HŐTAN I.
A hőmérséklet az anyagok egyik fizikai jellemzője, állapothatározó.
E jellemzőt az ember elsősorban tapintás útján, a hőérzettel észleli,
másodsorban hőmérő segítségével. A hőmérséklet a
hőtan tudományának egyik alapfogalma.
Fizikai szempontból : a hőmérséklet az anyagot felépítő részecskék átlagos mozgási energiájávalkapcsolatos mennyiség. A hőmérséklet statisztikus fogalom.
A hőmérőkészítés gondolata Leonardo da Vincitől származik. Az első hőmérőt Galilei készítette 1593-ban Az első hőmérők a gázok, folyadékok, szilárd anyagok hőtágulásán alapultak
GALILEI HŐMÉRŐJE A golyók tömegkülönbsége mindössze 2 / 1000 gramm. Ez biztosítja a pontosan 1 °C-nyi különbséget. A golyók lesűlyednek, ha a hőmérséklet növekszik és felemelkednek, ha a hőmérséklet csökken. Az aktuális hőmérséklet a felső részen úszó legalsó golyón függő plombáról olvasható le.
A Celsius skála alappontjai:
Anders Celsius 1701. november 27. –1744. április 25. svéd természettudós, csillagász, a Celsius-skála megalkotója. A svéd és a berlini akadémia, valamint a londoni Royal Society tagja. Foglalkozott a Nap és a Föld távolságának meghatározásával. Fizikai és geofizikai kutatásokat is végzett. 1737-ben tervezte meg a ma is használatos, 100-as beosztású hőmérsékleti skáláját, amely komoly segítséget jelentett a tudományos munkában. A skálát 1742-ben mutatta be a Svéd Akadémiában 1750-ben Stromer svéd tudós módosította a skálát, és a fagyáspontot tette meg 0°-nak, a forráspontot pedig 100°-nak.
Tanulmányozta az északi fényt is.
A Fahrenheit skála alappontjai:
O°F :szülővárosának leghidegebb hőmérséklete,
100°F: testének hőmérséklete Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736) német fizikus ÁTVÁLTÁS:
[°C] = ([°F] ‒ 32) · 5/9 [°F] = [°C] · 9/5 + 32
Néhány érdekes hőmérsékleti adat: A Nap felszíni hőmérséklete: 6000°C A Nap belső hőmérséklete: 10 millió °C Legforróbb csillagok belső hőmérséklete :50 millió°C Hidrogénbomba robbanásakor: 300 millió°C Földfelszín átlaghőmérséklete: 15°C Ezen a hőmérsékleten a legnagyobb a víz sűrűsége: 4 °C Téli álmot alvó aranyhörcsög: 3,5°C Sütő hőmérséklete:200 °C Max sütő: 380 °C Vas olvadáspontja :1539 °C Vas forráspontja: 3000 °C Arany olvadáspont:1000 °C Volfrám, a legmagasabb olvadáspontú fém : 3380 °C Higany fagyáspontja: -39 °C Földön mért leghidegebb hőmérséklet -89,2 °C /Antarktisz 1983/ Oxigén fagyáspontja:-219 °C Nitrogén fagyáspontja -210 °C Nitrogén forráspontja :-196°C Plútó felszíni hőm:-220°C Galaxisok közötti tér hőm: -270°C
KELVIN SKÁLA Ez a termodinamikai hőmérséklet-skála. Az abszolút hőmérsékleti skála használatát William Lord Kelvin (eredeti neve William Thomson, 1724-1907), angol fizikus vezettette be. 1892-ben Viktória királynőtől nemesi címet kapott (Kelvin néven ütötték lorddá). A skála alappontja az abszolút zérus pont. Abból a megfontolásból adódik, hogy a test hőmérsékletét a molekulák sebessége határozza meg. Ahol ez a sebesség nulla, az anyag alapállapota. 0 K = -273,15°C 0°C = 273,15K 100°C = 373,15K A Kelvin skálán az egységek ugyanakkorák, mint a Celsius skálán. ÁTVÁLTÁS: T a hőmérséklet Kelvinben, t Celsius fokban
T = t + 273 Az eddigi előállított leghidegebb hőmérséklet 2⋅10-9 K. /2 nanokelvin/
Kezdetben a hőmérőkbe alkoholt, majd később higanyt tettek. De a higany -39°C-on megfagy, 357°C-on felforr. Ha a higany fölé nitrogén gázt vagy szénsavat tesznek, akkor a hőmérő 750°C-ig használható.
A nagyon alacsony vagy nagyon magas hőmérsékletek mérésére más fizikai törvényeket kellett alkalmazni. ⇒ Az ellenállás-hőmérők azt használják ki, hogy a fémek ellenállása függ a hőmérséklettől. (ΔR=R0·α · ΔT) ⇒ A magasabb hőmérsékletű testeknél a sugárzás erősségét mérik. Ezek a pirométerek. (kohók, Nap) ⇒ Vannak olyan festékek, amelyek színváltozással reagálnak a hőmérsékletváltozásra. Ez a termokolor. (benzinmotor, lázmérő, akvárium hőmérő)
SZILÁRD TESTEK HŐTÁGULÁSA Lineáris(vonalas) hőtágulás
Felületi hőtágulás
Térfogati hőtágulás
Lineáris(vonalas) hőtágulás
A lineáris hőtágulási együttható számértéke kifejezi, hogy egy kelvin hőmérsékletváltozás hatására létrejövő hosszváltozás hányszorosa a kezdeti hossznak.
KÍSÉRLETI ESZKÖZ A LINEÁRIS HŐTÁGULÁS BEMUTATÁSÁRA
Néhány anyag hőtágulási együtthatója: ANYAG NEVE alumínium ólom réz vas tégla beton acél
α
1 5 10 0 C
2,4 2,8 1,6 1,1 0,95 1,2 1,2
ANYAG NEVE
α
cement jég márvány üveg plexi fa gyémánt
1,8 5,25 0,5 0,5 13,0 0,5 0,12
1 5 10 0 C
Melegben a hidak fémszerkezete is hosszabb lesz, ezért a nagy hidaknak legalább az egyik végét görgőkkel támasztják alá.
Az úttesten pedig egymásba csúszó fésűs szerkezet teszi lehetővé a tágulást.
A hosszú csővezetékekbe U lakú szakaszokat/ lírákat/ iktatnak. A vezeték tágulásakor illetve összehúzódásakor, az U alakú részek hajlanak meg, így a csövek nem károsodnak.
LÍRA
Csövek szerelésénél is figyelni kell a hőtágulásra.
Előfordulhat , hogy nagy melegben a sín meghajlik.
0 fokon 300 m 30 fokon 15 cm-rel magasabb. Mekkora a hőtág. tényező?
A BIMETÁL két különböző fémből áll, melyeket szegecseléssel vagy hegesztéssel egymáshoz erősítenek. Hőmérséklet változáskor a két fém különböző mértékben tágul, illetve húzódik össze, ezért a bimetall meghajlik. A meghajlásból következtetni lehet a hőmérsékletre.
Kapcsolók, szelepek működtetésére használják például tűzhelyek, vízmelegítők, fűtőberendezések biztonságos működtetése oldható meg vele. Így működnek a tűzjelzők.
Felületi hőtágulás: A parketta, az autópályák betonelemei vagy a díszburkolat elhelyezésekor úgynevezett dilatációs hézagot kell hagyni, hogy a melegedés hatására ne púposodjon fel a felület, illetve lehűléskor ne törjön el. A fémalátétek, mozgólépcsők, csukó, záró szerkezetek lemezeinél is figyelni kell a felületi tágulásra.
Dilatációs hézag hiánya miatt keletkező repedés
Helytelenül megtervezett dilatációs kiosztás az épület végétől 1,5 m-re
TÉRFOGATI HŐTÁGULÁS
1 kg víz Térfogatának változása a hőmérséklet függvényében
VÍZ
JÉG
A víz rendellenes hőtágulásának egyik következménye, hogy télen a tavak fentről lefelé kezdenek befagyni. A levegőtől lehűlő víz lesüllyed, így a hőáramlás miatt a tó vize 4°C-os lesz. További hűléssel azonban a felszínen maradt vízréteg megfagy. A jég viszont már jó hőszigetelő, ami megakadályozza a mélyebb vízrétegek további lehűlését.
