Hőtan és Gáztörvények

  Alapfogalmak

1. A hőmérséklet, hőmennyiség fogalma

A hőmérséklet a testek hőállapotát számszerűen jellemző mennyiség.  

A hőmennyiség vagy hő alatt a termikus kölcsönhatás közben átadott energiát értjük. Jele: Q []=1

2. A hőtágulás

A hőmérséklet növekedésével az anyag részecskéinek kötésszerkezete átalakul, a kötéstávolságok megváltoznak, ennek következménye a hőtágulás, azaz a hőmérsékletváltozás hatására végbemenő térfogatváltozás

3. A hőmérséklet mérésének alapja, hőmérők készítése

A hőmérséklet megváltozását a testek hőállapottól függő fizikai jellemzőinek (térfogat, nyomás, halmazállapot, elektromos ellenállás) megváltozásával tudjuk mérni, és hőmérsékleti skálát bevezetni.

Napjainkban használt hőmérőt Anders Celsius 18. századi svéd csillagász alkotta meg. A skála alappontjai a víz normál nyomású olvadás (0°C) és forráspontja (100°C) adja. A hőmérsékletváltozást az üvegcsőben lévő elzárt folyadék hőtágulásával mérhet. Ez azért ad viszonylag jó mérési adatokat, mert az üveg hőtágulása jelentősen kisebb, mint a használt folyadékok tágulási együtthatója.

      3.1.      Hőmérők típusai, előnyei és hátrányai

a) Lázmérő

A lázmérő a higanytartály és a tágulási cső találkozásakor összeszűkül. A táguláskor a megnövekedett nyomás átpréseli a higanyt a résen, ám ha a külső hőmérséklet csökken, akkor a felületi feszültség hatására a szűk keresztmetszetnél a higanyoszlop megszakad, a csőben maradt higanyoszlop a melegebb közeg hőmérsékletét fogja mutatni.

b) Higanyos hőmérő

A higanyos hőmérő előnye, hogy nagyobb méréstartományban (-39°C;357°C) folyékony, magasabb hőmérsékleteket lehet vele mérni. Nem nedvesítő folyadék, ezért nagyon vékony hajszálcsövekben sem szakad el. Jó hővezető, így hamarabb éri el a környezet hőmérsékletét.

A higanyos hőmérő hátránya, hogy nagyon hideg hőmérséklet mérésére nem alkalmas és az emberi szervezetbe jutva erősen mérgező.

c) Alkoholos hőmérő

Az alkoholos hőmérő előnye, hogy alacsonyabb hőmérsékleteken is folyékony (-112°C;78°C). Nagy a hőtágulási együtthatója, így kisebb hőmérsékletváltozásra nagyobb mértékben mozdul el a folyadékoszlop. Továbbá olcsóbb, mint a higany. Eltörés esetén kevésbé szennyezi a környezetet és kevésbé veszélyes az emberre.

Hátránya, hogy viszonylag alacsony hőmérsékleten forr.

d) Terminisztor

A félvezető hőmérők ellenállása exponenciálisan csökken a hőmérséklet növekedésével, így nagy érzékenységgel lehet velük mérni.

e) Maximum hőmérő

A maximumhőmérő hajszácsövébe az üvegjelzőt rugóként mozgó üvegszál rögzít. A higany tágulásával a domború felszín feljebb tolja az üvegjelzőt, hűléskor azonban a helyén marad. A jelzőt később az üvegjelzőhöz szerelt vashuzalt mágnessel lehet visszavinni eredeti helyzetébe.

f) Minimumhőmérő

A minimumhőmérő hajszálcsövében homorú felületű alkohol van, amely összehúzódáskor lefelé nyomja a jelzőt.

g) Minimum maximum hőmérő

A minimum maximum hőmérő egy U alakú csőből áll, amelynek alsó részén higany, felső részein pedig alkohol van. Csökkenő hőmérséklet esetén a bal növekvő hőmérséklet esetén a higanyoszlop a jobb oldali jelzőt tolja feljebb. A két oldal hőmérsékleti skálája fordított a tágulási tartály oldalán lefelé a másikon felfelé növekvő a számozás.

4. Hőmérsékleti skálák

      4.1.      Réaumur skála

A Réaumur féle skála alapja, a Celsius skálához hasonlóan a víz olvadás és forráspontja. Ezt a tartományt Réaumur 80 egyenlő részre osztotta.

      4.2.      Fahrenheit skála

Fahrenheit 17-18. századi német fizikus hőmérőjét ammónium-klorid (szalmiáksó), jég és víz keverékével állította elő. Alappontként a Danzig 1709. évi leghidegebb hőmérsékletét, felső alappontként a testhőmérsékletét választotta, a skálát 96 egyenlő részre osztotta. A víz fagyáspontja 32°F, forráspontja 212°F.

      4.3.      Celsius-skála

Anders Celsius svéd fizikus által 1737-ben bevezetett 100 fokozatú skála, alappontjai a víz olvadás és forráspontja. Később 1750-ben Strömer svéd tudós cserélte fel a két alappont értékét a ma is használt formára, Celsius ugyanis a forráspontot vette 0°C-nak.

      4.4.      Kelvin skála, tudományos vagy abszolút hőmérsékleti skála

Lord Kelvin skót tudós a 19. században termodinamikai kutatások során a gázok hőtágulásának vizsgálata alapján vezette be az abszolút hőmérsékleti skálát, melynek alapja a 0 kelvin, az elméleti abszolút nulla fok, ahol a részecskék mozgási energiája nullára csökkenne. 4.5. Átváltás a különböző hőmérsékleti skálák között