Induljunk el a kályhától 1.2. – Hőmérséklet vs. hőmennyiség

Az “Induljunk el a kályhától” cikksorozat a MACSOI kályhás szakújságban jelent meg az évek során folyamatosan.
Ezekben a cikkekben a hőtannal, a termodinamikával foglalkozunk, hőfolyamatokkal összefüggő legáltalánosabb törvényszerűségeket és ezek fizikai alapjait – hőmérséklet, hő, energia, hőátadás fogalmát – ismertetjük.

Jóllehet e témák feldolgozása során több kötetnyi szakirodalmat lehetne közzétenni, nyilvánvaló, hogy sorozatunkban – terjedelmi korlátok miatt – csak az alapfogalmak kifejtésére szorítkozunk. Fontos célunk azonban, hogy a törvényszerűségek leírását és magyarázatát gyakorlati kontextusba helyezzük.

A Cikksorozat eddigi cikkei:

A hőtan történeti áttekintése

Hőtani alapfogalmak 1. – Hőmérséklet, hőmennyiség (hő)

A hőmérséklet és hőmennyiség vagy röviden hő két teljesen különböző fizikai mennyiség, mégis rokonítható, sőt, összetéveszthető fogalmak. Talán ezért okoz néha fogalmi zavart a szóhasználatban. Próbáljuk meg külön, de mégis „fizikai” egységben értelmezni és tárgyalni e két fogalmat.

1. Hőmérséklet

A hőmérséklet az egyik legismertebb fizikai fogalom. Meghatározása mégis nehéz, bár mindannyian tudjuk, mi a hideg és a mi a meleg, hiszen bőrünk érző idegvégződéseivel érzékelni tudjuk környezetünk, illetve a bőrünkkel érintkező tárgyak hőmérsékletét. Kezdetben elégedjünk meg a következő (meglehetősen furcsa) meghatározással: a hőmérséklet az, amit a hőmérő mér. Minden hőmérőben a külső meleg vagy hideg hatására olyan fizikai változások következnek be, amelyeket jól tudunk érzékelni, és amelyek egyértelmű kapcsolatban állnak a hőmérséklettel. Magyarországon, sok más országhoz hasonlóan a hőmérséklet mérésére a Celsius-skála terjedt el a legjobban, amely megalkotójáról Anders Celsius svéd tudósról (1701-1744) kapta a nevét.

Az egyik hőmérsékleti alappont az olvadó jég hőmérséklete, míg a másik a forrásban lévő tiszta víz normál légkörnyi nyomáson (760 torr) mérhető hőmérséklete. E két alappont között a skálát száz osztásrészre bontották, az osztásrész egységnyi mértéke a fok. Az olvadó jég hőmérsékletét 0 °C -nak nevezzük, a forrásban lévő víz hőmérsékletét 100 °C-nak. A skálát azért lehet egyenlő osztásrészre bontani, mert az adott hőmérőre jellemző fizikai változás egyenesen arányos (lineáris) a hőmérsékletváltozással. Megtehetjük továbbá, hogy a skálabeosztást 0 °C alá és 100 °C fölé is kiterjesztjük, ha ezt a hőmérő működési elve lehetővé teszi. Ha e tartománytól el akarunk térni, akkor egymást részben átfedő skálájú hőmérőket kell használnunk, miközben ezek számára új alappontokat állapítunk meg.

A Kelvin-skálán a jégpontban 273K, illetve a forrpontban 373K a hőmérséklet. A kettő közötti távolság itt is száz egyenlő részre van osztva. Így a két skála közötti átszámítás, ha a Kelvin fokban mért hőmérsékletet T-vel jelöljük:
T = 273 + t (ahol t a Celsius fokban mért hőmérséklet.)
0 K foknál van az abszolút nulla pont. A Kelvin-skálát abszolút skálának is nevezik.

A Fahrenheit-skálánál a jégpont 32 °F, a forrápont 212 °F. A kettő közötti távolság 180 egyenlő részre van osztva.

kép forrása: certifiedmtp.com

Az angolszász országokban a Fahrenheit-skála párjaként a Rankine-skálát használják, melynek null pontja az abszolút nulla Kelvin, beosztása megegyezik a Fahrenheit-skála osztásával.
A Reaumur-skálát a teljesség kedvéért említjük. A jégpontnál 0 °R, míg a forrápontnál 80 °Ra hőmérséklet. A kettő közötti távolság 80 egyenlő részre van osztva.

2. Hőmennyiség (hő)

A hőmennyiség az átadott energia nagyságát jelenti. De hogyan is kell ezt jól értelmezni:

Ha két különböző hőmérsékletű testet összeérintünk, elegendő idő után azt tapasztaljuk, hogy hőmérsékletük megegyezik. Ezt úgy fejezzük ki, hogy termikus egyensúly jött létre köztük. Termikus egyensúlyban lévő testek hőmérséklete megegyezik.
Hogyan jön létre a termikus egyensúly? Mi az a „valami”, amit a melegebb test átad a hidegebbnek? Erről így beszélhetünk: A melegebb testből hő áramlott át a hidegebb testbe. Hőcsere történt, tehát a melegebb test hőt adott le, a hidegebb hőt vett fel. Azt is mondhatjuk, hőközlés történt. Mit jelent ez a fogalom? Miben különbözik egymástól a hő és a hőmérséklet?

Közelebb jutunk a fenti kérdések megválaszolásához, ha arra gondolunk, hogy a melegítésen kívül más módon is lehet növelni a hőmérsékletet. De említsünk egy másik szemléltető jelenséget. A meteor, amely bekerül a Föld légkörébe, súrlódási erők munkája folytán fölmelegszik, megolvad, sőt el is ég, mielőtt elérné a Föld felszínét. Megállapíthatjuk, hogy a test felmelegedését a súrlódási munka okozta. Közvetlenül érezhetjük a súrlódási munka melegítő hatását, ha két tenyerünket összedörzsöljük. Látjuk tehát, hogy a hő, a munka és az energia összetartozó fogalmak.

Ha az energiát melegítésre használjuk, akkor hőközlésről beszélünk, amely az energiaátadás egyik formája. A tüzelőanyagok égése egyszerű és összetett kémiai reakciók folyamata, melynek bennünket legjobban érintő eredménye a hőfejlesztés. Az égés és hőfejlesztés technikai kérdéseinek tárgyalása csak tágabb értelemben kapcsolódik a műszaki hőtan tárgyköréhez, ezért ezzel bővebben egy külön fejezetben foglalkozunk.
Ha egy testet melegítünk, a test energiája megnő, mert alkotó atomjaik, illetve molekuláik állandóan rendszertelen mozgásban vannak, magasabb hőmérsékleten mozgásuk gyorsabb, mozgási energiájuk nagyobb. Szokás ezt az energiát termikus energiának vagy hőenergiának, újabban belső energiának nevezni. A belső szó itt arra utal, hogy a test nem külsőleg látható módon (mozgás, helyzetváltoztatás, stb.) rendelkezik energiával, hanem a testet alkotó részecskék belsőleg, egymás között megosztva hordozzák ezt az energiát. A különböző hőmérsékletű testek érintkezése során lejátszódó energiaátadási folyamat a hőközlés.

A hőmennyiség az átadott energia nagyságát jelenti, jele: Q.
A munkával analóg (azonos) fogalom; a munkavégzés során átadott vagy felvett energiát a munka, a hőfolyamat során felvett energiát a hőmennyiség méri. Az energia egy test vagy egy rendszer állapotát jellemzi, míg a hő és a munka az energia változásának folyamatát írja le.

Eredeti kérdésünkhöz visszatérve, nevezetesen: miben különbözik, és mi kapcsolja össze a hő és a hőmérséklet fogalmát? A hő mértékegysége az energiához és a munkához hasonlóan a Joule (J). Világosan látszik, hogy a hő és a hőmérséklet különböző fogalmak.

A hőközlés folyamatot ír le, a hőmérséklet állapotot jellemez.
Mértékegységeik különbözőek.
A hőmennyiséget nem magával a hőmérséklettel, hanem a hőmérséklet változásával lehet kapcsolatba hozni.

Azt kell vizsgálnunk, hogy milyen mértékű hőközlés szükséges ahhoz, hogy egy anyag hőmérsékletét megemeljük. A méréseket a legpontosabban folyadékokban, elektromos fűtőszálak segítségével hajthatjuk végre, mert így minimálisra csökkenthetők a veszteségek. Ilyenkor a magas hőmérsékletű fűtőszál hőt közöl a folyadékkal, viszont a fűtőszál energiáját jól mérhető módon elektromos energiából szerzi, tehát jogos azt mondanunk, hogy a felhasznált elektromos energia megegyezik a hőmennyiséggel, amely a folyadékot melegíti.

A mérések azt mutatják, hogy a melegítéshez szükséges Q hő egyenesen arányos az anyag mennyiségével (tömegével) és a hőmérséklet Δ T változásával. Ha ugyanolyan anyagi minőségű testeket vizsgálunk, akkor a Q÷(m*ΔT) hányados minden esetben nagy pontossággal állandó lesz. Különböző anyagok esetén az állandó más és más értékű. Ezt az arányt fajlagos hőkapacitásnak vagy röviden fajhőnek nevezzük. Jelölése c.

Fenti összefüggésből következően egy test felmelegítéséhez szükséges hőmennyiséget így számítjuk ki: Q= c*m*ΔT

A fajhő mértékegysége: J÷kg*°C vagy J÷kg*K

Írta: Gyergyay Csaba, okleveles gépészmérnök