Alapfogalmak, 0. főtétel Műszaki hőtan I. ellenőrző kérdések 1. Mi a termodinamikai rendszer? Miben különbözik egymástól a nyitott és zárt termodinamikai rendszer? A termodinamikai rendszer (TDR) az anyagi valóság egy, általunk kiválasztott szempont vagy szempontrendszer szerint elhatárolt része. Az elhatárolás történhet egy valóságos fallal vagy egy látszólagos (nem valóságos, képzelt) elhatároló felülettel. A rendszer zárt, ha a tömegkölcsönhatás kivételével minden más, energiajellegű kölcsönhatást megengedhet, azaz az ilyen rendszer deformálódó, nem leárnyékoló, nem áteresztő, diatermikus fallal rendelkezhet. A nyitott rendszer az előzőeken túl a tömegkölcsönhatást is megengedi. A nyitott és zárt rendszerekre vonatkozó termodinamikai egyenletek egymástól eltérőek és csak a megfelelő rendszerre alkalmazhatók. 2. Osztályozza a termodinamikai rendszert határoló falakat a tulajdonságai alapján! A termodinamikai rendszert a környezettől elválasztó falakot a kölcsönhatások alapján a következő csoportokba soroljuk: merev fal, mely minden mechanikai kölcsönhatást meggátol, illetve deformálódó fal, mely lehetővé tesz; leárnyékoló fal, mely lehetetlenné teszi külső (mágneses, elektromos stb.) erőterek befolyását; nem áteresztő vagy félig áteresztő fal, mely minden anyag, illetve csak egyes anyagok áthatolását akadályozza meg; diatermikus fal, mely lehetővé teszi, vagy adiatermikus fal, mely megakadályozza a hőhatás formájában jelentkező (termikus) kölcsönhatást. 3. Miben különbözik egymástól az adiatermikus és az adiabatikus fal? Az adiatermikus fal megakadályozza a hőhatás formájában jelentkező (termikus) kölcsönhatást. Az adiabatikus fal pedig csak a mechanikai kölcsönhatást engedi meg. 4. Miből állapítható meg, hogy egy magára hagyott termodinamikai rendszer egyensúlyban van-e? A magára hagyott (minden kölcsönhatással szemben tökéletesen szigetelt) termodinamikai rendszer akkor van egyensúlyban, ha benne semmilyen makroszkopikus változás nem észlelhető, ebben az esetben az intenzív állapotjelzők a rendszeren belül homogén eloszlásúak.
5. A termodinamikai rendszer milyen tulajdonságait nevezzük állapotjelzőknek? Az állapotjelzők makroszkopikus tulajdonságok, a rendszer állapotának egyértelmű (egyértékű) függvényei, csak a rendszer pillanatnyi állapotától függenek és függetlenek a rendszer előző állapotától és az úttól, melyen keresztül a rendszer az adott állapotba jutott, valamint más állapotjelzők egyértelmű függvényei. A leírtakból következik, hogy minden állapotjelző makroszkopikus tulajdonság, de nem minden makroszkopikus tulajdonság állapotjelző. Az állapotjelzők lehetnek skalár-, vektor- és tenzormennyiségek, például a hőmérséklet skalár-, a sebesség vektor-, és a feszültség tenzormennyiség. 6. Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek az extenzív állapotjelzők? Soroljon fel néhány extenzív állapotjelzőt! Azokat a tulajdonságokat, melyekre igaz, hogy egy rendszer esetén a részekre vonatkozó értékek összege megegyezik a rendszer egészét jellemző értékkel, extenzív a kiterjedéssel arányos mennyiségeknek nevezzük, ezek az állapotjelzők additívak. Ilyen mennyiségek a tömeg (m), a részecskeszám (N), a villamos töltés (Q), az entrópia (S), az energia (E) stb. Számos extenzív állapotjelzőre érvényesek a megmaradási törvények: tömeg (m), energia (E), impulzus (I); de vannak, melyekre nem: térfogat (V), entrópia (S). 7. Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek az intenzív állapotjelzők? Soroljon fel néhány intenzív állapotjelzőt! Ha egy makroszkopikus folyamatoktól mentes (egyensúlyi) termodinamikai rendszert falakkal részekre osztunk, majd ezek után olyan állapotjelzőket találunk, melyek minden részrendszerben sorra azonos értékűek, akkor ezeket az állapotjelzőket intenzív állapotjelzőknek nevezzük. Ilyenek a nyomás (p), a hőmérséklet (T), a villamos potenciál (U), a kémiai potenciál (µ) stb. Az intenzív állapotjelzők inhomogén eloszlása egy rendszeren belül olyan extenzív áramokat fog indukálni, melyek az inhomogenitást megszüntetni igyekeznek. 8. Milyen tulajdonságokkal rendelkeznek a tömegre fajlagosított extenzív állapotjelzők? Soroljon fel néhány ilyen állapotjelzőt! Két extenzív állapotjelző hányadosaként képzett állapotjelzőket nevezzük fajlagosított extenzív állapotjelzőknek. A gyakorlatban a tömegegységre fajlagosított állapotjelzők bírnak kitüntetett jelentőséggel. Többfázisú egyensúlyi rendszerben fázisonként homogén eloszlásúak. Ilyen például a fajtérfogat (v), a fajlagos belső energia (u), a fajlagos entalpia (h), a fajlagos entrópia (s). 9. Hogyan nevezzük az állapotjelzők közötti függvénykapcsolatot? Az állapotjelzők közötti összefüggéseket állapotegyenleteknek nevezzük. 10. Írja fel az ideális gáz termikus állapotegyenletét!.f(p, V, T, N) = 0 11. Milyen mennyiségeket nevezünk termodinamikai anyagjellemzőknek? Az anyagjellemzők, más néven fázisjellemző mennyiségek a termodinamikai rendszer állapotától függenek, a rendszer tulajdonságát fejezik ki, nem az állapotát. Ilyen például a fajhő (c), a köbös hőtágulási együttható (β), a hővezetési tényező (λ), a dinamikai viszkozitás (η) stb.
12. Mit értünk a komponens fogalmán? Egy termodinamikai rendszer összetételét a benne lévő általában eltérő tulajdonságú kémiai egyedek mennyisége határozza meg. A különböző kémiai tulajdonságokkal rendelkező egyedeket komponenseknek vagy alkotóknak szokás nevezni. 13. Mit értünk a fázis fogalmán? A fázis makroszkopikus határfelületekkel elválasztott homogén rendszer. 14. Mikor tekinthető egy állapotváltozás kvázistatikusnak? A termodinamikai rendszer azon állapotváltozásait, melyek egyensúlyi állapotok folytonos sorozatán haladnak keresztül, kvázistatikus állapotváltozásoknak nevezzük. 15. Mikor tekinthető egy állapotváltozás reverzibilisnek? Reverzibilis folyamat esetében az állapotváltozók megváltozásának iránya nincs korlátozva, tehát az állapotváltozás bármely irányban végbemehet. Reverzibilis állapotváltozás során a folyamat mindkét irányban ugyanazon az úton kell, lejátszódjék. Ha egy rendszerrel reverzibilis körfolyamatot végeztetünk, akkor annak sem a rendszeren, sem a környezetén nem marad nyoma. 16. Mit nevezünk izobár, izochor, izoterm, adiabatikus, illetve politropikus állapotváltozásnak? Izoterm, amikor a rendszer hőmérsékletét; izobár, amikor a rendszer nyomását; izochor, amikor a rendszer térfogatát tekintjük változatlannak; adiabatikus, amikor a rendszer minden állapotjelzője változhat, de az állapotjelzők változása között meghatározott függvénykapcsolat van, ami abból ered, hogy a rendszert és környezetét elválasztó fal csak a mechanikai kölcsönhatást engedi meg; politropikus, mely állapotváltozás során a rendszer minden állapotjelzője változik, a rendszer és környezete között mind a mechanikai, mind a termikus kölcsönhatás megengedett, de a két kölcsönhatás között meghatározott függvénykapcsolat van. 17. Mi a munka, és mi a hő? A munka a rendszer határfelületén fellépő energiatranszport-mennyiség, melyet a kölcsönhatáshoz tartozó és a hőmérséklettől különböző intenzív állapotjelzők inhomogenitása hoz létre. Jele: W, mértékegysége: joule (J). A hő a rendszer határfelületén fellépő, tömegkölcsönhatás nélküli energiatranszportmennyiség, melyet a hőmérséklet-eloszlás inhomogenitása indukál. Jele: Q, mértékegysége: joule (J). 18. Definiálja az entrópiát! Az entrópia egy extenzív állapotjelző, amelynek megváltozása a test két állapota között reverzibilis folyamat során felvett redukált hőmennyiségek előjeles összegével egyenlő. Jele: S.
19. Definiálja az áttolási (eltolási) munkát! Az áttolási vagy eltolási munka az a munkamennyiség, amit egy állapotváltozás folyamatos végrehajtására alkalmas technikai gép működtetése során nyerünk, vagy p működtetéséhez szükséges. Jele: Wt. Matematikailag megfogalmazva: W t = 1 Vdp ahol p a nyomás, V pedig a térfogat. p 2, (egyszerű dugattyús gép) 20. Szemléltesse p-v diagramon egy egyensúlyi állapotváltozás fizikai (térfogat-változási) munkáját! Hogyan számítható ez a nyomás és a térfogat közötti összefüggés ismeretében?
21. Mit nevezünk hőkapacitásnak, illetve fajlagos hőkapacitásnak (fajhőnek)? Azt a hőmennyiséget, melyet a rendszer hőmérsékletének egységnyivel való növelésekor J felvesz, hőkapacitásnak nevezzük. Jele: C, mértékegysége:. Matematikailag K megfogalmazva: C = dq, ahol Q a hőmennyiség, T pedig a hőmérséklet. dt A fajlagos hőkapacitás (fajhő) megadja, hogy mennyi hőt kell közölni egységnyi tömegű anyaggal ahhoz, hogy a hőmérséklete egy fokkal megemelkedjék. Jele: c, mértékegysége: J dq. Matematikailag megfogalmazva: c =, ahol Q a hőmennyiség, T a hőmérséklet, kg K m pedig a tömeg. mdt 22. Mit mond ki a termodinamika nulladik főtétele? A magára hagyott (minden kölcsönhatással szemben tökéletesen szigetelt) termodinamikai rendszer akkor van egyensúlyban, ha benne semmilyen makroszkopikus változás nem észlelhető, ebben az esetben az intenzív állapotjelzők a rendszeren belül homogén eloszlásúak. Ha két vagy több egyensúlyban lévő termodinamikai rendszer egymással kölcsönhatásban van, vagyis nincsenek egymástól minden kölcsönhatással szemben elszigetelve, akkor a vizsgált rendszereknek annyi olyan, minden rendszerben azonos értékű intenzív tulajdonsága van, mint ahány kölcsönhatással szemben a határoló falak átjárhatók. 23. Mit jelent az egyensúly szimmetriája? Ha az A rendszer egyensúlyban van a B rendszerrel, akkor a B rendszer is egyensúlyban van az A rendszerrel. 24. Mit jelent az egyensúly tranzitivitása? Ha az A rendszer egyensúlyban van a B rendszerrel, a B pedig a C rendszerrel, akkor az A rendszer egyensúlyban van a C rendszerrel. 25. Mi a hőmérséklet? A termikus kölcsönhatáshoz tartozó empirikus intenzitásparaméter a hőmérséklet. Jele: T, mértékegysége: kelvin (K) vagy celsius-fok ( C). 26. Mérhető-e közvetlenül a hőmérséklet? Nem, a mérés menete a következő: a termométert és a vizsgált rendszert termikus kölcsönhatásba kell hozni, majd meg kell várnunk, míg beáll az egyensúlyi állapot, az egyensúly beállta után a termométeren leolvasható a rendszer hőmérséklete. 27. Milyen fizikai tulajdonságok alkalmasak hőmérsékleti skála definiálására? Azok a fizikai tulajdonságok alkalmasak a hőmérsékleti skála definiálására, melyek egyszerűen és könnyen mérhetők és a hőmérséklettel egyértelműen változnak (egyértelmű függvényei a hőmérsékletnek). Ilyen tulajdonság lehet például kapilláris csőben lévő folyadékoszlop hosszúsága, állandó nyomáson a térfogat, állandó térfogat mellett a nyomás, elektromos ellenállás, termo-elektromos feszültség, kristály (pl. kvarc) rezgési frekvenciája stb.
28. Definiálja a Kelvin-skálát! A Kelvin-skála az abszolút termodinamikai hőmérséklet skálája, mely azonos az ideális gáz hőmérsékleti skálájával. A mérések tanulsága szerint amennyiben alappontként a víz (H2O) hármaspontjának hőmérsékletét (+0,01 C) választjuk, úgy a Kelvin-skála: T = 273,16 p p 0, ahol p 0 a gáztöltet nyomása a víz hármaspontján. A skálát úgy választjuk meg, hogy T θ = 273,16 K. A Kelvin-skála egysége a kelvin (K). 29. Definiálja a Celsius-skálát! A Celsius-skálán egy atmoszferikus nyomás mellett az olvadó jég hőmérséklete jelenti a 0 C értéket, a forrásban levő víz hőmérséklete pedig a 100 C. Egysége tehát ennek az intervallumnak az 1 -ad része. A Celsius-skála egysége a celsius-fok ( C). 100