A hőmérséklet és idő Teplota a čas. A hőmérséklet mérése. Hőmérő. - Meranie teploty. Vlhkomer

Átírás

1 A hőmérséklet és idő Teplota a čas A hőmérséklet mérése. Hőmérő. - Meranie teploty. Vlhkomer Az első higanyos hőmérőt Fahrenheit alkotta meg 1714-ben. Az ő nevéhez fűződik az ún. Fahrenheit-skála, amelyet még ma is használnak Amerikában. Az általunk ismert Celsius-skálát Anders Celsius, svéd csillagász vezette be 1742-ben. 0 C = 32 F A hőmérő működési elve Szükségünk van egy lezárt üvegcsőre, melyben higany vagy alkohol van, továbbá egy edényre, melybe vizet öntünk. A vizet egészen a forrásig melegítjük, majd megjelöljük, hogy meddig emelkedett a higanyszál. A következő vízzel teli edénybe jeget öntünk, belehelyezzük a hőmérőt, és megjelöljük meddig csökkent a higanyszál a víz-jég keverékében. Ennek a két jelnek a távolságát elosztjuk 100 egyenlő részre. Egy rész 1 C-ot jelent. Melegítés hatására a folyadékok kitágulnak, azaz térfogatuk nő. Hűtéskor a folyadékok összehúzódnak, azaz térfogatuk csökken. A hőmérséklet, mint fizikai mennyiség - Teplo ako fyzikálna veličina A hőmérséklet fizikai mennyiség, melynek jele T.. A hőmérséklet mértékegysége a Celsius-fok ( C). A víz forráspontja 100 C, a jég olvadáspontja 0 C. Mindkettő erősen függ a légnyomástól. A hőmérők típusai: higanyos, alkoholos, bimetall szalag, digitális és kapilláris. Kapilláris például a lázmérő. Lázmérő A lázmérésnél fontos, hogy a hőmérő tartósan jelezze a mért testhőmérsékletet. Ezért a higanytartály és a kapilláris (hajszálvékony cső) között szűkületet hoznak létre. A lázmérés után, lehűléskor a higanyszál a szűkületnél fennakad, és amíg le nem rázzuk, mutatja a testünk hőmérsékletét. A lázmérő skálája 35 C 42 C között mutatja a hőmérsékletet. 37 C 37,5 C hőemelkedés 38 C 39 C magas láz 39 C tól feljebb már nagyon magas lázról beszélünk Átváltás Celsius Fahrenheit: példa: 30 C Celsius-fok mennyi Fahrenheit? (30 C x 1.8) + 32 = 86 F A Celsius-fokot megszorozzuk 1,8-cal és hozzáadunk 32-t. Átváltás Fahrenheit Celsius: példa: 40 F Fahrenheit mennyi Celsius-fok? (40 F - 32) x 0,556 = 4 F A Fahrenheit-fokból elveszünk 32-t, majd megszorozzuk 0,556-al.

2 Feladatok: Váltsd át Celsius-fokról Fahrenheit-fokra a következő hőmérsékleteket! 0 C = F 10 C = F 20 C = F 30 C = F 40 C = F -20 C = F Váltsd át Fahrenheit-fokról Celsius-fokra a következő hőmérsékleteket! 0 F = C 10 F = C 20 F = C 30 F = C 40 F = C -20 F = C Az idő mérése Meranie času A régi korok embere az idő megállapításához a nappalok és éjszakák váltakozását használta fel. Elég volt megfigyelni a Nap mozgását az égbolton. Különböző órákat ismerünk: homokóra, digitális óra, napóra, stopperóra, ingaóra, analóg óra és az atomóra. Napjainkban a legpontosabb mérésekre az atomórát használjuk, amelyek kevesebbet késnek 1 millió év alatt mint 1 s. A napóra működése - Napóra készítése - Pontos idő - Az idő alapmértékegysége: s (szekundum, másodperc) Az idő fizikai mennyiség, jele: t. Az idő mértékegységei: másodperc (s), perc (min), óra (h), nap (d). 1 min = 60 s 1 h = 60 min 1 d = 24 h 1 h = s 1 h 30 min = 90 min HF: Tk 14.ol/1 Old meg a feladatokat. a) 2h 30min= min b) 0,5h= min c) 3h 20min= min d) 1h 40min= min e) 0,5h 30min= min f) 30min= h g) 1min 1s= s h) 120 min= h e) 4h 20min= min f) 0,6h= min g) 0,3h= min h) 2h 20min= min i) 0,5h 60min= min j) 45min= h k) 2min 20s= s l) 180 min= h

3 1.Váltsd át az idő mértékegységeit! 2.Melyik a nagyobb? Tegyél X-et a megfelelő helyre! 1. 1h 40min= min 2. 0,8h= min 3. 1h 20min= min 4. 3h 20min= min 5. 0,5h 10min= min 6. 30min= h 7. 2min 1s= s min= h 9. 2h 40min= min 10. 0,2h= min 11. 0,3h= min 12. 3h 40min= min 13. 0,5h 20min= min min= h 15. 3min 20s= s min= h 1 2min 150s nap 48h min 1h 10min 3 4 2,5 nap 60h s 1h h 2nap 6 7 0,8h 48min s 3,5min hét 20 nap ,2h 10 min min 0,75h hét ,3 h 20min min 0,7h X 3.Hány hónapos vagy? Számold ki! Hasonlítsátok össze az eredményeket! Ki lett a legfiatalabb? 4.Melyik számot írjuk a? helyére, hogy igaz legyen az egyenlőség? a) 1 év 7 hónap + 2 év 6 hónap + 3 év 5 hónap =? hónap b) 7 hét 1 nap 2 hét 6 nap =? nap c) 9 hét 2 nap 4 hét 5 nap =? nap d) negyed óra 3 perc =? másodperc e) fél óra 22 perc =? másodperc 5.Add meg a hiányzó mértékegységeket! a) 330 s = 5,5... b) 780 h = 32,5... c) 336 h = 2... d) 7200 s = 2... e) 0,2 h =

4 TK 18. oldal Halmazállapot-változások Párolgás - Vyparovanie Tudásbázis - A párolgás - evfolyam/parolgas/a-parolgas Videó: A párolgás Párolgás a gyakorlatban evfolyam/parolgas/parolgas-a-gyakorlatban A párolgás olyan halmazállapot-változás, amelynek során a folyadék légneművé válik. A párolgás a folyadék felszínén megy végbe. Ilyenkor a vízből kilépnek a vízmolekulák, amelyek nagyon apró részecskék, és ezek alkotják a vízgőzt. Különböző folyadékok különböző gyorsasággal párolognak. Például ha egy itatós papírra vizet és parfümöt cseppentünk a parfüm gyorsabban párolog el. A párolgást a szél is befolyásolja. A nedves ruha hamarabb szárad, ha szeles az idő, mert a szél a keletkezett páradús légréteget elfújja, így a helyükre újabb vízgőzmolekulák kerülhetnek a nedves ruhából. Ezt bizonyíthatjuk, ha az osztály táblájára 2 ugyanakkora vizes foltot csinálunk, és az egyik előtt egy füzettel legyezünk. Az a vizes folt szárad meg hamarabb, amelyiket legyeztük. Minden folyadék minden hőmérsékleten párolog. A párolgás gyorsabb, ha nagyobb a folyadéknak és a környezetnek a hőmérséklete. A nedves úttest nyáron gyorsabban felszárad, mint ősszel, mert nyáron melegebb van. A kiterített nedves ruha gyorsabban szárad meg mint az összehajtott, mivel sokkal nagyobb a párolgó felület nagysága. A víz ilyenkor nagyobb felületen érintkezik a levegővel, ezért több vízrészecske képes egyidejűleg kilépni a nedves ruhából. A folyadék párolgásának a sebességét meghatározzák: - a folyadék és környezetének hőmérséklete - a párolgó felület nagysága - a felület felett lévő gőz eltávolítása, például a szél által Vannak olyan szilárd anyagok, amelyeket ha melegítünk, a folyékony halmazállapot kihagyásával, közvetlenül légneművé alakulnak. Ilyen anyag például a kámfor, a naftalin, a jód. A képen a jód gyönyörű lila gőze látszik. Ezt a jelenséget szublimációnak nevezzük. Most már tudod, mire utal az a szólás: Eltűnik, mint a kámfor. A párolgó folyadék hűti a környezetét. Párolgáskor a folyadékokból a felszínhez közel kerülő, gyorsan mozgó részecskék kirepülnek. Mivel ilyenkor a legnagyobb energiájú részecskék hagyják el a folyadékot, ezért a folyadék belső energiája párolgáskor csökken. Ezt a folyadék hőmérsékletének csökkenése jelzi. A párolgó folyadék - miközben lehűl - hűti környezetét. Ez az oka, hogy a testünkről párolgó víz hűsít. Ugyanez ad magyarázatot arra, hogy a vízből kilépve mindenki kicsit fázik, pedig nincs hideg!

5 Forrás - Teplota varu A forrás olyan halmazállapot-változás, amely során nemcsak a felszínen, hanem a folyadék belsejében is van párolgás, gőzképződés. Azt a hőmérsékletet, amelynél a folyadék forrni kezd, forráspontnak hívjuk. A víz forrása A víz forralásánál láthatjuk, hogy kb. 40 C felett a lombik falánál már buborékok keletkeznek. A buborékokat a friss vízben levő levegő és a vízgőz tölti ki. A forralt víz kevesebb levegőt tartalmaz, mint a friss víz, ezért jelennek meg a buborékok csak a forrásponthoz közeli hőmérsékleten. A víz forrását az jelzi, hogy nagyobb buborékok képződnek, és felszállnak a folyadék felszínére. Forráskor a folyadék nemcsak a felszínéről, hanem a folyadék belsejéből is párolog. A forrás kezdetétől a víz hőmérséklete nem változik, amíg az összes víz át nem alakul vízgőzzé. Különböző anyagoknak különböző a forráspontja. Az anyag neve Forráspont Víz 100 C Alkohol 78 C Arany 2970 C Higany 357 C Konyhasó 1440 C Oxigén -183 C Szén 4830 C Folyékony nitrogén -196 C TK-23. oldal A levegő nyomása és a forrás - Tlak vzduchu a teplota varu A Földünk körül gázréteg van, amelyet atmoszférának nevezünk. Az atmoszféra felső rétegei nyomást gyakorolnak az atmoszféra alsó rétegeire. Ez a nyomás annál nagyobb, minél közelebb vagyunk a Föld felszínéhez, mert annál vastagabb az adott hely felett a levegőréteg. Az atmoszférának ezt a tulajdonságát atmoszferikus nyomásnak nevezzük. A levegő túlnyomó része a felszín feletti 20 km-es sávban tömörül a gravitáció miatt. Felette már rendkívül ritka a légkör. A Földön az alacsonyabban fekvő helyeken nagyobb a nyomás, mint a magas hegységekben, hiszen nagyobb felettünk a légréteg vastagsága. A Lomnici-csúcson (2 634 m) a levegő nyomása kisebb, mint Szalkán (110 m), mert a Lomnici-csúcs felett kevesebb a légréteg vastagsága. Ebben a magasságban a víz már 87 C forrni kezd.

6 A víz forrása normál körülmények között 100 C fokon zajlik. Alacsonyabb nyomáson alacsonyabb a forráspont. Ha a hegymászó az Elbrusz (5642 m - Oroszország) tetején szeretne vizet forralni, akkor a víz már 82 C foknál forrni kezd. Ez a hőmérséklet viszont nem elég néhány étel pl. a tojás megfőzéséhez. Ennek kiküszöbölésére használhatunk kuktafazekat. A kuktafazékban a levegő nyomása a víz forralásakor jelentős mértékben megnövekszik, ezért a víz csak 120 C-on forr. A víz magasabb forráspontja miatt gyorsabban és jobban fő meg az étel. Az atmoszferikus nyomás változását érzékszerveinkkel is érzékeljük. Normál tengerszint feletti magasságnál a nyomás a koponyánkban ugyanakkora, mint a külső levegő nyomása. Ehhez a nyomáshoz alkalmazkodtunk évezredeken keresztül. A tengerszint feletti magasság növekedésével csökken a külső nyomás, a belső viszont ugyanakkora marad. Ez a jelenség egyes embereknél kellemetlen érzéseket vált ki, s ilyenkor a száj alapos kinyitásával egyenlíthetjük ki a két nyomást. Kísérlet A lombik lehűtése csapvízzel Forraljunk vizet lombikban 1 2 percig, majd zárjuk el a borszeszégőt, és a lombik száját egy dugóval dugaszoljuk el! Ezután a lombikot hűtsük le csapvízzel! Figyeljük meg, mi történik! Tapasztalat: A víz, amely a borszeszégő eloltásával abbahagyta a forrást, meglepő módon a hűtéstől ismét forrni kezdett. Ennek oka, hogy a forrás során a lombikban csak víz és vízgőz maradt. A gőz a hűtés miatt ismét vízzé vált, így a lombikban csökkent a nyomás, amitől a víz újra forrni kezdett TK-32. oldal A gőz átalakulása folyadékká Lecsapódás Azt a folyamatot, amikor a légnemű halmazállapotú víz cseppfolyós vízzé alakul, cseppfolyósításnak vagy kondenzációnak nevezzük. Kísérlet: Egy üvegedénybe forró vizet öntünk és letakarjuk az üvegedény fedelével. Megfigyelés: Az üvegedény fedelén egy idő után vízcseppek jelennek meg. Magyarázat:

7 A forró víz feletti térségben nagyon sok vízgőz található. Mivel az edény fedele hidegebb, a vízgőz egy része a hideg fedőn vízcseppekké változik. Ez a cseppfolyósítási folyamat, a kondenzáció, csak akkor marad abba, amikor a víz az edényben lehűl a fedő hőmérsékletére, azaz a hőmérsékletek kiegyenlítődnek. Ekkor a vízgőzt képző molekulák száma megegyezik a vízzé alakult molekulák számával. Ebben az egyensúlyi helyzetben a lezárt edényben a levegő vízgőzzel telített. Harmatpont Az a hőmérséklet, amelynél a vízgőzből víz képződik a harmatpont. Ez függ a levegő páratartalmától és hőmérsékletétől. Gyakran nagyon magas a levegő páratartalma. A vízmolekulák, amelyek ezt okozzák, szabadon mozognak a levegőben és ütköznek egymással. Minél magasabb a levegő hőmérséklete, annál gyorsabban mozognak a molekulák, annál gyakrabban ütköznek, és ezután eltávolodnak egymástól. Ha a hőmérséklet csökken, a molekulák mozgása lelassul. A harmatponton már annyira lassúak, hogy nem tudnak egymástól elrugaszkodni, és vízcseppeket képeznek. Ha reggel vagy este nagyon lehűl a levegő, a növények hidegebb részein vízcseppek képződnek. Így keletkezik a harmat vagy a földhöz közeli rétegekben a köd. Lepárlás (desztilláció) Különböző folyadékoknak, különböző a forráspontja, ezért szét tudjuk őket egymástól választani. A keveréket, amely több különböző folyadékot tartalmaz, addig melegítik, ameddig el nem érik az egyik anyag forráspontját. A keletkezett gőzt egy hűtött csőbe vezetik, ahol lecsapódik, így elkülönül a folyadékot alkotó többi vegyülettől. Ezt a folyamatot lepárlásnak (desztillációnak) nevezzük. A lepárlást használják például a kőolaj különböző vegyületeinek az elkülönítésre, amelyik egyike a benzin. Lepárlást használunk akkor is, ha nagyon tiszta folyadékot akarunk nyerni ugyanabból a folyadékból. Az orvosi gyakorlatban gyakran kell olyan víz, amely nem tartalmaz ásványi anyagokat. Ezt egymásután többször megismételt desztillációval lehet elérni. A lepárlást használják a pálinka készítésénél is Tankönyv: 36. oldal Az eső modellezése A Nap a földfelszínt melegíti, a Föld pedig a körülötte lévő levegőt. A meleg hatására a víz párolog, a meleg levegő a vízgőzzel felszáll, amíg el nem éri a légkör hidegebb rétegeit. A vízgőzök egy része apró cseppeket képez, amelyek az ún. kondenzációs magokon képződnek. Ezek lehetnek porszemcsék, valamint elektromosan töltött részecskék is. A sok apró cseppet az égbolton, mint felhőt látjuk. Minél több a vízcsepp a felhőben, az annál sötétebb. A vízcseppek a felhőben egyre nagyobb és nehezebb cseppekké állnak össze. Egy kritikus súly felett

8 a légáramlatok a levegőben már nem tudják fenn tartani, s ekkor, mint esőcseppek hullnak le a földre. A leesett eső újból párologni kezd, ezt a folyamatot nevezzük a víz körforgásának. Savas esők Ezek leginkább az ipar-vidékek környékén figyelhetők meg, ahol sok szenet és kőolajtermékeket égetnek. A kőolajtermékek égetésekor és az autók üzemanyagának elégetésekor, a szén-dioxid és a víz mellett más égéstermékek, például kén-dioxidok (SO 2) és nitrogén-oxidok (NO 2) is képződnek. Az előbbi a szén és olaj égetéséből származik, az utóbbi a belső égésű motorok gyújtásakor keletkezik a levegő nitrogénjéből. Ezekben a káros gázokban található porszemcsék kondenzációs magként viselkednek és magukhoz vonzzák a gáznemű halmazállapotú víz molekuláit. A kémiai reakciók során savak: szénsav, salétromsav és kénsav keletkezik. A légkörben képződő savak a felfelé áramló levegővel a felhőkbe jutnak. A savas kémhatású szennyeződéseket tartalmazó felhőket a szél messzire szállítja, akár 2000 kilométerre is a kibocsátás helyszínétől. A tiszta esővíz is gyengén (ph 5,0) savas kémhatású. A savas esők azonban sokkal savasabbak es mérések: Skócia: csapadék ph: 2,4 (mint az ecet), Los Angeles: csapadék ph: 2 (mint a citromlé) A savas esők hatása az élőlényekre A savas esők tönkreteszik a fák lombját és gyökérzetét, elpusztítják a növényeket. A fák levelei elsárgulnak, leszáradnak. Különösen a fenyők érzékenyek a savas esőkre. A savas esők nemcsak közvetlenül károsítják az élővilágot. A savas csapadék hatására a talajból kioldódnak az alumínium és a nehézfémek (pl. ólom, higany) mérgező vegyületei, és bejutnak a talajvízbe, a tavakba, a folyókba és a tengerekbe. A vízi életközösségekben megmérgezik a planktont, megváltoztatják az ökoszisztémát, majd a táplálékláncon végighaladva a terület egész élővilágát. Az emberi élelmiszerekbe is bekerülnek ezek az anyagok, tehát az emberek egészségét is veszélyeztetik. A savas esők hatása az épített környezetre A savas esők az épített környezetet is pusztítják. Oldják a mészkőből, fémből készült tárgyakat, építményeket. A vasutak, a hidak gyors rozsdásodása, a felüljárók és az utak károsodása pedig óriási gazdasági károkat okoz. A savas esők pótolhatatlan veszteségeket okoznak a műemlék épületekben és a köztéri szobrokban is. A rézből készült Szabadság-szobrot is károsítja a savas eső és az oxidáció hatása és ezért zöld színűvé válik. A savas esők károsítják a termőföldet, hiszen kimossa az olyan tápanyagokat a termőföldből, amelyek a

9 növények növekedéséhez és túléléséhez szükséges. A savas eső azáltal befolyásolja a mezőgazdaságot, hogy megváltoztatja a talaj összetételét. A savas esők keletkezését megakadályozhatjuk, ha kevesebb káros anyagot bocsátunk ki a Föld légkörébe Olvadás - Topenie Mit nevezünk olvadásnak? Melegítés hatására, ha a szilárd anyagok hőmérséklete elér egy bizonyos hőmérsékletet - az olvadáspontot, megváltozik a halmazállapot szilárdról cseppfolyósra. Különféle anyagoknak különböző az olvadáspontja. Néhány anyag olvadáspontja: Anyag megnevezése Olvadáspont, o C Alumínium Arany Ezüst Kerámia Ólom Vas Wolfram 660 o C 1064 o C 961 o C 3870 o C 327 o C 1538 o C 3422 o C Üveg 800 C 1400 C Parafin 34 C 56 C Néhány anyag nem rendelkezik szabályos rácsszerkezettel, és ezért nincs meghatározott alakjuk. Az ilyen anyagokat amorf anyagoknak nevezzük. Ilyen anyag pl. az üveg, műanyag. Mit nevezünk amorf anyagoknak? Az alaktalan anyagokat. Hogyan viselkedik az üveg a melegítése során? Az üvegdarab melegítésekor, az elején meglágyul, hajlékony illetve könnyen nyújtható lesz. A hőmérséklet további növelésével olyan anyag keletkezik, amelynek állaga olyan, mint a méz. Később akár a tejföl, végül a vízhez hasonló folyadékká válik. Amikor egy szilárd testet melegítünk, a részecskék egyre intenzívebben rezegnek, a részecskék közötti kapcsolat gyengül, majd a helyhez kötöttségük megszűnik. Ezért a test térfogata olvadáskor általában nő, sűrűsége pedig csökken.

10 Fagyás - Topenie a mrazenie Mit nevezünk fagyásnak? Amikor a hőmérséklet csökkenésével egy bizonyos hőmérsékleten a folyadék megszilárdul. Öntöttvas tárgyak készítésekor a megolvasztott és formába öntött vas megszilárdul. Hideg téli időben az ereszről lefolyó esővíz jégcsappá változik, a víz megfagy. A fagyás olyan halmazállapot-változás, amelynek során a folyadékból szilárd halmazállapotú anyag lesz. Mit nevezünk fagyáspontnak? A fagyás egy meghatározott hőmérsékleten következik be, mely anyagonként különböző. Az a hőmérséklet, amelyen a folyékony anyag megfagy, a fagyáspont. Általában egy anyag olvadás- és fagyáspontja megegyezik. A víz 0 C -on jéggé alakul. Amíg az összes víz át nem alakul jéggé, addig hőmérséklete a hűtés ellenére változatlan. A jég hőmérséklete akkor csökken, amikor már az összes víz jéggé alakult és továbbra is hűtjük. Hogyan hat a fagyás a folyadékok térfogatára? A folyadékok többségének térfogata kisebb lesz fagyáskor, de ez a vízre nem érvényes. A folyadékok viselkedésének a magyarázata a halmazállapot-változásoknál a részecskeszerkezetükben rejlik. A folyadékok részecskéinek mozgása lassul, és fagyáskor egymáshoz kötődnek. A jég részecskéi pedig távolabb vannak egymástól, mint a víz részecskéi. Gazdaságtalanul helyezkednek el, ezért nagyobb helyet foglalnak el szilárd halmazállapotban, mint folyékonyban. Ezért van, hogy a pohárban lefagyasztott víz felszíne domború. Az anyagok olvadás-, és fagyáspontja az anyagok többségénél azonos. Igaz / Hamis A jég bizonyos nyomáson, 0 C-on olvadni kezd. Igaz / Hamis A víz 0 C -on jéggé alakul. Igaz / Hamis A jég állandó melegítése közben a hőmérséklete változatlan marad, amíg el nem olvad. Igaz / Hamis Minden anyagnak pontosan meghatározott olvadáspontja van. Igaz / Hamis Miért úszik a jég a vízen? Mert kisebb a jég sűrűsége a víz sűrűségénél. A jég sűrűsége 917 kg/m 3, a víz sűrűsége pedig 1000 kg/m 3. Mit nevezünk a víz anomáliájának? A víznek 4 C-on a legnagyobb a sűrűsége. 4 C-ig a térfogata csökken, majd ha tovább hűtjük, térfogata növekszik. Így térfogata 4 C-on a legkisebb, ezért a sűrűsége ezért a legnagyobb. Az ilyen hőmérsékletű víz a tavak alján helyezkedik el. A hőmérséklet télen és nyáron is mindig 4 C -os a tavak alján. Ez teszi lehetővé a halak és más élőlények számára az áttelelést a tavakban. Miért sózzák télen az utakat? A víz fagyáspontja csökken a sózással, így alacsonyabb hőmérsékleten fagy meg. A jég olvadáspontja, pedig növekszik a sózással - azonos hőmérsékleten meg is olvadhat a jég és az így keletkező víz már el tud folyni az utakról. A különböző anyagok mint például a (konyha)só, ami Na+ és Cl- ionokból áll

11 megnehezítik a víz szilárd halmazállapot rácsának kialakítását vagy fennmaradását. Így az utakon lévő csapadék később, alacsonyabb hőmérsékleten fagy meg. Abszolút nulla fok Az abszolút nulla fok az a hőmérséklet, amelynél a testből nem nyerhető ki hőenergia. A Kelvinskálán 0 K, a Celsius-skálán 273,15 C. Ezen a szinten az atomok és molekulák mozgása megszűnik, csupán a rácsrezgések alap energiaszintje marad meg. QUIZ

12

13

14 A hő A hőcsere 61 ol. / 44.ábra A kísérlet lényege, hogy a lombikot kezünkkel melegítjük. Mivel a kezünk melegebb, így a készülék falától a benne levő levegő is melegszik. Melegítéskor a levegő növeli térfogatát, nyomja a víz felületét a csőben, így a benne levő folyadékoszlop magassága csökken. Amikor a lombikot hideg vizes zsebkendővel hűtjük, akkor a lombik és a benne levő levegő hőmérséklete is csökken. Alacsonyabb hőmérsékleten a levegő részecskéi lassabban mozognak, ezért térfogatuk csökken. Ennek eredményeképpen a csőben levő folyadékoszlop magassága ismét megemelkedik. Elképzelések a hőről Egészen a 19. századig azt a nézetet vallották, hogy a hő egy anyag, amely átönthető egyik testből a másikba. Emellett olyan érzékeny, hogy nem lehet megmérni. Ezt a nem mérhető anyagot (fluidum), kalorikumnak nevezték el. Ebből a korszakból maradt meg a mai napig a kalória, mint a hő egysége. Ma már tudjuk, hogy ez a nézet helytelen volt. A hő a mozgás egyik fajtája. A hőmérséklet fizikai mennyiség, amely a szilárd, folyékony vagy légnemű anyag állapotára utal. Gázok A gázok részecskéi távol vannak egymástól, szabadon mozognak és ütköznek egymással illetve az edény falával. Ha melegítjük a gázokat, ezek az ütközések erősebbé és gyakoribbá válnak, ezzel növelik az edény falára ható nyomást. FolyadékokA folyadékok részecskéi közelebb vannak egymáshoz, nincs meghatározott helyük, állandóan mozognak, egymáson elgördülve, rendezetlenül változtatják helyüket. Melegítés hatására a részecskék mozgása felgyorsul. Szilárd anyagok A szilárd anyagokban a részecskéknek meghatározott helyük van, ahol rezgőmozgást végeznek. A kristályos anyagokban, mint pl. a konyhasó vagy a gyémánt, a részecskék szabályos rácsokba rendeződnek. Az amorf anyagok részecskéi rendezetlenek, de állandó helyük van, amely körül rezgőmozgást végeznek. Melegítésre a szilárd anyag részecskéi gyorsabban rezegnek.

15 A hő terjedése A hő terjedésének 3 módja ismert: 1. vezetéssel forró vízbe mártott kanál 2. áramlással központi fűtés a kazánból a radiátorba 3. sugárzással Nap, izzó lámpa Hővezetés szilárd anyagokban A hővezetés a hőterjedésnek olyan formája, amikor az anyag részecskéi nem mozdulnak el egyensúlyi helyzetükről. A szilárd anyag melegített részében nő a részecskék rezgőmozgásának energiája, ezért a részecskék gyorsabban rezegnek, és ezt a gyorsabb mozgást átadják a szomszédjaiknak. Így terjed tovább a szilárd testekben a hő. Ezt nevezik hővezetésnek. Kísérletek: 1. Melegítsünk fel egy fém és egy üvegrudat. A gyertyaviasszal rögzített szögek a fémrúdról egymás után leesnek, az üvegrúdról nem. 2. Vizet forralunk, benne vasszög és fapálcika van. A vasszög felforrósodik, a fapálcika nem. Következtetés: Vannak jó hővezető szilárd anyagok, amikben gyorsan terjed a hő, és vannak rossz hővezető anyagok. A rossz hővezető anyagokat hőszigetelőknek nevezzük. Hőszigetelők: pl. üveg, levegő, hungarocell, kerámia, fa, gumi, műanyag, víz, jég, hó, stb Hőszigetelők felhasználása: épületek hőszigetelő bevonata, fakanál, edény füle nem fém, termosz, hűtőkamion fala, elektromos vezetékek külső bevonata Azokat az anyagokat, melyek jól vezetik a hőt, hővezetőknek nevezzük. A legjobb hővezetők a fémek: vas, acél, alumínium, réz, stb. QUIZ:

16 Hőáramlás Tapasztalatból tudjuk, hogy a folyadékokban és gázokban a náluk kisebb sűrűségű anyagok a felhajtóerő miatt felemelkednek. Ez az oka például annak is, hogy a héliummal töltött léggömb a levegőben felszáll. Ha a folyadék vagy a gáz egy részét adott helyen melegítjük, akkor az a melegítés helyén kitágul, sűrűsége kisebb lesz, és ezért felfelé áramlik, és helyére hidegebb folyadék vagy gáz kerül. Ezt a jelenséget hőáramlásnak nevezzük. Hőáramláskor az élénkebben mozgó részecskék elmozdulnak. Ezért nemcsak a melegítés helyén lesz magasabb az anyag hőmérséklete, hanem távolabb is. Ez a hőáramlás addig tart, amíg a folyadékban vagy a gázban hőmérséklet-különbség, tehát sűrűségkülönbség van. A napsugárzás hatására a levegő a csupasz földfelszín felett jobban felmelegszik, mint a vizek vagy erdők közelében. Így az állandó sűrűségkülönbség állandó légáramlást eredményez. Miközben a meleg levegő felfelé mozog, helyébe a földfelszínen hidegebb levegő áramlik. A Föld felszínével párhuzamos légáramlást szélnek nevezzük. Gyakorlati példák: - Főzéskor alulról melegítjük az edényt, és a felfelé áramló folyadék felmelegíti a folyadék (pl. leves) felső részét is. - Padlófűtés melegíti a padló feletti levegőt, és a meleg levegő felfelé áramolva felmelegíti a szoba egész levegőjét. - Bármilyen fűtőtest (nemcsak a padlófűtés) melegíti a levegőt, és az hőáramlással terjed tovább a szobában és felmelegíti a szoba teljes levegőjét. A hő a folyadékokban és a gázokban áramlással terjed. Példa erre a víz áramlása a központi fűtés kazánjából a radiátorokba. Ilyenkor az a tény érvényesül, hogy a meleg víz sűrűsége kisebb. Ezért a földszinten elhelyezett kazánból a felmelegített víz felemelkedik. Ahogy a forró víz áthalad az egyes helyiségek radiátorain, a víz lassacskán lehűl, ezáltal megnövekedik a sűrűsége és a csöveken keresztül visszajut a kazánba. Ez a folyamat mindaddig érvényesül, amíg a kazánt folyamatosan melegítjük. Az ilyen lakások fűtése nagyon energiaigényes, ezért a szakemberek a csővezetékek és a lakások falait olyan anyagokkal hőszigetelik, amelyek rossz hővezetők. A levegő is rosszul vezeti a hőt. Ha több réteg ruhát veszünk fel, a ruhák közti levegő nem engedi a testünk által termelt hő elillanását olyan gyorsan, mintha csak egy réteg vastag ruha lenne rajtunk. A hőáramlás érdekes példáját mutatják az úgynevezett parti szelek, amelyeket tengerek, nagyobb tavak - így a Balaton - partján is megfigyelhetjük. A víz a nagy fajhője miatt nehezebben melegszik fel, mint a szárazföld. (Ki hitte volna?) Ezért forró, napsütéses napokon napközben erős a szárazföldről felszálló légáramlat, amelyet a víz felől érkező hideg levegő pótol. Tehát a part közelében, napközben a víz felől fúj a szél. Éjszaka viszont megfordul a széljárás, mert a szárazföld gyorsabban kihűl, mint a nagy fajhőjű víz. Ezért a szél iránya megfordul. A parti szelek szinte állandóak. Kivételt képez ez alól a hajnali napfelkelte és az esti napnyugta táján egy-egy rövid időszak, amikor teljes szélcsend alakulhat ki. Vajon miért?

17 Hősugárzás Van olyan hőterjedés, amihez nem szükséges közvetítő anyag, a légüres térben is terjed (elektromágneses) sugárzás formájában. Ilyen pl. a napsugárzás. A Föld is bocsát ki hősugárzást, amit a felhők visszavernek, ezért van hidegebb éjszaka, ha nincsenek felhők. Nemcsak a Nap, vagy a tűz, hanem minden meleg tárgy (vagy élőlény) bocsát ki magából hősugárzást, amit hőkamerával le is lehet fényképezni. A sötét érdes felületek jobban elnyelik a hősugarakat, mint a sima fényes felületek, amikről jobban visszaverődnek a sugarak. Ezért nem célszerű nyáron sötét ruhában járni, hanem világosban. A hő terjedésének azt a módját, amikor a testből kiinduló, láthatatlan hősugarakat a másik test elnyeli, és ezáltal melegszik fel, hősugárzásnak nevezzük. Példák a hősugárzás gyakorlati felhasználására: - A háztetőkön feketére festett napkollektorok. - Hőkamerával lehet embereket, állatokat megtalálni sötétben is. - Házak hőfényképén meg lehet állapítani, hogy hol rossz a hőszigetelés. - Emberek hőfényképén meg lehet állapítani, hogy hol van benne gyulladásos betegség. - Hőkövető katonai rakéta (követi a repülő meleg motorja által kibocsátott hősugárzást) - Az infra-lámpával történő melegítés gyógyító hatású. - távirányító is hősugárzást bocsát ki (TV, hifi) QUIZ

18 II. Hőmérséklet, halmazállapot 2. Hővezetés, hőáramlás, hősugárzás 1. Milyen módon terjed a hő? hővezetéssel a) Szilárd anyagokban:... hőáramlással b) Folyadékokban:... hőáramlással c) Gázokban:... hősugárzással d) Légüres térben: A hő terjedésének melyik formája valósul meg a következő példákban? hősugárzás a) A Nap melege eléri a Földet:... b) A radiátor lemezei fűtéskor átmelegednek:... hővezetés c) A hűtőszekrényben a mélyhűtő részt felülre szerelik: hőáramlás... hőáramlás d) Hajszárításnál:... hősugárzás e) Síelők napozásakor: Keress példákat a hő terjedésére a mindennapi életből! A forró teába tett fém kanál hamar átmelegszik, így nem tudjuk megfogni. a) Hővezetés:... Ha egy farönkre ülünk, azt sohasem érezzük hidegnek, mert a fa hőszigetelő. A Balaton-parton nappal azt tapasztaljuk, hogy a szél a vízről a part felé fúj, éjszaka pedig fordítva. b) Hőáramlás:... c) Hősugárzás:... Derült ég esetén hűvösebb lesz az éjszaka, mert a talaj által kisugárzott hőt nem veri vissza a felhős ég. 4. Kísérlet Tarts egy égő gyertyát először a nyitott ajtó alsó, majd felső részéhez! Mit tapasztaltál?... Mi a magyarázata ennek a jelenségnek?... Mit gondolsz, hogyan érdemesebb szellőztetni: bukóra vagy tágra nyitott ablakkal?... Miért? Építkezéskor a szobák mennyezetét néhány cm vastag üveggyapottal szigetelik. Milyen tulajdonságai vannak az üveggyapotnak, amelyek alkalmassá teszik erre a célra?... Az üveggyapot kis sűrűségű, jó hőszigetelő anyag, így alkalmas a mennyezet hőszigetelésére. Miért borítják be az üveggyapotot még egy réteg alufóliával is?... Azért borítják be az üveggyapotot még egy réteg alufóliával is, hogy visszaverje a hőt, mint egy tükör. 16

19 II. Hőmérséklet, halmazállapot 6. Írd le, hogy télen milyen színű és anyagú ruhába érdemes öltözködni!... Bármilyen furcsa, télen is a fehér ruha a kedvezőbb, ami legyen minél bolyhosabb, több rétegű. A testünk által kisugárzott hő nagyobb... a kívülről érkezőnél, ezért érdemesebb ennek a megtartására, vagyis a hőveszteség csökkentésére törekedni. Fehér kabátot viselni a... hétköznapokban nem praktikus, így ebben az esetben nem a hőtani szempontok a legfontosabbak, különösen az enyhe teleken. 7. A templomokban, várakban, a nyári hőség ellenére is, kellemes hűvös van, pedig a kő, amiből ezeket építették, nem tartozik a hőszigetelő anyagok közé. Magyarázd meg, mi ennek az oka!... A több száz éves templomokat, várakat nagyon vastag falura építették... (60 cm - 3 m), ezért nagyon hosszú időre van szükség ahhoz, hogy átmelegedjenek A kéményseprők évente ellenőrzik, hogy a házak kéményei nincsenek-e eldugulva, van-e elég huzat. Magyarázd el, mért fontos ez! A kéménynek az a szerepe, hogy kivezesse a füstgázt a szabadba és az égéshez levegőt szívjon... be az égéstérbe. Az égéstérben a füstgáz hőmérséklete sokkal nagyobb, mint a környező levegő... hőmérséklete, ezért sűrűsége kisebb, mint a környezetéé. A kisebb sűrűség miatt a forró füstgázok... felfelé fognak áramolni és a kéményen át a szabadba jutnak.... Ha a kéményben sok a korom, és a füstgázok nem tudnak távozni a kémény felé, akkor a füst más... utat talál, ami életveszélyes lehet! Felszállás után hogyan tud a vitorlázó repülőgép magasabbra emelkedni, ha nincs motorja?... A felszálló meleg légörvényeket (termik) lovagolja meg, azokra ül rá Járj utána! 10. Mi az a passzívház? Járj utána az interneten! Megszerzett ismereteid segítségével készíts beszámolót! 17

20 Mindent a jégről 10 kérdés és 10 válasz 1. Hogyan keletkezik a jég? A víz három lehetséges halmazállapota: a szilárd, a folyékony és a légnemű. A hőmérséklet változása következtében a víz bizonyos hőmérsékleti értéknél egyik halmazállapotból a másikba alakul át, ezt a jelenséget nevezzük halmazállapot változásnak. A fagyás az a halmazállapot-változás, amikor a folyékony víz szilárd jéggé válik. A jég tehát szilárd halmazállapotú víz. 2. Hány Celsius fokon fagy a víz? A tiszta víz 0 C hőmérsékleten fagy meg. Ez a hőmérséklet a víz fagyáspontja. 3. Miért úszik a jég a vízen? A jég könnyebb a víznél, ezért úszik rajta. Míg a víz sűrűsége 1000 kg/m³, addig a jég sűrűsége 900 kg/m³. 4. Mért reped szét a vízzel telt üveg, ha megfagy benn a víz? A jég térfogata nagyobb a víznél, ezért a megfagyott víz szétrepeszti az üveget. 5. Miért nagyobb a 0 C-os jég térfogata, mint a 0 C-os vízé? Mivel a vízmolekulák kristályrácsba rendeződve egymástól távolabb kerültek. 6. Hány Celsius fokon olvad a jég? A jég 0 C hőmérsékleten olvad. Ez a hőmérséklet a jég olvadáspontja. 7. Miért nem változik a vízszint, ha a jég elolvad? Az úszó jég ugyanannyi vízből áll, mint amennyi vizet kiszorít. Ugyanis mivel úszás közben egyensúlyban van, így a rá ható felhajtóerő megegyezik a jég súlyával, de megegyezik a kiszorított víz súlyával is Arkhimédész törvénye szerint. Tehát az úszó jég súlya, így a benne levő víz térfogata megegyezik a kiszorított vízével. 8. Miért jobb hővezető a jég, mint a frissen hullott hó? A jég kristályai között sokkal kevesebb levegő van, mint a hó kristályai között. 9. Miért nem fáznak az eszkimók a jégkunyhóban? A jég jó hőszigetelő, ezért megvédi lakóit a kinti erős hidegtől. A kunyhó falait belülről prémes állatbőrökkel borítják, amelyek elszigetelik a belső teret a jégfal közvetlen hűtő hatásától. A jégkunyhóban tüzelni is lehet, levegője kellemesre felfűthető. A levegő felmelegítéséhez kevés hő szükséges, mert kicsi a fajhője, és a kunyhó építésére felhasznált jégmennyiségnek nagy a tömege. Ekkora jégmennyiség megolvasztásához tehát sokszorosan több hőre volna szükség, mint amennyit a levegő fűtésére felhasználnak. 10. Miért van télen jégvirág az ablakon? A jégvirág téli, igen hideg időben, fűtött helyiségek külső ablakainak belső felületén keletkező, finom, kristályos jégbevonat. Az ablaküveget télen a külső fagyos levegő erősen lehűti. A szobában levő meleg levegő, érintkezve a hideg ablakfelülettel, igen vékony rétegben harmatpont alá hűl, és az ablaküvegen megkezdődik a pára kicsapódása. Először néhány kis jégkristály keletkezik. A jégkristályok egyes csúcsain folytatódik a kicsapódás, majd az újabb csúcsokon, és így tovább. Ennek következtében rendkívül érdekes, ágas-bogas, néha egészen szabályosnak tűnő páfrányszerű jégbevonat keletkezik.

21 A szilárd testek hőtágulása Létezik egy hőmérséklet, aminél a részecskék mozgása annyira lelassulna, hogy sebességük 0 -ra csökkenne, megállnának. Ez a C fok. A részecskék megállása nem lehetséges, ezért ezt a hőmérsékletet elérni nem lehet, és ennél kisebb hőmérséklet nincs. Ezt nevezik abszolút 0 foknak, és erre alapul a Kelvin hőmérsékleti skála (K). Ez a Celsius skálához képest 273-al van elcsúsztatva: C = 0 K (abszolút 0 K fok) 0 C = 273 K 100 C = 373 K. C = K Megfigyelhető, hogy hőmérséklet-emelkedéskor a szilárd testek is tágulnak, hűléskor pedig összehúzódnak. A hőtágulás a szilárd test részecskéinek mozgásával kapcsolatos. Magasabb hőmérsékleten a részecskék nagyobb tágassággal rezegnek, s így távolabb kerülnek egymástól. A tartósabb hőközlés nagyobb hőmérséklet-emelkedést eredményez. Közben a szilárd test tágulása is nagyobb. A szilárd testek hőtágulása annál nagyobb, 1) minél nagyobb a kezdeti térfogatuk, 2) minél nagyobb a hőmérséklet-változásuk, 3) és függ az anyagi minőségtől is. Hőtágulás a gyakorlatban: A szabadban levő tárgyak télen lehűlnek, nyáron felmelegszenek. Ezért például a hidak hosszúsága jelentősen változhat. A károsodás megelőzése érdekében a hídszerkezeteket fésűs csatlakozással látják el. A fogakkal illeszkedő elemek jól biztosítják a híd károsodás nélküli tágulását vagy összehúzódását. A csak az egyik végén rögzített híd méretváltozásait a másik végén lévő görgős alátámasztásokkal teszik lehetővé. A szabadban futó csővezetékek is nagy hőingadozásoknak vannak kitéve. Ezért ezekbe megfelelő távolságokra meghajlított csődarabokat lírákat építenek be. A csővezeték tágulásakor vagy összehúzódásakor ezek a lírák rugalmasan meghajlanak, s így a csövet nem éri károsodás. Régen a vasúti sínpályát úgy építették meg, hogy a síndarabok között a hőtágulás miatt hézagokat hagytak. A hézagokon áthaladva zakatoltak a kerekek. A döccenések azonban rongálták a sínpályát és a vasúti szerelvényt is. Ma már hegesztett sínpárokat alkalmaznak, amelyeket olyan erősen rögzítenek a talpfákhoz, hogy a sín nem görbül el a felmelegedés miatt. Kérdések és válaszok A vasbetonban a vasat beton veszi körül. Mi lehet a magyarázata annak, hogy nagy hőingadozáskor sem repeszti meg a betont a benne lévő vas? A betonvas és a beton hőtágulási együtthatója gyakorlatilag teljesen azonos!

22 A parketták, betonjárdák vagy a díszburkolat elhelyezésekor hézagot kell hagyni. Miért? Hogy nevezzük ezeket a hézagokat? Dilatációnak nevezzük. Hő hatására általában nő a szilárd testek térfogata. A vájatokkal előzhető meg a repedés. Az adott anyagok a hőmérséklet növekedésekor a hézagokba tágulhatnak, így nem domborodik fel a parketta, járda vagy a díszburkolat. A régebbi időkben a bognár a szekér kerekére az abroncsot felforrósítva húzta rá. Miért volt célszerű ez az eljárás? A hőtágulás miatt. A forró fém kitágul, nagyobb átmérőjű lesz, és így egyrészt könnyebb rátenni a kerékre, másrészt, mikor kihűl, akkor jobban rászorul a kerékre. A befőttesüvegen lévő celofánhártya az üveg lehűlése után homorú lesz. Mivel magyarázhatjuk ezt a jelenséget? Mikor belerakták az üvegbe a meleg befőzött gyümölcsöket, akkor az üveg fölső részében sok gőz volt még, ez töltötte ki a teret a levegő helyett. Ez később lehűlt, és lecsapódott, helyén vákuum keletkezett, és a külső nagyobb légnyomás benyomta, behorpasztotta. Miért lehet a beszorult csavart úgy meglazítani, hogy a csavaranyát hirtelen megmelegítjük? Mert a hirtelen melegítés hatására a csavaranya jobban kitágul, mint a benne lévő csavar. A húros hangszereket hőmérséklet-változás esetén újra kell hangolni. Vajon miért? A hangszer fa teste és a húrok is tágulnak, de nem egyforma mértékben. A Balaton jege hideg téli napokon időnként hosszan megreped, a jég szétnyílik. Ezt nevezzük rianásnak. Mi a rianás oka? A jég összehúzódik a melegedés következtében. A fogtömésre még használnak amalgámot. Egyik tulajdonsága, hogy a hőtágulása megegyezik a fogéval. Ez miért fontos? Ha nagyobb lenne a hőtágulása, mint a fogé, akkor hideg ételek fogyasztásakor válna el a fog anyagától és az étel a tömés alá kerülne. Forró ételek fogyasztásakor szétfeszítené a fogat. Ha kisebb lenne a hőtágulása, akkor hideg ételek fogyasztásakor szétfeszítené a fogat. Forró ételek fogyasztásakor elválna a fog anyagától, hiszen kevésbé nőne a térfogata és az étel a tömés alá kerülne. Vastag falú üvegpoharak gyakran eltörnek, ha forró vízzel töltjük meg. Miért? Az üveg rossz hővezető. Miközben a pohár belseje gyorsan felmelegszik, és próbál kitágulni, a pohár külseje hideg marad. A fellépő mechanikai feszültségek eltörhetik a poharat. A hőálló edények olyan különleges összetételű üvegből készülnek, melyek hőtágulása rendkívül csekély, ezért bennük nem jönnek létre károsítóan nagy belső feszültségek