Hőtan Az anyagok belső szerkezete, szilárd tárgyak és folyadékok hőtágulása, hőterjedés (Ez az összefoglalás tartalmaz utalásokat a tankönyv egyes részeihez, ezért a tankönyvvel együtt használható.) Tapasztalatok, kísérletek az anyagok belső szerkezetének megismeréséhez: Légnemű anyagokra: 1. Az ablakon besütő Nap fényében a porszemek össze-vissza mozogni látszanak. 2. Egy teremben illatos gázt kibocsátva ez idő után az illat, vagyis a gáz kitölti a rendelkezésére álló teret. 3. A gáz (pl. levegő) összenyomható pl. fecskendőben. Folyadékokra: 4. Mikroszkóppal vizsgálva vízben az apró pl. bors szemeket, azok rendezetlenül mozognak. 5. A folyadékba öntött másik (színezett) folyadék összekeveredik. 6. Melegítés hatására a keveredés gyorsabb. 7. Két különböző folyadékot összeöntve a térfogatuk kevesebb lesz, mint a külön-külön mért térfogatuk összege.
8. A folyadékból csöppek keletkeznek, rátapad szilárd tárgyakra. 9. A folyadék nem összenyomható (pl. fecskendőben) 10. A folyadéknak nincs alakja, felveszi az edény alakját. Szilárd tárgyakra: 11. A szilárd anyag szintén nem nyomható össze. 12. Van olyan szilárd anyag amit egymáshoz lehet ragasztani, összeáll, ha elég közel összenyomjuk. Pl. két szappan 13. A szilárd anyagnak van alakja, nehezen vágható ketté. (A fenti kísérletek közül néhánynak a képe, összeállítása a tankönyvben található meg a 136. o. - 141. o.-ig. A kísérletek nagy részét az órákon elvégeztük.) A tapasztalatokból, kísérletekből levont következtetésekből megalkothatjuk a szilárd testekre, folyadékokra, gázokra vonatkozó modellt, amivel a felépítésüket, anyagszerkezetüket írjuk le. Modell: a valóság leegyszerűsített képe, amivel a modellezett dolog tulajdonságait, működését, viselkedését le tudjuk írni. (modellalkotásra példák a tankönyv 140. oldalán)
Az anyagok belső szerkezetére vonatkozó modellek Mindhárom halmazállapotra (szilárd, foly., gáz): - Az anyagok különböző részecskékből állnak, amelyek állandó rendezetlen mozgásban vannak. (1., 2., 4., 5., 7., 10. tapasztalatból) - A részecskék mérete nem egyforma. (7. tapasztalat, ahol a nagyobb részecskék be tudnak menni a kisebbek közé) - A részecskék gyorsabban mozognak, ha az anyagot melegítjük. (6. tapasztalatból) Gázmodell: - A részecskék állandó, rendezetlen mozgással kitöltik a rendelkezésükre álló teret. (1., 2. tapasztalatból) - A részecskék mozgásuk során ütköznek egymással és a tartály falával. - A részecskék között nincs vonzóerő. - A részecskék közti távolság elég nagy, közöttük üres hely van, ezért a gáz összenyomható. (3. tapasztalatból) Folyadékmodell: - A folyadékok részecskéi szorosan egymás mellett helyezkednek el. (ezért nem összenyomható, 9., 10. tapasztalatból)
- A részecskék egymáson gördülve mozognak. (5., 7., 10. tap.-ból) - A folyadékrészecskék között van vonzóerő, ez tartja össze a folyadékot (pl. a folyadékcseppet, 8. tapasztalatból) Szilárd testek modellje: - A részecskék kristályrácsba rendeződnek, egymáshoz kötötten helyezkednek el. - Közöttük nagy vonzóerő van (sokkal nagyobb, mint a folyadéknál). (11., 12., 13. tapasztalatból) - A rácsszerkezetben levő részecskék helyhez kötött rezgőmozgást végeznek. A modellek egyéb közös jellemzői: - A szilárd testek részecskéi és a vele érintkező folyadékrészecskék között is van vonzóerő (pl. ezért tapad rá a vízcsepp szilárd anyagra, 8. tapasztalat) - A részecskék közötti vonzóerő összetartani igyekszik őket, a részecskék mozgása viszont az anyag szétszakítását segíti elő. A két ellentétes hatás nagyságától függ, hogy egy anyag szilárd, folyadék, vagy légnemű állapotban van. Mivel a hő hatására a részecskék gyorsabban mozognak, ezért lehet hővel a szilárd anyagot folyadékká olvasztani, a folyadékot légneművé forralni.
Elnevezések: Brown mozgás: A porszemek, vagy a folyadékban levő apró pl. bors, vagy virágporszemek mozgása. (Az anyag részecskéi lökdösik őket, azért mozognak.) Diffúzió: A különböző folyadékok vagy különböző gázok összekeveredése a részecskék rendezetlen mozgása miatt. Hőmozgás: Mivel a részecskék melegítés hatására gyorsabban, nagyobb sebességgel mozognak, a mozgásukat hőmozgásnak is nevezik. (A tankönyv 138. oldalán található a diffúzió és a Brown-mozgás képe, rajza, és az ezáltal történő egyenletes térkitöltés ábrája.) Hőmérséklet Az anyagok melegségének mérésére hőmérsékleti skálákat találtak ki: Celsius-skála: 0 ºC pontja a víz fagyáspontja 100 ºC pontja a víz forráspontja Fahrenheit skála (angolszász országokban használják): 0 ºC = 32 ºF 100 ºC = 212 ºF Átszámítása: t Celsius = (t F 32)/1,8
Kelvin skála: A beosztása 273-al van elcsúsztatva a Celsiushoz képest: 0 ºC = 273 K, -273 ºC = 0 K Abszolút hőmérsékleti skálának is nevezik, mert a 0 Kelvin fok az abszolút nulla fok. Ezzel egyenlő vagy ennél kisebb hőmérséklet nem létezik, mert ezen a hőmérsékleten a részecskék sebessége 0-ra csökkenne. (A tankönyvben a 137. oldalon szerepel az oxigén gáz molekuláinak sebessége különböző hőmérsékleten. Megtanulni csak a nagyságrendet kell, vagyis azt, hogy több száz m/s, és azt, hogy nagyobb hőmérsékleten nagyobb, kisebben kisebb és -273 ºC = 0 K -re hűtve a részecskék sebessége 0 lenne.) (A tankönyv 134. oldalán vannak példák különböző hőmérsékletekre, pl. ember, Nap felszíne, stb. - néhány példát kell tudni.) Szilárd testek hőtágulása Kísérlet: Két fémrudat melegítve különböző mértékben megnő a hosszuk. Ezt nevezik lineáris (hosszirányú) hőtágulásnak. Ennek nagysága függ az eredeti hosszától, a hőmérséklet-változástól és a tárgy anyagától.
Kiszámítása: Δl = I 0 α ΔT Δl : hosszváltozás, I 0 : eredeti hossz, ΔT : hőmérséklet-változás α (alfa) : az anyag lineáris hőtágulási együtthatója, a szilárd anyagra jellemző állandó. Mértékegysége: 1 / ºC pl. alumínium: 2,4 10-5 1/ºC, vas: 1,2 10-5 1/ºC Az alumínium jobban tágul, mint a vas, nagyobb a hőtágulási együtthatója. A hő hatására megnőtt teljes hossz = az eredeti hossz és a hossznövekedés összegével: l = l 0 + Δl = l 0 (1 + α ΔT) (Kidolgozott számítási feladat a tankönyv 146. oldalán.) Térfogati hőtágulás: A szilárd tárgy nemcsak hosszirányban, hanem teljes térfogatában (szélesség, magasság is) is kitágul. Ennek nagysága függ az eredeti térfogatától, a hőmérsékletváltozástól és a szilárd test anyagától. Kiszámítása: ΔV = V 0 β ΔT ΔV : térfogatváltozás, V 0 : eredeti térfogat, ΔT : hőmérsékletváltozás, β (béta) : az anyag térfogati hőtágulási együtthatója, a szilárd anyagra jellemző állandó. Mértékegysége: 1 / ºC
Ugyanannak az anyagnak a térfogati hőtágulási együtthatója kb. 3-szorosa a lineáris hőtágulási együtthatójának: β = 3 α A hő hatására megnőtt teljes térfogat = az eredeti térfogat és a térfogat-növekedés összegével: V = V 0 + ΔV = V 0 (1 + β ΔT) Kísérlet: Fémgolyó átfér a fémkarikán. Ha felmelegítjük, akkor már nem fér át, mert kitágult, de ha a karikát is felmelegítjük, akkor megint átfér. Gyakorlati példák szilárd tárgyak hőtágulására: Sínek nyári melegben megnyúlnak, ezért hűteni kell. Hidak hőtágulása miatt a pillérek görgőkön állnak. Fűtéscső-vezetékekben kanyar van, a híd végén az útfelületek fésűs fémcsatlakozásban találkoznak Bimetall lemez: két különböző fémből készült lemez meleg hatására meghajlik. Felhasználása: hőkapcsoló, pl. vasalóban (A hőkapcsoló működési elve a tankönyv 147. oldalán.)
Folyadékok hőtágulása A különböző folyadékok térfogata is megnő melegítés hatására különböző mértékben. Hosszirányú tágulásuk nem meghatározható, mert nincs hosszuk, csak térfogati tágulásuk van. Ez ugyanúgy számolható, mint a szilárd testeknél. A különbség annyi, hogy a folyadékok sokkal jobban tágulnak, vagyis a térfogati hőtágulási együtthatójuk (β) 100 - többszázszorosa a szilárd tárgyakénak. ΔV = V 0 β ΔT (Kidolgozott számítási feladat: tankönyv150. oldal) A hőtáguláskor a folyadék térfogata nő, sűrűsége csökken. A hőtágulás utáni sűrűség kiszámítása: 1 ρ = ρ 0 ------------------, ahol ρ 0 (ró) : (1 + β ΔT) az eredeti sűrűség A hőtágulás anyagszerkezeti magyarázata: Melegítés hatására a részecskék gyorsabban mozognak, átlagosan jobban eltávolodnak egymástól. A folyadékok hőtágulásán alapuló legismertebb eszköz a folyadékos hőmérő.
A víz sajátos viselkedése A vizet 0 ºC-ról melegítve 4 ºC-ig a térfogata nem nő, hanem csökken, sűrűsége pedig nő. Ezután 4 ºC felett már a szokásos módon hő hatására nő a térfogata és csökken a sűrűsége. Tehát a víz sűrűsége 4 ºC-on a legnagyobb. Ezért ez a hőmérsékletű víz marad a tó fenekén akkor is, amikor a tó felszíne már befagy. Így a tó alja nem fagy meg, ezért az élővilág a tó alsó rétegében áttelelhet. (Ennek rajza a részletes hőmérsékletadatokkal a tankönyv 150. oldalán.) A hő terjedése (hőáramlás, hővezetés, hősugárzás) Hőáramlás - folyadékoknál és gázoknál melegítés (hőtágulás) hatására a folyadékok és gázok sűrűsége csökken. A folyadéknak (vagy gáznak) a melegebb, kisebb sűrűségű része felfelé áramlik és összekeveredik a többi részével. A felfelé áramló részecskék a gyorsabb mozgásukkal a lassabb részecskéket is felgyorsítják. Így a hő a folyadékban és a gázban a részecskék áramlásával terjed.
Hővezetés szilárd anyagokban A szilárd anyag melegített részében a részecskék gyorsabban rezegnek, mozognak és ezt a gyorsabb mozgást átadják a szomszédjaiknak. Így terjed tovább a szilárd testben a hő. Ezt nevezik hővezetésnek. Kísérlet: Melegítünk fém és üvegrudat. A gyertyaviasszal rögzített szögek a fémrúdról egymás után leesnek, az üvegrúdról nem. Vannak jó hővezető szilárd anyagok, amikben gyorsan terjed a hő, és vannak rossz hővezető anyagok. A rossz hővezető anyagokat hőszigetelőknek nevezik. A legjobb hővezetők a fémek. Rossz hővezetők, hőszigetelők: pl. üveg, hungarocell, kerámia, fa, gumi, műanyag Hőszigetelők felhasználása: pl. épületek hőszigetelő bevonata, fakanál, edény füle nem fém, termosz, hűtőkamion fala, űrhajó külső bevonata
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. Minden meleg tárgy 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. Példák a hősugárzás gyakorlati felhasználására: Hőkamerával lehet embereket, állatokat megtalálni sötétben is. Házak hőfényképén meg lehet állapítani, hol rossz a hőszigetelés. Emberek hőfényképén meg lehet állapítani, hogy hol van benne gyulladásos betegség. Az infra-lámpával történő melegítés gyógyító hatású. távirányító (TV, hifi,...)
Megjegyzések a tanuláshoz, dolgozathoz A témakör tananyaga a tankönyv Hőtan fejezetének első 5 leckéje (132.o.-152.o.), plusz a hőterjedés fajtái, ami nincs benne ebben a könyvben. Ebben az összefoglalásban szereplő, az anyagok belső szerkezetére vonatkozó tapasztalatok, kísérletek közül példákat kell tudni a gáz, vagy folyadék, vagy szilárd test modelljének magyarázatához. Vagyis: Pl. Kérdés: Írj 2 tapasztalatot, vagy kísérletet arra, ami azt bizonyítja, hogy a szilárd test részecskéi szorosan összekapcsolódnak. Vagy fordítva: Kérdés: Miért tapasztaljuk azt, hogy a folyadék nem összenyomható. Lesz feladat a hőtágulás kiszámítására. Az egyes anyagok hőtágulási együtthatójának értékét nem kell megtanulni, az a feladatban meg lesz adva.