Gázrészecskék energiája: Minél gyorsabban mozognak a részecskék, annál nagyobb a mozgási energiájuk. A gáz hőmérséklete egyenesen arányos a

Átírás

1 Hőtan (2. rész) Ideális gázok részecske-modellje (kinetikus gázmodell) Az ideális gáz apró pontszerű részecskékből áll, amelyek állandó, rendezetlen mozgásban vannak. Rugalmasan ütköznek egymással és a tartály falával. Közöttük más kölcsönhatás (pl. vonzás) nincs. A részecskék között üres tér van. Egyenletesen kitöltik a rendelkezésükre álló teret. A gáz nyomását az okozza, hogy a gázrészecskék a tartályba rakott tárgyhoz és a tartály falához ütköznek, erőt, nyomást fejtenek ki rá. A gáz nyomása akkor nagyobb, - ha nagyobb a gáz sűrűsége (Több részecske van a tartályban, vagy összenyomták a tartályt. Ekkor több részecske ütközik a tartály falával.) - és nagyobb a részecskék sebessége (nagyobb sebességgel ütköznek a tartály falával, és a tartályba tett tárggyal)

2 Gázrészecskék energiája: Minél gyorsabban mozognak a részecskék, annál nagyobb a mozgási energiájuk. A gáz hőmérséklete egyenesen arányos a részecskék átlagos mozgási energiájával. (Nagyobb hőmérsékletű a gáz, ha a részecskék gyorsabban mozognak és nagyobb a mozgási energiájuk.) A gázrészecskék energiája, szabadsági foka ( jele: f ) 1 atomos gázrészecske mozgási energiája 3 koordináta irányú mozgásra bontható (x, y, z), forgási energiája nincs. Szabadsági foka 3 2 atomos gázrészecske (súlyzó alak) mozgási energiája 3 irányú haladó mozgásra és 2 koordináta irányú forgási energiára bontható. Szab. foka 3+2 = 5 3 vagy több atomos gázrészecske mozgási energiája 3 irányú haladó mozgásra és 3 irányú forgási energiára bontható. Szabadsági foka: 3+3= 6

3 A gáz teljes belső energiája egyenlő = a benne levő részecskék mozgási és forgási energiáinak összegével. f Képletben: E belső = n R T 2 ( f a szabadsági fok, n a molszám, T a hőmérséklet, R=8,31 J/mol K ) A belső energia változása ( ΔE ) Egy rendszer vagy anyag (akár szilárd, folyékony vagy gáz) energiája kétféle módon változtatható meg: - Hőátadással, hőelvonással (melegítéssel, hűtéssel) ( Q ) - Munkavégzéssel ( W ) (pl. súrlódási munkával, vagy gáz esetén a gáz összenyomásával, vagy a gáz végez munkát, ha kitágul) Ebből adódik a hőtan I. főtétele: Egy rendszer belső energiájának megváltozása egyenlő a rendszerrel közölt hőmennyiség és a rendszeren végzett munka összegével. Képletben: ΔE = Q + W Q a hőmennyiség, W a munka

4 Hőmennyiség jele Q, mértékegysége: J (Joule) Különböző anyagokat (pl. két különböző folyadékot) melegítve megállapítható, hogy azonos idő alatt különböző hőmérsékletre melegednek fel. Tehát különböző anyagoknál ugyanakkora hőmérséklet-változáshoz különböző hőmennyiség szükséges. A melegítéshez szükséges hőmennyiség függ az anyagtól. Képletben: az átadott hőmennyiség: Q = c m ΔT m: az anyag tömege, ΔT: az anyag hőmérsékletének változása c: fajhő, amely az anyagra jellemző állandó, amely megadja, hogy 1 kg anyag 1 C fokkal való felmelegítéséhez mekkora hőmennyiség szükséges. A fajhő mértékegysége: J/(kg C) vagy J/(kg K) pl. a víz fajhője 4200 J/(kg C) Ez nagynak számít, tehát sok hő szükséges ahhoz, hogy a víz hőmérséklete megváltozzon. Kísérlet: vízzel telt lufit gyertyalánggal melegítve a lufi nem ég el, nem lyukad ki, mert a víz belül hűti, és nagyon lassan melegszik fel. Tapasztalat: A tengerek vize lassan melegszik fel és lassan hűl ki. Egyéb gyakorlati példa: radiátor fűtésnél a víz sokáig tartja a meleget

5 Az I. főtételbe szereplő tágulási munka (W) függ a gáz nyomásától és a gáz kitágulásának nagyságától: W = p ΔV Azért van negatív előjel, mert ha a gáz kitágul, térfogata nő (ΔV pozitív) viszont a belső energiája csökken, tehát a W csökkenti a ΔE-t. Vagyis összegezve: ΔE = Q + W = c m ΔT p ΔV A hőtan I. főtétele az egyes állapotváltozásoknál: Izoterm állapotváltozás: ΔE = 0, mert a hőmérséklet nem változik 0 = Q + W, Q = W Izochor állapotváltozás: ΔV=0, így W=0, mert a térfogat nem változik. Így: ΔE = Q pl. zárt tartály melegítése Izobár állapotváltozás: nem egyszerűsödik a képlet, mert van térfogatváltozás, ezért munka is van, és van hőmérséklet változás, tehát ΔE is. ΔE = Q + W = c m ΔT p ΔV Adiabatikus állapotváltozás: vagy hőszigetelő tartályban van a gáz, vagy olyan gyorsan történik a változás, hogy nincs idő hőcserére. Ezért Q = 0, ΔE = W pl. pumpa gyors összenyomása (felmelegszik a munkavégzés hatására )

6 Néhány példa a hőtan I. főtételében szereplő hőközlésre és munkavégzésre: Benzinmotor: A berobbant levegő-benzin keverék gáz felmelegszik és kitágul, lenyomja a dugattyút, munkát végez. Gázturbina: Az elégett üzemanyag; felmelegedett gáz kitágul, munkát végez és a turbinalapátokra áramlik, és forgatja a turbinát. Ilyen gázturbina hajtja pl. a vadászgépeket. Kísérlet: A felmelegített lombik lehűl, lecsökken a gáz térfogata beszívja a főtt tojást. Fordítva pedig a lombikban melegített levegő kitágul, munkát végez; kinyomja a lombik száján a tojást. A kísérletet el lehet végezni lufival. Ekkor a lehűlő lombikba beszívódik a lufi, a felmelegített lombik szájára húzott lufi felfújódik. Egyéb példák munkavégzéssel történő hőmérséklet-változásra: Fék, fúróhegy felmelegedése, kézdörzsölés, tűzcsiholás fadarabokkal, Kísérlet: hőmérő dörzsölése

7 A hőtan II. főtétele A természetben önmaguktól (spontán) lejátszódó folyamatok mindig csak egyirányba mennek végbe. Ezek a folyamatok nem megfordíthatóak (irreverzibilisek). pl. termikus kölcsönhatásban (melegebb és hidegebb anyag érintkezése) az egyik anyag (melegebb) által leadott hőmennyiség egyenlő a másik anyag (hidegebb) által felvett hőmennyiséggel, a hőmérséklet-változás addig tart, amíg a két anyag hőmérséklete kiegyenlítődik. pl. a folyadékba tett cukor, vagy festék szétterjed a folyadékban, amíg egyenletesen elkeveredik. pl. egy teremben kifújt illatosító szétterjed a teremben, amíg egyenletesen szétoszlik. Ezek a folyamatok fordított irányban nem mennek végbe (nem lehet, hogy a hideg anyag tovább hűljön, és a meleg tovább melegedjen, nem lehet, hogy a cukor szilárd anyagként kiváljon a folyadékból,...stb. A II. főtétel másképp: A természetes folyamatok iránya mindig olyan, hogy a rendszer rendezetlensége nő.

8 Halmazállapot-változások A halmazállapot-változások fajtái Olvadás: szilárd anyagból folyékony a szilárd részecskék közötti nagy vonzás megszűnik, a részecskék kiszakadnak a rácsszerkezetből, és kis vonzással rendelkező egymáson gördülő folyadék részecskékké válnak. Az olvadáshoz hőfelvétel szükséges. Az olvadás ellentéte: fagyás: folyékonyból szilárd A fagyáshoz hőelvonás szükséges. Amíg a teljes anyag át nem alakul az egyik halmazállapotból a másikba (olvad, vagy fagy), az anyag hőmérséklete nem változik. Az a hőmérséklet, amelyen az anyag olvad, vagy fagy: olvadáspont, fagyáspont (pl. a víznél 0 C, pl. csokinál kb 60 C). Az olvadáspont függ a külső nyomástól. Pl. nagyobb külső nyomáson a jég alacsonyabb hőmérsékleten megolvad. Példa rá a korcsolyázás, ahol nagyobb nyomáson a korcsolya alatt a jég megolvad és a vízrétegen könnyen lehet csúszni. Kísérlet: Jégtömbre dróttal akasztott súly hatására a drót átvágja a jégtömböt (alatta nagyobb a nyomás), felette visszafagy a jég.

9 Forrás: folyadékból légnemű (gáz, gőz) Párolgás: folyadékból légnemű (gáz, gőz) Lecsapódás: légnemű (gáz, gőz) állapotból folyadék állapot Különbség a párolgás és forrás között: Párolgáskor a folyadék felszínén levő részecskék lépnek ki a folyadékból. A párolgás a folyadék minden hőmérsékletén létezik, de magasabb hőmérsékleten gyorsabb. Forráskor a folyadék belsejében is gáz állapotba kerülnek a részecskék, buborékok alakulnak ki. Forrás csak a forráspont hőmérsékletén létezik. Példa párolgásra: a ruhákat kiteregetjük, ekkor párolog el róla a víz. Ha Napra tesszük, magasabb hőmérsékleten gyorsabban párolog. Erre való a hajszárító is (a hajon levő víz elpárologtatására). Egyéb példák párolgásra: elmosott edény, festék, körömlakk, tó,.. A párolgás sebessége függ a folyadék hőmérsékletétől, a folyadék felületének nagyságától, és az anyagi minőségtől is. Kísérlet: papírra csöpögtetett szesz hamarabb elpárolog, mint a víz.

10 A párolgáshoz szükséges hőt a párolgó anyag a környezetétől vonja el. A párolgás hőt von el a környezetétől, lehűti azt. Példa: Ha a vízből kijövünk, fázunk a párolgás miatt. A fagyasztó spray lehűti a sérült testrészt a gyors párolgás miatt. A forráspont függ a külső nyomástól. Alacsonyabb hőmérsékleten a forráspont csökken, magasabb hőmérsékleten nő. Pl. magas hegyen a víz forráspontja alacsonyabb. Kuktában pedig magasabb a folyadék felett a nyomás, a víz forráspontja magasabb, mint 100 C, magasabb hőmérsékleten lehet főzni. Kísérlet: Búra alól kiszivattyúzva a levegőt, csökken a nyomás, az ott levő pohárban levő víz alacsonyabb hőmérsékleten felforr. Példa lecsapódásra: hideg reggeleken a levegőben levő vízgőz lecsapódik a fűre, ablakokra, tárgyakra és vízréteget alkot, fürdéskor a fürdőszoba falára, tükörre lecsapódik a gőz Példa fagyásra: különböző anyagoknak más a fagyáspontja: pl. a sós víz fagyáspontja alacsonyabb, mint a normál vízé, ezért az út sózásával meg lehet akadályozni a 0 C-on bekövetkező fagyást. Járművekbe olyan hűtőfolyadékot töltenek, amik nem fagynak meg 0 C-on, hanem C-on.

11 Szublimáció: szilárd anyagból légnemű Példa: a jód szobahőmérsékleten szublimál, a molyirtónak használt naftalin is, a szárazjég (szilárd szén-dioxid) szublimál A halmazállapotváltozásokhoz szükséges hőmennyiség: Olvadáshő: 1 kg anyag megolvadásához szükséges hőmennyiség. Egyenlő a fagyáshővel, ami ugyanakkora, csak nem átadni kell, hanem elvonni, hogy a folyadék megfagyjon. Jele: L o, mértékegysége: J/kg m kg anyag olvadásához szükséges hőmennyiség: Q = L o m Forráshő: 1 kg anyag teljes felforrásához szükséges hőmennyiség. Jele: L f, mértékegysége: J/kg m kg anyag felforrásához szükséges hőmennyiség: Q = L f m Párolgáshő: 1 kg anyag teljes elpárolgásához szükséges hőmennyiség. Jele: L p, mértékegysége: J/kg m kg anyag felforrásához szükséges hőmennyiség: Q = L p m

12 Hőátadás hőmérséklet grafikon: - A szilárd tárgyat melegítve nő a hőmérséklete az olvadáspontig. - Tovább melegítve, amíg el nem olvad teljesen, a hőmérséklete nem változik. - olvadás - Amikor teljesen megolvadt, melegítve a hőmérséklete megint nő, amíg el nem éri a forráspontot. - folyadékként melegszik - A forrásponton marad a hőmérséklete, amíg teljesen fel nem forr. - forrás - Felforrás után a gőz, gáz melegítésekor a hőmérséklete tovább nő. - légneműként, gáz állapotban melegszik Példa : a jég víz vízgőz átalakulás grafikonja: Az átadott hő (Q) - halmazállapot-változáskor: (olvadás, forrás) Q=L m - melegedéskor (vagy lehűléskor): Q=c m ΔT

13 Egy kísérlet, amiben szerepel forrás, lecsapódás, gáz nyomása: Italos fémdobozba (lehet 5 dl-es vagy 3,3 dl-es) töltünk egy kis vizet. Felforraljuk. Amikor a palack tetején levő lyukból erősen jön ki a gőz, fejjel lefelé belefordítjuk hideg vízbe. Ennek hatására a palack összeroppan. Magyarázat: A forrásban levő víz gőze megtölti a palackot és a benne levő levegőt kiszorítja. A hideg vízbe fordítva lehűl a gőz és lecsapódik a palack belső falára. Így kevesebb lesz a gőz és gáz (levegő) a palackban. Ha kevesebb a gőz és levegő a palackban, akkor kisebb a nyomása (kevesebb részecskének kisebb a nyomása). A nagyobb külső légnyomás összenyomja a palackot.