←   22. Hűtés és fűtés                                         24. Egy kis kémia   →




23. Hővezetés és hőtágulás



    Fizikakönyvekben erről a témáról sok kísérletet látunk, de észrevettük-e, hogy nap mint nap mi is megbirkózunk ezekkel a jelenségekkel?

23.1 Hővezetés


    Legelső és legfontosabb szabály: minden forró, ami a gáztűzhelyen van, még ha nem is piros! Bizony, az egyik családtag melegített valamit, még nem hűlt ki teljesen, én meg megfogtam azt az öntöttvas alátétet ... ! (Hasonlóan: a vízcsapban is sokszor marad forró víz a következő, gyanútlan családtagnak!)
    Ez nem mond ellent annak, hogy a fémek nagyon jó hővezetők. Hiszen egy nagytömegű öntöttvas alátétnek kell egy kis idő, amíg hőjét átadja a (rossz hővezető) levegőnek!

        Éppen ezért használunk fakanalat és fa- illetve újabban műanyag nyelű konyhai eszközöket és lábosokat. Bizony én is megkevertem a kislábosban a babapürét villával, benne felejtettem, majd meg is égettem a kezemet! Azóta sok régi konyhai eszköznek fabrikáltam fa nyelet.
    A vasvilla kicsit nagyobb (lásd a jobboldali ábra), néha még szemét égetésekor is használom. "Jáj, dé fúrá vídeki eszkőzők, ágyíknék sém túdóm á névét!" - affektált a városi kislány falun, míg rá nem lépett egyikre, ami azonnal "homlokon csókolta". "Affene ezt a gereblét!" - jutott eszébe azonnal a pontos "szakkifejezés".
    A (fém) kanál szerepét a gyors hűtésben az előző 22. Gyors hűtés és fűtés fejezet elején elemeztük.

    Hasonló a helyzet, ha nyári napsütésben a szabadban megfogunk egy fémkilincset, fémkorlátot, hintát, a gyerek ráül egy fém csúszdára vagy mászókára, vagy mezítláb rálépünk egy fémtárgyra, például fémküszöbre (pontosabban küszöbsínre), fém vízakna fedélre, fémvödörre, kanálra, stb. Ezek a tárgyak nem csak a tűző napsütésben forrósodnak át könnyen, de bőrünkhöz érve azonnal át is adják nekünk a hőt!     Télen sem jók ezek a fémtárgyak: ekkor a gyors hővezető képességüket felhasználva pillanatok alatt elvezetik ("ellopják") kezünkből, lábunkból a meleget, még "oda" is "fagyhat" kezünk, lábunk! Nagyon kell vigyáznunk! (Talán nyáron is kesztyűt kellene viselnünk?)




23.2 Hőtágulás


    Hogyan lehet egy kicsit behorpadt pingpong labdát ismét "kigömbölyíteni? Ez egy régi trükk: pár percre egy pohár forró vízbe kell nyomi. Vigyázat: a forró víz megégetheti ujjunkat, ezért csak egy bottal vagy ceruzával nyomjuk ügyesen a víz alá a "sérültet". (Sajnos nagyobb horpadásoknál ez a módszer már csak ritkábban gyógyít.)
    A magyarázatot is kérlek, olvasd el Kedves Olvasóm! Ugyanis ez a módszer csak akkor segít tartósan, ha a labdából nem "szökött meg" levegő. Mert mi is történik, mialatt a beteg labdát a forró vízben gyógyítjuk? A belül levő levegő a hő hatására kitágul, és szerencsés esetben kinyomja a labda vékony, rugalmas falát. Azonban a forró víztől kicsit meg szokott gyengülni néha a labda amúgy is vékony fala, és kihűlés után nem lehetetelen, hogy ismét behorpad, vagy legalábbis nem lesz olyan feszes, mint kellene. Ez ugyan ritka, tehát érdemes a beteg labdákat nem eldobni (környezetszennyezés!), hanem meggyógyítani!
Hasonló problémával már találkoztunk a 5. Beszorult fejezetben: ott a (veszélyes!) forró vízzel a külső poharat melegítettük azért, hogy a beleszorult másik poharat ki tudjuk venni.


    Forró teát ugye csak óvatosan öntünk üvegpohárba, mert az üveg szétreped, pontosabban szétrobban a hőmérséklet hirtelen megváltozástól. Ennek oka az, hogy az üveg rossz hővezető: belseje kitágul a forróságtól, a külseje azonban még nem tágul, hiszen még hideg. Ez a "féloldalas" alakváltozás deformálni akarja az üveget, "aki" már nem bírja ezt a mechanikai feszültséget - és RECCS. Ugyanígy járunk, ha az erősen felforrósított üvegpoharat hirtelen hideg vízbe mártjuk - ne próbáljuk ki!
    Lekvár- vagy kompót főzéskor azonban igyekeznünk kell: addig kell beletennünk a forró anyagot a befőttesüvegbe, amíg ki nem hűl az anyag! A háziasszonyok legnagyobb (gyakori) réme a finom befőttel együtt szétrobbant üveg! Erre a következő bevált tanácsot javasolhatom: Először csak egy-egy evőkanálnyi lekvárt tegyünk mindegyik üvegbe óvatosan, majd kb. három evőkanálnyit mindegyik üvegbe, mindegyik körben fokozatosan emelhetjük a belemert mennyiséget. Amikor már körülbelül félig vannak az üvegek, bátran telemeríthetjük az üvegeket. Arra is próbáljunk ügyelni, hogy lehetőleg ne az üveg fala mentén tegyük be a lekvárt, hanem már az üveg alján levő anyagot púpozzuk tovább. (Ezt a módszert szeretett Édesanyámtól tanultam, aki vegyészmérnök volt.)

    A hirtelen hőváltozást nem elviselő üveg veszélyességét jól mutatja a - több száz éve ismert - bolognai vagy Rupert- csepp. Erről sok érdekes leírást és videót találunk a Neten, például:
https://hu-hu.facebook.com/DiscoveryHU/posts/569294493101834 ,
http://www.youtube.com/watch?v=YBZ36F08NWY ,
http://www.termeszetvilaga.hu/fizika_eve/fizika/abonyi1.html .


    A lezárt befőtteket ki is kell nyitnunk, ami szintén megoldandó fizikai feladat. Egy érettségi példa: "Mekkora erő nyomja a befőttes üvegre a légmentesen szigetelt fedelet 20oC-os hőmérséklet mellett, ha a fedő ráhelyezésekor a hőmérséklet 100o volt? A fedő 7 cm átmérőjű, a légnyomást vegyük 100 kPa-nak."
    A helyes válasz: körülbelül 80 N ("vagyis 8kg"). A részletes megoldás a KöMaL Tesztversenyének honlapján elolvasható: http://www.komal.hu/teszt/teszt.cgi?a=ks&s=16 , 2. feladat.
    Hát ezzel az okfejtéssel most már tényleg meggyőzött kis feleségem, hogy ez valóban nehéz férfimunka, vagyis az enyém. Hogyan nyissam ki? Sok csudálatos javaslat kerint a közbeszédben és a Neten, mint például http://www.budaorsiinfo.hu/blog/2014/05/17/15-hasznos-konyhai-trukk/ ,   de én mégis szeretett Anyósom módszerét használom: erős késpengével a fémtető és az üveg közé nyúlok, és óvatosan kis levegőt engedek az üvegbe. Amikor a tető elégedetten egyet "pöffen" és kidomborodik, akkor pedig egyszerűen lecsavarom a tetőt! Hiszen a külső légnyomás szorította rá a tetőt az üvegre!

    "Kifolyhat-e egy kora reggel teletankolt autó tankjából napközben a benzin, ha az autó motorja nem járt közben?" Ugyanez a kérdés, ha véletlenül a benzineskannát töltöttük színültig, és az idő azóta erősen felmelegedett.
    Mivel a benzin hőtágulása jóval nagyobb, mint az acél lineáris hőtágulásánál, ezért a válasz sajnos IGEN. A részletes megoldás a KöMaL Tesztversenyének honlapján elolvasható: http://www.komal.hu/teszt/teszt.cgi?a=ks&s=225 , 4. feladat.   A tartályok teteje pedig bizonyos nyomás fölött már nem megbízható, tehát jobb az ilyen helyzeteket elkerülni.
    A KöMaL Tesztversenyének honlapján a következő kérdésre is megtaláljuk a választ, részletes levezetéssel együtt: "Hány kg-mal kevesebb benzin fér bele egy 60 literes acéltankba nyáron 30°C-ban, mint télen -5°C-ban? (A benzin sűrűsége -5°C-on 700 kg/m3) ? " Megoldás: http://www.komal.hu/teszt/teszt.cgi?a=ks&s=125 , 4. feladat.
    "Ha tengervizet töltesz emlékként az üvegbe, akkor csak kétharmadáig töltsd, mert a dagály délután kinyomja a dugót!"

    "Miért lehet a hűtőszekrényt nehezebben kinyitni, ha nem sokkal előbb csuktuk be?"
    Az előző nyitás után a konyha melegebb levegője áramlik a hűtőbe, ahol az ajtó zárása után gyorsan lehűl (esetleg a benne lévő pára lecsapódik), így nyomása lecsökken. Ha most akarjuk kinyitni az ajtót, akkor külső nagyobb légnyomás nyomja "befelé" az ajtót (mint a befőttesüvegre "rá" a tetőt). Ha pedig hosszabb ideig nem nyitogattuk hűtőszekrényt, akkor a nem tökéletes szigetelés miatt kívülről lassan beáramlik a nagyobb nyomású levegő a belsejébe, kiegyenlítődik a hűtőszekrényen belül és kívül levő nyomás. Ekkor már könnyedén, ellenállás nélkül tudjuk kinyitni az ajtót. Vegyük észre, hogy ekkor már a benti és kinti levegő nyomása egyenlő, de hőmérséklete nem!

    A nyomáskülönbségről jut eszembe egy hasznos tanács vészhelyzetre, ha autóval zuhanunk vízbe: az autóban belül sokáig nem maradhatunk, mert elfogy az oxigén és a réseken beszivárog a víz. Az ajtókat a külső víz nagy nyomása miatt NEM tudjuk kinyitni! (Sem mi belülről, sem a szabadító búvárok kívülről!) Tehát le kell húznunk az ablakokat és beengedni a vizet, DE egy pillanat alatt megszökik az utastér levegője, TEHÁT az ablakok lehúzása előtt nagy levegőt kell vennünk, gyorsan kell cselekednünk és gyorsan felszínre úsznunk!
(Úszni előtte tanuljunk meg, de legjobb, ha nem esünk vízbe!)
    Ez a nyomáskülönbség persze nem a hőmérséklet különbség miatt jön létre, hanem a víz nagyobb sűrűsége miatt, de nagyon veszélyes. Balesetmentes vezetést!

    A következő beugrató, kérdés szerencsére nem olyan veszélyes, mint az előző. (Nagyapám már az dédapjától hallotta ezt a találós kérdést!) "Egy pohár színültig van vízzel, egy jégkocka úszik benne. Kifolyik-e a pohárból a víz a jég elolvadása során, vagy közvetlenül utána?" Hát persze, hogy NEM!, hiszen Archimédesz törvénye szerint a jég éppen annyi (tömegű) vizet szorít ki (ugyanannyi víz helyett van "ő" a pohárban), mint amekkora a saját tömege. Mivel azonban a jég és a víz fajsúlya közel azonos, így a jég és a kiszorított víz térfogata is azonos!
    Egyszerű, mégis sokan eltévesztik. Tessék egy partin megkérdezni a sokadik kör után!

    "Ha a hőmérséklet 30oC -ot esik, akkor mennyivel lesz rövidebb egy 2m -es rézcső (például hegesztés után hagyjuk kihűlni, vagy a tűző napsütésből visszük le a pincébe szerelni) ? " A részletes számolás a KöMal Tesztversenyének honlapján megtalálható: http://www.komal.hu/teszt/teszt.cgi?a=ks&s=75 5. feladat, a végeredmény: 1 mm. Ez ugyan nem sok, de valamennyi feszültséget biztosan ébreszt a csőhálózatban!

    "Egyik pohárban 1 dl forró (kitágult), a másik pohárban 2 dl hideg (összehúzódott) folyadék van. Összeöntés és a hőmérséklet kiegyenlítődése, de nem a keverék kihűlése után, a hőtágulást is figyelembe véve mekkora lesz a keverék térfogata?" A részletes számolás ismét megtalálható a KöMal Tesztversenyének honlapján: http://www.komal.hu/teszt/teszt.cgi?a=ks&s=86 4. feladat, a végeredmény: 3 dl. Vagyis a térfogatváltozások kiegyenlítik egymást. A hétköznapokban ugyan észre sem vesszük egy lábos víz térfogatváltozását melegítéskor, de mégis megnyugtató a fenti eredmény.



23.3 Még több hőprobléma


    "Miért "hullámos" a legtöbb forgalmas autóbusz- megállóban az aszfalt? " Mert az álló, nagy autóbusz kerekei nagy nyomást fejtenek ki a nyáron meleg és kissé képlékeny aszfaltra, így az deformálódik. (Érdekes azonban, hogy a kanyarokban kevesebb deformációt látunk, pedig a kanyarokban az "egyszerű" nehézségi (gravitációs) nyomáson kívül a kanyarodó jármű kerekei és az aszfalt között súrlódási erős is hat.)


    "Az este kitöltött hideg csapvízben reggelre buborékok jelennek meg a pohár falánál. Mi van ezekben a buborékokban?" Válasz: A pohárba engedett csapvíz tartalmaz oldott gázokat (levegőt, széndioxidot, klórt, stb.). Ezeknek a gázoknak a vízben való oldhatósága a hőmérséklet növekedésével csökken. A hideg csapvíz reggelre felmelegszik a környezet hőmérsékletére, így kevesebb gázt tud feloldani. A keletkező buborékok a folyadék belsejében fölszállnak, míg az edény falán lévők könnyen megtapadnak az üvegen.





Képek forrása: Internet, a rajzokat a Szerző készítette.







←   22. Hűtés és fűtés                                         24. Egy kis kémia   →




Szalkai István
Pannon Egyetem
Matematika Tanszék
Veszprém
szalkai@almos.uni-pannon.hu
2014.12.03.