is kisebb. Kevésbé ütögetik a tartályt, tehát a nyomás csökken. Az izoterm állapot változás értelmezése: A térfogat csökkentésével a gáz sűrűbb lesz. Azonos a sebesség, tehát ugyanakkora erővel ütögetik a tartály falát, de adott térfogaton több a részecske, ezért nagyobbnak értékeljük a nyomást. A térfogat növelésével ritkább a gáz, átlagosan kevesebb részecske ütközik a fallal, tehát csökken a gáz nyomása. 4. Házi feladat. TK oldal 1. példa 4. Szorgalmi feladat.

21 16. óra. A belső energia óra A belső energia A kinetikus gázmodell: A kinetikus energia és a hőmérséklet közötti összefüggés: Az impulzus megváltozása egy ütközés során: I = mv ( mv) = 2mv 3 2 Az ütközések közötti idő: t = L v Az erőhatás 1 részecske esetén: F = I t = 2mv2 L Az erőhatás átlaga N részecske esetén: F = N 2mv2 L A részecskék nyomás a kocka falaira: P = F 6L = N mv2 2 3V P V = N mv2 3 A kísérletileg meghatározott korábbi összefüggés: P V = nrt = N R N A T = NkT A két egyenlet alapján: mv2 3 = kt E kin = 3 kt 2 Belső energia: A rendszer összes energiatartalma, mely a rendszer szerkezetétől, tulajdonságaitól függ. Jele: E b, mértékegysége J. Az ideális gáz esetén E b a részecskék összes mozgási energiájának összege. Szabadsági fok: A független mozgásirányok száma: 3, 5 vagy 6 lehet. Jele: f Az ekvipartíció tétele: Az energia egyenletesen oszlik el, minden független haladási és forgási irányra k T 2 energia jut. N részecskéből álló rendszerre: A belső energia: E b = N f 2 k T Termikus és mechanikai kölcsönhatás során a belső energia megváltozik: Ha a rendszer Q hőmennyiséget vesz fel (vagy ad le), akkor a E b megváltozik: Q = N f 2 k T Ha a rendszer munkát végez, akkor a belső energia megváltozik: W = F x = p A x = p V 5. Házi feladat. Határozd meg 5 mól szén-dioxid belső energiáját nulla fokon! 5. Szorgalmi feladat.

22 óra. A hőtan I. főtétele 17. óra A hőtan I. főtétele A hőtan I. főtétele: A gáz belső energiájának megváltozása egyenlő a gáz által felvett (vagy leadott) hőmennyiség és a mechanikai munkavégzés összegével: Az energiamegmaradás tétele: 1 2 E b = Q + W 3 4 Zárt rendszer teljes energiája állandó, tehát az energia átalakítható egyik formájából a másikba, nem keletkezik és nem veszik el. 6. Házi feladat. 6. Szorgalmi feladat.

23 18. óra. Feladatmegoldás óra Feladatmegoldás 28. Feladat. Adott 1 köbméter hidrogéngáz, melynek nyomása 200 kpa. Egy folyamat során a térfogata háromszorosára nő, de nyomása állandó marad. Mekkora a munkavégzés és a belső energia megváltozása? 29. Feladat. Állandó nyomáson 300 Kelvinről 450 Kelvinre melegítünk 5 mól hidrogént, melynek kezdeti térfogata 30 dm 3. Ábrázoljuk a folyamatot E b T grafikonon! 30. Feladat. Egy 14 W teljesítményű fűtőszállal 100kPa nyomású 20 -os, 1,8 dm 3 -es hidrogéngázt 2,6 dm 3 térfogatúra növeltünk. Mennyi ideig tartott a folyamat? 31. Feladat. Nitrogéngáz térfogata 2 m 3, hőmérséklete 200K és nyomása 140 kp a. Mennyi hőt vett fel környezetéből, ha a nyomása 200 Kelvint növekedett? 32. Feladat. Héliumgáz térfogata 3 dm 3, nyomása 140 kpa. Állandó nyomáson a térfogata megduplázódik. Mennyi hőt vesz fel a környezetétől a gáz? 33. Feladat. Állandó térfogaton 300K-ről 400K-re nő 3 mol oxigéngáz hőmérséklete. A kezdeti nyomás 100kPa. Ábrázoljuk a folyamatot p T és E b T grafikonon! 7. Házi feladat. Mennyi hőmennyiség kell 12 C-os 27g tömegű oxigéngáz 35 C-ra való felmelegítéséhez, ha a gáz könnyen mozgó, súlytalan dugattyúval van elzárva. 7. Szorgalmi feladat.

24 óra. Ideális gázok hőkapacitása és fajhője 19. óra Ideális gázok hőkapacitása és fajhője Hőkapacitás: Az anyag nagyobb hőmérsékletre melegítéshez több energia szükséges. A hőmennyiség és a hőmérséklet hányadosa állandó: C = Q T [C] = J K Fajhő: Mennyi energia szükséges 1 kg anyag 1 C-kal való felmelegítéséhez. c = C m = Q m T [c] = J kg K Állandó térfogaton és állandó nyomáson mért fajhő: Az átadott hőmennyiség izochor esetben a gáz belső energiáját növeli: c V = Q m T = E f b m T = m R T 2 M m T = f 2 R M Izobár esetben munkavégzésre is fordítódik az energia, ezért több hőre van szükség. c p = E b + p V m T = f 2 m M R T + m M R T m T = f R M Robert Mayer-egyenlet: A két fajhő különbsége az előzőek alapján felírható: c p c V = R M A hidrogéngáz állandó nyomáson ill. térfogaton mért fajhőjéből kiszámítható az R. c p = 14, 236 kj kg C c V = 10, 112 kj kg C Moláris hőkapacitás: A hőkapacitás és az anyagmennyiség hányadosa. Jele: C m C m,v = f 2 R C m,p = f Házi feladat. Hasonlítsuk össze a metán állandó térfogaton mért fajhőjét a táblázatbeli értékkel és az elméleti számítással! 8. Szorgalmi feladat. Egy könnyen mozgó dugattyúval elzárt hengerben 80 g oxigéngáz 20 C-ról 80 C-ra melegszik. Mennyi hőmennyiség kell ehhez? Mennyi a munkavégzés és a belső energia változás? R

25 20. óra. Az adiabatikus állapotváltozás óra Az adiabatikus állapotváltozás Kísérlet. Szúrjuk ki egy széndioxidos patront és nézzük meg mi történik! A gáz kiáramlik, munkát végez az E b belső energia rovására, ezért lehűl. Kísérlet. Nyomjunk össze hirtelen levegőt és nézzük meg mi történik! A gázon végzett munka megnöveli a belső energiát, ezért felmelegszik. Adiabatikus folyamat: ha nincs hőcsere a gáz és a környezet között, akkor összenyomáskor felmelegszik, illetve táguláskor lehűl a gáz. Mivel Q = 0, így E b = W. 34. Feladat. Mennyi munkát végzett 2 mól széndioxidgáz egy adiabatikus folyamatban, ha 25 C-ról 5 C-ra hűlt le? (831,4 J) Poisson-egyenletek: Az állapotváltozók között fennálló összefüggések: p 1 V1 κ = p 2 V2 κ és T 1 V1 κ 1 = T 2 V2 κ 1 ahol κ az adiabatikus kitevő, melynek értéke: κ = c p = f + 2. c v f 35. Feladat. Egyik tartályban H 2, másikban He van. Mindkettőben a hőmérséklet 300 K, a nyomás 2 bár. Hirtelen felére összenyomva a gázokat mi történik? 36. Feladat. Egy dízelmotorban a dugattyú térfogata 100 cm 3 és a felére nyomjuk össze a cetánt (C 16 H 34 ). Ábrázoljuk p V diagramon a folyamatot! A gázon végzett munka: a görbe alatti terület a p V diagramon: W = P 2 V 2 P 1 V 1 κ 1 9. Házi feladat. A cetánt tizedére nyomja össze a dugattyú. Mennyi lesz a nyomása és a hőmérséklete? Mennyi a munkavégzés a gázon? 9. Szorgalmi feladat. Hányad részére kell összenyomni a levegőt adiabatikusan, hogy kétszeresére növekedjen a hőmérséklete?

26 óra. Körfolyamatok 21. óra Körfolyamatok Joule-kísérlet: 1845-ben Joule víztartályba helyezett lapátkereket forgatott meg egy lelógó súllyal. A mechanikai munkát sikerült hővé alakítani. Rumford kísérletei: Az üresen elsütött ágyú nagyon felmelegszik, de ha kilövünk egy ágyúgolyót, kevésbé melegszik fel. Ha kettőt, akkor még kevésbé lesz meleg 1. A felszabaduló hő mechanikai munkává alakítható. Körfolyamat: A rendszer különböző állapotváltozások során visszatér eredeti állapotába, a végzett munka a felvett és leadott hő különbségével egyezik meg. Hőerőgép: Egy meleg hőtartályból hőt vesz fel a gép, ennek egy részét mechanikai munkává alakítja, a többit egy hideg hőtartálynak leadja. A meleg tartály emiatt hűlne, ezért folyamatosan fűteni kell, a hideg tartály melegedne, ezért hűteni kell 2. Hatásfok: A hőerőgép által hasznosított energia mértéke: η = W hasznos Q fel = Q fel Q le Q fel = 1 Q le Q fel Stirling-ciklus: Izoterm tágulás, izochor hőfelvétel, izoterm összehúzódás és izochor hőleadás követi egymást. A gázt hidegen nyomom össze, míg melegen tágul ki, vagyis több a visszanyert munka, mint a befektetett. 3 Rankine-ciklus: A gőzgépekben ez zajlik. A nagynyomású, magas hőmérsékletű gőz meghajtja a turbinát, majd a gőz állandó nyomáson lehűl és lecsapódik, ezután a szivattyú benyomja a kazánba vizet, ahol a nagynyomású víz felforr, gőzzé változik. Otto-ciklus A benzinmotorban ez zajlik. Szívás állandó nyomáson, adiabatikus kompresszió, izochor robbanás, adiabatikus tágulás, a nyomás visszaesik, mert kinyit a szelep, végül az égéstermék izobár módon elhagyja a dugattyút. 10. Házi feladat. Rajzold fel a Diesel-ciklus p V diagramját és írj a működéséről! 10. Szorgalmi feladat. Rajzold fel a Brayton Joule-ciklus p V diagramját! 1 Az ágyugolyók nem melegedtek fel jelentősen. 2 Tehát biztosítani kell a hőmérsékleti inhomogenitást 3 Majd a folyamat kezdődik előről, mint minden körfolyamatnál.

27 22. óra. A hőszivattyú óra A hőszivattyú Hőszivattyú: Hőt visz át egy hidegebb testről egy melegebb testre, munka befektetésével, közben a hidegebb test hűl, a melegebb hőmérséklete növekszik 1. Típusai: Hűtőszekrény: a belső teréből juttatja a konyha melegebb levegőjébe a hőt. Hőszivattyú: A viszonylag hideg környezetből elvonja a hőt, hogy azt leadja egy fűteni kívánt helyen. A Genfi-tó mellett szállodákat fűtenek a tó hűtésével. Légkondi: a hűvösebb szobából hordja ki a hőt a forró környezetbe. Jósági tényező: A befektetett munka hányszorosát adja le a gép hőként a melegebb tartálynak, 2, vagy hányszorosát vonja el a hidegebből: COP hőpumpa = Q 1 W be = A hűtőszekrény működése: Q 1 Q 1 Q 2 COP hűtőgép = Q 2 W be = Q 2 Q 1 Q 2 A csövekben izobután 3 van, ami az alacsony nyomás miatt erősen párolog, közben hőt von el a belső térből. A kompresszor folyamatosan szivattyúzza ki a légneművé vált közeget, közben melegítve azt, ami kezd hőt leadni a környezetnek. Közben lecsapódik és további hőt ad le környezetnek. Végül folyadék állapotban visszajut a belső részhez. 37. Feladat. Egy 20 C-os szobát 5 C-os tó energiáját haszonosító hőszivattyúval működtetünk. Mekkora a jósági tényezője? 11. Szorgalmi feladat. Építs egy darab mécses energiáját hasznosító hajót! 1 Növeli a hőmérsékleti inhomogenitást, ellentétben a hőerőgéppel. 2 Coefficient of performance 3 C 4 H 10 ez van az öngyújtókban is.

28 óra. A termodinamika II. főtétele 23. óra A termodinamika II. főtétele A hőtan II. főtétele: Spontán folyamatban mindig a melegebb test ad át hőt a hidegebbnek, ellenkezője egy zárt rendszerben nem történhet meg. Következmények: Nincs Clausius-gép, mely egy hűtőgép lenne, mely nem fogyasztana semmit. Nem létezhet Kelvin-Planck gép, mely 100% hatásfokú lenne 1. Reverzibilis és irreverzibilis folyamatok: Léteznek megfordítható és nem megfordítható folyamatok. A valós folyamatok irreverzibilisek, visszafelé nem játszódnak le. Néhány folyamatot leírása során reverzibilisnek tekinthetünk, pl. inga mozgása. 38. Feladat. Adott két doboz, és 6 ugyanolyan golyó. Hányféleképpen helyezhetjük el őket a két dobozban? Entrópia: A rendezetlenség mértéke. Jele: S, mértékegysége J/K. Az egyensúlyi állapotban éri el a maximális értéket. Spontán folyamatban az entrópia mindig nő. 39. Feladat. Miért töltik ki a gázmolekulák a rendelkezésre álló teret? 40. Feladat. Miért oldódik a cukor a kávéban? 41. Feladat. Adott két doboz, és 8 ugyanolyan golyó. Hányféleképpen helyezhetjük el őket a két dobozban? 42. Feladat. Cáfold meg egy örökmozgó működését! 1 A 100% feletti hatásfokot már az első főtétel megtiltotta.

29 24. óra Halmazállapot változások 24. óra. Halmazállapot változások 29.

30 óra. Számítások 25. óra Számítások

31 25. óra. Számítások A hőmérséklet és a hőmennyiség 2 A szilárd testek hőtágulása 3 Feladatok 4 A folyadékok hőtágulása 5 A gázok állapotjelzői 6 Izobár állapotváltozás 7 Feladatok 8 Izoterm állapotváltozás 9 Feladatok 10 Feladatok Egyesített gáztörvény Az ideális gáz állapotegyenlete Kinetikus gázelmélet A hőtan I. főtétele Feladatok Termodinamikai folyamatok energetikai vizsgálata Ideális gázok hőkapacitása és fajhője Feladatok A hőtan II. főtétele Körfolyamatok Olvadás, fagyás Párolgás, forrás, lecsapódás Feladatok A kalorimetria Vegyes feladatok Halmazállapot-változások a természetben A hő terjedése Hőtan az otthonunkban Az elektromos állapot I. Elektromos alapjelenségek Az elektromos állapot II Anyagszerkezeti magyarázat, Elektromos állapot a mindennapokban Coulomb törvénye Az elektromos mező I. Az elektromos mező II. Feladatok Az elektromos erővonalak I. Az elektromos erővonalak II. Erővonalak és térerősség, Fluxus Feladatok Az elektromos mező munkája, a feszültség I. Az elektromos mező munkája, a feszültség II. Vezetők elektrosztatikus térben I. Vezetők elektrosztatikus térben II: Kondenzátorok Feladatok Összefoglalás Témazáró dolgozat Gyakorlás a témazáró tapasztalatai alapján Az elektromos áram, áramerősség, az egyenáram I. Az elektromos áram, áramerősség, az egyenáram II: Az elektromos ellenállás, Ohm törvénye Vezető ellenállása Feladatok Az áram hő- és élettani hatása Feladatok Fogyasztók kapcsolása Fogyasztók kapcsolása II Fogyasztók vegyes kapcsolása Feladatok Áram- és feszültségmérés Az áram vegyi hatása Áramforrások A mágneses mező Áram mágneses mezőjellemzése A Lorentz-erő Szabad töltésekre ható erő Vezetés vákuumban Összefoglalás Témazáró dolgozat Gyakorlás a témazáró tapasztalatai alapján Az éves munka értékelése, jegyek lezárása