ELTE Apáczai Csere János Gyakorló Gimnázium és Kollégium Biológia tagozat Fizika 10. osztály I. rész: Hőtan Készítette: Balázs Ádám Budapest, 2018
2. Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék Hőtan....................................... 4 1. A hőmérséklet és a hőmennyiség........................ 4 2. A hőmérsékleti skálák............................. 5 3. A lináris hőtágulás............................... 6 4. Szilárd anyagok hőtágulása........................... 7 5. A gázok állapotjelzői.............................. 8 6. Az izobár állapotváltozás............................ 9 7. Nulla Kelvin mérése.............................. 10 8. Feladatok izobár állapotváltozásra....................... 11 9. Az izochor állapotváltozás........................... 12 10. Az izoterm állapotváltozás........................... 13 11. Feladatok speciális állapotváltozásokra.................... 14 12. Egyesített gáztörvény.............................. 16 13. Vegyes gyakorló feladatok........................... 17 14. Feladatok az ideális gáz állapotegyenletére.................. 18 15. A molekuláris hőelmélet............................ 19 16. A belső energia................................. 21 17. A hőtan I. főtétele............................... 22 18. Feladatmegoldás................................ 23 19. Ideális gázok hőkapacitása és fajhője..................... 24 20. Az adiabatikus állapotváltozás......................... 25 21. Körfolyamatok................................. 26 22. A hőszivattyú.................................. 27 23. A termodinamika II. főtétele.......................... 28 24. Halmazállapot változások........................... 29
Tartalomjegyzék 3. 25. Számítások................................... 30
4. 1. óra. A hőmérséklet és a hőmennyiség 1. óra A hőmérséklet és a hőmennyiség
2. óra A hőmérsékleti skálák 2. óra. A hőmérsékleti skálák 5.
6. 3. óra. A lináris hőtágulás 3. óra A lináris hőtágulás
4. óra. Szilárd anyagok hőtágulása 7. 4. óra Szilárd anyagok hőtágulása
8. 5. óra. A gázok állapotjelzői 5. óra A gázok állapotjelzői Állapotjelző: p,v,t,m,u,n csak a rendszer állapotától függ, és nem függ attól, hogyan jutott a rendszer ebbe az állapotba. Extenzív: a térfogat, a tömeg, az energia összadódik. Pl.: 40g+2g=42g Intenzív: a hőmérséklet, a nyomás kiegyenlítődik Pl.: 20 C + 30 C = 21 C Az állapotjelzők mérésének elve: Gáztérfogat A gáz tömege A gáz hőmérséklete A gáz nyomása Torricelli (1608-1647) 760mm Hg Egyensúlyi állapot: Az intenzív állapotjelzők kiegyenlítődtek, a T és P mindenütt azonos. Általában mindig már egyensúlyi állapotban vizsgáljuk a gázt. Speciális állapotváltozások közül csak 2 db változik meg 1. Ugyanazzal a gázzal végzünk kísérletet és a (P,T,V) 1 Olyan állapotváltozás nincs, hogy csak az egyik változna meg.
6. óra. Az izobár állapotváltozás. 9. 6. óra Az izobár állapotváltozás. V = V 0 (1 + βt )
10. 7. óra. Nulla Kelvin mérése 7. óra Nulla Kelvin mérése Kísérlet. Tekintsünk egy ismert térfogatú gázt és határozzuk meg, hogy a térfogata hogyan változik meg a hőmérséklet növekedésével. Illesszünk egyenest az adatokra és határozzuk meg, hogy melyik hőmérsékleten lenne a gáz térfogata nulla!
8. óra. Feladatok izobár állapotváltozásra 11. 8. óra Feladatok izobár állapotváltozásra 1. Feladat. Hány liter levegő távozik egy 4m 5m 3m méretű szobából, ha a levegő 0 C-ról 20 fokra növekszik a szobában? 2. Feladat. Egy lufi kerülete 72 mm, ekkor a levegő 25 -os. A lufit a hűtőszekrénybe helyezve 67 mm kerületű lett. Hány fokos a levegő a hűtőszekrény belsejében? 3. Feladat. Állandó nyomáson a normálállapotú 1 gázt 150 C-re melegítjük. Ábrázoljuk a folyamatot V T és P T diagramon. 4. Feladat. Egy meteorológiai léggömbben lévő levegő térfogata állandó nyomáson 15%-kal megnőtt. Mekkora lett a hőmérséklete, ha kezdetben 22 C volt? 5. Feladat. Egy 2 literes, félig vízzel töltött műanyag palack a kinti 10 C-os hidegben behorpadt és a teljes térfogata 10%-kal csökkent le. Vajon mekkora lehetett a hőmérséklet ott, ahol a kupakot rácsavarták? 1 A hőmérséklet 0 C (273,15 K), a nyomás 1 atm (101 325 Pa), a térfogat 22, 41 l (0,02241 m 3 )
12. 9. óra. Az izochor állapotváltozás 9. óra Az izochor állapotváltozás Kísérlet. Melegítsünk egy üreges fémgömböt! Mely állapotjelzők maradnak fixen és melyek változnak meg? Milyen fizikai állandót határozhatunk meg a kísérletből? Izochor állapotváltozás: Gay-Lussac II. törvénye 6. Feladat. Egy befőttes üveget lezárunk, mikor a benne lévő lekvár hőmérséklete 60 C. Miután 20 C-ra lehűlt, mekkora a nyomása? 7. Feladat. Délelőtt 20 C-os a levegő és egy autó kerekeiben 200kPa túlnyomás van. Mekkora lesz a túlnyomás 30 C-on és 10 C-on? 8. Feladat. Egy 27 C-os lakásból a zárt gázpalackot kivisszük a szabadba. Hány fok lehet kint, ha a palackon lévő nyomásmérő bent 240kP a-t mutatott, de kint már csak 200kP a-t? 1. Házi feladat. Egy gázpalackot biztonsági szeleppel szereltek fel. A palackban 10 C-on a túlnyomás 160 kpa. Mekkora nyomásál fog kinyitni a szelep, ha az van ráírva, hogy 80 C-on niyt ki a szelep? 1. Szorgalmi feladat. A gáztartályban a nyomás 30%-kal csökkent. Mekkora lett a gáz hőmérsékelete, ha kezdetben 12 C volt?
10. óra. Az izoterm állapotváltozás 13. 10. óra Az izoterm állapotváltozás Kísérlet. Egy lezárt, A keresztmetszetű 20 cm hosszúságú hengerben levegő van p 0 nyomáson és a benne lévő levegőt összenyomjuk a felére. Mekkora lesz a nyomása? A Boyle-Mariotte-törvény:
14. 11. óra. Feladatok speciális állapotváltozásokra 11. óra Feladatok speciális állapotváltozásokra 9. Feladat. Egy tornaterem levegőjének hőmérséklete 0 C. A terem 15 C-re való felfűtése során az ablakok résein 50 m 3 levegő távozott. Mekkora a tornaterem magassága, ha alapterülete 200 m 2? 10. Feladat. Egy dugattyúval elzárt 0,8 dm 2 alapterületű edénybe 4 dm 3 ammóniagázt töltöttünk, melynek hőmérséklete 0 C. A melegítés hatására 5 cm-t mozdult odébb a dugattyú. Mekkora lett a gáz hőmérséklete (β Ammónia = 0, 003802 1 ). Mekkora a hiba, hogyha ideálisnak tekintjük a C gázt? 11. Feladat. Egy befőttesüveget 8 cm átmérőjű fedéllel zártunk le, a benti levegő 80 C-os. Mekkora erővel nyomódik rá a fedél az üvegre, ha 20 C-ra hűlt a befőtt?
11. óra. Feladatok speciális állapotváltozásokra 15. 12. Feladat. Egy 3cm 2 keresztmetszetű nyílással rendelező palackban 15 C-os levegő van. Egy 30 g-os pénzérmét elhelyezünk rajta és bevisszük a szobába. Mekkora a gáz hőmérséklete akkor, amikor először megemelkedik az érme? 13. Feladat. Egy 0, 5dm 2 alapterületű dugattyúra egy 6,24 kg-os hengert helyeztünk. A levegőoszlop hossza 30 cm. Hány cm-t süllyed le? 14. Feladat. Egy tó alján 5 méter mélységben egy búvár által kibocsátott buborék hány százalékkal nő meg, mire felérkezik a felszínre? 2. Házi feladat. A fenti feladatokat befejezni. 2. Szorgalmi feladat. 159. oldal/8
16. 12. óra. Egyesített gáztörvény 12. óra Egyesített gáztörvény 15. Feladat. Egy tóban 10 m mélyen, ahol 10 C van, egy buborék térfogata 3 cm 3. Mekkora lesz a légbuborék térfogata, ha feljön a felszínre, ahol 20 C van? Egyesített gáztörvény: Állandó tömegű gáz nyomásának és térfogatának szorzata egyenesen arányos az abszolút hőmérséklettel. p 1 V 1 T 1 = p 2 V 2 T 2 p V T = állandó 16. Feladat. Adott 1 mól normálállapotú gáz. Határozzuk meg az egyesített gáztörvény konstansát! (a hőmérséklet 0 C, a nyomás 101 325 Pa és a térfogat 22, 41 l) Univerzális gázállandó: Henri Victor Regnault tiszteletére a jele R, értéke: Ideális gáz állapotegyenlete: R = 8, 31 J mol K Ha nem 1 mól gázt veszünk, hanem n mólt, akkor az egyesített gáztörvényben a konstans n-szerese az 1 mólra vonatkozónak. A gáz tömege (m) és moláris tömegee (M) segítségével is felírható az egyenlet. P V T = n R p V = n R T p V = m M R T A van der Waals állapotegyenlet: Valódi gázoknál a részecskék méretét levonjuk a gáztérfogatból és van der Waals-erők miatt a nyomás nagyobb: (p + a ) n2 (V n b) = n R T V 2 17. Feladat. Kezdetben a nyomás 200 kpa, a hőmérséklet 20 C. A hőmérséklet megnő 20 fokkal, kiengedtünk annyi gázt, hogy újra visszaálljon a 200 kpa. Hányadrészét engedtük ki? Ha ismét 20 fokra hűlne a gáz, mekkora lenne a nyomás? 3. Házi feladat. Tankönyv 164. oldal /1,2,3 3. Szorgalmi feladat. Tankönyv 164. oldal /7
13. óra. Vegyes gyakorló feladatok 17. 13. óra Vegyes gyakorló feladatok 18. Feladat. Mennyit tágul 20 cm 3 argon 42 C-os felmelegedéstől? 19. Feladat. Mekkora térfogatú xenon tágul 60 C-os felmelegedéstől 11 cm 3 -t? 20. Feladat. Mekkora felmelegedéstől tágul ki 8 cm 3 neon 572 mm 3 -t? 21. Feladat. Mekkora hőmérsékleten lesz a kezdetben 0 C-os, 472 cm 3 térfogatú levegő 451 cm 3 terfogatú? 22. Feladat. Egy tartályban 9 dm 3 levegő van légköri nyomáson. Mekkora lesz a nyomás, ha 7,5 dm 3 -re nyomjuk össze változatlan hőmérsékleten? 23. Feladat. Egy légbuborék átmérője 2 mm. Milyen mélyen lesz az átmerője 1,5 mm. Ebben a tóban állandó a hőmérséklet mindenhol. 24. Feladat. Egy 90 cm hosszúságú, állandó keresztmetszetű, egyik végén nyitott csőben 21 cm hosszú higanyoszlop h hosszúságú levegőoszlopot zár el, ha a csövet nyitott felével függőlegesen tartjuk. Ha nyílásával lefelé fordítjuk a higany kétharmada kifolyik. Mekkora volt a h? 25. Feladat. Egy 20 cm hosszú üvegcsövet függőleges helyzetben szájával lefelé higanyba nyomunk le. Milyen mélyen van a kémcső szája, ha benne a levegő az eredeti térfogatának 90%-ára nyomódott össze? 26. Feladat. Mekkora lesz az új nyomása az eredetileg 600 kpa nyomású 0 C-os nitrogénnek, ha 30 fokkal melegítjük fel? 27. Feladat. Egy gázpalack 600 kpa túlnyomást bír ki. Tengerszinten feltöltötték a palackot, a benne lévő gáz nyomása 500 kpa és 20 C. Repülőgéppel olyan magasra vitték, ahola légnyomás harmada a felszíni 100 kpa-nak. Hány fokra melegedhet maximum a palack?
18. 14. óra. Feladatok az ideális gáz állapotegyenletére 14. óra Feladatok az ideális gáz állapotegyenletére
15. óra. A molekuláris hőelmélet 19. 15. óra A molekuláris hőelmélet Az ideális gáz modellje: A gázt alkotó molekulák apró golyók, melyekre teljesül: A részecskék mérete kicsi az átlagos távolságukhoz képest. A részecskék térfogata jóval kisebb, mint a tartály térfogata. Egymásra sem vonzó, sem taszító hatást nem fejtenek ki a részecskék. Egymással és az edény falával rugalmasan 1 ütköznek. A részecskék sebessége egyedül a hőmérséklettől függ. A tartály falai tökéletesen merevek és nem mozognak. A nyomás a részecskék szintjén: A részecskék a rendezetlen hőmozgás során a gázt tartalmazó edény falával rugalmasan ütköznek, közben lendületük változik, és ez erőhatást eredményez a részecske és a fal között. A mikroütközések következtében a részecskék a falra egy átlagos erőt, ill. átlagos nyomást fejtenek ki: F = I t = (mv) t p = F A = m v A t A hőmérséklet a molekulák szintjén: A gázmolekula mozgási energiája: E kin = 1 2 m v2 T E kin A hőmérséklet növelése energiaátadással lehetséges. Ez az energia a részecskék sebességét növeli. A nagyobb hőmérsékletű gázban átlagosan gyorsabbak a részecskék. Elméletileg 273, 15 -on megállnának a részecskék, de ez nem teljesülhet 2. Az izobár állapot változás értelmezése: A melegedés miatt a részecskék átlagos sebessége megnő, gyorsabbak lesznek, de ritkábban helyezkednek el, mert a térfogat nő. Így ritkább, de nagyobb erejű ütközés éri az edény falát, tehát a nyomás állandó. A hőmérséklet csökkenés miatt a részecskék lassabbak lesznek, de sűrűbben helyezkednek el a lecsökkent térfogatban. Több, kisebb erejű ütközés éri az edény falát, így a nyomás állandó marad. 1 Nincs energiaveszteség, az ütközéskor sebességet cserélnek, irányt váltanak. 2 Később fogjuk látni, hogy miért.
20. 15. óra. A molekuláris hőelmélet Az izochor állapot változás értelmezése: A tartály mérete fix, és melegítéskor a gázrészecskék hőmozgása fokozódik, az átlagos sebességük megnő. Erősebben ütik a tartály falát, ezt a gáz nyomásának növekedéseként érzékeljük. Hűtéskor a hőmozgás intenzitása csökken, ezért az átlagos sebesség is kisebb. Kevésbé ütögetik a tartályt, tehát a nyomás csökken. Az izoterm állapot változás értelmezése: A térfogat csökkentésével a gáz sűrűbb lesz. Azonos a sebesség, tehát ugyanakkora erővel ütögetik a tartály falát, de adott térfogaton több a részecske, ezért nagyobbnak értékeljük a nyomást. A térfogat növelésével ritkább a gáz, átlagosan kevesebb részecske ütközik a fallal, tehát csökken a gáz nyomása. 4. Házi feladat. TK. 173. oldal 1. példa 4. Szorgalmi feladat.
16. óra. A belső energia 21. 16. óra A belső energia A kinetikus gázmodell: A kinetikus energia és a hőmérséklet közötti összefüggés: Az impulzus megváltozása egy ütközés során: I = mv ( mv) = 2mv 3 2 Az ütközések közötti idő: t = L v Az erőhatás 1 részecske esetén: F = I t = 2mv2 L Az erőhatás átlaga N részecske esetén: F = N 2mv2 L A részecskék nyomás a kocka falaira: P = F 6L = N mv2 2 3V P V = N mv2 3 A kísérletileg meghatározott korábbi összefüggés: P V = nrt = N R N A T = NkT A két egyenlet alapján: mv2 3 = kt E kin = 3 kt 2 Belső energia: A rendszer összes energiatartalma, mely a rendszer szerkezetétől, tulajdonságaitól függ. Jele: E b, mértékegysége J. Az ideális gáz esetén E b a részecskék összes mozgási energiájának összege. Szabadsági fok: A független mozgásirányok száma: 3, 5 vagy 6 lehet. Jele: f Az ekvipartíció tétele: Az energia egyenletesen oszlik el, minden független haladási és forgási irányra k T 2 energia jut. N részecskéből álló rendszerre: A belső energia: E b = N f 2 k T Termikus és mechanikai kölcsönhatás során a belső energia megváltozik: Ha a rendszer Q hőmennyiséget vesz fel (vagy ad le), akkor a E b megváltozik: Q = N f 2 k T Ha a rendszer munkát végez, akkor a belső energia megváltozik: W = F x = p A x = p V 5. Házi feladat. Határozd meg 5 mól szén-dioxid belső energiáját nulla fokon! 5. Szorgalmi feladat.
22. 17. óra. A hőtan I. főtétele 17. óra A hőtan I. főtétele A hőtan I. főtétele: A gáz belső energiájának megváltozása egyenlő a gáz által felvett (vagy leadott) hőmennyiség és a mechanikai munkavégzés összegével: Az energiamegmaradás tétele: 1 2 E b = Q + W 3 4 Zárt rendszer teljes energiája állandó, tehát az energia átalakítható egyik formájából a másikba, nem keletkezik és nem veszik el. 6. Házi feladat. 6. Szorgalmi feladat.
18. óra. Feladatmegoldás 23. 18. óra Feladatmegoldás 28. Feladat. Adott 1 köbméter hidrogéngáz, melynek nyomása 200 kpa. Egy folyamat során a térfogata háromszorosára nő, de nyomása állandó marad. Mekkora a munkavégzés és a belső energia megváltozása? 29. Feladat. Állandó nyomáson 300 Kelvinről 450 Kelvinre melegítünk 5 mól hidrogént, melynek kezdeti térfogata 30 dm 3. Ábrázoljuk a folyamatot E b T grafikonon! 30. Feladat. Egy 14 W teljesítményű fűtőszállal 100kPa nyomású 20 -os, 1,8 dm 3 -es hidrogéngázt 2,6 dm 3 térfogatúra növeltünk. Mennyi ideig tartott a folyamat? 31. Feladat. Nitrogéngáz térfogata 2 m 3, hőmérséklete 200K és nyomása 140 kp a. Mennyi hőt vett fel környezetéből, ha a nyomása 200 Kelvint növekedett? 32. Feladat. Héliumgáz térfogata 3 dm 3, nyomása 140 kpa. Állandó nyomáson a térfogata megduplázódik. Mennyi hőt vesz fel a környezetétől a gáz? 33. Feladat. Állandó térfogaton 300K-ről 400K-re nő 3 mol oxigéngáz hőmérséklete. A kezdeti nyomás 100kPa. Ábrázoljuk a folyamatot p T és E b T grafikonon! 7. Házi feladat. Mennyi hőmennyiség kell 12 C-os 27g tömegű oxigéngáz 35 C-ra való felmelegítéséhez, ha a gáz könnyen mozgó, súlytalan dugattyúval van elzárva. 7. Szorgalmi feladat.
24. 19. óra. Ideális gázok hőkapacitása és fajhője 19. óra Ideális gázok hőkapacitása és fajhője Hőkapacitás: Az anyag nagyobb hőmérsékletre melegítéshez több energia szükséges. A hőmennyiség és a hőmérséklet hányadosa állandó: C = Q T [C] = J K Fajhő: Mennyi energia szükséges 1 kg anyag 1 C-kal való felmelegítéséhez. c = C m = Q m T [c] = J kg K Állandó térfogaton és állandó nyomáson mért fajhő: Az átadott hőmennyiség izochor esetben a gáz belső energiáját növeli: c V = Q m T = E f b m T = m R T 2 M m T = f 2 R M Izobár esetben munkavégzésre is fordítódik az energia, ezért több hőre van szükség. c p = E b + p V m T = f 2 m M R T + m M R T m T = f + 2 2 R M Robert Mayer-egyenlet: A két fajhő különbsége az előzőek alapján felírható: c p c V = R M A hidrogéngáz állandó nyomáson ill. térfogaton mért fajhőjéből kiszámítható az R. c p = 14, 236 kj kg C c V = 10, 112 kj kg C Moláris hőkapacitás: A hőkapacitás és az anyagmennyiség hányadosa. Jele: C m C m,v = f 2 R C m,p = f + 2 2 8. Házi feladat. Hasonlítsuk össze a metán állandó térfogaton mért fajhőjét a táblázatbeli értékkel és az elméleti számítással! 8. Szorgalmi feladat. Egy könnyen mozgó dugattyúval elzárt hengerben 80 g oxigéngáz 20 C-ról 80 C-ra melegszik. Mennyi hőmennyiség kell ehhez? Mennyi a munkavégzés és a belső energia változás? R
20. óra. Az adiabatikus állapotváltozás 25. 20. óra Az adiabatikus állapotváltozás Kísérlet. Szúrjuk ki egy széndioxidos patront és nézzük meg mi történik! A gáz kiáramlik, munkát végez az E b belső energia rovására, ezért lehűl. Kísérlet. Nyomjunk össze hirtelen levegőt és nézzük meg mi történik! A gázon végzett munka megnöveli a belső energiát, ezért felmelegszik. Adiabatikus folyamat: ha nincs hőcsere a gáz és a környezet között, akkor összenyomáskor felmelegszik, illetve táguláskor lehűl a gáz. Mivel Q = 0, így E b = W. 34. Feladat. Mennyi munkát végzett 2 mól széndioxidgáz egy adiabatikus folyamatban, ha 25 C-ról 5 C-ra hűlt le? (831,4 J) Poisson-egyenletek: Az állapotváltozók között fennálló összefüggések: p 1 V1 κ = p 2 V2 κ és T 1 V1 κ 1 = T 2 V2 κ 1 ahol κ az adiabatikus kitevő, melynek értéke: κ = c p = f + 2. c v f 35. Feladat. Egyik tartályban H 2, másikban He van. Mindkettőben a hőmérséklet 300 K, a nyomás 2 bár. Hirtelen felére összenyomva a gázokat mi történik? 36. Feladat. Egy dízelmotorban a dugattyú térfogata 100 cm 3 és a felére nyomjuk össze a cetánt (C 16 H 34 ). Ábrázoljuk p V diagramon a folyamatot! A gázon végzett munka: a görbe alatti terület a p V diagramon: W = P 2 V 2 P 1 V 1 κ 1 9. Házi feladat. A cetánt tizedére nyomja össze a dugattyú. Mennyi lesz a nyomása és a hőmérséklete? Mennyi a munkavégzés a gázon? 9. Szorgalmi feladat. Hányad részére kell összenyomni a levegőt adiabatikusan, hogy kétszeresére növekedjen a hőmérséklete?
26. 21. óra. Körfolyamatok 21. óra Körfolyamatok Joule-kísérlet: 1845-ben Joule víztartályba helyezett lapátkereket forgatott meg egy lelógó súllyal. A mechanikai munkát sikerült hővé alakítani. Rumford kísérletei: Az üresen elsütött ágyú nagyon felmelegszik, de ha kilövünk egy ágyúgolyót, kevésbé melegszik fel. Ha kettőt, akkor még kevésbé lesz meleg 1. A felszabaduló hő mechanikai munkává alakítható. Körfolyamat: A rendszer különböző állapotváltozások során visszatér eredeti állapotába, a végzett munka a felvett és leadott hő különbségével egyezik meg. Hőerőgép: Egy meleg hőtartályból hőt vesz fel a gép, ennek egy részét mechanikai munkává alakítja, a többit egy hideg hőtartálynak leadja. A meleg tartály emiatt hűlne, ezért folyamatosan fűteni kell, a hideg tartály melegedne, ezért hűteni kell 2. Hatásfok: A hőerőgép által hasznosított energia mértéke: η = W hasznos Q fel = Q fel Q le Q fel = 1 Q le Q fel Stirling-ciklus: Izoterm tágulás, izochor hőfelvétel, izoterm összehúzódás és izochor hőleadás követi egymást. A gázt hidegen nyomom össze, míg melegen tágul ki, vagyis több a visszanyert munka, mint a befektetett. 3 Rankine-ciklus: A gőzgépekben ez zajlik. A nagynyomású, magas hőmérsékletű gőz meghajtja a turbinát, majd a gőz állandó nyomáson lehűl és lecsapódik, ezután a szivattyú benyomja a kazánba vizet, ahol a nagynyomású víz felforr, gőzzé változik. Otto-ciklus A benzinmotorban ez zajlik. Szívás állandó nyomáson, adiabatikus kompresszió, izochor robbanás, adiabatikus tágulás, a nyomás visszaesik, mert kinyit a szelep, végül az égéstermék izobár módon elhagyja a dugattyút. 10. Házi feladat. Rajzold fel a Diesel-ciklus p V diagramját és írj a működéséről! 10. Szorgalmi feladat. Rajzold fel a Brayton Joule-ciklus p V diagramját! 1 Az ágyugolyók nem melegedtek fel jelentősen. 2 Tehát biztosítani kell a hőmérsékleti inhomogenitást 3 Majd a folyamat kezdődik előről, mint minden körfolyamatnál.
22. óra. A hőszivattyú 27. 22. óra A hőszivattyú Hőszivattyú: Hőt visz át egy hidegebb testről egy melegebb testre, munka befektetésével, közben a hidegebb test hűl, a melegebb hőmérséklete növekszik 1. Típusai: Hűtőszekrény: a belső teréből juttatja a konyha melegebb levegőjébe a hőt. Hőszivattyú: A viszonylag hideg környezetből elvonja a hőt, hogy azt leadja egy fűteni kívánt helyen. A Genfi-tó mellett szállodákat fűtenek a tó hűtésével. Légkondi: a hűvösebb szobából hordja ki a hőt a forró környezetbe. Jósági tényező: A befektetett munka hányszorosát adja le a gép hőként a melegebb tartálynak, 2, vagy hányszorosát vonja el a hidegebből: COP hőpumpa = Q 1 W be = A hűtőszekrény működése: Q 1 Q 1 Q 2 COP hűtőgép = Q 2 W be = Q 2 Q 1 Q 2 A csövekben izobután 3 van, ami az alacsony nyomás miatt erősen párolog, közben hőt von el a belső térből. A kompresszor folyamatosan szivattyúzza ki a légneművé vált közeget, közben melegítve azt, ami kezd hőt leadni a környezetnek. Közben lecsapódik és további hőt ad le környezetnek. Végül folyadék állapotban visszajut a belső részhez. 37. Feladat. Egy 20 C-os szobát 5 C-os tó energiáját haszonosító hőszivattyúval működtetünk. Mekkora a jósági tényezője? 11. Szorgalmi feladat. Építs egy darab mécses energiáját hasznosító hajót! 1 Növeli a hőmérsékleti inhomogenitást, ellentétben a hőerőgéppel. 2 Coefficient of performance 3 C 4 H 10 ez van az öngyújtókban is.
28. 23. óra. A termodinamika II. főtétele 23. óra A termodinamika II. főtétele A hőtan II. főtétele: Spontán folyamatban mindig a melegebb test ad át hőt a hidegebbnek, ellenkezője egy zárt rendszerben nem történhet meg. Következmények: Nincs Clausius-gép, mely egy hűtőgép lenne, mely nem fogyasztana semmit. Nem létezhet Kelvin-Planck gép, mely 100% hatásfokú lenne 1. Reverzibilis és irreverzibilis folyamatok: Léteznek megfordítható és nem megfordítható folyamatok. A valós folyamatok irreverzibilisek, visszafelé nem játszódnak le. Néhány folyamatot leírása során reverzibilisnek tekinthetünk, pl. inga mozgása. 38. Feladat. Adott két doboz, és 6 ugyanolyan golyó. Hányféleképpen helyezhetjük el őket a két dobozban? Entrópia: A rendezetlenség mértéke. Jele: S, mértékegysége J/K. Az egyensúlyi állapotban éri el a maximális értéket. Spontán folyamatban az entrópia mindig nő. 39. Feladat. Miért töltik ki a gázmolekulák a rendelkezésre álló teret? 40. Feladat. Miért oldódik a cukor a kávéban? 41. Feladat. Adott két doboz, és 8 ugyanolyan golyó. Hányféleképpen helyezhetjük el őket a két dobozban? 42. Feladat. Cáfold meg egy örökmozgó működését! 1 A 100% feletti hatásfokot már az első főtétel megtiltotta.
24. óra Halmazállapot változások 24. óra. Halmazállapot változások 29.
30. 25. óra. Számítások 25. óra Számítások
25. óra. Számítások 31. 1 A hőmérséklet és a hőmennyiség 2 A szilárd testek hőtágulása 3 Feladatok 4 A folyadékok hőtágulása 5 A gázok állapotjelzői 6 Izobár állapotváltozás 7 Feladatok 8 Izoterm állapotváltozás 9 Feladatok 10 Feladatok Egyesített gáztörvény Az ideális gáz állapotegyenlete Kinetikus gázelmélet A hőtan I. főtétele Feladatok Termodinamikai folyamatok energetikai vizsgálata Ideális gázok hőkapacitása és fajhője Feladatok A hőtan II. főtétele Körfolyamatok Olvadás, fagyás Párolgás, forrás, lecsapódás Feladatok A kalorimetria Vegyes feladatok Halmazállapot-változások a természetben A hő terjedése Hőtan az otthonunkban Az elektromos állapot I. Elektromos alapjelenségek Az elektromos állapot II Anyagszerkezeti magyarázat, Elektromos állapot a mindennapokban Coulomb törvénye Az elektromos mező I. Az elektromos mező II. Feladatok Az elektromos erővonalak I. Az elektromos erővonalak II. Erővonalak és térerősség, Fluxus Feladatok Az elektromos mező munkája, a feszültség I. Az elektromos mező munkája, a feszültség II. Vezetők elektrosztatikus térben I. Vezetők elektrosztatikus térben II: Kondenzátorok Feladatok Összefoglalás Témazáró dolgozat Gyakorlás a témazáró tapasztalatai alapján Az elektromos áram, áramerősség, az egyenáram I. Az elektromos áram, áramerősség, az egyenáram II: Az elektromos ellenállás, Ohm törvénye Vezető ellenállása Feladatok Az áram hő- és élettani hatása Feladatok Fogyasztók kapcsolása Fogyasztók kapcsolása II Fogyasztók vegyes kapcsolása Feladatok Áram- és feszültségmérés Az áram vegyi hatása Áramforrások A mágneses mező Áram mágneses mezőjellemzése A Lorentz-erő Szabad töltésekre ható erő Vezetés vákuumban Összefoglalás Témazáró dolgozat Gyakorlás a témazáró tapasztalatai alapján Az éves munka értékelése, jegyek lezárása