39. Folyadékok hőtágulása
39. Folyadékok hőtágulása
Kísérlet: Folyadékok hőtágulása
https://www.youtube.com/watch?v=JW5vFxYYuxw
A videón Rudolf Tamásné fizika szakos tanárnő egyik fizika kísérleti videóját tekinthetitek meg.
1. A jelenség lényege
A folyadékoknak nincs saját alakjuk, az edény alakját veszik fel.
Melegítéskor térfogatuk nő, hűtéskor csökken.
A vizsgált mennyiség: térfogatváltozás (ΔV).
2. Kísérleti eszköz: dilatométer
Nagyobb tartály + keskeny üvegcső.
A folyadék tágulása a csőben magasságváltozásként (Δh) jelenik meg.
A térfogatváltozás:
ΔV=A⋅Δh
ahol A a cső keresztmetszete.
3. Tapasztalat
A térfogatváltozás egyenesen arányos:
az eredeti térfogattal (V₀),
a hőmérséklet-változással (ΔT).
4. Következtetés – térfogati hőtágulási együttható
A két arányosság összevonva:
ΔV∼V0⋅ΔT
A hányados állandó → β, a térfogati hőtágulási együttható.
Jelentése: megmutatja, hogy 1 °C hőmérséklet-változás mekkora arányos térfogatváltozást okoz.
5. Képletek
Térfogatváltozás:
ΔV=β⋅V0⋅ΔT
Változás utáni térfogat:
V=V0(1+βΔT)
6. A folyadékok β értékei
A folyadékok β értéke kb. tízszer nagyobb, mint a szilárd anyagoké.
Példák (nagyságrend):
alkohol: 1,1·10⁻³
benzin: 1,0·10⁻³
víz (18 °C-on): 0,13·10⁻³
7. A víz különleges viselkedése
0–4 °C között melegítésre összehúzódik (térfogata csökken).
4 °C-on a legsűrűbb.
4 °C felett a víz már "szokásosan" tágul.
Ennek köszönhető, hogy a tavak nem fagynak be fenékig.
8. Gyakorlati következmények
Jól táguló folyadékot nem szabad teletölteni hidegben, ha később meleg helyre kerül.
Zárt edényben a tágulás szétrepesztheti a tartályt.
A járművek hűtőrendszerében kiegyenlítő tartály van a tágulás miatt.
A hőmérőkben olyan folyadékot használnak, amely széles hőmérséklet-tartományban folyékony (pl. higany, alkohol).
https://kemfiz.hu/fizika_kozep_hotan.html
Hőtágulás:
3, 5, 18, 20, 22, 23, 24, 25
3.
0 °C-os jég elolvad → 0 °C-os víz keletkezik. Milyen a keletkező víz térfogata?
Válasz: A keletkező víz kisebb térfogatú, mint a jég volt.
Indoklás: A jég térfogata nagyobb, mert a kristályszerkezet "szétfeszíti" — olvadáskor összeesik.
5.
0 °C-os vizet lassan 8 °C-ra melegítünk. Hogyan változik eközben a víz térfogata?
Válasz: Először csökken a térfogata, majd nő.
Indoklás: A víz 4 °C-ig összehúzódik, utána tágul.
18.
Meleg szobából hidegre vitt befőttes üveg gumihártyája behorpad.
Válasz: A benne lévő levegő lehűlt, ezért csökkent a nyomása.
Indoklás: A hideg levegő kisebb térfogatot igényel → kisebb nyomást fejt ki → a külső levegő benyomja a hártyát.
20.
Az autó olajszintje hideg (-10 °C) éjszaka után.
Válasz: Az olajszint kissé csökken.
Indoklás: A folyadékok hűléskor összehúzódnak → kisebb térfogat → alacsonyabb szint.
A szerelő szobahőmérsékleten (kb. 20 °C) állította be az olajszintet a mérőpálcán középre.
Éjszaka, amikor az autó −10 °C-os környezetbe kerül, az olaj lehűl, és a térfogata kisebb lesz.
Mivel a térfogat csökken, az olajszint a mérőpálcán a középérték alá esik.
Ezért reggelre az olajszint alacsonyabbnak látszik, mint ahogy előzőleg beállították.
22.
Két különböző folyadékos hőmérővel mérjük ugyanazt a folyadékot. Ugyanannyit mutatnak-e a hőmérők?
Válasz: A két hőmérő nem feltétlenül mutat ugyanannyit, mert maguk is befolyásolják a mért hőmérsékletet. Indoklás: A két hőtágulásos hőmérő eltérő anyaggal (pl. higany, alkohol) működik, amelyek különböző mértékben tágulnak, és a skálájuk kalibrálása sem teljesen azonos. Ezért bár a folyadék hőmérséklete ugyanaz, a hőmérők kijelzése kissé eltérhet.
23.
Két különböző folyadékkal működő hőmérő ugyanazt a hőmérsékletet mutatja.
Mit állíthatunk a táguló folyadékok hőtágulási
együtthatóiról?
Válasz: A folyadékok hőtágulása lehet különböző, a kalibrálás teszi pontossá őket.
Indoklás: A skálát úgy készítik, hogy a különböző tágulás ellenére is helyes értéket mutassanak.
A mérés azért lesz helyes, mert a hőmérő skáláját kalibrálják:
A gyártás során a hőmérőt ismert hőmérsékleti pontokon (például jég olvadáspontján, víz forráspontján) ellenőrzik.
Ezekhez a fix pontokhoz bejelölik a megfelelő értékeket a skálán.
A köztes értékeket a hőtágulás mértéke alapján osztják be.
24.
Hélium és neon melegítése állandó nyomáson (20 °C → 40 °C).
Válasz: A hélium térfogata nő jobban, mert kisebb a sűrűsége.
Indoklás: Azonos nyomáson a könnyebb gáz nagyobb térfogatot vesz fel.
Mindkét tartályban azonos tömegű gáz van, de a moláris tömegük különböző:
hélium: M≈4 g/mol
neon: M≈20 g/mol
Azonos tömeg mellett a héliumból több mól van, mint a neongázból.
25.
Lyukacsos fémhabban a lyukakban levegő van, melegítjük. Hogyan változik eközben a lyukak térfogata?
Válasz: A lyukak térfogata nő.
Indoklás: A bezárt levegő melegítésre tágul, így nagyobb helyet igényel.