Transcript Hőtan
Hőtan Készítette: Horváth Zoltán Tartalom A nyomás fogalma Szilárd testek lineáris hőtágulása Fázisok, Fázis átalakulások Hőmérséklet, hőmérés A nyomás fogalma Definíció: Egy felületre ható merőleges irányú nyomóerő és a nyomott felület nagyságának hányadosát nyomásnak nevezzük. Jele: p F Kiszámításának módja: p A Ahol F a felületre merőleges irányú nyomóerő nagyságát, A pedig a nyomott felület nagyságát jelöli. Mértékegysége: Pa (Pascal) Használatos mértékegységek: N ; 2 m Bar; Torr; Hgmm; Atm; … A hidrosztatikai nyomás fogalma Definíció: A folyadékoszlop súlyából származó nyomóerő és a nyomott felület nagyságának hányadosát hidrosztatikai nyomásnak nevezzük. Jele: ph Kiszámításának módja: F m g V g A h g ph A A A A h g Ahol m a folyadékoszlop tömegét, g pedig a nehézségi gyorsulást jelöli. Használjuk fel a sűrűség képletes definíciójának átrendezését! m V Ahol ρ a folyadék sűrűségét, V a térfogatát jelöli. Egy hasáb térfogatát a következőképen számoljuk ki: V A h Ahol h az oszlop magasságát jelöli. Mértékegysége: Pa (Pascal) Mekkora a hidrosztatikai nyomás egy 25m mély bányató mélyén? A tó mélyén a víz nyomása 250 000Pa. Mekkora a hidrosztatikai nyomás egy 250m mélységben egy óceánban? kg 1030 3 m p m g 10 2 s m kg g h 1030 3 10 2 m s h 250 m N 250 m 2575000 2 m p 2575000Pa Az óceánban 250 m mélységben 2575 KPa a nyomás értéke. Mekkora a hidrosztatikai nyomás a Marianna-árok mélyén? kg 1030 3 m p m g 10 2 s h 11034 m m kg g h 1030 3 10 2 11034 m m s N 13 650 200 2 m p 13 650 200Pa A Föld legmélyebb pontján kb 13,65 MPa a nyomás értéke . Szilárd testek lineáris hőtágulása Lineáris, vagy hosszanti hőtágulásnak nevezzük a testek olyan alakváltozását, amely során a szilárdtest hosszának változása a hőmérséklet -változás hatására következik be. Egy adott test lineáris méretének változása: * egyenesen arányos a hőmérséklet megváltozásával; * egyenesen arányos az eredeti hosszával; l 0 * egyenesen arányos a testek anyagi minőségével; T Az l l0 T anyagi állandót lineáris hőtágulási tényezőnek nevezzük. Mértékegysége: 1 C Mennyivel növekszik meg a hossza annak a 100m hosszúságú alumínium-huzalnak, amelynek a hőmérséklete 15 oC-ról 45 oC-ra nő meg? 5 1 Al 2,4 10 o C l0 100m T0 15 C T 30 C Tt 45 C l Al l0 T 2,4 10 5 1 2 100 m 30 C 7,2 10 m C A 30oC-os 100m hosszú alumínium huzal hossza 30oC-os Melegedés hatására 7,2 cm-rel nyúlik meg. Mennyire növekszik meg a hossza annak a 18m hosszúságú vasúti sínnek, amelynek a hőmérséklete -10 oC-ról 40 oC-ra nő meg? 5 1 Fe 1,1 10 o C l0 18m T0 10 C T 50 C Tt 40 C l Fe l0 T 1,1 10 5 1 18 m 50 C C 3 9,9 10 m A -10oC-os 18m hosszú vasúti sín hossza 50oC-os melegedés hatására 9,9 mm-rel nyúlik meg. l I l0 l 18m 0,0099m 18,0099m A vasúti sín hossza 18,0099m-re változik meg ilyen környezeti hatásra. Mekkora volt a hőmérsékletváltozás, illetve mennyi lett az új hőmérséklet, ha az eredetileg 35 oC-os, 30m magas Al oszlop hossza 29,9m-re változott? 5 1 Al 2,4 10 C T0 35 C l0 30m T ? C 1 l 10 m Tt ? C I l 29,9m l Al l0 T l T Al l0 101 m T 139 C 1 2,4 105 30m C Az alumínium oszlop hőmérséklete kb 139oC-kal csökkenhetett. Tt T T0 139C 35 C 104 C Ilyen hideget a Földön még nem mértek! Állapotjelzők • Nyomás – Jele: p Mértékegysége: Pa • Térfogat – Jele: V Mértékegysége: m3 • Részecskeszám – Jele: N • Hőmérséklet – Jele: T Mértékegysége: K Hőmérséklet • A hőmérséklet az anyagok egyik fizikai jellemzője, állapothatározó. Változása szorosan összefügg az anyag más makroszkopikus tulajdonságainak változásával. • Az ember elsősorban tapintás útján, a hőérzettel észleli, másodsorban hőmérő segítségével. • A hőtan, más néven termodinamika tudományának egyik alapfogalma. Celsius féle hőmérő Hőmérők Kelvin féle hőmérő Víz forráspontja normális, 100KPa nyomáson 373 K 212 oF 27 oC víz hőmérséklete normális, 100KPa nyomáson 27 oC 300 K 80,6 oF Víz fagyáspontja normális, 100KPa nyomáson Legalacsonyabb hőmérséklet 100 oC 0 oC -273,16 oC 273 K 0K 32 oF -459,7 oF Fahrenheit féle hőmérő A hő mérése Termodinamika főtételei I. Főtétel (A belső energia és a tágulási munka) A rendszer belső energiájának megváltozása egyenlő a „kívülről a rendszerhez vezetett” hőmennyiségnek és munkának az összegével. (Clausius, 1822-1888) Eb Q W II. Főtétel Másodfajú perpetum mobile nem létezik. III. Főtétel Az abszolút hőmérsékleti skálán a zérus fok megközelíthető, de el nem érhető Fázisátalakulások jelenségek Olvadás Olvadásnak nevezzük azt a halmazállapot-változást, amely során szilárd halmazállapotú anyagból folyékony halmazállapotú anyag keletkezik. Példa: A jég vízzé olvad Párolgás Párolgásnak nevezzük azt a halmazállapot-változást, amely során folyékony halmazállapotú anyagból légnemű halmazállapotú anyag keletkezik. Példa: A víz vízgőzzé párolog Párolgáskor a folyadékból a viszonylag legnagyobb sebességű molekulák távoznak el. A párolgás következtében a folyadék lehűl. Párolgás sebessége A párolgás intenzitása függ: Az anyagi minőségtől A párolgó felület nagyságától A párolgó anyag rétegvastagságától A környezet páratartalmától A folyadék hőmérsékletétől A környezet nyomásától A párolgó csepp átmérőjétől Lecsapódás Lecsapódásnak nevezzük azt a halmazállapot-változást, amely során Légnemű halmazállapotú anyagból folyékony halmazállapotú anyag keletkezik. Példa: A vízgőz hideg felületen vízzé csapódik le. Fagyás Fagyásnak nevezzük azt a halmazállapot-változást, amely során folyékony halmazállapotú anyagból szilárd halmazállapotú anyag keletkezik. Példa: A víz jéggé fagy. Szublimáció Szublimációnak nevezzük azt a halmazállapot-változást, amely során szilárd halmazállapotú anyagból légnemű halmazállapotú anyag keletkezik. Példa: Jód, kámfor, szárazjég Kondenzáció Kondenzációnak nevezzük azt a halmazállapot-változást, amely során légnemű halmazállapotú anyagból szilárd halmazállapotú anyag keletkezik. Példa: Jód, kámfor, szárazjég Halmazállapotok, fázisok (Szupravezető) Fagyás Kondenzáció Lecsapódás Szilárd Folyékony Légnemű Plazma Olvadás Szublimáció Párolgás Fajhő • Egy test fajhője megmutatja, hogy mennyi energiát kell befektetni ahhoz, hogy az 1 kg tömegű testet 1 K fokkal felmelegítsük! • Jele: c • Mértékegysége: J kg C Olvadáshő • Egy szilárd test olvadáshője megmutatja, hogy mennyi energia kell az 1kg tömegű test megolvasztásához. • Jele: Lo J • Mértékegysége: kg Mennyi energia kell ahhoz, hogy elolvasszunk 5kg 0oC-os jeget? m jég 5kg Lo, jég kJ 333,7 kg kJ Q Lo, jég m jég 333,7 5kg kg 1668,5kJ A jég megolvasztásához 1668,7 kJ energia szükséges. Forrás • Az a jelenség, amely akkor jön létre, amikor az anyag belsejében gőzfázis keletkezik, és a gőz buborék formájában távozik a folyadékból. Forráspontnak nevezzük azt a hőmérsékletet, amelyen a forrás bekövetkezik. A tiszta víz egyik tulajdonsága, hogy óvatosan melegítve a víz túlhevíthető. Ebben az állapotában nagyon instabil. Egy beeső porszem, vagy rázás hatására a víz robbanásszerűen gőzzé alakul. Ez a jelenség sokszor okozott kazánrobbanást. Forráshő • Egy folyékony anyag forráshője megmutatja, hogy mennyi energia kell az 1kg tömegű test elforralásához. • Jele: L f J • Mértékegysége: kg Néhány anyag forráspontja és forráshője Anyag Alumínium Ólom Vas Arany Ezüst Volfrám Forráspont (°C) Forráshő (kJ/kg) 2 450,0 1 740,0 3 000,0 2 970,0 2 210,0 5 500,0 10 886,2 879,2 4647,6 1 758,5 2 177,2 4 815,1 Anyag Forráspont (°C) Etanol Higany Víz 78,0 356,6 100,0 Széndioxid Oxigén Nitrogén Hidrogén -78,0 -183,0 -195,8 -252,5 Forráshő (kJ/kg) 906,07 287,72 2 256,37 572,78 (szublimációs) 213,12 199,30 460,57 Hőtani feladatok Kalorimetrikus feladatok 2 dl 20oC-os vízhez egy jól hőszigetelt termoszba öntünk 3 dl forró vizet. Mekkora lesz a hőmérséklete a folyadéknak a hőkiegyenlítődés után? Fontosabb észrevételek: m1 20dkg T1 20 C m2 30dkg T2 100 C TK ? Nincs halmazállapotváltozás Eb1 Eb2Azonos fajhő: Azonos anyagok c1=c2 c1 m1 anyagnak T1 cugyanannyival 2 m2 T2 Mindkét m változik T Ta belső m energiája T T Azonos fázisú anyagok 1 k 1 2 2 K 20dkg Tk 20C 30dkg 100 C TK 20Tk 400 C 3000 C 30Tk 50Tk 3400 C Tk 68 C 68oC lesz a folyadék hőmérséklete a termoszban. 3 dl 10oC-os vízhez egy jól hőszigetelt termoszba öntünk 7 dl forró vizet. Mekkora lesz a hőmérséklete a folyadéknak a hőkiegyenlítődés után? Fontosabb észrevételek: m1 30dkg T1 10 C m2 70dkg T2 100 C TK ? Nincs halmazállapotváltozás Eb1 Eb2Azonos fajhő: Azonos anyagok c1=c2 c1 m1 anyagnak T1 cugyanannyival 2 m2 T2 Mindkét m változik T Ta belső m energiája T T Azonos fázisú anyagok 1 k 1 2 2 K 30dkg Tk 10C 70dkg 100 C TK 30Tk 300 C 7000 C 70Tk 100Tk 7300 C Tk 73 C 73oC lesz a folyadék hőmérséklete a termoszban. 15 liter 16oC-os vízhez egy jól hőszigetelt edénybe mennyi forró vizet kell önteni, hogy a hőkiegyenlítődés után a kialakuló hőmérséklete a folyadéknak 30oC legyen? Fontosabb észrevételek: m1 15kg T1 16 C m2 ? T2 100 C TK 30 C Nincs halmazállapotváltozás Eb1 Eb2Azonos fajhő: Azonos anyagok c1=c2 c1 m1 anyagnak T1 cugyanannyival 2 m2 T2 Mindkét m változik T Ta belső m energiája T T Azonos fázisú anyagok 1 k 1 2 2 K 15kg 30C 16C m2 100C 30C 210kg C m2 70C m2 3kg 3kg forró vizet kell önteni az aktuális melegítéshez. 2 l 10oC-os vízhez egy jól hőszigetelt edénybe öntünk 5 l forró etanol alkoholt. Mekkora lesz a hőmérséklete a keveréknek a hőkiegyenlítődés után? KJ m1 2kg T1 10 C c1 4,18 kg C TK ? KJ m2 5kg T2 78,4 C c2 2,44 Nincs kg C halmazállapotAzonos fázisú anyagok Fontosabb változás E E észrevételek: b1 b2 Mindkét anyagnak ugyanannyival c1 m1 T1 változik c2 m2abelső T2 energiája c1 m1 Tk T1 c2 m2 T2 TK Kj Kj 4,18 2kg Tk 10 C 2,44 5kg 78,4C TK kg C kg C 8,36Tk 83,6 C 956,48 C 12,2Tk 20,56Tk 1040,08 C Tk 50,6 C 50,6oC lesz a keverék hőmérséklete az edényben. 2 dl 25oC-os vízhez egy jól hőszigetelt edénybe öntünk 20g -10oC hőmérsékletű jeget. Mekkora lesz a hőmérséklete a keveréknek a hőkiegyenlítődés után? m1 0,2kg T1 25 C cvíz m2 0,02kg T2 10 C Fontosabb észrevételek: Kj KJ L 335 4,18 o jég kg kg C KJ TK ? c jég 2,1 kg C Nem Eazonos fázisú E anyagok b1 b2 Van halmazállapotváltozás Mindkét anyagnak ugyanannyival c jég m jég Tváltozik cvíz m jég T2 jég Loajég m jég belső energiája cvíz m1 T1 cv m1 T1 Tk c j m2 T0 T2 m j Lo cv m2 Tk T0 kj 0 , 2 kg 25 C Tk kg C kj kJ kj 2,1 0,02kg 0C 10C 335 0,02kg 4,18 0,02kg Tk 0C kg C kg kg C 4,18 0,0836kJ Tk 20,9kJ C 0,836kJ Tk 0,42kJ C 6,7kJ C C C C Tk Tk 20,9 0,836 o 0,42 6,7 0,836 o C C Tk 13,78 0,7524 C Tk 18,315 C 18,315oC lesz a keverék hőmérséklete az edényben. 3dl 25oC-os üdítőhöz hány gramm -10oC-os jeget tegyünk, hogy a hőmérsékletkiegyenlítődés után az üdítő 10oC-os legyen? Az üdítő sűrűsége 1,02g/cm3, , fajhője 4,1 kJ/ kgoC. üdítő Először kiszámítjuk az üdítő tömegét. g 1,02 3 cm Vüdítő 3dl 300cm 3 Induljunk ki a sűrűség definíciójából! m V m g 3 1 , 02 300 cm V cm 3 Az üdítő 306g tömegű. 306g 3dl 25oC-os üdítőhöz hány gramm -10oC-os jeget tegyünk, hogy a hőmérsékletkiegyenlítődés után az üdítő 10oC-os legyen? Az üdítő sűrűsége 1,02g/cm3, , fajhője 4,1 kJ/ kgoC. kJ mü 306g Tü 25 C cü 4,1 kgo C o kJ Tj 10 C c j 2,1 kgo C mj ? o kJ cv 4,2 o kg C TK 10 C o kj Lo jég 335 kg Eb,ü Eb, j cü mü Tü c j m j Tj Lo, j m j cv m j Tv* kJ 4,1 0,306kg 15 C kg C kJ kJ kJ 2,1 m j 10C 335 m j 4,2 m j 10C kg C kg kg C 3dl 25oC-os üdítőhöz hány gramm -10oC-os jeget tegyünk, hogy a hőmérsékletkiegyenlítődés után az üdítő 10oC-os legyen? Az üdítő sűrűsége 1,02g/cm3, , fajhője 4,1 kJ/ kgoC. kJ 4,1 0,306kg 15 C kg C kJ kJ kJ 2,1 m j 10C 335 m j 4,2 m j 10C kg C kg kg C kJ kJ kJ 18,819kJ m j 21 335 42 kg kg kg kJ 18,819kJ m j 398 kg m j 0,0473kg A szükséges -10oC-os jég tömege: 47,3g. 2dl 20oC-os üdítőhöz hány gramm -15oC-os jeget tegyünk, hogy a hőmérsékletkiegyenlítődés után az üdítő 5oC-os legyen? Az üdítő sűrűsége 1,1g/cm3, , fajhője 4 kJ/ kgoC. üdítő Először kiszámítjuk az üdítő tömegét. g 1,1 3 cm Vüdítő 2dl 200cm 3 Induljunk ki a sűrűség definíciójából! m V m V g 1,1 3 200 cm 3 cm Az üdítő 220g tömegű. 220g 2dl 20oC-os üdítőhöz hány gramm -15oC-os jeget tegyünk, hogy a hőmérsékletkiegyenlítődés után az üdítő 5oC-os legyen? Az üdítő sűrűsége 1,1g/cm3, , fajhője 4 kJ/ kgoC. mü 220g Tü 25 C o mj ? kJ cv 4,2 o kg C Tj 15 C o kJ cü 4 o kg C kJ c j 2,1 o kg C TK 5 C o kj Lo jég 335 kg Eb,ü Eb, j cü mü Tü c j m j Tj Lo, j m j cv m j Tv* kJ 4 0,22kg 15 C kg C kJ kJ kJ 2,1 m j 15 C 335 m j 4,2 m j 5 C kg C kg kg C 2dl 20oC-os üdítőhöz hány gramm -15oC-os jeget tegyünk, hogy a hőmérsékletkiegyenlítődés után az üdítő 5oC-os legyen? Az üdítő sűrűsége 1,1g/cm3, , fajhője 4 kJ/ kgoC. kJ 4 0,22kg 15 C kg C kJ kJ kJ 2,1 m j 15 C 335 m j 4,2 m j 5 C kg C kg kg C kJ kJ kJ 13,2kJ m j 31,5 335 21 kg kg kg kJ 13,2kJ m j 387 kg m j 0,0341kg A szükséges -15oC-os jég tömege: 34,1g. Gáztörvények Mennyi gáz részecske van egy 2dl térfogatú, 20oC hőmérsékletű 100KPa nyomású gáztartályban?