Hőtan 2. Miért didergünk? A hőmérséklet mérése, hőmérsékleti skálák
0 °C
100 °C
2.2. A Celsius-skála alappontjai
2.3. A sörösüvegen a termokolor címke színváltozással jelzi a fogyasztásra legalkalmasabb hőmérsékletet
16
••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
2.1. Bizonyos kémiai anyagok a hőmérséklet-változásra színváltozással reagálnak. Ilyen anyagot tartalmaz ez az eredetileg színtelen szívószál is
De sok érdekes kérdés van, amire nem tudok még válaszolni! – Amikor fázunk, miért fázunk? – Mekkora a hőmérséklet? – Mit mér a hőmérő? – Miért nem indul hidegben az autó motorja? – Hogyan állítják elő a cseppfolyós nitrogént? – Honnan van a Nap melege? Ezekre a kérdésekre is a hőtan adja meg a választ. A hőtan tudománya nem létezik mérés nélkül. Tudománnyá válásában a hőmérő felfedezésének és megszerkesztésének döntő jelentősége volt. A hőmérséklet mérését az a mindennapi tapasztalat teszi lehetővé, hogy a különböző hőmérsékletű, egymással érintkező testek hőmérséklete egy idő után kiegyenlítődik. A hőmérők működésének alapja az, hogy az anyagok valamely tulajdonsága (pl. hosszúsága, térfogata) változik a hőmérséklettel. A hőmérő készítéséhez jól reprodukálható alappontok rögzítése is szükséges. Az alappontok rögzítése olyan fizikai jelenségek alapján történhet, amelyek mindig ugyanazon a hőmérsékleten játszódnak le. Ezért választható alappontnak a tiszta anyagok – adott nyomás melletti – olvadás- és forráspontja. A hossz- és térfogatváltozás mellett az anyagok sok más tulajdonsága is változik a hőmérséklettel, így a fémek és a félvezetők elektromos ellenállása, az állandó térfogatú gázok nyomása és bizonyos vegyületek színe. Ezek is felhasználhatók a hőmérséklet mérésére. Ezt használják ki az ellenállás-hőmérőkben és a termisztorokban, a gázhőmérőkben, illetve az ún. termokolor festékekben. A fizikatörténet az első hőmérő elkészítését Galileo Galilei nevéhez (1564–1642) kapcsolja. Ránk maradt irataiban ugyan nem található erről semmi – Galilei nem igazán tartotta fontosnak, hogy dokumentálja eredményeit –, de tanítványai állításai szerint 1592-ben készült el az első Galilei-hőmérő. A hőmérő készítésére ő is a gázok térfogatváltozását használta fel. Ez a még kezdetleges léghőmérő, valójában termoszkóp (a szkóp görög szó, jelentése: nézni) egy üveggömbből kinyúló üvegcső volt. Az eszközben a bezárt levegőt a külső levegőtől egy vízcsepp választotta el. Az eszköz elég érzékeny volt ahhoz, hogy jelezze a hőmérséklet-változást.
A XVIII. században egymástól függetlenül Fahrenheit (kiejtése: fárenhejt), Réaumur (kiejtése: réomür) és Celsius alkotta meg azokat a hőmérőket, amelyek a mai napig használatosak. Külföldi utazásokon gyakran szembesülhetünk számunkra szokatlan hőmérsékleti skálával. Ismerkedjünk meg ezekkel! A lengyel születésű Gabriel Daniel Fahrenheit (1686–1736) az 1706-os évtől készített alkohollal töltött üveghőmérőket, amelyekkel viszonylag pontosan lehetett hőmérsékletet mérni. A Fahrenheit-skála alappontja az általa elkészített, vízből, jégből és szalmiáksóból álló keverék hőmérséklete légköri nyomáson. Mivel Fahrenheit úgy gondolta, hogy ennél alacsonyabb hőmérséklet nincs, ezért ezt nevezte nullának. Felső pontként saját testének hőmérsékletét választotta. A két határpont távolságát 100 egyenlő részre osztotta. Ezen a skálán a víz fagyáspontját 32 °F, forráspontját 212 °F jet − 32 löli. A Fahrenheit-fok átszámítása Celsius-fokra: t°C = ° F . 1, 8 A Fahrenheit-skála az angolszász országokban a mai napig használatban van. René Antoine Ferchault de Réaumur (1683–1757) francia fizikus és zoológus hőmérsékleti skáláján (1730), amelyet ma is használnak Franciaországban, az egyik alappont a jég légköri nyomás melletti olvadáspontja volt, a másik ugyanezen nyomáson a víz forráspontja. Beosztásán a víz forráspontját tulajdonképpen véletlenül választotta nyolcvan foknak. A Réaumur-fok átszámítása Celsiust fokra: t°C = ° R . 0, 8 A tízes rendszerű Celsius-skálát Anders Celsius (1701–1744) svéd csillagász javaslatára 1742-ben vezették be. Celsius eredeti hőmérsékleti skáláján, amelynek alappontjait a jég olvadásának és a víz forrásának hőmérsékletére alapozta, először 100 fok jelölte a jég olvadáspontját és 0 fok a víz forráspontját. Halála után tanítványa javaslatára fordították meg úgy, ahogy ma is használjuk. Celsius alkalmazott először higanyt a hőmérőben. Magyarországon Celsius hőmérőtípusa terjedt el. Bár a kereskedelmi forgalomban a fenti hőmérőkkel találkozhatunk, mégsem az eddig említett hőmérsékleti skálák adják a hőmérséklet nemzetközi egységét. Az SI-ben 1960 óta a hőmérséklet egysége a kelvin (1 K), a névadó lord Kelvin tiszteletére.
••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
Ma a 2.4. ábrán látható, a folyadék sűrűségének hőmérsékletfüggésén alapuló látványos kiállítású hőmérő őrzi Galilei nevét. Az aktuális hőmérsékletet a folyadékban éppen lebegő színes gömb fémcímkéjéről lehet leolvasni.
2.4. Galilei-hőmérő
2.5. Anders Celsius (1701 –1744)
2.6. Hőmérő Celsius- és Fahrenheit-fokos skálával
17
Hőtan
7 000 000 °C a Nap belseje
6 000 °C a Nap felszíne
1 400 °C
Bunsen-égô
1 200 °C
1 000 °C izzó vas
800 °C
600 °C
400 °C a Földön mért legmagasabb hômérséklet
egy autó motorblokkja
200 °C
(Szahara, 57 °C)
57 °C –89 °C a Földön mért legalacsonyabb hômérséklet (Antartktisz, –89 °C)
–200 °C a levegô cseppfolyóssá válik
–273,15 °C, a legalacsonyabb hômérséklet
2.9. A környezetünkben levő testek hőmérséklete széles határok között változhat
18
••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
2.7. Lord William Thomson Kelvin (1824–1907)
A Kelvin-skála fokbeosztása megegyezik a Celsius-skáláéval, de az alappontokhoz más számokat rendel. Így légköri nyomáson a jég olvadáspontját 273,15 K, a víz forráspontját 373,15 K jelöli. A kelvinben mért hőmérsékletet, hogy megkülönböztethessük a Celsius-fokban mért hőmérséklettől, nagy T betűvel jelöljük. Megjegyezzük, hogy sokszor a használt hőmérsékleti skáláktól függetlenül is nagy T betűvel jelöljük a hőmérsékletet. Lord William Thomson Kelvin (1824–1907) ír származású fizikus 1848-ban adta ki azt a nagyszabású munkát, amelyben bevezette az abszolút hőmérsékleti skálát. Az abszolút hőmérsékleti, vagy Kelvin-skálán nincsenek negatív hőmérsékletek. Az abszolút hőmérsékleti skála nullapontja, az abszolút nulla fok az elvileg elérhető legalacsonyabb hőmérséklet, ez mínusz 273,15 °C. Kelvin (K) Abszolút nulla fok A víz fagyáspontja 105 Pa nyomáson A víz forráspontja 105 Pa nyomáson
Celsius-fok Fahrenheit- Réaumur(°C) fok (°F) fok (°R)
0
–273,15
–459,67
–218,52
273,15
0
32
0
373,15
100
212
80
2.8. Hőmérsékleti skálák és alappontok
Természetes és fontos, hogy tudd: Az ember testhőmérsékletét több helyen szokás mérni, például a szájüregben, ott a normál érték 36,8 °C. 37-37,7 °C között hőemelkedésünk, 37,7 °C felett lázunk van. Ha az emberi szervezet 25-30 °C fokra tartósan lehűl, vagy 41 °C fokra felmelegszik, életveszélybe kerül. Az abszolút nulla fok a tudomány mai állása szerint elérhetetlen, a tudósok napjainkig nanokelvinre (1 nK = 10–9 K) tudták megközelíteni. A Nap felszíni hőmérséklete kb. 6000 °C, belsejében, ahol a termonukleáris fúzió, azaz a hidrogén héliummá alakulása végbemegy, a hőmérséklet 7 millió °C körül van. A számítógépeket és a mobiltelefonokat –20 °C és +60 °C között tesztelik, és csak ezen a hőmérséklet-tartományon belül tarthatók biztonságosan. A genfi székhelyű Európai Nukleáris Kutatóközpontban 2008. szeptember 10-én állt üzembe a Large Hadron Collider (LHC) részecskegyorsító. A világon egyedülálló méreteivel – 27 km hosszú detektorai több emelet magasak, egyenként Eiffel-torony tömegűek – az abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékleten működik. Az itt folyó alapkutatások többek között arra keresik a választ, hogy hogyan keletkezett a világegyetem.
A hőmérséklet az SI egyik alapmennyisége. A hőmérséklet SI egysége az 1 K (kelvin). A gyakorlatban alkalmazott hőmérőink Celsius-fok beosztásúak. A Kelvin- és a Celsius-skála hőmérsékletértékei közötti átszámítás: T (K) = t (°C) + 273,15
1. Készíts egymás mellé (alá) rajzolt számegyenesek segítségével hőmérsékleti skálákat! Az alappontok legyenek egy vonalban! 2. Tájékozódj az internetről a világvárosok napi átlaghőmérsékletéről! Figyeld meg, milyen hőmérsékleti skálát használnak! 3. Keress magyarországi negatív és pozitív időjárási hőmérsékleti rekordokat! 4. Nézd meg a CNN meteorológiai előrejelzését (weather forecast), és figyeld meg, milyen mértékegységet használnak a hőmérséklet jelölésére! 5. Keress internetforrást, amelyből megtudod, hogyan működik a 2.4. ábrán látható, Galilei nevét viselő hőmérő! 6. A repülőgépeken a külső levegő hőmérsékletét Celsius- és Fahrenheit-fokban is közlik az utasokkal. Számold ki a 2.12. táblázat hiányzó értékeit!
km
40
ózonréteg
30
– 55 °C
km
sztratoszféra
– 2 °C
km
2.10. A negyven fok hideg és meleg is lehet?!
– 36 °C – 12 °C
Mont Blanc
10
km
20
– 55 °C
troposzféra
t° F = 1, 8 ⋅ 40 + 32 = 104 °F. t b) Mint ismert: t°C = ° R . Az egyenletből fejezzük ki a hőmérsékletet 0, 8 Reaumur-fokban: t R = 0, 8 ⋅ 40 °R = 32 °R. Tehát a 40 °C egyenlő 104 °F-kal és 32 °R-kal.
•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
Egy amerikai és egy francia turista sétálgat a városban. A tikkasztó melegben rettentően izzadnak, és nézik a tér közepén álló digitális hőmérőt, amely Celsius-fokban mutatja a hőmérsékletet, 40 fokot mutat. Az amerikai nem érti, miért van melege, a francia büszke, hogy milyen jól bírja... Hány Fahrenheit- és hány Réaumur-foknak felel meg a 40 °C? Megoldás: t − 32 a) Ismerve a skálák közötti átváltást: t°C = ° F , 1, 8 az egyenletből fejezzük ki a hőmérsékletet Fahrenheit-fokban: 1, 8 t°C + 32 = t° F
Ne csak nézd! Hány °C a 40 °F és a 40 °R?
Mont Everest
2.11. A földi légkör hőmérséklettartományai Ma- Sebesgasság ség ⎛ km ⎞ (m) ⎜ ⎟
Hőmérséklet (°C) (°F)
7772 8686 9448 10058 10668
– 42
⎝ h ⎠
848 851 829 831 822
– 46 – 55 – 56 – 59
2.12. A repülőgépeken informálnak a repülési magasságról, a gép sebességéről és a külső levegő hőmérsékletéről
19
Hőtan
30,7 °C 27,2 °C 23,6 °C 20,1 °C
2.13. A képen egy dohányos ember keze látható. A hőtérkép jól mutatja, hogy a kis- és gyűrűsujjon a rosszabb vérkeringés miatt a kéz hidegebb
lázmérő gömb cső levegő
beosztás
víz víztartály 2.14. Az első lázmérőt Santorius készítette
••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
34,3 °C
7. Az égő gyufa hőmérséklete kb. 550 °C. Számítsd át a hőmérsékletet kelvinre, Fahrenheit- és Reaumur-fokra! 8. Melyik hőmérséklet-különbség nagyobb: 10 K, 10 °C, 10 °F, 10 °R? 9. Lázas volt-e Fahrenheit, mikor 100 °F volt a hőmérséklete? 10. Elemezd a 2.13. ábrán látható hőtérképet! Állapítsd meg a színkód alapján, milyen hőmérsékletűek a kéz különböző pontjai! 11. Az egyik első lázmérőt az olasz Santorius orvos készítette 1630 körül, lásd a 2.14. ábrát. A gumicső kétharmad részéig vízzel volt töltve. Az orvos előbb a saját szájába vette a gömböt, és megfigyelte, hogy milyen magasan van a csőben a folyadék. Aztán a páciensek szájába tette a gömböt, és ott is megnézte a folyadékszintet. Hogyan tudta ezen a módon megállapítani, hogy lázas-e a páciens? 12. Készítsünk hőmérőt! Vegyünk egy vékony üvegcsőben (kapillárisban) végződő üvegedényt! Töltsünk bele annyi vizet, hogy az az üvegcsőben láthatóan felemelkedjen! Tegyük az edényt olvadó jég-víz keverékbe, jelöljük meg a víz szintjét! Majd tegyük ismert hőmérsékletű meleg vízbe, és újra jelöljük meg a vízszintet! A távolságot osszuk annyi egyenlő részre, amennyi a meleg víz hőmérséklete volt! A beosztást az alappontokon túl is folytassuk! Az így elkészített hőmérővel mérjük meg egy kellemesen hideg üdítőital hőmérsékletét! 13. Melyik az az anyag, amely elsősorban felelős az üvegházhatásért? Sorolj fel olyan emberi tevékenységeket, amelyek az utóbbi időben rohamosan növelik ennek a gáznak a mennyiségét a Földön! 2.15. Az üvegházhatás* miatt a Föld átlaghőmérséklete a vizsgálatok szerint 1-5 °C-kal növekszik 1990-2100 között. A Föld klímaváltozásával 1988 óta egy külön nemzetközi szervezet (IPCC) foglalkozik. IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change
NAP A hô (infravörös) sugarak nagy része a Földrôl a világûrbe jut. A napsugárzás az atmoszférán keresztül a Földre jut.
ATMOS
ZFÉRA
A sugárzás legnagyobb része elnyelôdik és melegíti a Földet.
FÖLD
20
A Föld hôsugarakat bocsát ki, ezek egy része a légköri szennyezô anyagokban elnyelôdik. Ezek a szennyezô anyagok az elnyelt energiának kb. a felét visszasugározzák a Földre. Ez károsan melegíti a felszínt és a felszínközeli légrétegeket. (üvegházhatás)
