HőtanAz anyagok belső szerkezete,

szilárd tárgyak és folyadékok hőtágulása, hőterjedés(Ez az összefoglalás tartalmaz utalásokat a tankönyv egyes

részeihez, ezért a tankönyvvel együtt használható.)Tapasztalatok, kísérletek az anyagok belső szerkezetének

megismeréséhez:Légnemű anyagokra: 1. Az ablakon besütő Nap fényében a porszemek össze-vissza

mozogni látszanak.2. Egy teremben illatos gázt kibocsátva ez idő után az illat, vagyis

a gáz kitölti a rendelkezésére álló teret.3. A gáz (pl. levegő) összenyomható pl. fecskendőben.Folyadékokra:4. Mikroszkóppal vizsgálva vízben az apró pl. bors szemeket,

azok rendezetlenül mozognak.5. A folyadékba öntött másik (színezett) folyadék összekeveredik.6. 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 szappan13. 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 szilárd testekre, folyadékokra, gázokra vonatkozó modellt, amivel a felépítésüket, anyagszerkezetüket írjuk le.

Modell: a valóság leegyszerűsített képe, amivel a modellezett dolog tulajdonságait, működését, viselkedését le tudjuk írni. (modellalkotásra példák a tankönyv 140. oldalán)

Az anyagok belső szerkezetére vonatkozó modellekMindhárom halmazállapotra (szilárd, foly., gáz):- Az anyagok különböző részecskékből állnak, amelyek állandó

rendezetlen mozgásban vannak. (1., 2., 4., 5., 7., 10. tapasztalatból)

- A részecskék mérete nem egyforma. (7. tapasztalat, ahol a nagyobb részecskék be tudnak menni a kisebbek közé)

- A 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 részecskék közti távolság elég nagy, közöttük üres hely van,

ezért a gáz összenyomható. (3. tapasztalatból)Folyadékmodell:- A folyadékok részecskéi szorosan egymás mellett helyezkednek

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

- A részecskék egymáson gördülve mozognak. (5., 7., 10. tap.-ból)- A 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 egyéb közös jellemzői:- A szilárd testek részecskéi és a vele érintkező

folyadékrészecskék között is van vonzóerő (pl. ezért tapad rá a vízcsepp szilárd anyagra, 8. tapasztalat)

- 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 folyadékká olvasztani, a folyadékot légneművé forralni.

Elnevezések:Brown – mozgás: A porszemek, vagy a folyadékban levő apró pl.

bors, vagy virágporszemek mozgása. (Az anyag részecskéi lökdösik őket, azért mozognak.)

Diffúzió: A különböző folyadékok vagy különböző gázok összekeveredése a részecskék rendezetlen mozgása miatt.

Hőmozgás: Mivel a részecskék melegítés hatására gyorsabban, nagyobb sebességgel mozognak, a mozgásukat hőmozgásnak is nevezik.

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

HőmérsékletAz anyagok melegségének mérésére hőmérsékleti skálákat

találtak ki:Celsius-skála: 0 ºC pontja a víz fagyáspontja 100 ºC pontja a víz forráspontjaFahrenheit skála (angolszász országokban használják): 0 ºC = 32 ºF 100 ºC = 212 ºFÁtszámítása: tCelsius = (tF – 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, mert a 0 Kelvin fok az abszolút nulla fok. Ezzel egyenlő vagy ennél kisebb hőmérséklet nem létezik, mert ezen a hőmérsékleten a részecskék sebessége 0-ra csökkenne.

(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 nagyobb hőmérsékleten nagyobb, kisebben kisebb és -273 ºC = 0 K -re hűtve a részecskék sebessége 0 lenne.)

(A tankönyv 134. oldalán vannak példák különböző hőmérsékletekre, pl. ember, Nap felszíne, stb. - néhány példát kell tudni.)

Szilárd testek hőtágulásaKísérlet: Két fémrudat melegítve különböző mértékben megnő a

hosszuk. Ezt nevezik lineáris (hosszirányú) hőtágulásnak.Ennek nagysága függ az eredeti hosszától, a hőmérséklet-változástól és a tárgy anyagától.

Kiszámítása: Δl = I0 · α · ΔTΔl : hosszváltozás , I0 : eredeti hossz , ΔT : hőmérséklet-változásα (alfa) : az anyag lineáris hőtágulási együtthatója, a szilárd

anyagra jellemző állandó. Mértékegysége: 1 / ºCpl. alumínium: 2,4 · 10-5 1/ºC , vas: 1,2 · 10-5 1/ºCAz alumínium jobban tágul, mint a vas, nagyobb a hőtágulási

együtthatója.A hő hatására megnőtt teljes hossz = az eredeti hossz és a

hossznövekedés összegével: l = l0 + Δl = l0 · (1 + α · ΔT)(Kidolgozott számítási feladat a tankönyv 146. oldalán.) Térfogati hőtágulás: A szilárd tárgy nemcsak hosszirányban,

hanem teljes térfogatában (szélesség, magasság is) is kitágul. Ennek nagysága függ az eredeti térfogatától, a hőmérséklet-változástól és a szilárd test anyagától.

Kiszámítása: ΔV = V0 · β · ΔTΔV : térfogatváltozás, V0 : eredeti térfogat , ΔT : hőmérséklet-

változás , β (béta) : az anyag térfogati hőtágulási együtthatója, a szilárd anyagra jellemző állandó. Mértékegysége: 1 / ºC

Ugyanannak az anyagnak a térfogati hőtágulási együtthatója kb. 3-szorosa a lineáris hőtágulási együtthatójának: β = 3 · α

A hő hatására megnőtt teljes térfogat = az eredeti térfogat és a térfogat-növekedés összegével: V = V0 + ΔV = V0 · (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 pillérekgörgőkön állnak. Fűtéscső-vezetékekben kanyar van, a híd végén az útfelületek fésűsfémcsatlakozásban találkoznakBimetall lemez: két különböző fémbőlkészült lemez meleg hatására meghajlik.Felhasználása: hőkapcsoló, pl. vasalóban(A hőkapcsoló működési elve a tankönyv 147. oldalán.)

Folyadékok hőtágulásaA 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 térfogati hőtágulási együtthatójuk (β) 100 - többszáz-szorosa a szilárd tárgyakénak. ΔV = V0 · β · ΔT

(Kidolgozott számítási feladat: tankönyv150. oldal)A hőtáguláskor a folyadék térfogata nő, sűrűsége csökken. A hőtágulás utáni sűrűség kiszámítása: 1 ρ = ρ0 · ------------------ , ahol ρ0 (ró) : (1 + β · ΔT) az eredeti sűrűségA hőtágulás anyagszerkezeti magyarázata:Melegítés hatására a részecskék gyorsabbanmozognak, átlagosan jobban eltávolodnak egymástól. A folyadékok hőtágulásán alapuló legismertebb eszköz a

folyadékos hőmérő.

A víz sajátos viselkedéseA 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 gázoknálmelegítés (hőtágulás) hatására a folyadékok és gázok sűrűsége csökken. A folyadéknak (vagy gáznak) a melegebb, kisebb sűrűségű része felfelé áramlik és összekeveredik a többi részével. A felfelé áramló részecskék a gyorsabb mozgásukkal a lassabb részecskéketis felgyorsítják. Így a hő a folyadékban és a gázban a részecskék áramlásával terjed.

Hővezetés – szilárd anyagokbanA 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 hővezetésnek.

Kísérlet: Melegítünk fém és üvegrudat.A gyertyaviasszal rögzített szögek a fémrúdról egymás után leesnek, az üvegrúdról nem.Vannak jó hővezető szilárd anyagok, amikben gyorsan terjed a hő, és vannak rossz hővezető anyagok. A rossz hővezető anyagokat hőszigetelőknek nevezik.A legjobb hővezetők a fémek.Rossz hővezetők, hőszigetelők: pl. üveg, hungarocell, kerámia, fa,

gumi, műanyagHőszigetelők felhasználása: pl. épületek hőszigetelő bevonata,

fakanál, edény füle nem fém, termosz, hűtőkamion fala, űrhajó külső bevonata

Hősugárzás Van olyan hőterjedés, amihez nem szükséges közvetítő anyag, a

légüres térben is terjed (elektromágneses) sugárzás formájában. Ilyen pl. a Napsugárzás. A Föld is bocsát ki hősugárzást, amit a felhők visszavernek, ezért van hidegebb éjszaka, ha nincsenek felhők.

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 történőmelegítés 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. Vagyis:

Pl. 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.