FIZIKA. Ma igazán belemelegszünk! (hőtan) Dr. Seres István

Átírás

1 FIZIKA Ma igazán belemelegszünk! (hőtan) Dr. Seres István

2 Hőtágulás, kalorimetria, Halmazállapot változások fft.szie.hu 2 Seres.Istvan@gek.szi.hu

3 Lineáris (vonalmenti) hőtágulás L L L 1 t L L0 t L 0 0 Fémekre: / C nagyon kicsi kell ezzel egyáltalán foglalkozni?! fft.szie.hu 3 Seres.Istvan@gek.szi.hu

4 Lineáris (vonalmenti) hőtágulás Erzsébet híd: L 0 = 350 m, = 1, / C, t = 50 C. L = 0,21 m fft.szie.hu 4 Seres.Istvan@gek.szi.hu

5 Lineáris (vonalmenti) hőtágulás Hogyan rögzítik a hidakat? Hogyan csatlakozik a parthoz? fft.szie.hu 5 Seres.Istvan@gek.szi.hu

6 Lineáris (vonalmenti) hőtágulás Kb. 1 cm Kísérlet: bimetál szalag Egy fémmel bevont papírból (pl. csoki-papír) keskeny csíkot vágunk, és az ábrán látható alakúra hajtjuk. Ezután egy frissen elfújt gyufaszálat teszünk alá, ennek hatására a kettős réteg elgörbül. fft.szie.hu 6 Seres.Istvan@gek.szi.hu

7 Lineáris (vonalmenti) hőtágulás fft.szie.hu 7 Seres.Istvan@gek.szi.hu

8 Lineáris (vonalmenti) hőtágulás Kb. 1 cm Kísérlet: bimetál szalag Magyarázat: A két összeragasztott réteg különböző mértékben tágul, s emiatt megváltoztatja a görbületét. A kisebb hőtágulási együtthatójú oldal felé görbül. fft.szie.hu 8 Seres.Istvan@gek.szi.hu

9 Lineáris (vonalmenti) hőtágulás Gyakorlati alkalmazásai: hőfokszabályozó, biztonsági érzékelő fft.szie.hu 9 Seres.Istvan@gek.szi.hu

10 Hőtágulás Felületi hőtágulás: L 2 = L o2 (1+ t) 2 L L 0 L 0 L 2 =L 02 (1 +2 t+ 2 t 2 ) L De ~ /K utolsó tagot általában elhanyagoljuk A = A 0 (1+2 t) fft.szie.hu 10 Seres.Istvan@gek.szi.hu

11 Hőtágulás L 0 Térfogati hőtágulás: L L 3 = L o3 (1+ t) 3 L 3 =L 03 (1 +3 t+3 2 t t 3 ) De ~ /K utolsó két tagot L általában elhanyagoljuk V = V 0 (1+3 t) szilárd testekre, V = V 0 (1+b t) folyadékokra. Hőmérők! fft.szie.hu 11 Seres.Istvan@gek.szi.hu L 0

12 hőtágulás Feladat: Egy 20 C hőmérsékleten 1 literes edényt vízzel töltünk tele. Az egészet 40 C fokra melegítettük, majd visszahűtöttük 20 C hőmérsékletre. Ekkor 10 cm 3 vizet tudtunk még beletölteni. Mekkora az edény anyagának lineáris hőtágulási együtthatója ( ), ha a víz térfogati hőtágulási együtthatója b = / C? fft.szie.hu 12 Seres.Istvan@gek.szi.hu

13 Hőtágulás feladat Megoldás: Az edényben maradt víz (0,99 l) 40 C-os térfogata: V v40 = V v20 (1+b t) V v40 = 0,99 ( ) = 1,0098 l Ezzel kell megegyeznie az edény 40 C-os térfogatának is: V v40 = V e40 = V e20 (1+3 t) 1,0098 = 1( ) Innét = 1, / C fft.szie.hu 13 Seres.Istvan@gek.szi.hu

14 Kalorimetria Kaloriméter = hőszigetelő edény (termosz) Hőszigetelt környezetben végbemenő hőátadási folyamatok: Kalorimetrikus alapegyenlet: Q fel = Q le fft.szie.hu 14 Seres.Istvan@gek.szi.hu

15 Kalorimetria Felvett, leadott hő: Egy halmazállapoton belül: Q = c m t t - hőmérsékletváltozás (1 C változás = 1K változás!!!) m - tömeg c fajhő fft.szie.hu 15 Seres.Istvan@gek.szi.hu

16 Kalorimetria jeget zárt edényben melegítek: t Halmazállapot-változás közben Q Q = L m, ahol L o - olvadáshő L f - forráshő fft.szie.hu 16 Seres.Istvan@gek.szi.hu

17 Kalorimetria Feladat: 3 dl 25 C fokos ásványvízbe mekkora tömegű -20 C fokos jégkockát kellene dobni, hogy a kialakuló közös hőmérséklet 15 C legyen? (A környezet hatását elhanyagolandó képzeletben kaloriméterben keverem) Adatok: c j = 2100 J/kg C c v = 4200 J/kg C L o = J/kg fft.szie.hu 17 Seres.Istvan@gek.szi.hu

18 Kalorimetria Feladat megoldása: m v = 0,3 kg, t v = 25 C, t j = -20 C, t k = 15 C Q fel = Q le c j m j t j + L o m j + c v m j t 1 = c v m v t v 2100 m j m j m j 15 = , m j = m j = 0,0286 kg = 2,86 dkg (V=31,8 cm 3 a ~ 3,2 cm) fft.szie.hu 18 Seres.Istvan@gek.szi.hu

19 Halmazállapot változás Forrás Feladaton keresztül gondoljuk végig: Mekkora hőmérsékleten forr a víz egy kuktában? (Mitől függ a víz forráspontja?) fft.szie.hu 19 Seres.Istvan@gek.szi.hu

20 Halmazállapot változás Mekkora hőmérsékleten forr a víz egy kuktában? (Mitől függ a víz forráspontja?) Telített gőz: egy folyadéktartályban, ha a folyadék felett nincs levegő, akkor az elpárolgó folyadék molekulák alkotnak gőzt, ennek a nyomása a telített gőznyomás, azaz a tenzió. Telített gőz folyadék Dinamikus egyensúly az elpárolgó és lecsapódó molekulák száma azonos. fft.szie.hu 20 Seres.Istvan@gek.szi.hu

21 Halmazállapot változás Mekkora hőmérsékleten forr a víz egy kuktában? (Mitől függ a víz forráspontja?) Telített gőz Máshogy viselkedik, mint a gáz!!! A nyomás a hőmérséklet függvénye, de a térfogaté nem! Telített gőz folyadék fft.szie.hu 21 Seres.Istvan@gek.szi.hu

22 Halmazállapot változás Mekkora hőmérsékleten forr a víz egy kuktában? (Mitől függ a víz forráspontja?) tenzió 10 5 Pa Telített gőz t folyadék 100 C fft.szie.hu 22 Seres.Istvan@gek.szi.hu

23 Telített gőznyomás (tenzió) hőmérsékletfüggése t ( C) p (Pa) tenzió hőmérsékletfüggése hőmérséklet ( C) fft.szie.hu 23 Seres.Istvan@gek.szi.hu tenzió (Pa)

24 Halmazállapot változás Mekkora hőmérsékleten forr a víz egy kuktában? Mekkora a kuktában a maximális nyomás? mg mg pmax Pk Pk 2 A d 4 fft.szie.hu 24 Seres.Istvan@gek.szi.hu

25 Halmazállapot változás Mekkora hőmérsékleten forr a víz egy kuktában? Mekkora a kuktában a maximális nyomás? m = 70 g = 0,07 kg, d = 6 mm = 0,006 m mg 5 0,07 10 pmax Pk 10 2 A 0,006 4 p max = Pa ~1, Pa fft.szie.hu 25 Seres.Istvan@gek.szi.hu

26 Halmazállapot változás Mekkora hőmérsékleten forr a víz egy kuktában? P max = 1, Pa tenzió hőmérsékletfüggése Mekkora hőmérséklet tartozik ehhez a tenzió értékhez? T = 106 C tenzió (Pa) hőmérséklet ( C) fft.szie.hu 26 Seres.Istvan@gek.szi.hu

27 Halmazállapot változás Olvadás-fagyás Kísérlet: Egy jégtömbön átvetett vékony drótra súlyokat akasztva a drót átvágja a jeget, anélkül, hogy az ketté válna. A kísérletet fagypont alatti környezetben célszerű elvégezni. fft.szie.hu 27 Seres.Istvan@gek.szi.hu

28 Halmazállapot változás Olvadás-fagyás Kísérlet magyarázata: Egy jégtömbön átvetett vékony drót által kifejtett nyomás hatására megolvad a jég. Miután a drót belesüllyed megszűnik a nyomás, visszafagy. fft.szie.hu 28 Seres.Istvan@gek.szi.hu

29 Gondolkodtató feladat: lyuk Egy fémlemezbe vágott lyuk mérete megváltozik-e (ha igen hogyan, nő vagy csökken?), ha a lemezt felmelegítjük? fft.szie.hu 29 Seres.Istvan@gek.szi.hu

30 Gyakorló feladat: Mekkora közös hőmérséklet alakul ki, ha 2 dl 25 C fokos vízbe 10 dkg tömegű -20 C fokos jeget dobunk? fft.szie.hu 30 Seres.Istvan@gek.szi.hu

31 Gondolkodtató feladat: Magyarázzuk meg, hogy miért az ábrán látható alakúra élezik a korcsolyát! fft.szie.hu 31 Seres.Istvan@gek.szi.hu