Hőtan és Gáztörvények

A kinetikus gázelmélet alapfeltétele, hogy a gáz ideálisnak tekinthető. Emellett nagy mennyiségű, legalább mólnyi részecskét vizsgál, hiszen kis részecskeszám esetén a nyomás értelmezhetetlen. Arészecskék statisztikus viselkedését feltételezi, sebességértékeiket véletlenszerűnek veszi. A statisztikus viselkedésből következő feltételek:
̅ átlagos sebességet társítanak minden részecskéhez. Ezt a megállapítást Maxwell a sebességeloszlási grafikon alapján tette.
Bármely részecske esetén a tér független irányú sebességkomponenseinek nagysága időátlagban állandó.
Időátlagban a pozitív és a negatív irányba mozgó részecskék száma megegyezik. Időátlagban a részecskék fele mozog a felvett pozitív fele a negatív irányba.
a) A nyomás értelmezése
Bármely vizsgált gáz állapotjelzői közül a térfogat és az anyagmennyiség értéke triviális.
A gáz nyomása az edény falával való tökéletesen rugalmas ütközések során bekövetkező erőlökések sokaságából adódik.
Adott ∆ idő alatt azon részecskék ütközhetnek A felülettel, amelyek attól maximum s távolságban vannak. A részecskék száma tehát megadató a térfogat és a részecskesűrűség szorzataként. Az ütköző részecskék számát jelölő k valójában ezen érték fele, mivel a részecskék fele halad az A felület irányába.
A részecskék A felületre kifejtett teljes erőlökése ∆ idő alatt.
A nyomás tehát egyenesen arányos a részecskék számával és mozgási energiájával, és fordítottan arányos a térfogatával.
b) Ideális gázok állapotegyenlete a kinetikus modell alapján
c) A hőmérséklet értelmezése
Az ideális gázok abszolút hőmérséklete a részecskék mozgási energiájával egyenesen arányos.
d) Gáztörvények és speciális folyamatok értelmezése a kinetikus modell alapján
III. Kísérlet, gyakorlat, fizikatörténet
1. Egyszerű kísérleti összeállítások hőtágulás kimutatására, mérésére
1.1. Gravesande gyűrű a hőtágulás kimutatása
Azonos hőmérsékleten a fémgolyó és fémgyűrű keresztmetszete azonos, a golyó pont átfér a gyűrűn. Ha csak a golyót melegítjük, akkor annak átmérője nagyobb lesz, mint a gyűrű. De ha a gyűrűt is azonos hőmérsékletre hevítjük a golyó ismét át fog férni a gyűrűn.
1.2. Szilárd testek lineáris hőtágulásának mérése
Hosszú szilárd rúd hőtágulása mérhető görgős-mutatós áttéttel. A rúd egyik oldalán rögzített másik oldalán egy tisztán gördülő körhengeren támaszkodik. Ahogy a rúd tágul, a görgő szögelfordulásával mérhető a henger szögelfordulása, amelyből kiszámolható a ∆ hosszváltozás.
1.3. Folyadékok hőtágulás
Folyadékok hőtágulása mérhető úgy, hogy egy színültig töltött lombikot csak egy ismert keresztmetszetű csővel kötünk össze a külső térrel. A kombik hevítésével a folyadék szint feljebb kúszik a csőben, a térfogatváltozás mértékét ki tudjuk számolni a ∆ℎ magasság és az ismert A keresztmetszet szorzataként. A folyadék hőmérsékletét pedig a lombikba helyezett hőmérőről tudjuk leolvasni.
2.1.
Hőmérő
Hőálló, jénai üveg.
A vasbetont azért lehet építkezéshez jól használni, mert a két anyag hőtágulása együtthatója közel azonos, a barázdált vas képes kivájni magának az utat a betonba, ha szükséges.
2.2. Példák a hőtágulás káros hatása
Üveglencsék készítésénél a hőeloszlás és így a hőtágulás nem egyenletes, ezért könnyen feszültségek keletkeznek az anyagban.
2.3. Példák hőtágulásra a természetben
A jég sűrűsége kisebb, mint a 4°C-os vízé, ezért nem süllyed le a víz alá.
A 4°C-os víz sűrűsége a legnagyobb, ezért a tavak tengerek alján lévő víztömeg áll a legközelebb a 4°c-hoz.
3.2. Izochor folyamatok vizsgálata
A lombikban lévő gázt gumidugóval lezárjuk. A gumidugón át vékony üveg és gumicsővel a nyomásmérőhöz csatlakoztatjuk az elrendezést. A lombikot folyadékba helyezzük és a folyadékkal együtt melegítjük, így a termikus egyensúly megvalósulásával a gáz és a folyadék térfogata megegyező lesz.
3.3. Izotermikus folyamatok
Fecskendő, cseppentő, injekcióstű estén összenyomva megnő benne a nyomás, amely kipréseli a folyadékot.
3.4. Adiabatikus folyamatok
Adiabatikus folyamatok akkor mennek végbe, ha a tartály teljesen hőszigetelt (termosz), és így nincs lehetőség hőcserére, illetve, ha a folyamat olyan gyorsan ment végbe, hogy a hőcserére nem volt idő.
Lapozz a további részletekért