TantárgyakFizikaKözépszintHalmazállapotok
ProfilJegyzet beküldéseGYIKRólunk
Ez a jegyzet félkész. Kérjük, segíts kibővíteni egy javaslat beküldésével!

Halmazállapotok

Három klasszikus halmazállapotot ismerünk:

  • szilárd: térfogatuk, alakjuk állandó
  • folyékony: térfogatuk állandó, míg alakjuk változó
  • légnemű (gáz): térfogatuk és alakjuk egyaránt változó

Létezik továbbá az ún. plazma állapot.

A részecskék közötti vonzóerőket intermolekuláris erőknek nevezzük. A hőmozgás és az intermolekuláris erők nagyságának viszonya határozza meg az anyag halmazállapotát.

Halmazállapot-változások:

  • olvadás (szilárd → folyékony) /endoterm/
  • szublimáció (szilárd → légnemű) /endoterm/
  • párolgás (folyékony → légnemű) /endoterm/
  • forrás (folyékony → légnemű) /endoterm/
  • lecsapódás, kondenzáció (légnemű → folyékony) /exoterm/
  • fagyás (folyékony → szilárd) /exoterm/
  • kicsapódás (légnemű → szilárd) /exoterm/

Ezek közül az olvadás, a fagyás, a forrás és a lecsapódás:

  • anyagi minőségre jellemző hőmérsékleten játszódnak le
  • közben a test hőmérséklete nem változik
  • energiaigénye, energiafelszabadulása meghatározott
  • energiaigénye, energiatöbblete az anyag részecskéi közötti kölcsönhatási energia megváltozásával egyezik meg

A szilárd testek részecskéi rendezetten helyezkednek el, ún. kristályrácsot alkotnak. A kristályrácsot a részecskék között fellépő rövid hatótávolságú, molekuláris erők tartják össze. A szilárdtestek részecskéi rezgőmozgást végeznek. A rezgőmozgás intenzitása a testek hőmérsékletével arányosan változik.

Minden szilárdtestnek meghatározott olvadáspontja van. Ez az a – anyagi minőségtől és a külső nyomástól függő – hőmérséklet, amelyen a kristályrács rendje felbomlik.

A szilárdtestek olvadásakor a kristályrács felbomlik, a részecskék helyhez kötöttsége megszűnik, folyékony halmazállapot jön létre. A folyadék részecskéi között a molekuláris erők nem szűnnek meg teljesen: az egymáson elgördülő, szorosan érintkező részecskék között ún. kohéziós erők működnek. Ezek a részecskék érintkezésekor vonzó jellegűek, de összenyomáskor taszítóvá válnak. Ezzel magyarázható, hogy a folyadékok csak nagyon kis mértékben nyomhatók össze, térfogatuk közel állandó.

A folyadékok fagyásakor fordított folyamat játszódik le: a fagyásponton (amely megegyezik az olvadásponttal) szilárd halmazállapot jön létre. Ekkor a részecskék kristályszerkezetének rendje helyreáll.

A folyadékok párolgásakor az atomi részecskék egymástól elszakadnak, és betöltik a rendelkezésre álló teret. Légnemű halmazállapot jön létre, ahol a részecskék közötti molekuláris kölcsönhatások elhanyagolhatóak lesznek a rugalmas ütközésekhez képest. Ezzel magyarázható, hogy a légnemű testek sem alakjukat, sem pedig térfogatukat nem tartják meg.

A folyadékok minden hőmérsékleten párolognak, magasabban intenzívebben. A részecskék közti kohéziós erők a hőmozgás következtében megszűnhetnek. Mindig a legnagyobb energiájú részecskék lépnek ki a folyadékból. Ha a forráspontján párolog, akkor forrásban van.
Az olvadáshő, forráshő, párolgáshő mennyiségeket latens hőnek is nevezik.

A szilárd halmazállapotú testeknél is megfigyelhető a párolgás. A jelenséget szublimációnak nevezzük. Ekkor a hőmozgás következtében közvetlenül az anyag kristályos szerkezetéből válnak ki részecskék.

Forráskor meghatározott hőmérsékleten – a forrásponton – a folyadékok belsejében is megindul a párolgás. A forráspont értéke függ az anyagi minőségtől és a külső nyomástól. A víz forráspontja p = 101,3 kPa normál nyomáson 100 °C. A forráspont értéke a külső nyomás növekedésekor nagyobb, csökkenésekor pedig kisebb lesz.

Lecsapódáskor fordított folyamat játszódik le: a kohéziós erők ismét folyadékállapotot hoznak létre.

Halmazállapot-változások alatt felszabaduló, szükséges hő:

Halmazállapot-változáskor a test és környezete között hőcsere jön létre.

  • Olvadáskor (fagyáskor) a test által felvett (leadott) Q hőmennyiség egyenesen arányos a test tömegével: Q = L_0 * m, ahol L_0 arányossági szorzó az anyagra jellemző állandó érték, melyet olvadáshőnek vagy fagyáshőnek nevezünk. Az L_0 egysége \frac{J}{kg}. Számértéke megmutatja, hogy az egységnyi tömegű anyag mennyi hőt vesz fel környezetétől (ad le környezetének) állandó hőmérsékleten történő olvadáskor (fagyáskor).
  • A folyadékok párolgáskor (forráskor) környezetüktől hőt vesznek fel. A felvett Q hőmennyiség egyenesen arányos az elpárolgott (elforrt) folyadék m tömegével: Q = L_p * m; Q = L_f * m Az arányossági szorzó az anyagra jellemző L_p: párolgáshő (vagy L_f: forráshő). Egységei: \frac{J}{kg}. Légnemű anyagok lecsapódásakor az energiamegmaradásnak megfelelően – a párolgás vagy forrás során befektetett Q = L_p * m hő szabadul fel.

Halmazállapot-változások energiaviszonyai:

A hőtan I. főtétele alapján értelmezhetjük.

Olvadáskor a szilárdtest által felvett hő a megolvadt test belső energiáját növeli anélkül, hogy hőmérséklet-változás jönne létre. A folyadék belső energiája az olvadásponton (a kristályrács felbomlása miatt) nagyobb lesz, mint a szilárdtesté volt. Fagyáskor a helyzet fordított: a folyadék által leadott hő a megfagyott test belső energiáját csökkenti. A szilárdtest belső energiája a fagyásponton kisebb lesz, mint a folyadéké volt, mivel az ismét kialakuló kristályrácsban a részecskék kötött állapotba kerülnek.

Mivel a szilárdtestek és folyadékok sűrűsége közel azonos, így fagyáskor és olvadáskor nincs jelentős térfogatváltozás, ezért a külső munkavégzés elhanyagolható. Ekkor az I. főtétel szerint a halmazállapot-változást létrehozó hőcsere mértéke gyakorlatilag a test belső energiájának megváltozásával lesz egyenlő: \Delta E_b = Q.

Párolgáskor a folyadék által felvett hő a molekuláris erők „legyőzésére” fordítódik, így a folyadékkal azonos hőmérsékletű légnemű test belső energiája növekszik. Lecsapódáskor pedig a molekuláris erők megjelenésekor hőt vonunk el, így a légnemű testtel azonos hőmérsékletű folyadék belső energiája csökken.

Mivel a légnemű testek sűrűsége jóval kisebb, mint a folyadékoké, ezért párolgáskor (forráskor) és lecsapódáskor jelentős térfogatváltozás is létrejön. Így a halmazállapot-változás során a külső nyomás munkavégzése már nem elhanyagolható. Ekkor az I. főtétel értelmében a test által felvett vagy leadott hő a belső energia megváltozása és a külső munkavégzés előjeles összegével lesz egyenlő: Q = \Delta E – W.

Levegő páratartalma, csapadékképződés:

A környezetünkben lévő természetes vizek állandóan párolognak. A növények a leveleiken keresztül szintén sok vizet párologtatnak el. Így a környezetünk levegője jelentős mennyiségű vízgőzt tartalmaz, amelyet párának nevezünk. Szervezetünk számára szükséges, hogy a belélegzett levegő páratartalma megfelelő legyen.

Napos meleg időben a levegő páratartalma nagyobb lehet, mint este vagy éjszaka, amikor a levegő hőmérséklete jelentősen lecsökken. Ekkor a felesleges vízgőz lecsapódik, majd köd és harmat formájában, télen pedig dér és zúzmara alakjában jelentkezik.

A Föld felszínén felmelegedett és magasba szálló, párás légrétegek hirtelen kitágulnak és lehűlnek. Ekkor a felesleges vízgőz parányi vízcseppek alakjában csapódik ki. Ha az apró vízcseppek nagyobb cseppekké egyesülnek, akkor azok eső formájában jutnak vissza a Föld felszínére. Ezzel a víz természetes körforgása valósul meg. Ha a vízcseppek hideg légrétegen keresztül érkeznek a talajra, akkor jégeső keletkezik. Az ónos eső túlhűtött esőcseppek hirtelen megfagyásából jön létre.

Kísérletek:

Fecskendőbe vizet felszívni → befogni a végét → kijjebb húzni → forrásnak indul a folyadék

Folyadék párolgásával kell hőmérőt lehűteni, bizonyítva hogy a párolgás hőt igénylő folyamat (Alkohollal) /endoterm/

Zárt helyen a folyadék fölött telített gőze van jelen, ami sosem viselkedik ideális gázként.

A párolgás sebességét lehet befolyásolni:

  • ventilátor
  • hajszárító

James Prescott Joule:

Kísérletileg vizsgálta és meghatározta, hogy milyen számszerű kapcsolat van a munka és a belső energia változása között. Joule ismerte fel azt is, hogy a gáznak az edény falára gyakorolt nyomása a részecskék fallal történő ütközéséből származik. Tudományos tevékenységének elismeréseként az Angol Királyi Társaság tagjává választotta. Meghatározta hogy mennyi a kalória és joule közötti arány, a joule-t nyilván róla nevezték el. Tehát megadta a hő mechanikai egyenértékét, azaz azt hogy adott nagyságú mechanikai munka mennyi hőt termel.

Legutóbb frissítve: 2015-09-16 18:57

Javaslatok

Megjegyzések

Hamarosan!

© 2015–2016 erettsegik.hu