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:
Hőtani alapfogalmak 2. – Hőtágulás, hőmérők
Hőtágulás
A legtöbb anyag mérete megnő, ha a hőmérsékletét megnöveljük. Ezt a növekedést nevezzük hőtágulásnak. Ez érvényes a szilárd, a folyékony vagy gáz halmazállapotú anyagokra egyaránt. Talán érdemes röviden feleleveníteni hajdani tanulmányainkból szerzett ismereteinket.
A gázok könnyen változtatható, kis értékű sűrűségét azzal magyarázzuk, hogy bennük a részecskék (atomok vagy molekulák) nagy távolságra vannak egymástól. A részecskék között alig van kölcsönhatás, szemben a folyadékokkal és a szilárd anyagokkal, melyekben az atomok sűrűn helyezkednek el. Lényegében egymás közvetlen szomszédságában vannak. Így kölcsönhatásuk egymással nagyon jelentős.
Ismert, hogy minden anyag elemi összetevői állandó mozgásban, rezgésben vannak, belső energiájuk mértékétől függően. Ha növeljük az anyag belső energiáját (melegítjük), az elemi részecskék mozgási energiája nő, ennek eredményeként térfogata nagyobb lesz. Ezt a fizikai jelenséget nevezzük hőtágulásnak.
1. Szilárd testek hőtágulása
A hőtágulás következtében főleg szilárd és folyékony halmazállapotú anyagok esetében óriási erők léphetnek fel, ha a méretváltozás létrejöttét a külső körülmények megakadályozzák. Ennek figyelembevétele nagyon fontos a hőhatásnak kitett különböző minőségű anyagok egymásra kifejtett hatása szempontjából. A hőtágulás negatív hatásai nagy problémát jelentenek nemcsak a kályhás szakma, hanem az ipari kivitelezés számos területén is. Gondoljunk a fémből készült vezetékek, vasúti sínek, vasszerkezetű hidak stb. kivitelezési megoldásaira. Hasonlóképpen a kályhás-kandallós szakmában is a hőtágulás fizikai jelenségének figyelembevétele úgy a tervezésnél, mint a kivitelezésnél a legnagyobb körültekintést és odafigyelést igényli.
Ne gondoljuk azonban azt, hogy a hőtágulás mindig káros következményekkel jár. Sokszor éppen a hőtágulást hasznosítjuk valamilyen módon. Gyakran előfordul, hogy egy tengelyre nagyon erősen kell valamilyen alkatrészt, például egy lendkereket rögzíteni. Ilyenkor a tengely átmérőjét nagyobbra készítjük, mint a furatét. A kereket fölmelegítjük, a furat mérete megnő, így az a tengelyre helyezhető, majd a lehűlése során létrejön a szoros illesztés tengely és kerék között.
A fémek eltérő méretű hőtágulásán alapszik az ikerfém, idegen nevén bimetál-szalag működése. A bimetall szó kettős fémet jelent. A két különböző fémlemezt például alumíniumot és sárgalemezt szegecseléssel vagy hegesztéssel egymáshoz rögzítik. A melegítés hatására az egyenes szalagpár alakja megváltozik, mivel az alumíniumnak nagyobb mértékű a hőtágulása. A bimetall meghajlik, körív alakot vesz fel, melynek külső, hosszabb ívén az alumínium, míg belső, rövidebb ívén a sárgaréz helyezkedik. A bimetall-szalag meghajlása a hőmérsékletváltozás nagyságától függ. A gyakorlatban ennek sokrétű felhasználását ismerjük: hőmérők, hőszabályzók (termosztát), autók irányjelző villogóinak működtetése, gázmelegítők biztonsági berendezésének alapvető része, hogy csak néhányat említsünk.
1. 1. Lineáris hőtágulás
A mérések azt mutatják, hogy a különféle szilárd anyagok Δ l hosszváltozása
egyenesen arányos a T hőmérsékletváltozással és a rúd kezdeti l Δ 0 hosszával. Képletben
kifejezve: α= Δ l ÷ l*ΔT
ahol α a lineáris hőtágulási együttható, mértékegysége: 1 ÷ °C .
A lineáris hőtágulási együttható megadja egy anyag egységnyi hosszúságú darabjának 1°Chőmérsékletnövekedés hatására bekövetkező hosszváltozását Δl=α*l*Δt . Alábbiakban közöljük néhány anyag lineáris hőtágulási együtthatóját:
| alumínium | 0,000024 |
| réz | 0,000016 |
| sárgaréz | 0,000018 |
| vas | 0,000012 |
| nikkelacél (invar) | 0,000001 |
| beton | 0,000012 |
| üveg (közönséges) | 0,000008 |
| hőállóüveg (pyrex) | 0,000003 |
| kerámiaüveg | 0,00000001 |
| fa (keresztirányú) | 0,00005 |
| fa (szálirányú) | 0,000004 |
A fenti adatok elemzése során vegyük észre, hogy miért alkalmazzák kályha- és kandallóajtók esetében a kerámiaüveget, melynek hőtágulási együtthatója gyakorlatilag nulla. Ezeknek vaskeretbe való szerelésekor fontos követelmény, hogy rögzítésük biztosítsa a fém és üveg független szabad mozgását. (A vas lineáris tágulása nagyságrendekkel nagyobb, mint a kerámiaüvegé) A vasbeton gyártásánál a beton és vas azonos hőtágulási viszonyai teszik lehetővé a szolid szerkezet kialakulását. Különleges esetnek számít a nikkelacél, mert hőtágulása rendkívül alacsony, ezért más néven invaracélnak is hívják, amely invariánst, vagyis változatlant jelent.
2. Térfogati hőtágulás
Tudjuk, hogy a folyadékoknak és gázoknak nincs önálló alakjuk, felveszik a tárolóedény vagy a környezet formáját. Ezeknél a halmazállapotoknál térfogati hőtágulásról beszélünk. A térfogati hőtágulási együtthatót β – val jelöljük és értéke egyenlő ΔV ÷ V*ΔT.
Általában a folyadékok és gázok hasonlóan viselkednek, mint a szilárd anyagok. Kivételt képez a víz. Ugyanis melegítés közben a víz 0 °C foktól 4 °C-ig nemhogy tágulna, hanem még össze is húzódik. A víz fagyáskor sem követi a legtöbb folyadékra jellemző viselkedést, vagyis fagyásakor nem összehúzódik, hanem kitágul, térfogata nő, sűrűsége csökken. (Sűrűségcsökkenése 8 %-os). Ennek oka a víz molekuláris szerkezetének egyedisége.
A gázok viselkedésének érdekes tulajdonságát vehetjük észre, ha az állapotváltozási görbéket a hőmérsékleti tartomány negatív zónájában meghosszabbítjuk. Az egyenesek metszéspontja mínusz 273 °C, ami azt jelenti, hogy minden gáznemű anyag ezen a hőmérsékleten megfagy. (Ez a Kelvin skála 0 értéke). Ezt abszolút nullpontnak nevezzük.
kép forrása: certifiedmtp.com
Érdekességképpen megemlítjük, hogy a levegő normál légköri nyomáson -192 °C hőmérsékleten cseppfolyósodik és -273 °C-kon szilárdul meg. Kutatók dolgoznak azon, hogy minél jobban megközelítsék az abszolút zérus fokot, amelyet már tízezred foknál is jobban megközelítettek.
Érdemes megemlítenünk, hogy a 0 K a hőmérséklet elméletileg elérhető legalsó határa, viszont jelenlegi ismereteink alapján nem tudunk felső határt felállítani, vagyis tudomány mai állása szerint elméletileg akármilyen magas hőmérséklet megvalósulhat.
Hőmérők
A testek hőtágulásának legfontosabb gyakorlati felhasználása a hőmérőkészítés.
1. Folyadékhőmérők
A két leggyakoribb folyadék, amelyet a hőmérőkben használnak: a higany és alkohol. A higanyos hőmérők méréstartományát úgy terjesztik ki, hogy magas nyomású nitrogént vezetnek be a higany feletti zárt térbe, ami jelentősen megnöveli a higany forráspontját (közönséges légköri nyomáson a higany forráspontja 357 °C), így akár 625 °C-ig használható a higanyos hőmérő. Ritkán speciális igények kielégítésére a hőmérőkben toluolt, pentánt is használnak.
2. Ellenállás-hőmérők
A fémek és félvezetők elektromos ellenállása függ a hőmérséklettől. Mivel az elektromos ellenállás, illetve ennek változásait igen pontosan lehet mérni, ezért precíziós hőmérők készítésénél lehet alkalmazni. A félvezető ellenállás hőmérőket termisztoroknak nevezzük, anyagukat tekintve nehézfém-oxidokból készült kerámiák, ellenállásuk hőmérsékleti tényezője általában nagyobb, mint a fémeké. A termisztorok két csoportba oszthatók: negatív hőmérsékleti együtthatójú ellenállások (NTK-ellenállások), pozitív hőmérsékleti együtthatójú ellenállások (PTK-ellenállások).
3. Bimetál-hőmérők
A bimetál hőmérők működéséről fentebb részletesen írtunk. Felhasználási területük és gyakorlati alkalmazásuk széles körű. Hátrányuk, hogy szűk hőtartományban működnek.
4. Elektronikus hőmérők
Az elektronikus hőmérőket általában -10 °C és 100 °C hőmérséklet-határok között alkalmazzuk. Kijelzésük digitális, nagypontosságú hőmérsékletek meghatározására alkalmas.
5. Termoelemes hőmérő
Különösen kis hőkapacitású rendszerek hőmérsékletének mérésére használjuk. Magas hőmérsékletek mérésére (1700 °C -ig) a termoelemek a legalkalmasabb mérőeszközök. A termoelemek két különböző anyagú, egyik végükön összeforrasztott, esetleg csak erősen összecsavart drótból állnak. Ez a pont a termoelem úgynevezett érzékelő pontja. Leggyakrabban vas és konstantán, illetve réz és konstantán drótból készülnek. A vaskonstantán termoelem -200 °C és 1000 °C hőmérséklet tartományban használhatók. A rézkonstantán termoelem -200 °C és 600 °C között alkalmazhatók. Tudományos vizsgálatoknál 1700 °C -ig platina-platinaródium, illetve nikkel-krómnikkel termoelemeket használnak.
Fent említett hőmérőkön kívül a tudományos kutatásokban már mikroszámítógéphez csatolt, speciális hőmérőket is használnak.
Írta: Gyergyay Csaba, okleveles gépészmérnök
További cikkek a sorozatban:
- Hőtani alapfogalmak 3. – Hőközlés, hőterjedés
- Hőtani alapfogalmak 4. – Égés, tűzelőanyagok
- Tanácsok a kandallótűzterek kiválasztásához
- Hőveszteség kiszámítása
- A levegő természetrajza 1.
- A levegő természetrajza 2.
