A hőmérséklet változtatásával a szilárd testek hosszméretei megváltoznak, mégpedig melegítéskor általában növekednek. Ez azzal magyarázható, hogy a

Átírás

1

2 Kísérletek:

3 A hőmérséklet változtatásával a szilárd testek hosszméretei megváltoznak, mégpedig melegítéskor általában növekednek. Ez azzal magyarázható, hogy a szilárd testet alkotó molekulák rezgőmozgásának az amplitúdója növekszik, és ezáltal a test nagyobb teret tölt ki.

4 A testek egyirányú méretének a hőmérsékletváltozás hatására bekövetkező változása. Ha a test hossza t 1 hőmérsékleten l 0, akkor t = t 2 t 1 hőmérsékletváltozás hatására ezen mérete l l 0 t értékkel változik meg, a megváltozott hosszúsága tehát: l l Az arányossági tényező a test anyagi minőségétől függő lineáris vagy vonalas hőtágulási együttható. 0 1 t2 t1

5 Hidak tágulása: görgők, tágulási hézagok Vasúti sínek: tágulási hézagok, erős alap Távvezetékek: nyáron jobban lelógnak Csövek: meghajlított szakaszok (líra) Vasbeton: együtt kell táguljanak Lakk, zománcrétegek: megrepedeznek ha nem együtt tágulnak Üvegedények: hírtelen hőhatásra megrepedhetnek (hőálló üvegek)

6

7 Hőmérsékletváltozás hatására a testek felülete is megváltozik. Ha a test felülete t 1 hőmérsékleten A 0, akkor t = t 2 t 1 hőmérsékletváltozás hatására ezen mérete A A 0 2 t értékkel változik meg, a megváltozott felületre az alábbi összefüggés adódik: A A t t 2 1

8 A testek térfogatának hőmérsékletváltozás hatására történő növekedése. Ha a szilárd test térfogata t 1 hőmérsékleten V 0, akkor t = t 2 t 1 hőmérsékletváltozás hatására ezen mérete V V 0 3 t értékkel változik meg, a megváltozott térfogatra az alábbi összefüggés adódik: V V t t 2 1

9 Nincs meghatározott alakjuk, így velük kapcsolatban csak térfogati hőtágulásról beszélünk. Ha a kezdeti térfogat t 1 hőmérsékleten V 0, akkor t = t 2 t 1 hőmérsékletváltozás hatására a térfogat V V 0 t értékkel változik meg, a megváltozott térfogatra az alábbi összefüggés adódik: V V 1 t t 0 2 1

10 Folyadékok esetében β arányossági tényező a az anyagi minőségétől függő térfogati hőtágulási együttható. A folyadékok térfogati hőtágulása lényegesen nagyobb, mint a szilárd testeké. Gázok esetében β = 1/273 [1/K]

11 lázmérő hőmérő

12 A víz sűrűsége 4 C-on a legnagyobb, hiszen adott mennyiségű víz térfogata 4 C-on a legkisebb.

13 A víz kivételes viselkedésének fontos szerepe van a tavak növény és állatvilágának életében olyan vidékeken, ahol a telek hidegek. A legalul elhelyezkedő, legsűrűbb 4 C-os vízben az élőlények áttelelhetnek.

14

15 Gázok tulajdonságai: Kitöltik a rendelkezésre álló teret Nagymértékben összenyomhatók A részecskék rendezetlen hőmozgást végeznek Modellezés: golyómodell (ideális gázmodell)

16 Az ideális gáz jellemzői: A molekuláik térfogata elhanyagolható a gáz térfogatához képest. A gázmolekulák az egymáson történő rugalmas ütközésen kívül nincsenek kölcsönhatásban. A részecskék egymással és a tartóedény falával tökéletesen rugalmasan ütköznek. (ebből származik a gáz nyomása) Két ütközés között egyenes vonalú egyenletes mozgást végeznek.

17 Tyndall jelenség A nyugvó levegőben lévő por- és füstrészecskék kavargó mozgását láthatjuk, amikor megvilágításkor a fényt visszaverik. Diffúzió Folyadékok és gázok külső hatás nélküli keveredése. (a kölni illata kis idő után a szoba másik végében is érződik)

18 Azokat a fizikai mennyiségeket nevezzük így, amelyekkel egy adott gáz állapota megadható. neve jele mértékegysége nyomás (p) [Pa] térfogat (V) [m 3 ] hőmérséklet (T) [K] mólszám (n) mól

19 1. Összeadódó (extenzív) tömeg (m) térfogat (V) 2. Kiegyenlítődő (intenzív) hőmérséklet (T) nyomás (p)

20 A nyomóerő és a nyomott felület hányadosa. F definíciója: p Jele: p Ν mértékegysége: 2 m ahol a nyomott felület A (pascal)

21 A hőmérséklet jellemzésére különböző hőmérsékleti skálákat alkalmaznak, amelyek két alappontja a víz olvadás - és forráspontja. Leggyakrabban a Celsius-skálát használják. Kelvin-skála Celsius-skála A fizikában a Kelvin-skála használatos (SIalapegység). E kettő beosztása egyforma, csak a 0 pontjuk tér el: 0 C = 273,16 K. T= t + 273

22 A gázok állapotjelzői közötti kapcsolatot adja meg. p V n R T n m valamint R k N A R egyetemes gázállandó N A Avogadro-állandó k Boltzmann-állandó M moláris tömeg [R] = 8,31 J / mol. K [N A ] = 6, / mol [k ] = [R] / [N A ]= 1, J/K [M] = kg/mol (SI), g/mol

23 Az állapotegyenletet tehát többféle alakban adhatjuk meg. T R N N T R M m T R n V p A T k N T N k N N T R n V p A A

24 Állandó tömegű gáznak, ha egy folyamatban változik a térfogata, nyomása és hőmérséklete, akkor p V T állandó

25 Ha a gáz állapotjelzői megváltoznak, akkor az általános gáztörvény alapján a következő kapcsolat érvényes p 1 V T 1 1 p 2 T V 2 2

26 Izotermikus állapotváltozás T= állandó p V áll. p V T áll. Izobár állapotváltozás p = állandó V T áll. Izochor állapotváltozás V = állandó p T áll.

27 A zárt térben lévő állandó tömegű és állandó hőmérsékletű gáz nyomása és térfogata fordítottan arányos. pv állandó Robert Boyle Boyle-Mariotte törvénye Edmé Mariotte Animációk: 1. 2.

28 A zárt térben lévő állandó tömegű és állandó nyomású gáz térfogata és hőmérséklete egyenesen arányos. Gay-Lussac I. törvénye V T állandó Animációk: 1. 2.

29 A zárt térben lévő állandó tömegű és állandó térfogatú gáz nyomása és hőmérséklete egyenesen arányos. Gay-Lussac II. törvénye p állandó T Luis Joseph Gay-Lussac Animációk: 1. 2.

30

31 Az anyagok lehetséges állapotai, a fizikai körülményektől (nyomás, hőmérséklet) függően. Az anyagokat általában a normál körülmények között jellemző állapotuk alapján soroljuk be szilárd, folyékony vagy gáz, illetve plazma halmazállapotba. film

32 A szilárd testek alakja és térfogata észrevehetően csak nagy erő hatására változik meg. A testekben a részecskék egymáshoz közel vannak, kristályos testekben szabályos térbeli rácsot alkotva. Amorf testekben (pl. viasz, üveg) a részecskék szabálytalanul helyezkednek el, ezek tulajdonképpen megdermedt, rendkívül nagy viszkozitású folyadékok.

33 A folyadékok nem rendelkeznek meghatározott alakkal, felveszik a tartó edény alakját; összenyomni azonban nagyon nehéz őket (az ideális jelző folyadékoknál összenyomhatatlanságot jelent). Részecskéik egymáshoz közel, de rendezetlenül helyezkednek el, és egymáshoz képest a hőmérséklettel együtt növekvő sebességgel könnyen elmozdulhatnak.

34 A nem-newtoni folyadék Szaladgálás a puliszka (kukoricakeményítő és víz keveréke) tetején Hogyan teremtsünk szörnyeket? Folyik-e a szárazjég? A víz túlhűtése. (otthon is elvégezhető kísérlet)

35 A gázok kitöltik a rendelkezésre álló teret, és könnyen változtatják térfogatukat. Részecskéik egymástól távol vannak, és a hőmérséklettel együtt növekvő sebességgel egymással és az edény falával rugalmasan ütközve rendezetlen mozgást végeznek.

36 A plazmaállapotban lévő anyag ionizált magas hőmérsékletű gáz. Elektronokból és pozitív ionokból áll. Kifelé általában elektromosan semleges. A képen egy plazma hajtóműben láthatók a kiáramló ionizált magas hőmérsékletű gázok.

37 Halmazállapot-változásnak azt az átalakulást nevezzük, amikor az anyag egyik halmazállapotából a másikba jut. Hőmérséklet, vagy nyomás emelkedésekor: szilárd olvadás folyékony párolgás, forrás gáz szilárd szublimáció gáz Hőmérséklet, vagy nyomás csökkenésekor: gáz lecsapódás vagy kondenzáció folyadék fagyás szilárd gáz kicsapódás szilárd

38

39 Olyan halmazállapot-változás, mely során az anyag szilárdból folyékony állapotba megy át. Attól kezdve, hogy a szilárd test hőmérséklete elérte az anyagi minőségére jellemző olvadáspontot (T o ), a felvett hő nem a test melegítésére, hanem a részecskéit összetartó kémiai (ionos, fémes, kovalens) kötések felbontására fordítódik.

40 Egységnyi tömegű olvadásponton levő szilárd anyag megolvasztásához szükséges hő. Az olvadáshő a kristályszerkezet felbontásához szükséges. L o Q olvadás m L o J kg Amorf anyagoknál kristályszerkezet hiányában nem beszélhetünk olvadáshőről.

41 Az a folyamat, mely során az anyag folyékony halmazállapotból szilárd halmazállapotba kerül. Az anyag hőmérséklete addig csökken, amíg eléri a fagyáspontot T f /amely megegyezik az olvadásponttal T o /, ezt elérve a hőmérséklet állandó marad egészen addig, amíg az egész folyadék meg nem fagy.

42 Az anyagi minőségtől és a külső nyomástól. gyakorlati példák: újrafagyás (regeláció) jelensége: Ha egy vékony acélhuzal két végére két egyforma súlyt akasztunk majd azt átvetjük egy jégtömbön, egy idő után az acélhuzal áthalad a jégtömbön.

43 korcsolya: Ugyanezen jelenségre alapoznak a korcsolyázók. A kis élfelületű korcsolya nagy nyomást gyakorol az éppen alatta levő jégre, amely kissé megolvad és a keletkező vékony vizes jégen csúszik a korcsolya.

44 Egységnyi tömegű fagyásponton levő folyadék fagyásakor felszabaduló hő. Lf Q f m Lf J kg Egy test fagyásakor ugyanakkora hő szabadul fel, mint amennyi a megolvasztásához szükséges, ezért : L f Lo

45 Olyankor alakul ki, amikor a folyadékokat - folyadék állapotban tartva - fagyáspontjuk alá hűtik. Ez az állapot instabil. A túlhűtött folyadék, ha megzavarják, az adott hőmérsékleten stabil szilárd állapotba megy át. Túlhűtött állapot jön létre a felhőkben, a jégkristályok képződése előtt, tavak felületének befagyásakor és liofilizálásnál.

46 A forráspont alatti folyadék gáz átmenet. Párolgás közben a folyadék felszínén levő részecskék némelyike elszakad a folyadéktól, lévén akkora a mozgási energiája, hogy le tudja győzni a folyadék belseje felé ható kohéziós (azonos részecskék között ható vonzó) erőt. Párolgáshő: egységnyi tömegű, adott hőmérsékletű folyadék elpárolgásához szükséges hő. Jele: L L p, p J kg L p Q párolgás m

47 a párolgás sebessége függ a folyadék anyagi minőségétől (Az alkohollal átitatott szűrőpapír hamarabb megszárad, mint a vízzel átitatott.) a párolgás sebessége függ a párolgó felület nagyságától (A négyrét hajtott papír lassabban szárad meg, mint a kiterített.) a párolgás sebessége függ a folyadék hőmérsékletétől (Előmelegített fémkorongra csöppentett folyadék hamarabb elpárolog, mint az előmelegítés nélkülire csöppentett.) a párolgás sebessége függ a környezet páratartalmától (A lap, amelyik mellett fújással lecsökkentjük a páratartalmat, előbb szárad meg, mint amit nyugodtan hagyunk.

48

49 Forrás akkor következik be, ha már nem csak a folyadék felülete párolog, hanem a belsejében lévő gőzbuborékok is a felszínre emelkednek. A forrás egy adott hőmérsékleti ponton, a forrásponton (T f ) indul meg. A folyadék hőmérséklete forrás közben állandó marad. A forráspont értéke függ: a folyadék anyagi minőségétől, a folyadék felszíne fölötti levegő és gőz keverékének nyomásától. A külső nyomás csökkenésekor a forráspont csökken, növekedésekor pedig növekszik.

50 Egységnyi tömegű forrásponton levő folyadék elforralásához szükséges hő. Jele: Lf, Lf J kg L f Q forrás Forráspontnak azt a hőmérsékletet nevezzük, amikor a gőz nyomása egyenlő a külső nyomással. A folyadék kisebb nyomáson (pl. a magasabb hegyeken) alacsonyabb hőmérsékleten forr, nagyobb nyomáson (pl. a kuktafazékban) magasabb. m A forráspont jellemző az adott anyagra.

51

52 A lecsapódás az a halmazállapot-változás, amely sorén a légnemű anyag folyékonnyá válik. A lecsapódási hő az egységnyi tömegű forrásponton levő gőz lecsapódásakor felszabaduló hő. L l Q lecsapódás m L l J kg Egy test lecsapódásakor ugyanakkora hő szabadul fel, mint amennyi az elforralásához szükséges, ezért: L L l f

53 A szilárd fázis átmenete közvetlenül légnemű fázisba, más szóval a szilárd anyag párolgása. Légköri nyomáson szublimáló anyag pl. a szilárd szén-dioxid (szárazjég) és a jód vagy a kámfor. Szárazjég (szilárd szén-dioxid (CO 2 ) Valamennyire minden anyag szublimál, ezért érezzük illatát, szagát sok szilárd anyagnak is.

54 A felhő a légkörben lebegő apró vízcseppek és/vagy jégkristályok halmaza. A talaj közelében lévő formája a köd. ónos eső: túlhűlt vízcseppekből álló eső, a cseppek a talajra érve az ütődéstől megfagynak. A zúzmara a csapadéknak az a formája, amikor valamely felületet átlátszatlan jégréteg von be. A harmat éjszaka keletkezik, amikor a növényzeten és a talajközeli felületeken lecsapódik a nedvesség. A dér akkor jön létre, ha a levegő hőmérséklete fagypontra vagy az alá süllyed, párakicsapódást idézve ezzel elő.

55 Adott halmazállapotban a hőmérséklet-változás során bekövetkező energiaváltozás: E b = Q = c m t A halmazállapot-változás során : E b = Q = L m A termikus kölcsönhatások során: Q le = Q fel Az egyik által leadott hő megegyezik a másik által felvett hővel.

56 Hővezetés: Főleg szilárd anyagokra jellemző. A részecskék rezgési állapotukat, energiájukat adják tovább. Jó hővezetők: pl. fémek Rossz hővezetők /hőszigetelők/: pl. fa, műanyag Hőáramlás: a folyadékokra és gázokra jellemző hőterjedési folyamat. pl. tengeri áramlások, kéményekben létrejövő huzat Hősugárzás: A hőterjedés olyan módja két test között, amikor a testek között nincs közeg, vagy az számottevően nem melegszik át. A test által sugárzott hő függ a test hőmérsékletétől, színétől, érdességétől.

57 Termodinamika Belső energia Egy rendszer belső energiáját az alkotó részecskék mozgási energiájának és a részecskék közötti kölcsönhatásból származó potenciális energiák teljes összegeként határozhatjuk meg. A jele E b, mértékegysége a J (joule).

58 Termikus kölcsönhatás Ha két különböző hőmérsékletű test érintkezik, akkor hőmérsékletkiegyenlítődés történik. A melegebb test hőt ad le, a hidegebb pedig hőt vesz fel. (Korábban egy un. hőanyag cseréjét feltételezték.)

59 Szabadsági fok: A belső energia kiszámítása Egy test szabadsági fokainak száma azonos azon független koordináták minimális számával, melyekkel a test helyzete egy vonatkoztatási rendszerhez képest bármely pillanatban leírható.

60 Szabadsági fokok (f) száma Egyatomos gázok (nemesgázok) esetén f = 3, amely a haladó mozgásból származik. Kétatomos gázoknál (pl. O 2 ) f = 5, amelyből 3 a haladó mozgásból, 2 pedig a forgómozgásból következik. Három vagy többatomos gázok esetén f = 6, amelyből 3 a haladó mozgásból, 3 pedig a forgómozgásból származik.

61 Ha az adott részecskének f szabadsági foka van, akkor energiája átlagosan ε = f k T. 2 A rendszer azonos részecskékből áll, ezt N-nel (a részecskék számával) megszorozva kapjuk a rendszer belső energiáját:

62 I. főtétel: A hőtan főtételei Egy test belső energiájának változása egyenlő a testnek hőközléssel átadott energia és a testen végzett munka összegével. II. főtétel: E b Q W A hő magától csak a melegebb helyről a hidegebbre mehet át: a természetben a spontán folyamatok iránya olyan, hogy a hőmérsékletkülönbségek kiegyenlítődnek.

63 A hőtan főtételei III. főtétel: Az abszolút nulla hőmérséklet tetszőlegesen megközelíthető, de nem érhető el.

64 Hőkapacitás Egy rendszer hőkapacitása megadja, hogy mennyi hőt (Q) kell közölni a rendszerrel, hogy hőmérséklete (T) egy kelvinnel emelkedjék. Jele: C, mértékegysége: J/K. A hőmennyiség megváltozása egyenesen arányos hőmérséklet -változással. hőkapacitás Q C T a hőmennyiség megváltozása hőmérséklet - változás A hőkapacitás olyan anyagjellemző, amelynek értékét általában kísérleti úton határozzák meg.

65 Fajhő A fajhő annak a hőnek a számértéke, amely 1 kg tömegű anyag hőmérsékletét 1 C = 1 K-kal emeli. Fajhőnek nevezzük az alábbi mennyiséget. hőkapacitás fajhő c C m Q m T tömeg Megkülönböztetünk állandó térfogaton vett fajhőt c V és állandó nyomáson vett fajhőt c p.

66 Molhő Számértékileg megadja a mólnyi mennyiségű vegyület vagy elem 1 K-al való felmelegítéséhez szükséges hőmennyiséget. Másképpen: A test mólnyi mennyiségének hőkapacitása. hőkapcítás molhő c M C n Q n T molszám

67 Q C T Mértékegységek c C m c M C n

68 Térfogati munka

69 Ha a gáz tágul ( V > 0) és a külső nyomás nem nulla, akkor a munka negatív, a belső energia csökken ( E b < 0). Ha viszont a gázt környezete összenyomja ( V < 0), akkor a végzett munka pozitív, a belső energia nő ( E b > 0). A végzett munka tehát: W = - p. V A hőelmélet I. főtétele így a következő alakban írható fel: E b Q p V

70 A gázok állapotváltozásai az I. főtétel alapján Izotermikus állapotváltozás során a gázzal közölt hőmennyiség (Q) teljes egészében a környezetnek adódik át mechanikai munkavégzés (W) formájában, illetve a gázon végzett mechanikai munka számértéke megegyezik azzal a hőmennyiséggel, amelyet a gáz az állapotváltozás során a környezetének lead. mivel T= állandó T = 0 E b = cmt = 0 ezért Q = W = - pv

71 Az Izobár állapotváltozás (p = áll.) során a térfogati munka értéke: W = - pv = - p(v 2 - V 1 ) Az első főtétel ezen állapotváltozásra érvényes alakja a következő: Q c p m T E b p V c v m ( T T ) p ( V V ) )

72 Izochor állapotváltozás (V = áll.) A folyamat során a gáz térfogati munkát nem végez, a gáz belső energiájának megváltozása egyenlő a gázzal közölt hőmennyiség értékével: Q E b c v m T

73 Adiabatikus állapotváltozás

74 Adiabatikus állapotváltozás ábrázolása p p 2 2 p 1 1 T 1 T 2 v v 2 v 1

75 Az első főtételben szereplő mennyiségek közül a közölt hőmennyiség (Q) értéke zérus, vagyis a gáz által végzett térfogati munka (W) éppen egyenlő a gáz belső energiájának megváltozásával, vagyis E b = W