Hőtan

Az anyagok belső szerkezete, szilárd tárgyak és folyadékok hőtágulása, hőterjedés

(Ez az összefoglalás tartalmaz utalásokat a tankönyv egyes részeihez, ezért a tankönyvvel együtt használható.)

Tapasztalatok,

1. Az ablakon

kísérletek az anyagok belső szerkezetének megismeréséhez:

Légnemű anyagokra: besütő Nap fényében a porszemek össze-vissza mozogni látszanak.

2. Egy teremben illatos a gázt kibocsátva ez idő után az illat, vagyis gáz kitölti a rendelkezésére álló teret.

3. A gáz (pl. levegő) összenyomható pl. fecskendőben.

Folyadékokra: 4.

Mikroszkóppal vizsgálva vízben az apró pl. bors szemeket, rendezetlenül mozognak.

azok 5. A 6.

folyadékba öntött másik (színezett) folyadék összekeveredik.

Melegítés hatására a keveredés gyorsabb.

7. Két különböző folyadékot összeöntve a térfogatuk kevesebb lesz, mint a külön-külön mért térfogatuk összege.

8. A folyadékból csöppek keletkeznek, rátapad szilárd tárgyakra.

9. A folyadék nem összenyomható (pl. fecskendőben) 10. A folyadéknak nincs alakja, felveszi az edény alakját.

Szilárd tárgyakra: 11. A szilárd anyag szintén nem nyomható össze.

12. Van olyan szilárd anyag amit egymáshoz lehet „ragasztani”, összeáll, ha elég közel összenyomjuk. Pl. két szappan 13. A szilárd anyagnak van alakja, nehezen vágható ketté.

(A fenti kísérletek közül néhánynak a képe, összeállítása a tankönyvben található meg a 136. o. - 141. o.-ig. A kísérletek nagy részét az órákon elvégeztük.) A tapasztalatokból, kísérletekből levont következtetésekből megalkothatjuk a vonatkozó modellt, amivel a felépítésüket, anyagszerkezetüket írjuk le.

Modell:

a szilárd testekre, folyadékokra, gázokra valóság leegyszerűsített képe, amivel a modellezett dolog tulajdonságait, működését, viselkedését le tudjuk írni.

(modellalkotásra példák a tankönyv 140. oldalán)

Az anyagok belső szerkezetére vonatkozó modellek Mindhárom halmazállapotra (szilárd, foly., gáz):

- Az anyagok rendezetlen - A különböző részecskékből állnak, amelyek állandó mozgásban vannak. (1., 2., 4., 5., 7., 10.

tapasztalatból) részecskék mérete nem egyforma. (7. tapasztalat, ahol a - A nagyobb részecskék be tudnak menni a kisebbek közé) részecskék gyorsabban mozognak, ha az anyagot melegítjük.

(6.

tapasztalatból)

Gázmodell:

A részecskék állandó, rendezetlen mozgással kitöltik a rendelkezésükre álló teret. (1., 2. tapasztalatból) - A részecskék mozgásuk során ütköznek egymással és a tartály falával.

A részecskék között nincs vonzóerő.

- A

Folyadékmodell:

- A részecskék közti távolság elég nagy, közöttük üres hely van, ezért a gáz összenyomható. (3. tapasztalatból) folyadékok részecskéi szorosan egymás mellett helyezkednek el.

(ezért nem összenyomható, 9., 10. tapasztalatból)

- A - A részecskék egymáson gördülve mozognak. (5., 7., 10. tap.-ból) folyadékrészecskék között van vonzóerő, ez tartja össze a folyadékot (pl. a folyadékcseppet, 8. tapasztalatból)

Szilárd testek modellje:

A részecskék kristályrácsba rendeződnek, egymáshoz kötötten helyezkednek el.

Közöttük nagy vonzóerő van (sokkal nagyobb, mint a folyadéknál). (11., 12., 13. tapasztalatból) - A rácsszerkezetben levő részecskék helyhez kötött rezgő mozgást végeznek.

A modellek

A

egyéb közös jellemzői:

szilárd testek részecskéi és vízcsepp szilárd anyagra, 8. tapasztalat) a vele érintkező folyadékrészecskék között is van vonzóerő (pl. ezért tapad rá a - A részecskék közötti vonzóerő összetartani igyekszik őket, a részecskék mozgása viszont az anyag szétszakítását segíti elő.

A két ellentétes hatás nagyságától függ, hogy egy anyag szilárd, folyadék, vagy légnemű állapotban van. Mivel a hő hatására a részecskék gyorsabban mozognak, ezért lehet hővel a szilárd anyagot légneművé forralni.

folyadékká olvasztani, a folyadékot

Elnevezések: Brown – mozgás:

bors, vagy

Diffúzió: Hőmozgás:

nagyobb A A porszemek, vagy a folyadékban levő apró pl.

virágporszemek mozgása. (Az anyag részecskéi lökdösik őket, azért mozognak.) különböző folyadékok vagy különböző gázok összekeveredése a részecskék rendezetlen mozgása miatt.

Mivel a részecskék melegítés hatására gyorsabban, sebességgel mozognak, a mozgásukat hőmozgásnak (A is nevezik.

tankönyv 138. oldalán található a diffúzió és a Brown-mozgás képe, rajza, és az ezáltal történő egyenletes térkitöltés ábrája.)

Hőmérséklet

melegségének mérésére hőmérsékleti skálákat Az anyagok találtak ki: Celsius skála: 0 ºC pontja a víz fagyáspontja 100 ºC pontja a víz forráspontja Fahrenheit skála (angolszász országokban használják): 0 ºC = 32 ºF 100 ºC = 212 ºF Átszámítása: t Celsius = (t F – 32)/1,8

Kelvin skála: A beosztása 273-al van elcsúsztatva a Celsiushoz képest: 0 ºC = 273 K , -273 ºC = 0 K Abszolút hőmérsékleti skálának is nevezik hőmérséklet nem részecskék sebessége 0-ra csökkenne.

, mert a 0 Kelvin fok az abszolút nulla fok. Ezzel egyenlő vagy ennél kisebb létezik, mert ezen a hőmérsékleten a (A tankönyvben a 137. oldalon szerepel az oxigén gáz molekuláinak sebessége különböző hőmérsékleten.

Megtanulni csak a nagyságrendet kell, vagyis azt, hogy több száz m/s, és azt, hogy (A nagyobb -re hőmérsékleten nagyobb, kisebben kisebb és -273 ºC = 0 K hűtve a részecskék sebessége 0 lenne.) tankönyv 134. oldalán vannak példák különböző hőmérsékletekre, pl. ember, Nap felszíne, stb. - néhány példát kell tudni.)

Kísérlet: Szilárd testek hőtágulása

Két fémrudat melegítve különböző mértékben megnő a hosszuk. Ezt nevezik lineáris (hosszirányú) hőtágulás nak.

Ennek nagysága függ az eredeti hosszától, a hőmérséklet-változástól és a tárgy anyagától.

Kiszámítása:

Δl α ΔV

: Δl = I 0 hosszváltozás , · α · ΔT (alfa) : az anyag anyagra

I

0 : eredeti hossz , lineáris hőtágulási együtthatója, a szilárd jellemző állandó. Mértékegysége: pl. alumínium: 2,4 · 10 -5 a : térfogatváltozás, változás ,

β ΔT

: hőmérséklet-változás 1/ºC , vas: 1,2 · 10

V

0 : eredeti

1 /

-5 térfogat ,

ºC

1/ºC Az alumínium jobban tágul, mint a vas, nagyobb a hőtágulási együtthatója.

A hő hatására megnőtt teljes hossz = az eredeti hossz és a hossznövekedés összegével: Térfogati hőtágulás: A l = l 0 + Δl = l 0 · (1 + α · ΔT) (Kidolgozott számítási feladat a tankönyv 146. oldalán.) szilárd tárgy nemcsak hosszirányban, hanem teljes Ennek térfogatában (szélesség, magasság is) is kitágul.

nagysága függ az eredeti térfogatától, a hőmérséklet változástól és a szilárd test anyagától.

Kiszámítása: ΔV = V 0 · β · ΔT

ΔT

: hőmérséklet (béta) : az anyag térfogati hőtágulási együtthatója, szilárd anyagra jellemző állandó. Mértékegysége:

1 / ºC

Ugyanannak az anyagnak a 3-szorosa a térfogati hőtágulási együtthatója kb.

lineáris hőtágulási együtthatójának: β = 3 · α A hő hatására megnőtt teljes térfogat = az eredeti térfogat és a térfogat-növekedés összegével: V = V 0 + ΔV = V 0 · (1 + β · ΔT)

Kísérlet:

Fémgolyó átfér a fémkarikán. Ha felmelegítjük, akkor már nem fér át, mert kitágult, de ha a karikát is felmelegítjük, akkor megint átfér.

Gyakorlati példák szilárd tárgyak hőtágulására:

Sínek nyári melegben megnyúlnak, ezért hűteni kell. Hidak hőtágulása miatt a pillérek görgőkön állnak. Fűtéscső-vezetékekben kanyar van, a híd végén az útfelületek fésűs fémcsatlakozásban találkoznak

Bimetall lemez:

két különböző fémből készült lemez meleg hatására meghajlik.

Felhasználása:

hőkapcsoló, pl. vasalóban (A hőkapcsoló működési elve a tankönyv 147. oldalán.)

A

Folyadékok hőtágulása

különböző folyadékok térfogata is megnő melegítés hatására különböző mértékben.

Hosszirányú tágulásuk nem meghatározható, mert nincs hosszuk, csak térfogati tágulásuk van. Ez ugyanúgy számolható, mint a szilárd testeknél. A különbség annyi, hogy a folyadékok sokkal jobban tágulnak, vagyis a szorosa a térfogati hőtágulási együtthatójuk (β) 100 - többszáz szilárd tárgyakénak.

ΔV = V 0 · β · ΔT (Kidolgozott számítási feladat: tankönyv150. oldal) A hőtáguláskor a folyadék térfogata nő, sűrűsége csökken. A hőtágulás utáni sűrűség kiszámítása: A ρ = ρ 0 1 · ------------------ , ahol ρ 0 (ró) : (1 + β · ΔT) az eredeti sűrűség

A hőtágulás anyagszerkezeti magyarázata:

Melegítés hatására a részecskék gyorsabban mozognak, átlagosan jobban eltávolodnak egymástól.

folyadékok hőtágulásán alapuló legismertebb eszköz a

folyadékos hőmérő

.

A víz sajátos viselkedése

A vizet 0 ºC-ról melegítve 4 ºC-ig a térfogata nem nő, hanem csökken, sűrűsége pedig nő. Ezután 4 ºC felett már a szokásos módon hő hatására nő a térfogata és csökken a sűrűsége.

Tehát a víz sűrűsége 4 ºC-on a legnagyobb. Ezért ez a hőmérsékletű víz marad a tó fenekén akkor is, amikor a tó felszíne már befagy. Így a tó alja nem fagy meg, ezért az élővilág a tó alsó rétegében áttelelhet.

(Ennek rajza a részletes hőmérsékletadatokkal a tankönyv 150.

oldalán.)

A hő terjedése (hőáramlás, hővezetés, hősugárzás) Hőáramlás

folyadékoknál és gázoknál melegítés (hőtágulás) hatására a folyadékok és gázok sűrűsége csökken. A folyadéknak (vagy gáznak) a melegebb, kisebb sűrűségű része felfelé áramlik és összekeveredik a is többi részével. A felfelé áramló részecskék a gyorsabb mozgásukkal a lassabb részecskéket felgyorsítják. Így a hő a folyadékban és a gázban a részecskék áramlásával terjed.

Hővezetés

A – szilárd anyagokban szilárd anyag melegített részében a részecskék gyorsabban rezegnek, mozognak és ezt a gyorsabb mozgást átadják a szomszédjaiknak. Így terjed tovább a szilárd testben a hő. Ezt nevezik

Kísérlet:

hővezetésnek.

Melegítünk fém és üvegrudat.

A gyertyaviasszal fémrúdról egymás után leesnek, az üvegrúdról nem.

rögzített szögek a Vannak jó hővezető szilárd anyagok, hő, és amikben gyorsan terjed a vannak rossz A rossz hővezető anyagok.

hővezető anyagokat hőszigetelőknek nevezik.

A legjobb Rossz hővezetők, gumi, hővezetők a fémek.

műanyag külső bevonata

Hőszigetelők felhasználása

: pl.

üveg, hungarocell, kerámia, fa, épületek hőszigetelő bevonata, fakanál, edény füle nem fém, termosz, hűtőkamion fala, űrhajó

Hősugárzás

Van olyan légüres hőterjedés, amihez nem szükséges közvetítő anyag, a térben is terjed éjszaka, ha nincsenek felhők.

(elektromágneses) sugárzás formájában. Ilyen pl. a Napsugárzás. A Föld is bocsát ki hősugárzást, amit a felhők visszavernek, ezért van hidegebb Minden meleg tárgy bocsát ki magából hősugárzást , amit hőkamerával le is lehet fényképezni.

A sötét érdes felületek jobban elnyelik a hősugarakat, mint a sima fényes felületek, amikről jobban visszaverődnek a sugarak.

Ezért nem célszerű nyáron sötét ruhában járni.

Példák a hősugárzás gyakorlati felhasználására:

Hőkamerával lehet embereket, állatokat megtalálni sötétben is.

Házak hőfényképén meg lehet állapítani, hol rossz a hőszigetelés. Emberek hőfényképén meg lehet állapítani, hogy hol van benne gyulladásos betegség.

Az infra lámpával történő melegítés gyógyító hatású.

távirányító (TV, hifi,...)

Megjegyzések a tanuláshoz, dolgozathoz

A témakör tananyaga a tankönyv Hőtan fejezetének első 5 leckéje (132.o.-152.o.), plusz a hőterjedés fajtái, ami nincs benne ebben a könyvben.

Ebben az összefoglalásban szereplő, az anyagok belső szerkezetére vonatkozó tapasztalatok, kísérletek közül példákat kell tudni a gáz, vagy folyadék, vagy szilárd test modelljének magyarázatához.

Pl.

Vagyis: Kérdés: Írj 2 tapasztalatot, vagy kísérletet arra, ami azt bizonyítja, hogy a szilárd test részecskéi szorosan összekapcsolódnak.

Vagy fordítva: Kérdés: Miért tapasztaljuk azt, hogy a folyadék nem összenyomható.

Lesz feladat a hőtágulás kiszámítására. Az egyes anyagok hőtágulási együtthatójának értékét nem kell megtanulni, az a feladatban meg lesz adva.