HŐTAN I.
A hőmérséklet az anyagok egyik fizikai jellemzője, állapothatározó. E jellemzőt az ember elsősorban tapintás útján, a hőérzettel észleli, másodsorban hőmérő segítségével. A hőmérséklet a hőtan tudományának egyik alapfogalma. Fizikai szempontból : a hőmérséklet az anyagot felépítő részecskék átlagos mozgási energiájávalkapcsolatos mennyiség. A hőmérséklet statisztikus fogalom.
A hőmérőkészítés gondolata Leonardo da Vincitől származik. Az első hőmérőt Galilei készítette 1593-ban Az első hőmérők a gázok, folyadékok, szilárd anyagok hőtágulásán alapultak GALILEI HŐMÉRŐJE A golyók tömegkülönbsége mindössze 2 / 1000 gramm. Ez biztosítja a pontosan 1 C-nyi különbséget. A golyók lesűlyednek, ha a hőmérséklet növekszik és felemelkednek, ha a hőmérséklet csökken. Az aktuális hőmérséklet a felső részen úszó legalsó golyón függő plombáról olvasható le.
A Celsius skála alappontjai:
Anders Celsius 1701. november 27. 1744. április 25. svéd természettudós, csillagász, a Celsius-skála megalkotója. A svéd és a berlini akadémia, valamint a londoni Royal Society tagja. Foglalkozott a Nap és a Föld távolságának meghatározásával. Fizikai és geofizikai kutatásokat is végzett. 1737-ben tervezte meg a ma is használatos, 100-as beosztású hőmérsékleti skáláját, amely komoly segítséget jelentett a tudományos munkában. A skálát 1742-ben mutatta be a Svéd Akadémiában 1750-ben Stromer svéd tudós módosította a skálát, és a fagyáspontot tette meg 0 -nak, a forráspontot pedig 100 -nak. Tanulmányozta az északi fényt is.
A Fahrenheit skála alappontjai: O F :szülővárosának leghidegebb hőmérséklete, 100 F: testének hőmérséklete Daniel Gabriel Fahrenheit (1686 1736) német fizikus ÁTVÁLTÁS: [ C] = ([ F] 32) 5/9 [ F] = [ C] 9/5 + 32
Néhány érdekes hőmérsékleti adat: A Nap felszíni hőmérséklete: 6000 C A Nap belső hőmérséklete: 10 millió C Legforróbb csillagok belső hőmérséklete :50 millió C Hidrogénbomba robbanásakor: 300 millió C Földfelszín átlaghőmérséklete: 15 C Ezen a hőmérsékleten a legnagyobb a víz sűrűsége: 4 C Téli álmot alvó aranyhörcsög: 3,5 C Sütő hőmérséklete:200 C Max sütő: 380 C Vas olvadáspontja :1539 C Vas forráspontja: 3000 C Arany olvadáspont:1000 C Volfrám, a legmagasabb olvadáspontú fém : 3380 C Higany fagyáspontja: -39 C Földön mért leghidegebb hőmérséklet -89,2 C /Antarktisz 1983/ Oxigén fagyáspontja:-219 C Nitrogén fagyáspontja -210 C Nitrogén forráspontja :-196 C Plútó felszíni hőm:-220 C Galaxisok közötti tér hőm: -270 C
KELVIN SKÁLA Ez a termodinamikai hőmérséklet-skála. Az abszolút hőmérsékleti skála használatát William Lord Kelvin (eredeti neve William Thomson, 1724-1907), angol fizikus vezettette be. 1892-ben Viktória királynőtől nemesi címet kapott (Kelvin néven ütötték lorddá). A skála alappontja az abszolút zérus pont. Abból a megfontolásból adódik, hogy a test hőmérsékletét a molekulák sebessége határozza meg. Ahol ez a sebesség nulla, az anyag alapállapota. 0 K = -273,15 C 0 C = 273,15K 100 C = 373,15K A Kelvin skálán az egységek ugyanakkorák, mint a Celsius skálán. ÁTVÁLTÁS: T a hőmérséklet Kelvinben, t Celsius fokban T = t + 273 Az eddigi előállított leghidegebb hőmérséklet 2 10-9 K. /2 nanokelvin/
Kezdetben a hőmérőkbe alkoholt, majd később higanyt tettek. De a higany -39 C-on megfagy, 357 C-on felforr. Ha a higany fölé nitrogén gázt vagy szénsavat tesznek, akkor a hőmérő 750 C-ig használható. A nagyon alacsony vagy nagyon magas hőmérsékletek mérésére más fizikai törvényeket kellett alkalmazni. Az ellenállás-hőmérők azt használják ki, hogy a fémek ellenállása függ a hőmérséklettől. (ΔR=R0 α ΔT) A magasabb hőmérsékletű testeknél a sugárzás erősségét mérik. Ezek a pirométerek. (kohók, Nap) Vannak olyan festékek, amelyek színváltozással reagálnak a hőmérsékletváltozásra. Ez a termokolor. (benzinmotor, lázmérő, akvárium hőmérő)
SZILÁRD TESTEK HŐTÁGULÁSA Lineáris(vonalas) hőtágulás Felületi hőtágulás Térfogati hőtágulás
Lineáris(vonalas) hőtágulás A lineáris hőtágulási együttható számértéke kifejezi, hogy egy kelvin hőmérsékletváltozás hatására létrejövő hosszváltozás hányszorosa a kezdeti hossznak.
KÍSÉRLETI ESZKÖZ A LINEÁRIS HŐTÁGULÁS BEMUTATÁSÁRA
Néhány anyag hőtágulási együtthatója: ANYAG NEVE α alumínium 2,4 ólom 2,8 réz 1,6 vas 1,1 tégla 0,95 beton 1,2 acél 1,2 1 10 0 C 5 ANYAG NEVE α cement 1,8 jég 5,25 márvány 0,5 üveg 0,5 plexi 13,0 fa 0,5 gyémánt 0,12 0 10 1 C 5
Melegben a hidak fémszerkezete is hosszabb lesz, ezért a nagy hidaknak legalább az egyik végét görgőkkel támasztják alá.
Az úttesten pedig egymásba csúszó fésűs szerkezet teszi lehetővé a tágulást.
A hosszú csővezetékekbe U lakú szakaszokat/ lírákat/ iktatnak. A vezeték tágulásakor illetve összehúzódásakor, az U alakú részek hajlanak meg, így a csövek nem károsodnak.
LÍRA
Csövek szerelésénél is figyelni kell a hőtágulásra.
Előfordulhat, hogy nagy melegben a sín meghajlik.
0 fokon 300 m 30 fokon 15 cm-rel magasabb. Mekkora a hőtág. tényező?
A BIMETÁL két különböző fémből áll, melyeket szegecseléssel vagy hegesztéssel egymáshoz erősítenek. Hőmérséklet változáskor a két fém különböző mértékben tágul, illetve húzódik össze, ezért a bimetall meghajlik. A meghajlásból következtetni lehet a hőmérsékletre.
Kapcsolók, szelepek működtetésére használják például tűzhelyek, vízmelegítők, fűtőberendezések biztonságos működtetése oldható meg vele. Így működnek a tűzjelzők.
Felületi hőtágulás: A parketta, az autópályák betonelemei vagy a díszburkolat elhelyezésekor úgynevezett dilatációs hézagot kell hagyni, hogy a melegedés hatására ne púposodjon fel a felület, illetve lehűléskor ne törjön el. A fémalátétek, mozgólépcsők, csukó, záró szerkezetek lemezeinél is figyelni kell a felületi tágulásra.
Dilatációs hézag hiánya miatt keletkező repedés Helytelenül megtervezett dilatációs kiosztás az épület végétől 1,5 m-re
TÉRFOGATI HŐTÁGULÁS
1 kg víz Térfogatának változása a hőmérséklet függvényében
VÍZ
JÉG
A víz rendellenes hőtágulásának egyik következménye, hogy télen a tavak fentről lefelé kezdenek befagyni. A levegőtől lehűlő víz lesüllyed, így a hőáramlás miatt a tó vize 4 C-os lesz. További hűléssel azonban a felszínen maradt vízréteg megfagy. A jég viszont már jó hőszigetelő, ami megakadályozza a mélyebb vízrétegek további lehűlését.