pdf 263 Kb

A tárgy neve
HŐTAN
Meghirdető tanszék(csoport) SZTE, TTK, Fizikus Tanszékcsoport, Kísérleti Fizikai
Tanszék
Felelős oktató:
Dr. Papp Katalin
Kredit 3
Heti óraszám 2
típus
Előadás
Számonkérés
Kollokvium
Teljesíthetőség feltétele
Párhuzamosan feltétel Hőtan gyakorlat
Előfeltétel
Mechanika
Helyettesítő tárgyak
Periódus
Tavaszi félév
Javasolt félév
2. félév
Kötelező vagy kötelezően fizika
választható
AJÁNLOTT IRODALOM
• Budó Ágoston: Kísérleti Fizika I. kötet, Tankönyvkiadó, Budapest, 1989.
• Bor Pál: Fizika III. Hőtan, Tankönyvkiadó, Budapest, 1992.
• Litz József: Általános fizika, Hőtan, Dialóg Campus Kiadó, Pécs, 2001.
• Tichy Géza, Kojnok József: Kísérleti Fizika, Hőtan, Typotex Kiadó, Bp., 2002.
• Atkins P. W.: Physical Chemistry, Oxford University Press, Oxford 1990

A TANTÁRGY RÉSZLETES TEMATIKÁJA
„A termodinamika nem egyszerűen hőtan,
hanem a fizika igazi alapja.” G. Falk)
A kurzusról
A Hőtan tantárgy a Kísérleti fizika alapkollégium részeként kerül
meghirdetésre. Az előadás a középiskolai fizikai ismeretek mellett az
alapképzés Mechanika kurzusának tananyagát is felhasználja. Feldolgozási
módszere a jelenségek kísérleti bemutatása, a termodinamikai folyamatok
elsősorban fenomenológikus tárgyalása. A demonstrációs kísérletek mellett
számítógépes szimulációk, videofilmek segítik a folyamatok elemzését (a
tananyag leírásban ezeket megkülönböztetett betűtípussal jelöltük). A tematikához
szorosan hozzátartozik tananyagban szereplő legfontosabb fogalmak,
törvények gyűjteménye, amelyhez a hallgatók a kurzus kezdetétől hozzájutnak
a
http://titan.physx.uszeged.hu/opt/physics/expphys/kurzusok/kurzusok.html
címen. Ugyancsak
itt érhető el a kollokviumi tételsor és a rövid tematika. Az előadások anyagában
hangsúlyos szerepet kap a történetiség, valamint a termodinamikai fő
tételeinek, törvényeinek a természeti, technikai környezetünkben történő
alkalmazása, különös tekintettel az élő szervezetekre. A hallgatók aktivizálása,
a differenciált foglalkoztatás céljából az előadásokon feladatként szerepelnek az
előadó által kitűzött problémák, amelyek megfelelő számú sikeres megoldása a
vizsgán kedvezményt jelent. Az előadáshoz szorosan kapcsolódó gyakorlaton
az előadási ismeretek alkalmazására kerül sor, elsősorban számításos
feladatokat oldanak meg a hallgatók.
Bevezetés (ráhangolódás, motiváció): a hőtan tárgya, összehasonlítás a
mechanikával, a termodinamikai ismeretek jelentősége (Csernobil, Columbia,
szupravezetés, szuperfolyékonyság, Nobel-díjas tudósok termodinamikai
eredményei, természeti jelenségek, a hőmérséklet-mérés fontossága, az alacsony
és a magas hőmérsékletek világa, kvantumlétra, Kürti Miklós),
fenomenológikus és korpuszkuláris (statisztikus) megközelítés, kísérletező
termodinamika, történeti aspektusok.
Hőmérséklet, hőmérők: a hőmérséklet fogalom kialakulása (szubjektív hőérzet),
fejlődése. A hőmérsékletmérés elvi kérdései (nincs halmazállapot változás,
nincs kémiai reakció). A hőmérsékletmérés feltételei: a testek mérhető
tulajdonsága változik a hőmérséklettel (pl. sűrűség, térfogat, nyomás,
elektromos tulajdonság, rugalmassági állandó, törésmutató, szín,…stb.),
termikus egyensúly alakul ki, előállíthatók jól reprodukálható hő-állapotok (fixpontok).
Empirikus (tapasztalati) hőmérsékleti skálák (Galilei: 1592, II.
Ferdinand Medici toszkán herceg: 1657, Amontons: 1703, Fahrenheit: 1720,
Celsius: 1741, Kelvin: 1848) nemzetközi hőmérsékleti skála (International
Practical Temperature Standards), jellegzetes alappontok, a hőmérséklet SI
egysége. A termodinamika 0. főtétele, a termodinamikai egyensúly, mint
ekvivalencia reláció (C. Carathéodory, 1909). A különböző hőmérő típusok
2

emutatása: folyadékos hőmérők, maximum-minimum hőmérők, gázhőmérő,
fémeket tartalmazó hőmérő, az elektromos tulajdonság változásán alapuló
hőmérők (termoelem, ellenállás-hőmérő, félvezetők, termisztor-típusok),
különleges hőmérők: hőmérséklet változást jelző festékek, koleszterikus
folyadékkristályok, termocolor vegyületek, Seger-gúlák, kvarckristály,
infrasugaras hőmérséklet mérés, termogramok (hőfényképek) bemutatása,
készítése, optikai pirométerek.
Szilárdtestek és folyadékok hőtágulása: kondenzált rendszerek állapotegyenletei.
Az állapotegyenlet, állapothatározók bevezetése, extenzív és
intenzív állapothatározók, a termodinamikai rendszer fogalma, fajtái. Homogén
izotróp szilárd testek hőtágulása. A lineáris és a térfogati hőtágulás bemutatása
kísérlettel, a hőtágulási együttható függése az anyagi minőségtől. A hőtágulás
értelmezése a potenciális energia-függvény segítségével, a hőtágulás gyakorlati
alkalmazásai. Az izotermikus kompresszió modulus és az izobar hőtágulási
együttható mérése. Tyndall féle kísérlet az összehúzódásnál (hűtésnél) fellépő
feszültség (erő) bemutatására („vas-törő”). A V=V(p,T) állapotegyenlet alakja
szilárd testek és folyadékok esetében. A folyadékok hőtágulásának kísérleti
bemutatása, pl.: petróleum, víz, alkohol, benzin hőtágulásának összehasonlítása.
Folyadékok hőtágulási együtthatójának (β) mérése, Doulong-Petit módszere. A víz
különleges viselkedése.
Ideális gázok, a termikus állapotegyenlet: Állapothatározók, folyamat
jellemzők, kvázisztatikus folyamatok, speciális folyamatok. Gázok hő okozta
térfogat és nyomás változása, izotermikus, izochor, izobar állapotváltozások kísérleti
vizsgálata. Boyle-Mariotte törvénye (1662), Gay-Lussac törvényei (1802). Az
egyesített gáztörvény, Avogadro törvénye, a mol, mint az anyagmennyiség
egysége, az R univerzális gázállandó bevezetése. Az ideális gáz modellje,
megközelítése, tulajdonságok. Az ideális gázok termikus állapotegyenlete
/f(p,V,T,n)=0/ grafikus ábrázolás a p–V síkon, állapottérben, jellegzetes
folyamatok ábrázolása, számítógépes illusztráció. Az állapothatározók közötti
differenciális összefüggések. A reális gázok állapotegyenlete, a reális gázok
viselkedését egyre pontosabban leíró elméletek áttekintése, kompresszibilitási
együttható, viriál-együtthatós egyenletek, Van der Waals (1873) munkássága, a
nyomáskorrekció (a/v 2 ) és a térfogati korrekció (b) bevezetése, számítógépes
szimuláció (SOPE3) reális gázok, gőzök viselkedésének (pl. a széndioxid)
tanulmányozására.
A termodinamika első főtétele: kísérleti tapasztalatok a belső energia
változtatásra, történeti áttekintés: Joseph Black munkássága (1728-1799), B.
Thompson (Rumford grófja) az „ágyúfúró” (1810), H. Davy, a „jégdörzsölő”
(1819), Robert Mayer a „hajóorvos (1841), J. P. Joule, a „serföző” (1841-45), H.
Helmholtz (1847) tevékenysége, a „kinetikusok” és a „calorikusok”
gondolatmenetei, a hő és a mechanikai munka kapcsolata. Az első főtétel
megfogalmazása, (∆E=Q+W), a belső energia, mint állapothatározó, a
hőmennyiség (Q) és a munka (W) mint energia transzport-fajta, folyamat
3

jellemzők definiálása. Az I. főtétel differenciális alakja, a hőkapacitás, fajhő
bevezetése, kalorimetria. Kísérletek különböző kaloriméter típusokkal (súrlódásos,
keverési), a kaloriméter vízértéke, fajhőmérési módszerek szilárd, folyékony és gáz
halmazállapotú anyagok esetén. Kísérlet a Tyndall-csővel, Joule kísérletének
reprodukálása, számítógépes szimuláció. Az entalpia (hőtartalom), mint extenzív
állapotfüggvény bevezetése. Az ideális gáz belső energiája és entalpiája. A két
féle fajhő. Gay-Lussac kísérlete. Az első főtétel különböző megfogalmazásai, az
első fajú perpetuum mobile.
Valódi gázok belső energiája: állapotegyenlet alakja reális gázoknál, a belső
energia változása, Joule-Thomson kísérlete (1853, történeti háttér), izentalp
változás, a fojtás szerepe, inverziós hőmérséklet értelmezése, kísérleti bemutatás
széndioxid esetén. A jelenség hasznosítása gázok cseppfolyósításánál. Történeti,
gyakorlati vonatkozások.
Ideális gázok speciális állapotváltozásai: a termodinamika első főtételének
alkalmazása. Izotermikus, izochor, izobar és adiabatikus állapotváltozások
energetikai jellemzése, az I. főtétel speciális alakjai, a folyamatok ábrázolása a p-
V síkon. Az adiabatikus állapotváltozás részletes vizsgálata, Poisson
egyenletek, kísérlet a pneumatikus tűzszerszámmal, adiabatikus tágulás és
összenyomás a gyakorlatban (motorok). A κ kompresszibilitási tényező
meghatározása különböző módszerekkel, a Clement-Desormes módszer
részletezése.
A Carnot-féle körfolyamat: a hő munkává alakításának igénye a XIX.
században, „hőanyag” elmélet, Sadi Carnot (1796-1832) munkássága. A nagy
ötlet: körfolyamat, kvázisztatikus részfolyamatokból (két izotermikus, két
adiabatikus), a folyamatok jellemzése hőfelvétel és munka végzés
szempontjából. A folyamat ábrázolása a p-V síkon, számítógépes szimuláció. A
körfolyamat termikus hatásfoka, a termodinamikai hőmérsékleti skála,
jellemzése. A redukált hő fogalmának bevezetése, Clausius egyenlőség. A
Carnot-körfolyamat tudomány-történeti hatása, következményei. Direkt,
indirekt Carnot-gép, Clausius-gép, Kelvin gép, hőerőgép-típusok bemutatása
működő modellekkel, hőszivattyúk. Jellegzetes periódikus folyamatok, belső és
külső égésű motorok (Stirling (1816), Otto (1876), Diesel, (1892), gyakorlati
vonatkozások.
A temodinamika II. főtétele: a természeti folyamatok irányáról, „Furcsa
történetek”, reverzibilis, irreverzibilis folyamatok, az entrópia, mint extenzív
állapothatározó bevezetése, reverzibilis, irreverzibilis körfolyamat jellemzése,
Clausius egyenlőtlenség, az entrópia növekedés elve. A II. főtétel matematikai
megadása, különböző fenomenológikus megfogalmazások (Kelvin, Clausius,
Planck). A Gibbs féle fundamentális egyenletek, a termodinamikai egyensúly
feltételei, újabb állapothatározók, a szabad energia és szabad entalpia
bevezetése, Gibbs-Helmholtz egyenletek. A termodinamika III. főtétele (Nernst,
1906, Planck (1911).
4

„A második főtétel, különösen statisztikus megfogalmazásban, a természettudomány
legnagyobb hozzájárulása az emberi szellem felszabadításához.” Peter W. Atkins
A kinetikus gázelmélet, a statisztikus fizika elemei: a nyomás, a hőmérséklet
statisztikus értelmezése, az ideális gáz korpuszkuláris modellje, modell-kísérletek,
(légpárnás asztal, rázógép) számítógépes szimulációk a makroszkópikus
tulajdonságok mikroszkópikus értelmezésére. Kísérleti tapasztalatok, a Brown
mozgás vizsgálata. A gáz-részecskék sebességének mérése, (Stern, Eldridge-
Lammert módszere) a Maxwell-féle sebesség eloszlás. A Boltzmann állandó
bevezetése, az ideális gáz állapotegyenletének statisztikus értelmezése, alakja. A
Boltzmann állandó mérése. Az ekvipartíció tétele, a szabadsági fok fogalma. A
hőkapacitás elméleti, kísérleti adatai, a Dulong-Petit szabály, eltérések, új
utakra kényszerítő tapasztalatok. A II. főtétel statisztikus értelmezése, a
termodinamikai valószínűség, makro- és mikroállapot fogalma, az entrópia
statisztikus értelmezése, Boltzmann munkássága. A XIX. század utolsó
harmadának történetéből: az atomisták (Maxwell, Boltzmann) és az
energetikusok (Mach, Ostwald) „harca”. A Boltzmann eloszlás, a barometrikus
magasságformula, szedimentáció. Ingadozási jelenségek, a Brown mozgás
statisztikus értelmezése, közepes szabad úthossz, hatáskeresztmetszet fogalma,
Perrin, Einstein munkássága.
Transzport jelenségek: a makroszkópikus inhomogenitás kiegyenlítődni
igyekszik, az extenzív állapothatározót tartalmazó áramsűrűség arányos a
folyamatért felelős intenzív állapothatározó megváltozásával, L. Onsager
törvénye. Belső energia átvitel (pl. hővezetés), impulzus átvitel, (pl. belső
súrlódás), anyag átvitel (pl. diffúzió) vizsgálata. A diffúzió jellemzése, kísérleti
megfigyelések (bróm-levegő, rézszulfát-víz), számítógépes szimuláció, stacionárius és
nem stacionárius diffúzió, a diffúziós együttható függése a hőmérséklettől, az
anyagi minőségtől, Fick I. és II. törvénye. A termodiffúzió bemutatása, a diffúzió
gyakorlati alkalmazása, szerepe az élő szervezetekben. Az ozmózis, mint
speciális diffúzió. Az ozmózisnyomás kísérleti szemléltetése, Van’t Hoff törvénye
(1885). Az ozmózis szerepe az élő szervezetben, a természetben, kísérletek
vízüvegoldattal.
Halmazállapot változások: fázisátalakulások osztályozása, példák elsőrendű és
másodrendű fázis átalakulásokra. Jellegzetességük: az intenzív mennyiség
(állapothatározó) változásával az extenzív mennyiség ugrásszerűen változik.
Fázisegyensúly, átalakulási hő értelmezése. Olvadás (fagyás) jelensége,
melegedési görbe felvétele, olvadáshő meghatározása (jég-kaloriméter). A Clausius-
Clapeyron egyenlet. Az olvadás korpuszkuláris értelmezése, a víz különleges
viselkedése. A regeláció jelensége, az olvadáspont nyomás függése. Párolgás,
forrás, szublimáció vizsgálata, párolgás zárt térben, kísérlet krioforral, telített,
telítetlen gőzök különleges viselkedése. A párolgási sebesség vizsgálata.
Forralás melegítés nélkül, a forráspont nyomás függése. Kísérletek széndioxiddal,
fázisdiagramok felvétele, jellegzetes görbéi: p-V, p-T síkon, p-V-T fázistérben
való ábrázolás, számítógépes szimuláció. A hármaspont, a kritikus állapot
jellemzése, kísérleti vizsgálata víz, széndioxid, bután esetén. Szublimáció vizsgálata
5

jóddal, széndioxiddal. Lecsapódás (kondenzáció), ködképződés kísérleti
vizsgálata, opaleszkálás (széndioxid sűrűségingadozás), ködkamra (alfa részecskék
kimutatása) bemutatása. Polimorf átalakulások, elegyek, oldatok vizsgálata, híg
oldatok forráspontjának, fagyáspontjának változása a koncentrációval, kísérlet
„emlékező” műanyaggal.
Alacsony hőmérsékletek előállítása: történeti háttér, C. Drebbel (1620), R.
Boyle (1665), W. Cullen (1748), T. Moore (1800), M. Faraday (1823), J. Dewar
(1898), T Andrews (1865), H. Kamerlingh-Onnes (1908) munkássága. Az
alacsony hőmérsékletek előállításának különböző lehetőségei: hőmérséklet
kiegyenlítődés, hűtőkeverék alkalmazása, párolgás, indirekt Carnot
körfolyamat, Peltier-hatás, adiabatikus lemágnesezés, nukleáris hűtés.
Kompressziós hűtőgépek. Gázok hűtése tágulással, a Joule-Thomson effektus
alkalmazása, a Linde-féle (1895) levegő-cseppfolyósítási eljárás elve, kaszkád
módszer, gyakorlati megvalósítás. Kísérletek cseppfolyós nitrogénnel, a
szupravezetés termodinamikájáról, a Meissner effektus bemutatása magas
hőmérsékletű szupravezetővel.
A hő terjedéséről: a hővezetés (belső, külső), mint a termikus energia
transzportja, a stacionárius hővezetés kísérleti vizsgálata, a Fourier-féle
hővezetési egyenlet (1811), a hővezetési együttható (λ) értelmezése, a nem
stacionárius hővezetés. A Newton-féle lehülési törvény, a hőmérséklet
csökkenés exponenciális jellege. Gyakorlati vonatkozások a természeti,
technikai környezetben, az emberi szervezet hőháztartása. A hő áramlás
(konvekció) vizsgálata, termikus energia és anyag transzport, kísérletek
sűrűségváltozásra, hőcirkulációra folyadékok, gázok esetén. A hőkonvekció
matematikai leírása, az α hőátadási tényezőt befolyásoló paraméterek.
Hőáramlás a gyakorlatban, központi fűtés, hőszigetelés, szél, tengeri áramlatok
létrejötte. A hősugárzás kísérleti megfigyelése, termoszkópok, radiométer. A
hőmérsékleti sugárzás szerepe a modern fizika kialakulásában, a Stefan-
Boltzmann törvény, az emissziós tényező, mint a kibocsátástól, illetve az
elnyelő tulajdonságoktól függő tényező elemzése. Példák a hősugárzás
gyakorlati alkalmazására. A Nap hősugarai, üvegházhatás, bemutatása modellkísérlettel.
6

KÉRDÉSEK (FOGALMAK, TÖRVÉNYEK) A HŐTAN ELŐADÁS
ANYAGÁBÓL
1. Jellemezze az empirikus hőmérsékleti skálákat!
2. Jellemezze a termikus egyensúlyt!
3. Fogalmazza meg a 0. főtételt!
4. Definiálja a termodinamikai rendszert!
5. Jellemezze a nemzetközi és a termodinamikai hőmérsékleti skálát!
6. Az állapothatározó definíciója, osztályozásuk.
7. Mit nevezünk állapotegyenletnek
8. Mit nevezünk zárt termodinamikai rendszernek
9. Mit nevezünk izolált termodinamikai rendszernek
10. Mondja ki a lineáris hőtágulás törvényét!
11. Mondja ki a köbös hőtágulás törvényét!
12. Fogalmazza meg a homogén, izotróp szilárd testek általános tágulási
törvényét!
13. Jellemezze a folyadékok hőtágulását!
14. Definiálja a kompresszibilitási együtthatót!
15. Fogalmazza meg a Boyle-Mariotte törvényét!
16. Fogalmazza meg a Gay-Lussac törvényeket!
17. Adja meg az ideális gáz jellemzőit!
18. Ismertesse az ideális gáz állapotegyenletét!
19. Fogalmazza meg az egyesített gáztörvényt!
20. Definiálja az anyagmennyiség SI egységét!
21. Fogalmazza meg Avogadro törvényét!
22. Definiálja az univerzális gázállandót!
23. Jellemezze a reális gázokat!
24. Ismertesse a reális gázokra vonatkozó állapot egyenletet!
25. Fogalmazza meg a termodinamika I. főtételét!
26. Definiálja a hőkapacitást! Mi az egysége
27. Definiálja a fajhőt! Mi az egysége
28. Jellemezze a Q, W folyamatváltozókat!
29. Mit nevezünk vízértéknek
30. Fogalmazza meg a Dulong–Petit szabályt!
31. Jellemezze a kvázisztatikus folyamatot!
32. Jellemezze a termodinamika I. főtételében szereplő mennyiségeket
speciális állapotváltozások esetén!
33. Definiálja az ideális gáz entrópiáját!
34. Ismertesse a Gay-Lussac kísérletet!
35. Ismertesse a Joule-Thomson kísérletet!
36. Mit nevezünk inverziós hőmérsékletnek
37. Ismertesse a Poisson-egyenleteket!
38. Mit nevezünk körfolyamatnak
39. Ismertesse a Gibbs-féle fundamentális egyenletet!
40. Definiálja a szabadenergiát!
41. Definiálja a szabad entalpiát!
7

42. Jellemezze a termodinamikai egyensúlyt a szabadenergia, szabad
entalpia és az entrópia segítségével!
43. Ismertesse a Gibbs-Helmholtz-féle egyenleteket!
44. Fogalmazza meg a termodinamika III. főtételét!
45. Jellemezze a kinetikus gázmodellt!
46. Értelmezze a nyomást a kinetikus gázelmélet alapján!
47. Ismertesse a gázok állapotegyenletének molekuláris értelmezését!
48. Definiálja a Boltzmann állandót!
49. Mit nevezünk szabadsági foknak
50. Mondja ki az ekvipartíció tételét!
51. Jellemezze a sebességeloszlási függvényeket!
52. Mit nevezünk közepes szabad úthossznak
53. Mit nevezünk hatáskeresztmetszetnek
54. Fogalmazza meg Dalton törvényét!
55. Ismertesse Fick törvényeit!
56. Definiálja a termodinamikai valószínűséget!
57. Fogalmazza meg a termodinamika II. főtételét (statisztikusan)!
58. Ismertesse Van' t Hoff törvényét!
59. Mit nevezünk makro- illetve mikro állapotnak
60. Mit nevezünk hármaspontnak
61. Mi a regeláció
62. Jellemezze az ozmózis jelenségét!
63. Ismertesse a Clausius Clapeyron egyenletet!
64. Jellemezze a kritikus állapotot!
65. Definiálja a relatív nedvességet!
66. Jellemezze a fázisdiagramot!
67. Ismertesse a hővezetés alapegyenletét!
68. Fogalmazza meg a Newton-féle lehűlési törvényt!
8