KÍSÉRLETEK MELEGÍTŐ TASAKKAL EXPERIMENTS WITH HEAT PACK Böcsei Áos Veszprém, Loassy László Gimnázium ÖSSZEFOGLALÁS Ciemben a egyszerű ristályosodási jelenségeet mutato be. A megszilárdulás özben leadott hő egyszerűen mérhető a eresedelemben apható melegítőpárna felhasználásáal. A zárt műanyagtasa nátrium acetát oldatot tartalmaz. A túlhűlt oldatban a ristályosodást a fémorong átpattintásáal beindíta a megszilárdulást jelentős hőtermelés íséri. A látens-hő aloriméteres mérésén túl a ísérlet több érdees fiziai jelenség: termodinamiailag stabil, metastabil állapot, túlhűlés, ristálymag-épződés, ristálynöeedés megtárgyalására ínál jó alalmat. ABSTRACT In this article I demonstrate simple solidification phenomenons. We can measure the egressed latent heat during the solidification by commercial heat pac. The closed plastic pac contains sodium acetat solution. In the subcooled solution one can start the solidification by metallic trigger to release latent heat. Beyond this it is an excellent opportunity to discuss seeral interesting phenomena: thermodynamically stable and metastable phase, formation of incipient nucleus. KULCSSZAVAK/KEYWORDS ristályosodási hő,túlhűlés, ristályépződés Latent heat, subcooling,crystallization KÍSÉRLETEK MELEGÍTŐ TASAKKAL Kiáló lehetőséget ínálna a hőtannal apcsolatos projetmunára a eresedelmi forgalomban apható melegítő tasaal égezhető ísérlete. Vizsgálható a tasaban leő nátrium-acetát oldat gyors ristályosodása özben leadott hő, alamint az, hogy hogyan történi a ristályosodás oltóristályo hatására. Megmérhető, hogy az oldat mennyiel hűthető az oladáspontja alá. A melegítő tasa a öetező módon műödi: az oldatban található egy is fémorong, enne átpattintásáal a túlhűtött oldatban a fémorongtól iindula gyorsan elindul a ristályosodás, amit nagy mennyiségű látens hő leadása ísér, ezért például izületi fájdalma enyhítésére alalmazható. A hőleadás után a megszilárdult oldatot tegyü forró ízbe és árjun addig, amíg az egész tasa tartalma megolad (ügyeljün rá, hogy ne maradjon benne szilárd fázis, mert az az oladáspont alatt megindítja ristályosodást), ezután a orongot hűtsü le szobahőmérséletre és átpattintással újból használható. A ristályosodási hő megmérése több lépésben történi. Itt a diáo gyaorlatot szerezhetne az egyszerű alorimetriás méréseben, alorimetrius egyenlete felírásában,
diájain együttműödne egymással, szüség an a mérése előzetes égiggondolására. Először mérjü meg a aloriméter hőapacitását (ha nagyon precíze agyun, aor egy tasaból öntsü i az oldatot és a aloriméter tasa-fémorong rendszer hőapacitását tudju megmérni). A aloriméterbe néhány dl meleg izet öntün, megárju, hogy beálljon az egyensúly. A hőapacitás a aloriméter által felett és a íz által leadott hő egyenlőségéből a íz fajhőjéne ismeretében meghatározható. A ésőbbieben szüség lesz az oldat oladáspontjára: tegyü a szilárd oldatot ízbe, lassan emeljü a íz hőmérséletét, így meg tudju figyelni, hogy meora hőmérséleten öetezi be a fázisátalaulás. Ez a ét mérés egymással párhuzamosan égezhető. Ugyanez elmondható az oldat folyéony és szilárd állapotbeli fajhőjéne méréséről. A tasaot helyezzü a aloriméterben leő melegebb ízbe, a hőmérséletáltozásoat, tömegeet megmére, a íz fajhőjéne és a aloriméter hőapacitásána ismeretében a fajhő iszámítható. Az alábbi eredménye adódna: oladáspont t o f = 54 C, fajhő folyéony állapotban c =3.1 J/g C, szilárd állapotban c = 2.8 J/g C ( eze a mennyisége issé függne az oldat oncentrációjától). Ezután öetezhet a ristályosodási hő mérésére. Ez azért fontos az otatási gyaorlatban, mert tanulóin a mindennapi életben inább arról tudna tapasztalatot szerezni, hogy a szilárd anyago megolasztása hőfelételt igényel, az hogy a megszilárdulás hőleadással jár özetlenül nehezebben figyelhető meg. Maga a mérés a öetező módon történi, a aloriméterbe néhány dl izet öntün. A tasaot a orong átpattintása után a ízbe tesszü és lezárju a alorimétert. Várun néhány percet, a aloriméter mozgatásáal gyorsítható a hőmérsélet iegyenlítődése. Az átpattintás után a tasa gyorsan az f oladáspontra melegszi, eözben c m(t o - t f f ) hőt esz fel, ahol, c a folyadé fajhője m a tömege, t o f az oladáspontja t a ezdeti hőmérsélete. Az oladásponton a fázisátalaulás során leadott hő Lm, ahol L a mérendő ristályosodási hő. Ezután a már szilárd oldat lehűl a égső hőmérséletre, eözben c o m(t -t ) hőt ad le, ahol c a fajhő szilárd állapotban. A íz és a termosz egy ezdeti t -ról t hőmérséletre melegszene, eözben c m (t -t )+C(t -t ) hőt eszne fel, ahol c és m a íz tömege és fajhője, C a aloriméter hőapacitása. A felett és a leadott hő egyenlőségét felíra, a ristályosodási hő meghatározható az alábbi egyenletből: c m (t -t )+C(t -t f )+c m(t o - t f )=Lm+c o m(t -t ). (1) Az egyenletből a ristályosodási hőre az általam beszerzett melegítő tasa esetén L =120 J/g érté adódi (az L értée függ a oncentrációtól, ezért mási tasa esetén ettől issé eltérő érté is adódhat ). A nátrium-acetát izes oldatán a túlhűlés jelenségét is tanulmányozhatju. A szilárd - >folyéony fázisátalaulás hőmérsélete 54 C. Ellenben ha ennél magasabb hőmérséletről hűtjü, aor nem indul meg ezen a hőmérséleten a ristályosodás, hanem jóal ez alá a hőmérsélet alá hűthető, hűtőszerényben is folyéony marad, de a mélyhűtőben már spontán módon megindul a ristályosodás, az ehhez tartozó hőmérsélet -15 C ( túlhűlés mértée 69 C ). Ezen a hőmérséleten nagyon gyors a ristályosodás, az oldat gyorsan az oladáspontjára melegszi, és a fázisátalaulást az előző paragrafusban tárgyalt hőleadás íséri.
1. ábra. A Balaton oladó jegén az oldat folyéony marad. Hogyan tudju diájain számára a túlhűlés jelenségét megilágítani? A megszilárdulás nem a folyadé egész térfogatában egyszerre, hanem a folyadé egyes helyein atomcsoporto megjelenéséel indul meg. Eze az atomcsoporto egy bizonyos méret alatt instabila. Az instabilitást az atomcsoport felületén a örnyező folyadéal aló ölcsönhatás oozza. Az atomcsoport sugarát nöele enne a felületi hatásna a jelentősége egyre csöen, hiszen az atomcsoportban leő atomo száma a térfogattal, tehát a sugár öbéel, a felületen leő atomo száma pedig a sugár négyzetéel egyenesen arányos. Tehát létezi egy ritius sugár, amit elére az atomcsoport termodinamiailag stabillá áli, ilyenor már ristálycsíráról beszélhetün. A ritius sugár mérete az oladáspont és az atuális hőmérsélet ülönbségéel, tehát a túlhűlés mértééel fordítottan arányos, ez eleinte edez a csíraépződésne. Azért eleinte, mert ha nagyon alacsony a hőmérsélet, aor a lecsöenő atomi mozgéonyság csöenti a csíraépződés sebességét, tehát a térfogategységben időegység alatt megjelenő csírá számát. Ezt a ét hatást figyelembe ée megadható a hőmérsélet-csíraépződési sebesség diagram. 2. ábra. Hőmérsélet csíraépződési sebesség diagram.
Olyan görbét apun, amely egy az oladáspont alatti hőmérséletnél maximumot mutat. A maximumérté lehet olyan imagasló, hogy egy is hőmérséletáltozás hatására a csíraépződés sebessége nullához özeliről óriásira nöeszi, tehát ezen a hőmérséleten szinte pillanatszerűen beöetezi a ristályosodás, spontán ristályosodási hőmérséletről beszélhetün. Diájain felészültsége és érdelődése szabja meg, hogy mennyire részletesen tárgyalju a túlhűlés jelenségét az itt leírtahoz épest. Hogyan is műödi a melegítő tasa? A orong átpattintása hogyan indítja be a ristályosodást? Gondolhatun arra, hogy a orong átpattintása hanghullámoat, löéshullámoat indít el a folyadéban, és ez oozza a ristályosodást a aitáció által. Azaz a folyadéban buboréo eletezne, és eze összeomlása során annyira megnő a buboré örnyezetében a nyomás, hogy meghaladja a spontán ristályosodáshoz szüséges nyomást. Ha ez így lenne, aor a folyadéban hanghullámoat agy löéshullámoat elte megszilárdulást ellene tapasztalnun, részletes ísérlete mutatjá, hogy ilyen nem öetezi be, tehát a melegítőtasa máshogy műödi. Ezt a számításo is alátámasztjá, melye szerint a buboréo összeroppanása során a nyomás a spontán ristályosodási nyomás fölé nő, de olyan röid időre, ami nem elegendő a ritius sugár elérésére. Ha nem a aitáció,aor mi oozhatja a orong átpattintása után a fázisátalaulást? Ehhez a orong felszínét ell alaposan szemügyre enni. 2. ábra. A orong felszíne. A orong felszínén szabályos bemetszése látható, eze szélénél is repedése anna. Ezeben a repedéseben eletronmiroszóppal is ristályo figyelhető meg. Eze a ristályo túléli a tasa felmelegítéséel járó magas hőmérséletet, szobahőmérséleten pedig nem nöeedne túl a repedés száján. A orong átpattintásáal ezeet a miroristályoat lőjü be az oldatba, ahol azo iszabadulán a repedésből nöeedésne indulna. A gyors ristályosodást mi magun is előidézhetjü, ha a tasa tartalmát egy csészébe iöntjü, és oltóristállyal beindítju a fázisátalaulást(szobahőmérséleten a iöntött oldat legtöbbször spontán elezd ristályosodni, b 40 C-on ez már nem öetezi be). Ha egy pontban beindítju a ristályépződést, aor a nöeő ristály határa özelítőleg ör alaú. Aár egy matematiai probléma is felethető ezzel apcsolatban diájainna. Indítsu be a ristályosodást egyszerre több pontban, eor nöeő sugarú öröet látun. Beindíthatju a ristályépződést például egy szabályos háromszög csúcsaiban. A matematiai feladat a öetező: hol legyene a ör alaú csészén belül a szabályos háromszög csúcsai, ha azt aarju, hogy a legröidebb idő alatt az egész oldat megszilárduljon. Szabályos háromszög csúcsai helyett ehetjü egy szabályos n-szög csúcsait, sőt a probléma nehezíthető azáltal, ha a ör alaú csésze özéppontjából is nöeedésne indítun egy ört.
Felmerül a érdés, hogy a ristályosodás folyamata mennyiben hasonlít a hullámo terjedésére? Ha a csésze egy pontjában oltóristállyal beindítju a fázisátalaulást és a csészébe egy olyan ör alaú lemezt helyezün, amin rése anna, aor megfigyelhetjü, hogyan zajli az átalaulás a réseen túl. Ha a csészébe folyadéot öntün és a özéppontban örhullámoat eltün, aor a réseen túl félör alaban terjedő hullámoat látun. Kristályosodásnál mást láthatun. A ristályépződés apró szála mentén halad előre, eze szála helyenént szétágazna. A réseen áthaladó szála mentén sugaras szerezetben zajli a fázisátalaulás, a réseen túl örre emléeztető alazatot nem láthatun. 3.ábra. A ristályosodás éony szála mentén zajli. Gyors ristálynöesztés mellett izsgálható a ristálynöeedésne egy hosszabb időtartamot igénylő áltozata. Szabályos formát mutató ristályo nöeszthető özönséges répacuor telített izes oldatából többféleéppen (a cuoroldaton bemutatható az optiai forgatás jelensége, egyszerű ísérleteel izsgálható az elforgatási szög függése a fény által az oldatban megtett úttól és az oldat oncentrációjától). A telített oldat hűtéssel túltelítetté áli és benne cuorristály épződi, így történi a andiscuor nagyüzemi előállítása. Cuorristály előállítható úgy is, hogy az oldat hőmérsélete nem áltozi, hanem párolgással izet eszít és így áli túltelítetté, ilyenor is beindul a ristályépződés. 4.ábra. Egy hét alatt épződött cuorristály.
Mindeze a projete feleltheti az érdelődést diájainban az anyagtudomány iránt. Látányos ísérleteet és méréseet égezhetne, ahol szüség an a émia és fizia órán szerzett ismeretei összeapcsolására. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Megöszönöm témaezetőm dr. Lendai János (ELTE Anyagfizia Tanszé) és onzulensem dr. Juhász András (ELTE Anyagfizia Tanszé) segítségét, ai figyelmemet a melegítő párnáal égezhető ísérletere irányította. IRODALOMJEGYZÉK 1. Mansel A. Rogerson Silana S. S. Cardoso : AIChE Journal,Volume 49,Issue 2, Pages 505-515, 2003 2. Mansel A. Rogerson Silana S. S. Cardoso : AIChE Journal,Volume 49,Issue 2, Pages 516-521,2003 SZERZŐ Böcsei Áos, lindelof@freemail.hu