A tárgy neve HŐTAN Meghirdető tanszék(csoport) SZTE, TTK, Fizikus Tanszékcsoport, Kísérleti Fizikai Tanszék Felelős oktató: Dr. Papp Katalin Kredit 3 Heti óraszám 2 típus Előadás Számonkérés Kollokvium Teljesíthetőség feltétele Párhuzamosan feltétel Hőtan gyakorlat Előfeltétel Mechanika Helyettesítő tárgyak Periódus Tavaszi félév Javasolt félév 2. félév Kötelező vagy kötelezően fizika választható AJÁNLOTT IRODALOM Budó Ágoston: Kísérleti Fizika I. kötet, Tankönyvkiadó, Budapest, 1989. Bor Pál: Fizika III. Hőtan, Tankönyvkiadó, Budapest, 1992. Litz József: Általános fizika, Hőtan, Dialóg Campus Kiadó, Pécs, 2001. Tichy Géza, Kojnok József: Kísérleti Fizika, Hőtan, Typotex Kiadó, Bp., 2002. Atkins P. W.: Physical Chemistry, Oxford University Press, Oxford 1990
A TANTÁRGY RÉSZLETES TEMATIKÁJA A termodinamika nem egyszerűen hőtan, hanem a fizika igazi alapja. G. Falk) A kurzusról A Hőtan tantárgy a Kísérleti fizika alapkollégium részeként kerül meghirdetésre. Az előadás a középiskolai fizikai ismeretek mellett az alapképzés Mechanika kurzusának tananyagát is felhasználja. Feldolgozási módszere a jelenségek kísérleti bemutatása, a termodinamikai folyamatok elsősorban fenomenológikus tárgyalása. A demonstrációs kísérletek mellett számítógépes szimulációk, videofilmek segítik a folyamatok elemzését (a tananyag leírásban ezeket megkülönböztetett betűtípussal jelöltük). A tematikához szorosan hozzátartozik tananyagban szereplő legfontosabb fogalmak, törvények gyűjteménye, amelyhez a hallgatók a kurzus kezdetétől hozzájutnak a http://titan.physx.uszeged.hu/opt/physics/expphys/kurzusok/kurzusok.html címen. Ugyancsak itt érhető el a kollokviumi tételsor és a rövid tematika. Az előadások anyagában hangsúlyos szerepet kap a történetiség, valamint a termodinamikai fő tételeinek, törvényeinek a természeti, technikai környezetünkben történő alkalmazása, különös tekintettel az élő szervezetekre. A hallgatók aktivizálása, a differenciált foglalkoztatás céljából az előadásokon feladatként szerepelnek az előadó által kitűzött problémák, amelyek megfelelő számú sikeres megoldása a vizsgán kedvezményt jelent. Az előadáshoz szorosan kapcsolódó gyakorlaton az előadási ismeretek alkalmazására kerül sor, elsősorban számításos feladatokat oldanak meg a hallgatók. Bevezetés (ráhangolódás, motiváció): a hőtan tárgya, összehasonlítás a mechanikával, a termodinamikai ismeretek jelentősége (Csernobil, Columbia, szupravezetés, szuperfolyékonyság, Nobel-díjas tudósok termodinamikai eredményei, természeti jelenségek, a hőmérséklet-mérés fontossága, az alacsony és a magas hőmérsékletek világa, kvantumlétra, Kürti Miklós), fenomenológikus és korpuszkuláris (statisztikus) megközelítés, kísérletező termodinamika, történeti aspektusok. Hőmérséklet, hőmérők: a hőmérséklet fogalom kialakulása (szubjektív hőérzet), fejlődése. A hőmérsékletmérés elvi kérdései (nincs halmazállapot változás, nincs kémiai reakció). A hőmérsékletmérés feltételei: a testek mérhető tulajdonsága változik a hőmérséklettel (pl. sűrűség, térfogat, nyomás, elektromos tulajdonság, rugalmassági állandó, törésmutató, szín, stb.), termikus egyensúly alakul ki, előállíthatók jól reprodukálható hő-állapotok (fixpontok). Empirikus (tapasztalati) hőmérsékleti skálák (Galilei: 1592, II. Ferdinand Medici toszkán herceg: 1657, Amontons: 1703, Fahrenheit: 1720, Celsius: 1741, Kelvin: 1848) nemzetközi hőmérsékleti skála (International Practical Temperature Standards), jellegzetes alappontok, a hőmérséklet SI egysége. A termodinamika 0. főtétele, a termodinamikai egyensúly, mint ekvivalencia reláció (C. Carathéodory, 1909). A különböző hőmérő típusok 2
bemutatása: folyadékos hőmérők, maximum-minimum hőmérők, gázhőmérő, fémeket tartalmazó hőmérő, az elektromos tulajdonság változásán alapuló hőmérők (termoelem, ellenállás-hőmérő, félvezetők, termisztor-típusok), különleges hőmérők: hőmérséklet változást jelző festékek, koleszterikus folyadékkristályok, termocolor vegyületek, Seger-gúlák, kvarckristály, infrasugaras hőmérséklet mérés, termogramok (hőfényképek) bemutatása, készítése, optikai pirométerek. Szilárdtestek és folyadékok hőtágulása: kondenzált rendszerek állapotegyenletei. Az állapotegyenlet, állapothatározók bevezetése, extenzív és intenzív állapothatározók, a termodinamikai rendszer fogalma, fajtái. Homogén izotróp szilárd testek hőtágulása. A lineáris és a térfogati hőtágulás bemutatása kísérlettel, a hőtágulási együttható függése az anyagi minőségtől. A hőtágulás értelmezése a potenciális energia-függvény segítségével, a hőtágulás gyakorlati alkalmazásai. Az izotermikus kompresszió modulus és az izobar hőtágulási együttható mérése. Tyndall féle kísérlet az összehúzódásnál (hűtésnél) fellépő feszültség (erő) bemutatására ( vas-törő ). A V=V(p,T) állapotegyenlet alakja szilárd testek és folyadékok esetében. A folyadékok hőtágulásának kísérleti bemutatása, pl.: petróleum, víz, alkohol, benzin hőtágulásának összehasonlítása. Folyadékok hőtágulási együtthatójának (β) mérése, Doulong-Petit módszere. A víz különleges viselkedése. Ideális gázok, a termikus állapotegyenlet: Állapothatározók, folyamat jellemzők, kvázisztatikus folyamatok, speciális folyamatok. Gázok hő okozta térfogat és nyomás változása, izotermikus, izochor, izobar állapotváltozások kísérleti vizsgálata. Boyle-Mariotte törvénye (1662), Gay-Lussac törvényei (1802). Az egyesített gáztörvény, Avogadro törvénye, a mol, mint az anyagmennyiség egysége, az R univerzális gázállandó bevezetése. Az ideális gáz modellje, megközelítése, tulajdonságok. Az ideális gázok termikus állapotegyenlete /f(p,v,t,n)=0/ grafikus ábrázolás a p V síkon, állapottérben, jellegzetes folyamatok ábrázolása, számítógépes illusztráció. Az állapothatározók közötti differenciális összefüggések. A reális gázok állapotegyenlete, a reális gázok viselkedését egyre pontosabban leíró elméletek áttekintése, kompresszibilitási együttható, viriál-együtthatós egyenletek, Van der Waals (1873) munkássága, a nyomáskorrekció (a/v 2 ) és a térfogati korrekció (b) bevezetése, számítógépes szimuláció (SOPE3) reális gázok, gőzök viselkedésének (pl. a széndioxid) tanulmányozására. A termodinamika első főtétele: kísérleti tapasztalatok a belső energia változtatásra, történeti áttekintés: Joseph Black munkássága (1728-1799), B. Thompson (Rumford grófja) az ágyúfúró (1810), H. Davy, a jégdörzsölő (1819), Robert Mayer a hajóorvos (1841), J. P. Joule, a serföző (1841-45), H. Helmholtz (1847) tevékenysége, a kinetikusok és a calorikusok gondolatmenetei, a hő és a mechanikai munka kapcsolata. Az első főtétel megfogalmazása, ( E=Q+W), a belső energia, mint állapothatározó, a hőmennyiség (Q) és a munka (W) mint energia transzport-fajta, folyamat 3
jellemzők definiálása. Az I. főtétel differenciális alakja, a hőkapacitás, fajhő bevezetése, kalorimetria. Kísérletek különböző kaloriméter típusokkal (súrlódásos, keverési), a kaloriméter vízértéke, fajhőmérési módszerek szilárd, folyékony és gáz halmazállapotú anyagok esetén. Kísérlet a Tyndall-csővel, Joule kísérletének reprodukálása, számítógépes szimuláció. Az entalpia (hőtartalom), mint extenzív állapotfüggvény bevezetése. Az ideális gáz belső energiája és entalpiája. A két féle fajhő. Gay-Lussac kísérlete. Az első főtétel különböző megfogalmazásai, az első fajú perpetuum mobile. Valódi gázok belső energiája: állapotegyenlet alakja reális gázoknál, a belső energia változása, Joule-Thomson kísérlete (1853, történeti háttér), izentalp változás, a fojtás szerepe, inverziós hőmérséklet értelmezése, kísérleti bemutatás széndioxid esetén. A jelenség hasznosítása gázok cseppfolyósításánál. Történeti, gyakorlati vonatkozások. Ideális gázok speciális állapotváltozásai: a termodinamika első főtételének alkalmazása. Izotermikus, izochor, izobar és adiabatikus állapotváltozások energetikai jellemzése, az I. főtétel speciális alakjai, a folyamatok ábrázolása a p- V síkon. Az adiabatikus állapotváltozás részletes vizsgálata, Poisson egyenletek, kísérlet a pneumatikus tűzszerszámmal, adiabatikus tágulás és összenyomás a gyakorlatban (motorok). A κ kompresszibilitási tényező meghatározása különböző módszerekkel, a Clement-Desormes módszer részletezése. A Carnot-féle körfolyamat: a hő munkává alakításának igénye a XIX. században, hőanyag elmélet, Sadi Carnot (1796-1832) munkássága. A nagy ötlet: körfolyamat, kvázisztatikus részfolyamatokból (két izotermikus, két adiabatikus), a folyamatok jellemzése hőfelvétel és munka végzés szempontjából. A folyamat ábrázolása a p-v síkon, számítógépes szimuláció. A körfolyamat termikus hatásfoka, a termodinamikai hőmérsékleti skála, jellemzése. A redukált hő fogalmának bevezetése, Clausius egyenlőség. A Carnot-körfolyamat tudomány-történeti hatása, következményei. Direkt, indirekt Carnot-gép, Clausius-gép, Kelvin gép, hőerőgép-típusok bemutatása működő modellekkel, hőszivattyúk. Jellegzetes periódikus folyamatok, belső és külső égésű motorok (Stirling (1816), Otto (1876), Diesel, (1892), gyakorlati vonatkozások. A temodinamika II. főtétele: a természeti folyamatok irányáról, Furcsa történetek, reverzibilis, irreverzibilis folyamatok, az entrópia, mint extenzív állapothatározó bevezetése, reverzibilis, irreverzibilis körfolyamat jellemzése, Clausius egyenlőtlenség, az entrópia növekedés elve. A II. főtétel matematikai megadása, különböző fenomenológikus megfogalmazások (Kelvin, Clausius, Planck). A Gibbs féle fundamentális egyenletek, a termodinamikai egyensúly feltételei, újabb állapothatározók, a szabad energia és szabad entalpia bevezetése, Gibbs-Helmholtz egyenletek. A termodinamika III. főtétele (Nernst, 1906, Planck (1911). 4
A második főtétel, különösen statisztikus megfogalmazásban, a természettudomány legnagyobb hozzájárulása az emberi szellem felszabadításához. Peter W. Atkins A kinetikus gázelmélet, a statisztikus fizika elemei: a nyomás, a hőmérséklet statisztikus értelmezése, az ideális gáz korpuszkuláris modellje, modell-kísérletek, (légpárnás asztal, rázógép) számítógépes szimulációk a makroszkópikus tulajdonságok mikroszkópikus értelmezésére. Kísérleti tapasztalatok, a Brown mozgás vizsgálata. A gáz-részecskék sebességének mérése, (Stern, Eldridge- Lammert módszere) a Maxwell-féle sebesség eloszlás. A Boltzmann állandó bevezetése, az ideális gáz állapotegyenletének statisztikus értelmezése, alakja. A Boltzmann állandó mérése. Az ekvipartíció tétele, a szabadsági fok fogalma. A hőkapacitás elméleti, kísérleti adatai, a Dulong-Petit szabály, eltérések, új utakra kényszerítő tapasztalatok. A II. főtétel statisztikus értelmezése, a termodinamikai valószínűség, makro- és mikroállapot fogalma, az entrópia statisztikus értelmezése, Boltzmann munkássága. A XIX. század utolsó harmadának történetéből: az atomisták (Maxwell, Boltzmann) és az energetikusok (Mach, Ostwald) harca. A Boltzmann eloszlás, a barometrikus magasságformula, szedimentáció. Ingadozási jelenségek, a Brown mozgás statisztikus értelmezése, közepes szabad úthossz, hatáskeresztmetszet fogalma, Perrin, Einstein munkássága. Transzport jelenségek: a makroszkópikus inhomogenitás kiegyenlítődni igyekszik, az extenzív állapothatározót tartalmazó áramsűrűség arányos a folyamatért felelős intenzív állapothatározó megváltozásával, L. Onsager törvénye. Belső energia átvitel (pl. hővezetés), impulzus átvitel, (pl. belső súrlódás), anyag átvitel (pl. diffúzió) vizsgálata. A diffúzió jellemzése, kísérleti megfigyelések (bróm-levegő, rézszulfát-víz), számítógépes szimuláció, stacionárius és nem stacionárius diffúzió, a diffúziós együttható függése a hőmérséklettől, az anyagi minőségtől, Fick I. és II. törvénye. A termodiffúzió bemutatása, a diffúzió gyakorlati alkalmazása, szerepe az élő szervezetekben. Az ozmózis, mint speciális diffúzió. Az ozmózisnyomás kísérleti szemléltetése, Van t Hoff törvénye (1885). Az ozmózis szerepe az élő szervezetben, a természetben, kísérletek vízüvegoldattal. Halmazállapot változások: fázisátalakulások osztályozása, példák elsőrendű és másodrendű fázis átalakulásokra. Jellegzetességük: az intenzív mennyiség (állapothatározó) változásával az extenzív mennyiség ugrásszerűen változik. Fázisegyensúly, átalakulási hő értelmezése. Olvadás (fagyás) jelensége, melegedési görbe felvétele, olvadáshő meghatározása (jég-kaloriméter). A Clausius- Clapeyron egyenlet. Az olvadás korpuszkuláris értelmezése, a víz különleges viselkedése. A regeláció jelensége, az olvadáspont nyomás függése. Párolgás, forrás, szublimáció vizsgálata, párolgás zárt térben, kísérlet krioforral, telített, telítetlen gőzök különleges viselkedése. A párolgási sebesség vizsgálata. Forralás melegítés nélkül, a forráspont nyomás függése. Kísérletek széndioxiddal, fázisdiagramok felvétele, jellegzetes görbéi: p-v, p-t síkon, p-v-t fázistérben való ábrázolás, számítógépes szimuláció. A hármaspont, a kritikus állapot jellemzése, kísérleti vizsgálata víz, széndioxid, bután esetén. Szublimáció vizsgálata 5
jóddal, széndioxiddal. Lecsapódás (kondenzáció), ködképződés kísérleti vizsgálata, opaleszkálás (széndioxid sűrűségingadozás), ködkamra (alfa részecskék kimutatása) bemutatása. Polimorf átalakulások, elegyek, oldatok vizsgálata, híg oldatok forráspontjának, fagyáspontjának változása a koncentrációval, kísérlet emlékező műanyaggal. Alacsony hőmérsékletek előállítása: történeti háttér, C. Drebbel (1620), R. Boyle (1665), W. Cullen (1748), T. Moore (1800), M. Faraday (1823), J. Dewar (1898), T Andrews (1865), H. Kamerlingh-Onnes (1908) munkássága. Az alacsony hőmérsékletek előállításának különböző lehetőségei: hőmérséklet kiegyenlítődés, hűtőkeverék alkalmazása, párolgás, indirekt Carnot körfolyamat, Peltier-hatás, adiabatikus lemágnesezés, nukleáris hűtés. Kompressziós hűtőgépek. Gázok hűtése tágulással, a Joule-Thomson effektus alkalmazása, a Linde-féle (1895) levegő-cseppfolyósítási eljárás elve, kaszkád módszer, gyakorlati megvalósítás. Kísérletek cseppfolyós nitrogénnel, a szupravezetés termodinamikájáról, a Meissner effektus bemutatása magas hőmérsékletű szupravezetővel. A hő terjedéséről: a hővezetés (belső, külső), mint a termikus energia transzportja, a stacionárius hővezetés kísérleti vizsgálata, a Fourier-féle hővezetési egyenlet (1811), a hővezetési együttható (λ) értelmezése, a nem stacionárius hővezetés. A Newton-féle lehülési törvény, a hőmérséklet csökkenés exponenciális jellege. Gyakorlati vonatkozások a természeti, technikai környezetben, az emberi szervezet hőháztartása. A hő áramlás (konvekció) vizsgálata, termikus energia és anyag transzport, kísérletek sűrűségváltozásra, hőcirkulációra folyadékok, gázok esetén. A hőkonvekció matematikai leírása, az α hőátadási tényezőt befolyásoló paraméterek. Hőáramlás a gyakorlatban, központi fűtés, hőszigetelés, szél, tengeri áramlatok létrejötte. A hősugárzás kísérleti megfigyelése, termoszkópok, radiométer. A hőmérsékleti sugárzás szerepe a modern fizika kialakulásában, a Stefan- Boltzmann törvény, az emissziós tényező, mint a kibocsátástól, illetve az elnyelő tulajdonságoktól függő tényező elemzése. Példák a hősugárzás gyakorlati alkalmazására. A Nap hősugarai, üvegházhatás, bemutatása modellkísérlettel. 6
KÉRDÉSEK (FOGALMAK, TÖRVÉNYEK) A HŐTAN ELŐADÁS ANYAGÁBÓL 1. Jellemezze az empirikus hőmérsékleti skálákat! 2. Jellemezze a termikus egyensúlyt! 3. Fogalmazza meg a 0. főtételt! 4. Definiálja a termodinamikai rendszert! 5. Jellemezze a nemzetközi és a termodinamikai hőmérsékleti skálát! 6. Az állapothatározó definíciója, osztályozásuk. 7. Mit nevezünk állapotegyenletnek? 8. Mit nevezünk zárt termodinamikai rendszernek? 9. Mit nevezünk izolált termodinamikai rendszernek? 10. Mondja ki a lineáris hőtágulás törvényét! 11. Mondja ki a köbös hőtágulás törvényét! 12. Fogalmazza meg a homogén, izotróp szilárd testek általános tágulási törvényét! 13. Jellemezze a folyadékok hőtágulását! 14. Definiálja a kompresszibilitási együtthatót! 15. Fogalmazza meg a Boyle-Mariotte törvényét! 16. Fogalmazza meg a Gay-Lussac törvényeket! 17. Adja meg az ideális gáz jellemzőit! 18. Ismertesse az ideális gáz állapotegyenletét! 19. Fogalmazza meg az egyesített gáztörvényt! 20. Definiálja az anyagmennyiség SI egységét! 21. Fogalmazza meg Avogadro törvényét! 22. Definiálja az univerzális gázállandót! 23. Jellemezze a reális gázokat! 24. Ismertesse a reális gázokra vonatkozó állapot egyenletet! 25. Fogalmazza meg a termodinamika I. főtételét! 26. Definiálja a hőkapacitást! Mi az egysége? 27. Definiálja a fajhőt! Mi az egysége? 28. Jellemezze a Q, W folyamatváltozókat! 29. Mit nevezünk vízértéknek? 30. Fogalmazza meg a Dulong Petit szabályt! 31. Jellemezze a kvázisztatikus folyamatot! 32. Jellemezze a termodinamika I. főtételében szereplő mennyiségeket speciális állapotváltozások esetén! 33. Definiálja az ideális gáz entrópiáját! 34. Ismertesse a Gay-Lussac kísérletet! 35. Ismertesse a Joule-Thomson kísérletet! 36. Mit nevezünk inverziós hőmérsékletnek? 37. Ismertesse a Poisson-egyenleteket! 38. Mit nevezünk körfolyamatnak? 39. Ismertesse a Gibbs-féle fundamentális egyenletet! 40. Definiálja a szabadenergiát! 41. Definiálja a szabad entalpiát! 7
42. Jellemezze a termodinamikai egyensúlyt a szabadenergia, szabad entalpia és az entrópia segítségével! 43. Ismertesse a Gibbs-Helmholtz-féle egyenleteket! 44. Fogalmazza meg a termodinamika III. főtételét! 45. Jellemezze a kinetikus gázmodellt! 46. Értelmezze a nyomást a kinetikus gázelmélet alapján! 47. Ismertesse a gázok állapotegyenletének molekuláris értelmezését! 48. Definiálja a Boltzmann állandót! 49. Mit nevezünk szabadsági foknak? 50. Mondja ki az ekvipartíció tételét! 51. Jellemezze a sebességeloszlási függvényeket! 52. Mit nevezünk közepes szabad úthossznak? 53. Mit nevezünk hatáskeresztmetszetnek? 54. Fogalmazza meg Dalton törvényét! 55. Ismertesse Fick törvényeit! 56. Definiálja a termodinamikai valószínűséget! 57. Fogalmazza meg a termodinamika II. főtételét (statisztikusan)! 58. Ismertesse Van' t Hoff törvényét! 59. Mit nevezünk makro- illetve mikro állapotnak? 60. Mit nevezünk hármaspontnak? 61. Mi a regeláció? 62. Jellemezze az ozmózis jelenségét! 63. Ismertesse a Clausius Clapeyron egyenletet! 64. Jellemezze a kritikus állapotot! 65. Definiálja a relatív nedvességet! 66. Jellemezze a fázisdiagramot! 67. Ismertesse a hővezetés alapegyenletét! 68. Fogalmazza meg a Newton-féle lehűlési törvényt! 8