Fizika 10.: augusztus 2019

1. Rész: Tesztfeladatok

Karikázza be a helyes megoldás betűjelét!

1. Hőközlési módok:

A hőátadást a hővezetés speciális esetének tekintjük!
Ennek megfelelően csak 3 féle hőközlésről szokás beszélni:

2. Hővezetés (kondukció)

A hővezetés a hőterjedésnek olyan formája, amikor az anyag részecskéi nem mozdulnak el egyensúlyi helyzetükről makroszkopikus mértékben.

A hővezetés intenzitását a hőárammal mérjük.
Jele: H

Hőáramnak nevezzük a rúd keresztmetszetén egységnyi idő alatt átáramló hőmennyiséget.

`H = (ΔQ)/(Δt)`

A hőáram függ:

a rúd keresztmetszetétől,
az anyagi minőségtől,
a hosszegységre eső hőmérséklet különbségtől.

A rossz hővezető anyagokat hőszigetelőknek nevezzük.

3. Hőáramlás (konvekció)

Hőáramlás során az anyag elmozdul a melegebb tartományból a hidegebb terület felé.
Csak folyadékokban és gázokban alakulhat ki.

Hőáramlás fajtái:

Természetes hőáramlás:

Gravitációs mezőben jön létre.
Oka a hőmérséklet különbség hatására bekövetkező sűrűség-különbség.

Mesterséges hőáramlás:

Nem szükséges hozzá gravitációs mező.
Az anyag áramlását valamilyen gép biztosítja.

Hőáramlás kísérleti megvalósítása:

Felhasználása a mindennapi életben:

Családi házak központi fűtése.
Családi házak meleg víz ellátása.
Családi házak légkondicionálása.
Kémény huzata.
Hűtőláda működése.

Példák természetes hőáramlásra:

Szél kialakulása
Termik: levegő felfele áramlás és felhőképződés
Parti szelek
Tengeráramlatok

Feladat:

Következmény:
Elkeveredés (diffuzió):

4. Hősugárzás (radiáció)

Hősugárzás során az energia elektromágneses hullám formájában terjed.
A hősugarak terjedéséhez nincs szükség közegre.
nap

T hőmérsékletű A nagyságú felület által 1másodperc alatt kisugárzott hőáram egyenesen arányos:
a felület nagyságával és
a kelvinben kifejezett hőmérséklet negyedik hatványával.
H~A·T⁴

5. Hőátadás

Hőveszteség:

(Ember esetén is megmutatja hol a baj)

Feladatok:

(OFI TK10 203.)
1. Az ábrán egy lakóház tetőtere látható.
A tetőtérbe napkollektort építettek.
Tanulmányozzuk az ábrát és magyarázzuk meg, hogyan oldottak meg a helyiségek fűtését!

2. Az ábrán egy lakóház fűtésének tervrajza tanulmányozható.
Magyarázzuk meg, hogyan működik a fűtés!

3. Melyik tüzelőanyaggal lehetett leggazdaságosabban fűteni 2011-ben?
A tűzifa köbmétere 15 000 Ft, a kőszén mázsája 11 500 Ft, a földgáz köbmétere 170 Ft-ba került.
A fa sűrűségét számoljuk 700 kg/ m3-nek, a földgáz sűrűsége 1,1 kg/m3 .

4. Mennyi energiát nyerünk egy darab (30 g) túrórudi elfogyasztásával?
A túrórudi 100 grammjában 9,3 g szénhidrát, 4,4 g fehérje es 5,5 g zsír található.
A megoldást kJ-ban és kcalban is adjuk meg!

Hőterjedés Igaz-hamis teszt:

NÉV: PONT:
Azonosító:
Igaz-hamis állítások:

Ssz.	Állítás	Igaz	Hamis	?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.

56. Keveréses feladatok

1. Feladat:

Összekeverünk 2liter 20°C-os és 3liter 30°C-os vizet.
Mekkora lesz a keverék hőmérséklete?

1. megoldás: (átlagolás)
`t_k = (2*20 + 3*30)/(2 + 3) = (40+90)/5 =130/5 =26°C`

2. megoldás: (táblázat-készítés)
hőmérsékleti skála:

táblázat:

	c(kJ/kg°C)	m(kg)	Δt(°C)
1.	4,2	3	(30-x)
2.	4,2	2	(x-20)

Qle = Qfel
4,2*3*(30 - x) = 4,2*2*(x - 20)
90 - 3x = 2x - 40 |+3x
90 = 5x - 40 |+40
5x = 130 |:5
x = 26°C

2. Feladat:

2,5 liter 35°C-os üdítőben mennyi -10°C-os jeget tegyünk, hogy a keverék hőmérséklete 12°C legyen?

Megoldás:
Jelöljük a jég tömegét: mj-vel!
Adatok:

mv = 2,5 kg
t1 = 35°C
tk = 12°C
t2 = -10°C
to = 0°C

cv = 4,2 kJ/(kg*°C)
cj = 2,1 KJ/(kg*°C)
Lo = 333 kJ/kg

Hőtani folyamatok:

1. A víz lehül, hőt ad le:
Q1 = cv*mv*(t1 - tk)

2. A jég felmelegszik 0°C-ra.
Q2 = cj*mj*(to - t2)

3. A 0°C-os jég vízzé alakul:
Q3 = mj*Lo

4. A 0°C-os víz tk hőmérsékletű vízzé alakul:
Q4 = cv*mj*(tk - to)

Összefüggések:

Q1 = Q2 + Q3 + Q4
cv*mv*(t1 - tk) = cj*mj*(to - t2) + mj*Lo + cv*mj*(tk - to)

Behelyettesítés:

4,2*2,5*(35 - 12) = 2,1*(0 + 10)*mj + 333mj + 4,2*(12 - 0)*mj
241,5 = 21*mj + 333*mj + 50,4*mj
241,5 = 404,4*mj
mj = 0,597kg = 597g

3. feladat:

4,5 liter 30°C-os üdítőben 0,8kg milyen hőmérsékletű jeget tegyünk, hogy a keverék hőmérséklete 12°C legyen?

kérdéses paraméter: t2 =?

megoldás:
cv*mv*(t1 - tk) = cj*mj*(to - t2) + mj*Lo + cv*mj*(tk - to)
behelyettesítés:
4,2*4,5*(30-12) = 2,1*0,8*(0 - t2) + 0,8*333 + 4,2*0,8*(12 - 0)
340,2 = -1,68*t2 + 266,4 + 40,32
340,2 = -1,68*t2 + 306,72
33,48 = -1,68*t2
-19,9°C = t2

F1: 3,2 liter 28°C-os üdítőben 0,5kg milyen hőmérsékletű jeget tegyünk, hogy a keverék hőmérséklete 16°C legyen?

4. feladat:

4 liter 33°C-os üdítőben 0,5kg -5°C-os jeget teszünk. Mekkora lesz a közös hőmérséklet?

kérdéses paraméter: tk =?

megoldás:
cv*mv*(t1 - tk) = cj*mj*(to - t2) + mj*Lo + cv*mj*(tk - to)
behelyettesítés:
4,2*4*(33 - tk) = 2,1*0,5*(0 +5) + 0,5*333 + 4,2*0,5*(tk - 0)
554,4 -16,8*tk = 5,25 + 166,5 + 2,1*tk - 2,1
384,75 = 18,9*tk
tk = 20,4°C

5. feladat:

Hány liter 30°C-os üdítőbe tegyünk 0,5kg -15°C-os jeget, hogy a keverék hőmérséklete 8°C-os legyen?

kérdéses paraméter: mv =?

megoldás:
cv*mv*(t1 - tk) = cj*mj*(to - t2) + mj*Lo + cv*mj*(tk - to)
behelyettesítés:
4,2*mv*(30 - 8) = 2,1*0,5*(0 +15) + 0,5*333 + 4,2*0,5*(8 - 0)
92,4*mv = 15,75 + 166,5 + 16,8 = 199,05
mv = 2,15kg

F2: Hány liter 28°C-os üdítőbe tegyünk 0,4kg -6°C-os jeget, hogy a keverék hőmérséklete 15°C-os legyen?

6. feladat:

4 liter üdítőbe 0,7kg -11°C-os jeget teszünk, így a közös hőmérséklet 5°C lesz. Mekkora volt az üdítő hőmérséklete?

kérdéses paraméter: t1 =?

megoldás:
cv*mv*(t1 - tk) = cj*mj*(to - t2) + mj*Lo + cv*mj*(tk - to)
behelyettesítés:
4,2*4*(t1 - 5) = 2,1*0,7*(0 +11) + 0,7*333 + 4,2*0,7*(5 - 0)
16,8*t1 - 84 = 16,17 + 233,1 +14,7 = 263,97
16,8*t1 = 347,97
t1 = 20,7125°C

Feladatok:
(OFI TK10 182.)
1.     Mennyi 0 °C-os jeget kell beledobni 3 dl 22 °C-os üdítőbe, hogy 8 °C hőmérsékletű italt kapjunk?
Lo=334    k J    ; cjég= 2100    J    ; cvíz=4200    J    .
    k g    k g 0C        k g 0C

2.     Egy termoszban 4 kg 12 0C-os jég van. Melegedés közben 2000 kJ hőt vesz fel a környezetéből.
Elolvad-e a jég? Ha elolvad, mekkora lesz a víz hőmérséklete?

Lo=334    k J    ; cjég= 2100    J    ; cvíz=4200    J    .
    k g    k g 0C        k g 0C

3.     Mekkora tömegű vizet hűt le 30 0C-ról 12 0C-ra 2 db 30 g-os, 0 0C-os jégkocka?
Lo=334    k J    ; cvíz = 4200    J    .

    k g    k g 0C
4. Egy termoszban 1,5 liter 10 0C hőmérsékletű víz van.
Beledobunk 300 g tömegű, 8 0C-os jégdarabot. Mi történik a folyamat során?

Lo=334    k J    ; cjég= 2100    J    ; cvíz=4200    J    .
    k g    k g 0C        k g 0C

5. Mennyi hőt kell közölnünk 380 g, 18 0C-os jéggel,
ha azt szeretnénk, hogy az olvadás után 28 0C-os víz keletkezzen?

6.     A 250 g tömegű ólomgolyó szabadon esik, majd rugalmatlanul ütközik a jól szigetelt
asztalhoz. Milyen magasról esett, ha a hőmérséklete 3,5 0C-kal emelkedett? Az összes
J
helyzeti energia 25%-a a környezetet melegítette. Az ólom fajhője 130 kg    0 C .

7. Hogyan lehet a réz fajhőjének ismeretében kiszámítani a mólhőjét?
Vegyünk 1 molt, használjuk fel a hőkapacitás fogalmát!

Feladatok:
(OFI TK10 188.)
1.     Hány gramm 100 °C-os vízgőzt kell a 35 °C-os 1,5 dl térfogatú kávéban lecsapatni, hogy
    °C-os forró kávét kapjunk?
cvíz=4200        J    ;   cgőz=1900        J    ;Lf=2256    k J    ;    cjég= 2100        J        ;    Lo=334    k J
        k g 0C            k g 0C                k g            k g 0C                k g

2.     Mekkora tömegű vizet párologtat el egy 60 kg-os tanuló, hogy testhőmérséklete 0,8 0C-kal csökkenjen?
A megoldásnál vegyük figyelembe, hogy az emberi test nagyrészt vízből áll, és
testhőmérsékleten a víz párolgáshője 2400    kJ    . cvíz=4200    J
    kg
            k g 0C

3.     A 8 m x 6 m x 3 m-es terem levegőjének hőmérsékletét 6 0C-kal emeljük gőzfűtéses fűtőtesttel.
A fűtőtestbe vezetett 100 °C-os vízgőz 50 °C-ra hűl le.
A felszabaduló hőmennyiség 30%-a melegíti a levegőt.
Számítsuk ki, mekkora tömegű gőzre van szükség!

    k J        J            k g
Lf=2256        ; cvíz=4200        ;    levegő=1,29            .
                        m    3
            0
    k g        k g C
A levegő állandó nyomáson mért fajhője: 997    J    .

    k g 0C

4. A 120 g tömegű 80 °C-os vízzel 300 kJ hőmennyiséget közlünk állandó nyomáson, jól szigetelt tartályban.
Mi történik? Ábrázoljuk a folyamatot hőmérséklet-hőmennyiség grafikonon!

5. A desztilláló berendezésbe 3 kg 100 °C-os vízgőzt vezettünk.
A desztillált víz hőmérséklete 35 °C.
Hány kg 15 °C-os hűtővizet használtunk fel, ha az 35 °C-ra melegedett fel?

6. Hány kg 80 °C-os termálvizet kell töltenünk 40 kg 10 °C-os vízhez, ha azt szeretnénk,
hogy a közös hőmérséklet 28 °C legyen?
A környezettel való hőcserétől eltekintünk.

7. A fizikaszakkörön az egyik tanuló 40 g-os rézgolyót melegített gázlánggal.
Az izzó golyót fél liter 18 °C-os vízbe tette. A közös hőmérséklet 20 °C lett.
Mekkora volt a gázláng hőmérséklete?
cvíz=4200J créz=385

8. Kaloriméterben lévő 3 liter 8 °C-os vízbe 355 g tömegű 400 °C-os fémkockát teszünk,
a közös hőmérséklet 17,6 °C lesz. Számítsuk ki a fémkocka fajhőjét!
Keressük meg a Négyjegyű függvénytáblázatokból, milyen fémből készült a kocka!

9.     A jól szigetelt tartályban összekeverünk 500 g 100 °C-os alumíniumport és 200 g 20 °C-os vasreszeléket.
Mekkora lesz a közös hőmérséklet?

cAl= 900    J    ; cFe= 465    J    .

    k g 0C        k g 0C

10.     A kaloriméterben 180 g 25 °C-os víz van. Beletöltünk 80 g 85 °C-os vizet.
A közös hőmérséklet 32 °C lesz. Számítsuk ki a kaloriméter hőkapacitását!

55. Halmazállapot változások

Négyféle halmazállapotot ismerünk:
szilárd:

kristályos
amorf

cseppfolyós:

folyadék
olvadék

légnemű:

gőz
gáz

plazma (ionizált gázáram):

technikai plazma
fizikai plazma

A halmazállapotok jellege a nyomástól és hőmérséklettől függ.
Ezek változtatásával az egyik halmazállapot átalakulhat egy másfajta halmazállapottá. Ezeket a folyamatokat halmazállapot-változásoknak nevezzük.

1. Olvadás, Fagyás:
Az olvadás fordított folyamata a fagyás.
Olvadáspont = Fagyáspont
(T_olv = T_fagy)

Olvadáshő = Fagyáshő
(L_olv = L_fagy)
`L_(olv) = Q/m`
ME: J/kg

Fém olvasztás mikrohullámú sütőben:

Miért nem szabad fémtárgyat tenni a mikrohullámú sütőbe?

Túlhűtés:
tiszta folyadék Tfagy alá hűthető, rázkódás hatására Tfagy fölött is megfagy.

2. Párolgás:
Ha a tér nyitott, akkor telített gőz,
ha a tér zárt, akkor pedig telítetlen gőz keletkezik párolgás révén.

A párolgás sebessége függ:

A hőmérséklettől
Az anyagi minőségtől (éter, alkohol jól párolog)
A felület nagyságától
A külső tér telítettségétől

Mire jó ez?
1.

ha fedő van rajta, akkor párolgáshő formájában nem jut ki a hő a rendszerből, hiszen a víz lecsapódik a fedőn és visszacsurog.

3. Forrás:
Amikor a telített gőz nyomása megegyezik külső nyomással, akkor buborékok jelennek meg a folyadék belsejében.

Forráspont: Tf

nyomásfüggő (→ kukta, Himalája)

túlhevítés:
a víz magas nyomáson Tf feletti hőmérsékleten is folyékony halmazállapotú marad.

Forráshő: Lf

4. Lecsapódás:
A lecsapódás a párolgással ellentétes folyamat.

Késleltetése (nyomás növelése / hőmérséklet csökkenése) esetén telített gőz keletkezik.

Lecsapódási hő = Párolgáshő.

a lecsapódást elősegítik: az apró szilárd részecskék (kondenzációs magvak) (pl. szmog),
ezek hiányában: túltelített gőz jön létre.

Jelentősége: eső/hóképződés.

5. Szublimáció és kondenzáció
A szilárd és a gáz halmazállapot közötti átmenetek.

6. Folyamatelemzés:
Hőközlés- hőmérséklet változás kapcsolata:

A→B:
melegítés hatására hőmérséklet növekedés!

`Q_1 = c_(sz)*m_(sz)*Δt_1`

B→C:
melegítés hatására halmazállapot változás!

`Q_2 = m*L_o`

C→D:
melegítés hatására hőmérséklet növekedés!

`Q_3 = c_f*m_f*Δt_2`

D→E:
melegítés hatására halmazállapot változás!

`Q_4 = m*L_f`

E→F:
melegítés hatására hőmérséklet növekedés!

`Q_5 = c_g*m_g*Δt_3`

54. Statisztikus fizika

Boltzmann-féle klasszikus statisztika alapfeltevései:

a részecskék egymástól megkülönböztethetők
a részecskék helye és sebessége meghatározható
érvényes az ekvipartició tétel (egy részecske egy szabadsági fokára jutó energia: ½ kT)

Animáció:

Makró és mikro állapotok:
N = 4 megkülönböztethető gázrészecske
g = 2 térrész

N = 10, g = 2

Egyensúlyi állapot:
a legtöbb mikroállapotot megvalósító makroállapot
Statisztikus ingadozások:

véletlenszerű eltérés az egyensúlyi állapottól Pl. sörétzaj
Brown mozgás
hőmérséklet ingadozás
sűrűség ingadozás

53. Körfolyamatok

Körfolyamat esetén a kezdő és a végpont azonos.
Fajtái:
1. Direkt körfolyamat:

Jellemző:
hatásfok:
η = Whasznos/Qfel < 100%

legnagyobb hatásfokú körfolyamat:
Carnot-féle körfolyamat:

A körfolyamat részei:

Izotermikus tágulás
Adiabatikus tágulás
Izotermikus összenyomás
Adiabatikus összenyomás

Hatásfoka: η = (T1 - T2)/T1

2. Indirekt körfolyamat:

Jellemző:
Jósági tényező:
ε = Qle/Whasznosított > 100%

Pl. hűtőgép

A hűtőgépek fajtái:
Kompresszoros:
A leghatékonyabb és a legmegbízhatóbb hűtési mód.

Abszorpciós:
Az abszorpciós hűtőkészülékek hatásfoka rosszabb a kompresszoros hűtőkénél.
Főleg akkor alkalmazzák, ha nincs elektromos áram a használat helyén (pl. lakóautókban), mivel a működtetéséhez csak hő szükséges, ezért működtethető akár gázpalackról is.

3. Hőerőgépek:
A hő mechanikai munkává alakítására szolgáló gépeket hőerőgépeknek nevezzük.
Fajtái:

Gőzgépek:

dugattyús

(James Watt: a gőzgép továbbfejlesztője)

gőzturbina

Gázgépek:

belső égésű motorok

benzines (Otto-motor)

1. ütem: szívás
2. ütem: sűrítés (kompresszió)
3.ütem: terjeszkedés (munkaütem): elektromos szikra gyújtja be gázelegyet
4. ütem: kipufogás

diesel

Szívás – tiszta levegő beszívása
Sűrítés – levegő sűrítése, amitől az felhevül
Munkavégzés – a sűrített, felhevült levegő a befecskendezett üzemanyagot begyújtja
Kipufogás – az égéstermék távozása

gázturbinák: a gáz égése térfogatnövekedéssel jár, ez forgatja forgórészt

gázsugár hajtóművű eszközök: autók, repülők

rakéta hajtóművek

Feladatok:
(OFI TK10 176.)
1. Az ábrán nitrogéngázzal végzett körfolyamatot láthatunk. A nitrogén állandó térfogaton
mért fajhője 740 k g 0C . Az A pontban a gáz hőmérséklete 340 K.
a) Mekkora a nitrogén hőmérséklete a B és C állapotokban?
b) Mekkora az energiaváltozás a B    C folyamatban?
c) Mekkora az A   B szakaszon a hőfelvétel?
d) Mekkora és milyen előjelű a munka a C    A szakaszon?

2. Az ábrán látható körfolyamatot 1,2 mol neonnal végeztük.
a) Mekkora a gáz hőmérséklete az A, B és C állapotban?
b) Számítsuk ki a körfolyamat termikus hatásfokát!

3. Az ábrán látható körfolyamatban oxigént alkalmaztunk.
Az A    állapotban    a    gáz hőmérséklete 17 0 C.
a) Mekkora hőt vesz fel az oxigén az A B állapotváltozás közben?
b) Mekkora és milyen előjelű a munkavégzés a B C szakaszon?
c) Számítsuk ki a körfolyamat termikus hatásfokát!

Igaz-hamis teszt:

NÉV: PONT:
Igaz-hamis állítások:

Ssz.	Állítás	Igaz	Hamis	?
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.

Fizika 10.

2019. augusztus 28., szerda

58. Témazáró dolgozat (Hőtan)