← 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.