HŐTANI ALAPFOGALMAK
2014.10.14 08:40
1. Hőmérséklet
Az anyagot részecskék (atomok, molekulák) építik fel, melyek nem mozdulatlanok, hanem
rendkívül gyors rezgőmozgást végeznek.
A részecskék mozgási energiával rendelkeznek.
Ha további energiát közlünk az anyaggal (melegítjük, dörzsöljük…), akkor nő a rezgés intenzitása
(részecskéinek mozgási energiája), ha energiát vonunk el (hűtjük), akkor csökken.
A változást úgy érzékeljük, hogy az anyagot melegebbnek, illetve hidegebbnek érezzük.
Az anyag részecskéinek összes mozgási energiáját belső energiának (Eb) nevezzük. Egy
adott anyag belső energiájának nagysága:
Eb=c·m·1 [J] (Joule ejtsd: dzsúl) 2
1 : nagy théta, az abszolút vagy Kelvin hőmérséklet jele (Szokásos jelölése még: T.)
2 James Prescott Joule (1818–1889) angol fizikus tiszteletére.
HŐTERMELŐ BERENDEZÉSEK MŰKÖDÉSI ELVE
2
A hőmérséklet az anyag részecskéinek rezgési állapotát jellemző fizikai tulajdonság.
2. Hőmennyiség, fajhő
Ha két különböző hőmérsékletű test kölcsönhatásba lép, a melegebb hőt ad le, a hidegebb
hőt vesz fel, a hőmérséklet kiegyenlítődik. A jelenséget termikus kölcsönhatásnak nevezzük.
Hőmennyiség (röviden hő): a termikus kölcsönhatás közben létrejött belső energiaváltozás.
Jele: Q, mértékegysége: [J]
Ha egy anyag hőmérsékletét 1-ről 2-re növeljük, a közölt hőmennyiség:
ahol:
c: fajhő vagy fajlagos4 hőkapacitás5) [kJ/kgK]. Számértéke megadja, hogy mennyi energia
változtatja meg az adott anyag 1 kg-jának hőmérsékletét 1 K-nel. (Pl. a víz fajhője: 4,186
kJ/kgK).
m: az anyag tömege (kg)
: abszolút hőmérséklet
3. Hőmérsékleti skálák
Celsius-skála
A Celsius hőmérséklet jele: 6 , mértékegysége: °C (Celsius-fok).
Az általunk használt hőmérőknek °C beosztása van Andreas Celsius svéd fizikus tiszteletére,
aki a víz fagyáspontját nullához és forráspontját százhoz rendelte.
Jellemző hőmérsékleti értékek
- Forrasztópáka hegyének hőmérséklete: ~ 300 °C
- A volfrám olvadáspontja (a legmagasabb olvadáspontú fém): 3 380 °C
- A napfelszín átlagos hőmérséklete: 5 800 °C
3 : delta
4 fajlagos: egységre vonatkozó (itt 1 kg-ra)
5 kapacitás: befogadó képesség
6 kis théta (A nem abszolút hőmérséklet szokásos jelölése még: t, amit az idő jelével való
összetéveszthetőség miatt itt nem használunk.)
- Villamos ív: ~ 6 000 °C
- Magfúzió a nap belsejében: 15 000 000 °C
- A legforróbb csillagok belső hőmérséklete: 50 000 000 °C
- Hidrogénbomba robbanásakor keletkező legmagasabb hőmérséklet: 300 000 000 °C
- A földön (Antarktisz) mért legalacsonyabb hőmérséklet: -89,2 °C
- Az oxigén fagyáspontja: -218,9 °C
- A cseppfolyós hidrogén forráspontja: -253 °C
Fahrenheit-skála
A Fahrenheit7 hőmérsékleti skálát az USA-ban és néhány angol nyelvű országban használják.
Az utóbbi időben hozzánk is bekerültek olyan készülékek, műszerek, melyek e-szerint vannak
skálázva.
A Fahrenheit skála szerint a víz fagyáspontja: 32 °F, forráspontja 212 °F.
Fahrenheit hőmérséklet átszámítása °C-ba: (°F-32)·5/9 [°C]
4. A hő terjedésének módjai
Hővezetés
Hol találkozunk vele szakmában?
Mindenhol, ahol hőfejlesztés történik. Például a lágyforrasztás során, a forrasztópáka elektromos
fűtőszáláról a hő vezetéssel kerül a forrasztandó felületre.
A hővezetés a hőenergia terjedésének azon módja, amikor a nagyobb energiájú részecskék
átadják a szomszédos, kisebb energiájú részecskéknek az energiájukat, miközben a helyüket
nem hagyják el.
Elsősorban szilárd anyagokra jellemző hőterjedési mód.
Jellemzője a hővezetési tényező. Az a hőmennyiség, amely a hő áramlására merőleges, egymástól
1 m távolságban levő 1 m2 felületek között, 1 K hőmérséklet-különbség hatására 1 s
idő alatt halad át.
Néhány anyag hővezetési tényezője:11
Anyag Hővezetési tényező [W/m·K]
Réz 399
Alumínium 237
PVC 0,15
Üveggyapot 0,046
Levegő 0,026
HŐTERMELŐ BERENDEZÉSEK MŰKÖDÉSI ELVE
4. A hő terjedésének módjai
Hővezetés
Hol találkozunk vele szakmában?
Mindenhol, ahol hőfejlesztés történik. Például a lágyforrasztás során, a forrasztópáka elektromos
fűtőszáláról a hő vezetéssel kerül a forrasztandó felületre.
A hővezetés a hőenergia terjedésének azon módja, amikor a nagyobb energiájú részecskék
átadják a szomszédos, kisebb energiájú részecskéknek az energiájukat, miközben a helyüket
nem hagyják el.
Elsősorban szilárd anyagokra jellemző hőterjedési mód.
Jellemzője a hővezetési tényező. Az a hőmennyiség, amely a hő áramlására merőleges, egymástól
1 m távolságban levő 1 m2 felületek között, 1 K hőmérséklet-különbség hatására 1 s
idő alatt halad át.
A hővezetési tényező jele: 10 mértékegysége: W/m·K.
Néhány anyag hővezetési tényezője:11
Anyag Hővezetési tényező [W/m·K]
Réz 399
Alumínium 237
PVC 0,15
Üveggyapot 0,046
Levegő 0,026
Hőáramlás (konvekció vagy hőátadás)
Hol találkozunk vele szakmában? Például a légfúvásos helyiségfűtő készülékek, ahol az
áramlás hatásosságát ventilátor fokozza.
A hőátadás gázokban, gőzökben és folyadékokban lehetséges. A felmelegedett molekulák
elhagyják a helyüket, és magukkal viszik a felvett hőenergiát. Pl. egy fűtőtest fölött kézzel is
érezhető az áramló levegő. A fűtőtest energiát ad át a vele érintkező levegőmolekuláknak. A
felmelegedett levegő sűrűsége csökken és felemelkedik, helyére hideg levegő áramlik.
Hősugárzás
A hő terjedésének azon módja, midőn az nem részecskéről részecskére halad a testekben, hanem a fény módjára rendkivüli gyorsasággal hatol keresztül a közegeken (p. levegőn, vizen stb.). A Nap melege is sugárzás utján jut a Földre, anélkül, hogy a levegőt észrevehetőleg melegítené. A hősugarak melegítő hatása csak akkor kezdődik, ha azok vmely testre esnek, mely azokat elnyelni képes. Hogy ez igy van, arról meggyőződhetünk, ha fütött kályha felé fordulunk. Arcunk hőt érez, de ezen hőérzet rögtön megszünik, mihelyt a kályha elé ellenzőt teszünk. A kályha melege ugyan ezentul is fölmelegíti a szoba levegőjét, de e fölmelegítés már csak a meleg levegő áramlása által történik. A kályhától közvetlen sugárzás által keltett hőérzet egészen más. A sugárzó hő egyenes irányban halad a levegőn keresztül, épp ugy, mint a fény az átlátszó testeken. A meleg testből kiáramló hősugarak lehetnek világítók és sötétek. A fütött, de nem izzó kályha, melegített fémgolyó, forró vizzel telt edény stb. sötét hősugarakat bocsátanak ki; a nap s a lánggal égő testek világítókat. E kétféle sugarakkal szemben a testek nem viselkednek egyformán. Igy p. az ablak üvege átbocsátja a nap világító és melegítő sugarait, de a kályha sötét hősugarait visszatartja. A kősólemez ellenben az utóbbiakat is átbocsátja. A hősugarakat tükrök is visszaverik, prizmák, lencsék megtörik, mint a fénysugarakat.
Ha p. két nagy homoru tükröt (l. az ábrát, p. csiszolt sárgaréz- v. ezüstből) egymással szemben 5-6 m. távolban fölállítunk s arra vigyázunk, hogy a tükrök tengelyei egy vonalba essenek s az egyik tükör gyujtópontjába izzó fémgolyót vagy izzó parazsat, a másikba taplót vagy más gyulékony anyagot helyezünk, azt tapasztaljuk, hogy a tapló meggyulad, mintha tüz közelében volna. Ha az egyik vagy másik testet a gyujtópontból eltávolítjuk, a hatás megszünik, jeléül annak, hogy a hősugarak a gyujtópontból a tükör lapjára, onnan a tengellyel párhuzamosan a másik tükörre, s végre ennek gyujtópontjába verődtek vissza s ezen összegyüjtés miatt erélyes a hőhatás. Gyujtólencsével a meleg golyónak láthatatlan melegképét idézhetni, melyet hőmérővel v. radiometerrel szintén ki lehet mutatni.
A testek hősugárzási v. hőkibocsátó képessége (emissio) nagyon különböző és lényegesen függ a felület állapotától. Ha sárgarézből való üres kockát forró vizzel töltünk meg (Leslie-féle kocka) s az oldalfölületek egyikét korommal, másikát ólomfehérrel, harmadikát tussal vonjuk be, mig egy fényesre csiszolt fémfelület marad, akkor a multiplikátor tűje különböző kitéréseket mutat aszerint, melyik felület van a termo-oszloppal szemben. Ha a korommal bevont felület emisszió-képességét 100-zal jelöljük, az ólomfehéré 100, a tusé 85, a sima felületé 12. Melloni általában azt találta, hogy valamely fémlap annál több hőt sugároz ki, mennél kevésbé sürü a felülete. Öntött fémlap jobb hőkibocsátó, mint hengrelt, kovácsolt vagy csiszolt lap. Ha ilyen csiszolt lapot karcolnak, hőkibocsátó képessége emelkedik, mert kisebb sürüségü részek kerülnek felszinre. Egyéb testekre is áll, hogy a kisebb sürüségüek jobb hőkibocsátók, mint a sürübbek. A hőátbocsátási és elnyelési képesség különböző testeknél szintén nagyon különböző. L. Adiatermán és Diatermán.
Forrás: Pallas Nagylexikon
5. Hőtágulás
Tapasztalatból (is) tudjuk, hogy a testek hőmérséklet-növekedéskor kitágulnak. A részecskék
rezgési kitérésének növekedése ugyanis azt eredményezi, hogy megnő a részecskék
egymástó való távolsága. Ezt nagyon jól ki tudjuk használni olyan esetekben, amikor a hőmérséklet
függvényében kell valaminek történnie. Például a kívánt hőmérséklet elérésekor a
fűtés kikapcsolásának, vagy a hőmérséklettel arányos elmozdulásnak.
Hol találkozunk vele szakmában?
Mindenhol, ahol jelentős hőmérséklet-változás van. Légvezetékek hossza, ezzel belógása és
húzó-igénybevétele időjárásfüggő. Vannak olyan hőmérséklet-szabályozók, hőkorlátozók,
hőmérők, melyek működése a hőtáguláson alapul.
Lineáris (vonalas) hőtágulás
Akkor beszélünk lineáris hőtágulásról, ha szilárd a test hosszirányú méretváltozását vizsgáljuk.
Az l0 hosszúságú rúd hossza, a hőmérséklet-változással arányosan változik.
A hőmérséklet-változás: 2 1
A megnyúlás: 0 l l
A megváltozott hossz x hőmérsékleten: l l (1 ) x 0
Ahol anyagi állandó, a neve: lineáris hőtágulási együttható, mértékegysége: [1/K] vagy
[1/°C].
Ha hőmérséklet-különbségről van szó, mindegy, hogy °C-ban vagy K-ben számolunk.
12 Hővezetés és hőáramlás mindig van, hősugárzás nem mindig, vagy elhanyagolható mértékű.
13 Korábban k volt a jele