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

Hőtágulás

A hőmérséklettel a testek hőállapotát jellemezzük, jele T. Mérése hőmérővel történik. Működésük fizikai alapját az a tény szolgáltatja, hogy hőmérséklet-változáskor megváltoznak a testek egyes tulajdonságai (pl. térfogat, halmazállapot).

A két leggyakrabban használt hőmérsékleti skála a Celsius-skála és a Kelvin-skála. A két skála alapján a hőmérséklet egysége a celsius-fok (°C), illetve a kelvin (K). A Kelvin-skálát abszolút hőmérsékleti skálának is nevezzük, mivel 0 K-nél alacsonyabb hőmérséklet nem fordulhat elő. A 0 K az abszolút zéruspont, amely –273 °C-kal egyenlő. Celsius-skálánál a víz fagypontja, illetve a forráspontja a viszonyítási alap.

Átváltás: T(K) = T(°C) + 273.

Más skálák is léteznek, pl.: Fahrenheit (°F), Réaumur (°R).

A hőmérséklet-változás hatására bekövetkező méretváltozást hőtágulásnak nevezzük.

A hőtágulás során bekövetkező méretváltozás sok esetben olyan csekély, hogy szabad szemmel nehéz észrevenni. Ennek ellenére a hőtágulás következtében óriási erők léphetnek fel, ha a méretváltozás létrejöttét külső erők megakadályozzák. Gyakran fontos mérnöki feladat a hőtágulás elleni védelem.

Szilárd halmazállapotú anyagok hőtágulása

A hőtágulás oka: Hőenergia hatására a szilárd anyag belsejében megnő a részecskék rezgő mozgásának energiája. Ez abban nyilvánul meg, hogy nő a rezgőmozgást végző részecskék amplitúdója. Így minden részecskének nagyobb lesz a térfogatigénye.

A szilárd testek hőtágulásának jelensége modell alapján magyarázható, mivel a Brown-mozgás intenzitása, illetve a kristályrács rácspontjain elhelyezkedő atomok, molekulák, ionok mozgásának tágassága megnő a hőmérséklet növekedésével, ezért a részecskék távolabb igyekeznek elhelyezkedni egymástól.

Lineáris hőtágulás

Lineáris hőtágulásról olyan szilárd anyagoknál beszélünk, ahol a keresztirányú méret elhanyagolható a hosszirány méretéhez képest. Ilyen pl. a rudak, vezetékek, sínek, stb. hőmérsékletváltozás hatására bekövetkező méretváltozása.

\Delta l = l_0 * \alpha * \Delta T

Ahol l_0 a kezdeti hossz, \Delta T a hőmérsékletváltozás, \alpha a lineáris hőtágulási együttható, szilárd test anyagára jellemző állandó.

Hőtágulás utáni hossz: \Delta l + l

Kísérlet: fémrúd alá alkoholt öntünk, begyújtjuk, egyik végét rögzítjük, míg a másik végét egy könnyen mozgatható mutatóhoz érintjük, így könnyen megfigyelhető a hő hatására bekövetkező hosszváltozás

Térfogati hőtágulás

Ha egy szilárd testnek a tér egyik irányában sem elhanyagolható a kiterjedése, akkor a hőközléskor bekövetkező hosszváltozást mind a három irányban figyelembe kell venni.

\Delta V = V_0 * \beta * \Delta T

\beta: térfogati hőtágulási együttható, egységnyi hőmérsékletváltozáskor bekövetkező relatív térfogatváltozás nagyságát adja meg. \beta = 3 * \alpha

Kísérlet (Gravesande gyűrű és golyó): ugyanakkora átmérőjű gyűrű és gömb, szobahőmérsékleten átfér, bunsen égőben melegítve már nem fér át

Folyékony halmazállapotú anyagok hőtágulása

A folyadékok hőközlés hatására legtöbbször a szilárd anyagokhoz hasonlóan viselkednek, melegítés hatására általában kitágulnak (nő a térfogatuk, csökken a sűrűségük).

Csak térfogati hőtágulás jellemző rá, kiszámítási módja azonos.

A víz viselkedése hőtáguláskor

A víz hőtágulása kivételes. 0 °C-tól 4 °C-ig összehúzódik. Megfigyelések azt mutatják, hogy a víz 4 °C-on tölti ki a legkisebb térfogatot. Ebből az is következik, hogy a 4 °C-os víz sűrűsége a legnagyobb. A víz hőtágulása magasabb hőmérsékleten sem lineáris. (Ezért nem készül vízből hőmérő.)

A víz kivételes hőtágulásának fontos szerepe van a tavak és a folyók befagyásakor. Amikor a tó lehűl, a felszínén lévő lehűlt víz a tó aljára kerül, mert sűrűsége nagyobb. Amikor a víz teljes mélységben eléri a 4 °C-ot, akkor az áramlás megszűnik. A felszínhez közeli víz tovább hűl, de ez a réteg már nem süllyed le, mert sűrűsége kisebb, mint a 4 °C-os víz sűrűsége. Lassan a víz felszínén jég képződik, amely úszik a vízen. Ha a tó, folyó nem túl sekély, akkor az alján mindig marad víz, amely biztosítja az állatok és a növények túlélését a nagy hidegben is. A víz tehát felülről lefelé fagy meg, míg minden más folyadék alulról felfelé.

Gázok hőtágulása

Gázok hőtágulása is csak térfogati lehet, képlete megegyezik a folyadékok ill. szilárd testek térfogati hőtágulásával. Az arányossági tényező itt is a \beta. \beta_g>\beta_f, \beta_{sz}.

Folyadékok és szilárd testek minden hőmérsékleten meghatározható térfogattal rendelkeznek, a gázok nem, itt már a nyomás is számít. Viszont a gázok hőtágulásánál nem függ anyagi minőségtől a hőtágulási együttható.

Gay-Lussac 1. törvénye: adott tömegű zárt gázmennyiség állandó nyomáson mért térfogatváltozása egyenesen arányos a gáz 0 °C-on mért térfogatával és a hőmérséklet-változással. Arányossági tényező a gázok hőtágulási együtthatója, mely minden ideális gázra azonos értékű.

Tehát izobár gáz állapotváltozás esetén \frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2}.

A hőtágulás megjelenése a mindennapi életben

Távvezetékek belógása az oszlopok között télen és nyáron: Nyáron a távvezetékek megnyúlnak, télen csökken a hosszuk. A tartóoszlopokat úgy kell tervezni, hogy a nyári belógás ne akadályozza pl. a közlekedést, vagy ne okozzon balesetveszélyt, télen a méret csökkenése miatt fellépő feszítőerő ne okozza az oszlopok kidőlését.

Üveg hőtágulása: A vastag falú üvegpohár gyakran eltörik, ha forró vizet öntünk bele. Az üveg rossz hővezető. A forró víz hatására a belseje felmelegszik, tágulna, de a külső része hideg, és nem engedi a méretváltozást. A fellépő feszültség miatt a pohár elreped.

Sínek hőtágulása: A síneket régen nem illesztették szorosan egymáshoz. Így védekeztek az ellen, hogy nyáron a nagy melegben kitáguló sínek eldeformálódjanak. Ma már készítenek olyan síneket, ahol nincs hézag az egyes síndarabok között. Itt olyan alapzathoz rögzítik szorosan a sínt, ami a sínnel együtt tágul.

Hidak hőtágulása: A hidak egyik végét rögzítik, a másik vége gyakran görgőkön nyugszik, vagy a híd több független elemből áll, melyek közt van szabad hely hagyva. Így a híd a hőtágulás következtében nem deformálódik.

Ingaóra hőtágulása: Az ingaóra periódusidejét az inga hossza befolyásolja. A hőmérséklet emelkedésekor a vasrúd kitágul, nő a lengésidő, és így késik az óra. Ha csökken a hőmérséklet, akkor csökken a hossz, és az óra siet. Ahhoz, hogy egy ingaóra pontosan járjon szükség van egy ellensúlyra is.

Gázvezetékek: Hosszú egyenes szakaszok helyett a vezetékeket időnként kanyarokkal megszakítják, hogy a hőtágulás csak rövidebb szakaszokat érintsen.

Kövek szétrepedése: Télen a kövek apró repedéseibe jutott víz jéggé fagyását kísérő térfogatnövekedés gyakran a kövek széttörését eredményezi.

Felhasználás:

Hőmérők: A folyadékok hőtágulásán alapulók a leggyakoribbak. A folyadékot vékony falú üvegtartályba helyezik, ami hosszú, vékony csőben folytatódik. Így a kis térfogatváltozás is jelentős hosszváltozással jár.

Bimetál-szalag: Két különböző hőtágulási együtthatóval rendelkező fémet illesztenek össze (pl. alumínium és réz). Ilyenkor azonos hőmérsékletváltozás hatására a két fém különböző mértékben tágul. Ezért a bimetálszalag elhajlik. Ilyet használnak tűzjelzésre, gázmelegítő készülékekben (áramkör megszakítására).

Legutóbb frissítve: 2015-09-11 18:21

Javaslatok

Megjegyzések

Hamarosan!

© 2015–2016 erettsegik.hu