HŐTANI JELENSÉGEK

HŐTANI JELENSÉGEK

A hő terjedése létrejöhet hővezetéssel, hősugárzással

és hőáramlással

1. Hővezetés esetén a hő a testben részecskéről részecskére halad

2. Hőáramláskor a részecskék elmozdulnak helyükről

3. Hősugárzáskor a hő áthatol a közegen, míg el nem nyelődik

• A hőtani jelenségeket azon természetüknél fogva tárgyaljuk, hogy mi változik az adott jelenség esetén az anyagban

HŐVEZETÉS(Fourier)

Hővezetésről akkor beszélünk, ha a hőenergia úgy terjed, hogy közben az anyag nem mozog

Tény:

Forró italba (például kávéba, teába) kiskanalat téve, a kanál vége egy kis időn belül forróvá válik

Magyarázat:

Ennek a jelenségnek a magyarázata a hővezetésben rejlik.

A kanál folyadékban lévő vége melegszik a forró folyadéktól és ez a melegedés adódik át atomról atomra, végül elérkezve a kanál másik végéhez, ami így meleggé válik.

Ebben a folyamatban a hőenergia úgy terjed a kanálban, hogy a kanál maga nem mozdul el!

HővezetésA szilárd testekben és nyugvó közegekben (folyékony vagy gáz) lezajló hőterjedési jelenség.

2

m

W

x

tq

(W/m·K) a hővezetési tényező, anyagjellemző

Stacionárius körülmények között az egységnyi keresztmetszeten vezetéssel átvitt hő egyenesen arányos a hőmérsékletkülönbséggel és fordítottan arányos a távolsággal.

Az anyagokat hővezetés szempontjából két nagy csoportba soroljuk. Vannak jó hővezető anyagok, mint például a fémek, és vannak rossz hővezető agyagok, mint például a fa és a műanyagok.

Néhány anyag hővezetési tényezője (W/mK)ezüst ................... 420réz ....................... 400alumínium ........... 220sárgaréz ............. 93 - 117víz ........................ 96acél ..................... 47 - 58ólom .................... 35üveg .................... 0,6 - 1téglafal ................ 0,3 - 0,6fa ......................... 0,2 - 0,5gyapjúszövet ...... 0,05levegő ................. 0,02

A jég is rossz hővezető, ezért a mélyebb tavak nem fagynak be fenékig, élővilága nem hal ki télen sem.

Milyen hőterjedési módot nevezünk hővezetésnek?Hővezetésről akkor beszélünk, ha a hőenergia úgy terjed, hogy közben az anyag nem mozog

Írja fel és értelmezze a hővezetés FOURIER-féle alapegyenletét!

Stacionárius körülmények között az egységnyi keresztmetszeten vezetéssel átvitt hő egyenesen arányos a hőmérsékletkülönbséggel és fordítottan arányos a távolsággal.(W/m·K) a hővezetési tényező, anyagjellemző

2

m

W

x

tq

Miért nem hal ki a tavak élővilága télen sem?

HŐÁRAMLÁS

a hő terjedésének azon módja, amikor az anyag különböző hőmérsékletű részecskéi helyüket

megváltoztatják

a hőáramlás addig tart, amíg a folyadékban vagy a gázban hőmérséklet-különbség, ezért

sűrűségkülönbség van

Folyadékokban történő hőáramlás megértéséhez gondoljunk a vízfűtésrendszerre. Gázokban történő hőáramlás megértéséhezképzeljünk el „papírkígyót”, melyet egy kötőtűre támasztunk. Ha a kígyót a fűtőtest fölé helyezzük, akkor a feláramló meleg levegő hatására forgásban jön. Ezért fázik a lábunk hagyományos fűtésnél.

Lávalámpa működési elve:A lávalámpában a viasz és a hordozó folyadék eltérő expanzióját használja ki a különböző hőmérsékleteken. Folyékony szén-tetrakloridban (CCL4-erősen mérgező) viaszt helyeznek el. Melegítés hatására ezen elegynek enyhén kisebb lesz a sűrűsége a vízénél, azonban alacsonyabb hőmérsékleten nagyobb, szobahőmérsékleten pedig szilárd halmazállapotú.Mivel a viasz a vízben oldhatatlan, ezért egyben marad.Az üveghengerrel alulról folyamatosan hőt közölnek, így hőáramlás útján a benne lévő megolvadt viaszból buborékok szakadnak le, és az üveghenger felső része felé kezdenek áramolni.Az üvegkúp csúcsához érkezve a hőközlő forrástól távolabb kerülnek, így sűrűségük az enyhe hőmérséklet-különbség hatására ismét nagyobb lesz, mint a hordozó közegé, aminek következtében a buborékok ismét leszállnak az üvegkúp aljára, ahol a hőközlés hatására a folyamat megismétlődik.Környezeti hőmérséklet hatása:nyáron általában több és kisebb viaszbuborék keletkezik, télen pedig kevesebb és nagyobb.A viaszbuborékok keletkezése és áramlása teljesen véletlenszerű, matematikai függvényekkel nem írható le.

Órán elvégzendő kísérlet

Kéménymodell bemutatása Helyezzünk háromlábra egy száraz homokkal töltött fémcsészét! Állítsunk fölé egy 5-6 cm széles üvegcsövet, ez alá pedig vízszintesen két kisebb átmérőjűt! Melegítsük meg kissé a homokot, majd tegyünk a vízszintes csövekbe egy-egy égő cigarettát.A széles csőben feláramló levegőt beszívja a füstöt, és magasan kilöki.

Két kis kísérlet

Szellőztetés elve• Folyosóra nyíló tanterem

résnyire nyitott ajtajában helyezzünk egy égő gyertyát a padlóra, egy másikat pedig tartsunk magasra a mennyezet közelébe! Az alsó láng befelé, a felső kifelé hajlik, jelezve, hogy a levegőt felül kifelé, alul pedig befelé áramlik.

Kis léggömb elv• Egy papírszalvétát

csavarjunk hengerré, és állítsuk az asztalra! Gyújtsuk meg a papír felső szélét! A hőáram hatására a lángoló szalvéta felszáll.

Hőáramlás

A hőmérséklet-különbség sűrűségkülönbséggel jár: a melegebb, nagyobb sűrűségű részecskék elmozdulnak, hőtartalmukat is magukkal viszik, és helyükbe hidegebb, alacsonyabb sűrűségű részecskék áramlanak(Szellőztetésnél, mi a célszerű? Bukóra nyitni az ablakot? Vagy teljesen kitárni? )

Mi a hőáramlás jelensége?a hő terjedésének azon módja, amikor az anyag különböző

hőmérsékletű részecskéi helyüket megváltoztatják.

Miért áramlanak felfelé a gázok és a folyadékokmelegítés hatására?A folyadékok és a gázok a melegítés helyén kitágulnak,

sűrűségük kisebb lesz, ezért felfelé áramlanak.

Milyen anyag kerül az eltávozott anyag helyére?Az eltávozott anyag helyére hidegebb, nagyobb sűrűségű

anyag kerül.

Meddig tart a hőáramlás?A hőáramlás addig tart, amíg a folyadékban vagy a gázban

hőmérséklet-különbség, ezért sűrűségkülönbség van.

HŐSUGÁRZÁS

a hő terjedésének azon módja, amikora hő nem részecskéről-részecskére halad, hanem

rendkívüli gyorsasággal hatol keresztül a közegeken(levegőn, vízen stb.)

közvetítő anyag illetve közeg nélküli hőterjedési jelenség (elektromágneses sugárzás)

• Bármely test, amelyik melegebb az abszolút nulla foknál (0 K = -273,15 °C) hőmérsékleti sugárzás bocsát ki magából. A hősugárzás egyszerre többféle különböző hullámhosszúságú elektromágneses sugárzást is tartalmaz, de van egy a hőmérséklettől függő jellemző maximuma, hogy melyikből a legtöbbet. (itt már átsétálnánk a fizika egy másik területére, a Wien eltolódáshoz, melyet majd 12 osztályban tárgyalunk)

Hősugárzásalapfogalmak

Elektromágneses hullámokat egy test részben:

• átengedi (átengedési tényező D1), D= declining

• visszaveri (visszaverődési tényező R1), R=reflection

• elnyeli (abszorpciós, elnyelési tényező a1). a= absorption

a+R+D=1

Közvetítő anyag illetve közeg nélküli hőterjedési jelenség. (elektromágneses sugárzás)

A NAPHősugárzás útján jut a Földre a Nap melege is. melegítő hatása

azonban csak akkor lesz, ha a sugarakat valamely test elnyelni képes. A forró testek hősugarakat bocsátnak ki magukból. Minden test annál jobban sugároz, minél melegebb. A nagyon magas hőmérsékleten izzó testek világítanak is. (pld csillagok)

Néhány adat a napról:• Felszíni hőmérséklete: 6000 0C• Maghőmérséklet: 15 millió 0CHogy a Nap fénye és hősugarai eljussanak a Földre, ahhoz nem kell

semmilyen különleges közeg, mert az elektromágneses hullámok a vákuumban akadálytalanul közlekednek (c = 3*108 m/s sebességgel). Sőt, valójában éppen az a helyzet, hogy a tiszta vákuumban terjed a legkönnyebben (és gyorsabban), de ha pl. csillagközi gáz és por van jelen, akkor lelassulhat, vagy el is akadhat.

A NAP BELSEJE

• a mag

• a sugarzasizona;egy foton szabad úthosszakb. 0,5 cm

• áramlásizóna

ABSZOLÚT FEKETE TEST• Olyan feltételezett test, amely teljes egészében

elnyeli a ráeső hő- és fénysugarakat (semmit sem ver vissza és nem is ereszt át sugárzást). Jellemző elméleti tulajdonsága még, hogy adott hőmérsékleteken több hő- és fényenergiát sugároz ki, mint bármely más test. Az abszolút fekete test tulajdonságait jól megközelíti a belül kormozott falú, zárt, üres doboz falán levő kicsiny nyílás. Az abszolút fekete test sugárzásának, az ún. fekete sugárzásnak a vizsgálata alapján jutott el Max Planck Nobeldíjas német fizikus 1900-ban a kvantumelmélet alapgondolatához.

Hősugárzás kérdésekMi a hősugárzás jelensége?Az energia úgy is eljuthat egyik testről a másikra, hogy a

közbeeső levegőréteg vagy más közeg nem melegszik fel. Ez a hősugárzás.

Mitől függ a testek sugárzásának mértéke?A forró testek hősugarakat bocsátnak ki magukból. Minden test

annál jobban sugároz, minél melegebb.Mire képesek még a rendkívül magashőmérsékleten izzó testek (a melegítés mellett)?A nagyon magas hőmérsékleten izzó testek világítanak is. Melyik felület nyeli el nagyobb mértékben a hősugarakat?A sötét, érdes felület nagyobb mértékben nyeli el a hősugarakat,

mint a fényes, sima.

Most pedig jöjjenek az érdekes mindennapi jelenségekkel

kapcsolatos kérdések

Szerepelhetnek a dolgozatban!!!

Miért forog a fűtött kályha tetejére állított papírkígyó?A kályha felmelegíti a felette lévő levegőt. A meleg levegő felszáll, helyébe hideg levegő tódul, amit a kályha ismét felmelegít, mely ismét felszáll, stb.

Milyen hőterjedési módot nevezünk hővezetésnek?Hővezetésről akkor beszélünk, ha a hőenergia úgy terjed, hogy közben az anyag nem mozog

Miért áll bordákból a fűtőtest?Mert több meleget ad, mintha ugyanekkora sima tartály lenne, nagyobb a hőleadási felület

Miért fázunk jobban, ha fúj a szél? Az emberi test hőmérséklete 36-37 0C. Mivel itt a szervezetünkben állandó belső égés van, a testünk körül mindig egy a testünk által felmelegített levegőréteg van. Ez a hőköpeny. A szél elsöpri, vagy megbontja ezt a hőköpenyt, és ezért már a néhány fokkal hűvösebb levegőt is nagyon hidegnek érezzük.

Miért emelkedik felfelé szárnycsapás nélkül a gólya? A Föld felületét felmelegíti a Nap sugárzása (hősugárzás útján, tehát a levegőt ez nem melegíti fel!) A Föld pedig a vele érintkező levegőréteget melegíti fel , majd a felmelegített levegő, szűk kéményszerű oszlopokban száll felfelé (hőáramlás jelensége). Ezekre a hőrétegekre fekszenek rá a gólyák.

ÉRDEKES LINKEK

http://phet.colorado.edu/en/simulations/category/physics(EZ UGYAN ANGOL NYELVŰ, de hát Önök jól tudnak angolul!)www.sdt.sulinet.huhttp://www.szertar.com/http://realika.educatio.hu/http://metal.elte.hu/~phexp (kísérletek) Dr. Juhász András

HA VALAKI VALAMILYEN ÉRDEKESET TALÁL A NETEN SZÓLJON NEKEM, HOGY BŐVÍTHESSÜK A LISTÁT!!!

FELHASZNÁLT IRODALOM

Fizika 10-Maxim Kiadówww.sdt.sulinet.huÖtösöm lesz fizikából-Gulyás János...-Műszaki KiadóFizika Középiskolásoknak - Dr. Siposs András-Korona KiadóFizika Hőtan - Dr. Zátonyi – Ifj. ZátonyiFizika Szakközépiskolai Összefoglaló Feladatgyűjteményhttp://metal.elte.hu/~phexp (kísérletek) Dr. Juhász Andráshttp://www.sg.huwww.magfuzio.huWikipedia, stb más internetes anyagokwww.tar.hu/fizfotowww.tar.hu/fizrajzwww.extra.hu/keretfizikawww.ntk.huwww.nettankonyv.hu