Hőtani alapfogalmak
1. Történeti áttekintő
Első – több lapszámban feldolgozandó – témánk a hőtan, a termodinamika, amely – definíciója szerint – a fizika hőjelenségekkel foglalkozó ága. Elkövetkező cikkeinkben a 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 történelmi áttekintést azért tartjuk szükségesnek, mert – a hőismeretek fontosságára való tekintettel – segíti kiküszöbölni a fogalmi pontatlanságokat, amelyek a mai napig beleívódtak a mindennapi szóhasználatba, holott a korszerű fizikai ismereteknek némileg ellentmondanak. A hőtan akkor vált a fizika részévé, amikor a hőmérsékletet mérni tudták. Az első hőmérők az 1500-as évek végén, Galilei korában készültek el; a tudós maga is tökéletesítette működésüket. Később különböző hőmérsékleti skálát állítottak fel a fizikusok: Fahrenheit 1724-ben, Reaumur 1730-ban és Celsius 1742-ben. E mérési módok a világ különböző tájain terjedtek el. Ugyanakkor a hőmérséklet megbízható mérése lehetővé tette a kalorimetria kialakulását.
A hőmérséklet és a hőmennyiség között először Joseph Black tett különbséget 1760 körül. (Érdekességként említhetjük meg, hogy Black legkiválóbb tanítványa James Watt, a gőzgép tökéletesítője volt). Black munkásságának köszönhetjük a hőtan olyan alapvető fogalmainak megjelenését, mint a hőmennyiség, a fajhő, a latens (rejtett) hő, az olvadáshő, a párolgási hő. Black úgy vélte, hogy a hő valami folyadék, fluidum, szubsztancia, amelyet minden test tartalmaz. Ezt a hőfolyadékot „caloricum”-nak nevezte el. Ugyanakkor Black – vérbeli kísérleti fizikusként – tisztán látta, hogy a calorikumelmélet csupán hipotézis, mert hőfolyadékot önállóan senki sem tudott megfigyelni. Viszont a tudós meghatározta a caloricum (mai szóhasználattal élve a hőmennyiség) mértékegységét, a kalóriát. Ezek szerint 1 kalória (1 cal) hőmennyiség szükséges ahhoz, hogy 1 gramm víz hőmérsékletét 1 °C-kal megnöveljük.
A caloricumelmélet következtében terjedtek el az olyan ma is használatos kifejezések, mint a hőátadás, a hőfelvétel, a hőleadás, a hőközlés, a hőfelszabadulás, amit akkoriban úgy értettek, hogy valódi szubsztancia, vagyis hőfolyadék átadásáról, felvételéről, felszabadulásáról, stb. van szó. Annak ellenére, hogy ma már világosan látjuk, miszerint hőfolyadék (caloricum) nem létezik, kalorimetriai problémák esetén ma is jól tudjuk használni a régi tárgyalásmódot. Gondoljunk csak az ilyen megfogalmazásra: „a melegebb test által leadott hő megegyezik a hidegebb test által felvett hőmennyiséggel”. E leírásmódot nyugodtan használhatjuk, de közben ne felejtsük el, hogy a hőközlés mindig energiaátadást jelent.
Az eddigiekben a caloricumelmélet sikereiről szóltunk, a továbbiakban azonban a cáfolatával foglalkozunk. A gyakorlat ugyanis az elmélet elé szaladt, mert anélkül, hogy a hőmennyiség természetét ismerték volna, megvalósították a hőenergia ipari használatát, megalkották a gőzgépet. Ez már sugallta azt is, hogy valamilyen kapcsolat van a hő és a munka között. A hőfolyadék-elmélettel azonban nem tudták megmagyarázni a súrlódáskor keletkező hőt. Megjelent egy új elmélet, amelyet Benjamin Thompson, vagy más néven Rumford gróf (1753-1814) képviselt, miszerint „a hő mozgás”.
Rumford részletesen megvizsgálta az ágyúcsövek kifúrásakor fellépő hőviszonyokat és megállapította, hogy állandó dörzsöléssel egy anyagdarabból tetszőlegesen sok hőt tudunk kivenni, ha elegendően hosszú ideig dörzsöljük, vagyis a hő nem lehet anyagi szubsztancia. Rumford gróf egy ideig a bajor katonai arzenál vezetője volt, így érthető, miért az ágyúcsövek kifúrásakor fellépő súrlódást vizsgálta.
Rumford nagyon közel járt a mechanikai és hőenergia azonosságának felismeréséhez, mérési eredményeiből utólag ki lehet olvasni a későbbiekben nagy szerepet játszó ekvivalencia (egyenértékűség) számértékét is. Az akkori szóhasználat szerint „a hő mechanikai egyenértékét” végül is James Prescott Joule határozta meg, eredményét 1845-ben publikálta. A francia eredetű családból származó Joule már Angliában született, Manchesterben élt, s magát angolnak tekintette. Nevét szokás francia kiejtéssel „zsúl”-nak mondani, de helyes az angolos „dzsaul”kiejtés is. Személyében az egyik utolsó autodidakta tevékenykedett, aki érdemben hozzájárult a fizika fejlődéséhez. Súlyok segítségével lapátokkal ellátott kereket hajtott meg, amely egy vízzel telt edényben forgott. A víz közegellenállása miatt a lapátkerékre nagy súrlodásos típusú fékezőerő hatott, aminek következtében a kerék forgása és a súlyok mozgása is hamar egyenletessé vált. A súlyok helyzeti energiájának változása végül is a víz termikus energiáját növelte, amit a tudós hőmérő segítségével nyomon tudott követni. Természetesen Joule a mechanikai munkát nem joule egységekben mérte, hiszen ezt csak sokkal később nevezték el róla, s a kalóriát sem a mai értelemben használta. Eredeti megállapítása így hangzott: „1 font víz hőmérsékletét 1 Fahrenheit-fokkal 772 láb-font munkával tudjuk megnövelni.” Joul mérései óta tudjuk tehát, hogy 1 kalória 4,186 joule munkának vagy energiának felel meg, mely értéket legtöbbször 4,2 J értékre kerekíthetünk.
Előbb említett mértékegységek és jelölések képletekben és táblázatokban többször is előfordulnak majd következő írásainkban. Legközelebbi lapszámunkban a hőmérséklet, a hőtágulás és a hőmérők témakörével foglalkozunk.
2. Hőmérséklet, hőmennyiség (hő)
A hőmérséklet és hőmennyiség vagy röviden hő két teljesen különböző fizikai mennyiség, mégis rokonítható, sőt, összetéveszthető fogalmak. Talán ezért okoz néha fogalmi zavart a szóhasználatban. Próbáljuk meg külön, de mégis „fizikai” egységben értelmezni és tárgyalni e két fogalmat.
2.1. Hőmérséklet
A hőmérséklet az egyik legismertebb fizikai fogalom. Meghatározása mégis nehéz, bár mindannyian tudjuk, mi a hideg és a mi a meleg, hiszen bőrünk érző idegvégződéseivel érzékelni tudjuk környezetünk, illetve a bőrünkkel érintkező tárgyak hőmérsékletét. Kezdetben elégedjünk meg a következő (meglehetősen furcsa) meghatározással: a hőmérséklet az, amit a hőmérő mér. Minden hőmérőben a külső meleg vagy hideg hatására olyan fizikai változások következnek be, amelyeket jól tudunk érzékelni, és amelyek egyértelmű kapcsolatban állnak a hőmérséklettel. Magyarországon, sok más országhoz hasonlóan a hőmérséklet mérésére a Celsius-skála terjedt el a legjobban, amely megalkotójáról Anders Celsius svéd tudósról (1701-1744) kapta a nevét.
Az egyik hőmérsékleti alappont az olvadó jég hőmérséklete, míg a másik a forrásban lévő tiszta víz normál légkörnyi nyomáson (760 torr) mérhető hőmérséklete. E két alappont között a skálát száz osztásrészre bontották, az osztásrész egységnyi mértéke a fok. Az olvadó jég hőmérsékletét 0 °C -nak nevezzük, a forrásban lévő víz hőmérsékletét 100 °C-nak. A skálát azért lehet egyenlő osztásrészre bontani, mert az adott hőmérőre jellemző fizikai változás egyenesen arányos (lineáris) a hőmérsékletváltozással. Megtehetjük továbbá, hogy a skálabeosztást 0 °C alá és 100 °C fölé is kiterjesztjük, ha ezt a hőmérő működési elve lehetővé teszi. Ha e tartománytól el akarunk térni, akkor egymást részben átfedő skálájú hőmérőket kell használnunk, miközben ezek számára új alappontokat állapítunk meg.
A Kelvin-skálán a jégpontban 273K, illetve a forrpontban 373K a hőmérséklet. A kettő közötti távolság itt is száz egyenlő részre van osztva. Így a két skála közötti átszámítás, ha a Kelvin fokban mért hőmérsékletet T-vel jelöljük:
T = 273 + t (ahol t a Celsius fokban mért hőmérséklet.)
0 K foknál van az abszolút nulla pont. A Kelvin-skálát abszolút skálának is nevezik. A Fahrenheit-skálánál a jégpont 32 °F, a forrápont 212 °F. A kettő közötti távolság 180 egyenlő részre van osztva. Az angolszász országokban a Fahrenheit-skála párjaként a Rankine-skálát használják, melynek null pontja az abszolút nulla Kelvin, beosztása megegyezik a Fahrenheit-skála osztásával.
A Reaumur-skálát a teljesség kedvéért említjük. A jégpontnál 0 °R, míg a forrápontnál 80 °Ra hőmérséklet. A kettő közötti távolság 80 egyenlő részre van osztva.
2.2. Hőmennyiség (hő)
Ha két különböző hőmérsékletű testet összeérintünk, elegendő idő után azt tapasztaljuk, hogy hőmérsékletük megegyezik. Ezt úgy fejezzük ki, hogy termikus egyensúly jött létre köztük. Termikus egyensúlyban lévő testek hőmérséklete megegyezik.
Hogyan jön létre a termikus egyensúly? Mi az a „valami” amit a melegebb test átad a hidegebbnek? Erről így beszélhetünk: A melegebb testből hő áramlott át a hidegebbe. Hőcsere történt, tehát a melegebb test hőt adott le, a hidegebb hőt vett fel. Azt is mondhatjuk, hőközlés történt. Mit jelent ez a fogalom? Miben különbözik egymástól a hő és a hőmérséklet?
Közelebb jutunk a fenti kérdések megválaszolásához, ha arra gondolunk, hogy a melegítésen kívül más módon is lehet növelni a hőmérsékletet. De említsünk egy másik szemléltető jelenséget. A meteor, amely bekerül a Föld légkörébe, súrlódási erők munkája folytán fölmelegszik, megolvad, sőt el is ég, mielőtt elérné a Föld felszínét. Megállapíthatjuk, hogy a test felmelegedését a súrlódási munka okozta. Közvetlenül érezhetjük a súrlódási munka melegítő hatását, ha két tenyerünket összedörzsöljük. Látjuk tehát, hogy a hő, a munka és az energia összetartozó fogalmak.
Ha az energiát melegítésre használjuk, akkor hőközlésről beszélünk, amely az energiaátadás egyik formája. A tüzelőanyagok égése egyszerű és összetett kémiai reakciók folyamata, melynek bennünket legjobban érintő eredménye a hőfejlesztés. Az égés és hőfejlesztés technikai kérdéseinek tárgyalása csak tágabb értelemben kapcsolódik a műszaki hőtan tárgyköréhez, ezért ezzel bővebben egy külön fejezetben foglalkozunk.
Ha egy testet melegítünk, a test energiája megnő, mert alkotó atomjaik, illetve molekuláik állandóan rendszertelen mozgásban vannak, magasabb hőmérsékleten mozgásuk gyorsabb, mozgási energiájuk nagyobb. Szokás ezt az energiát termikus energiának vagy hőenergiának, újabban belső energiának nevezni. A belső szó itt arra utal, hogy a test nem külsőleg látható módon (mozgás, helyzetváltoztatás, stb.) rendelkezik energiával, hanem a testet alkotó részecskék belsőleg, egymás között megosztva hordozzák ezt az energiát. A különböző hőmérsékletű testek érintkezése során lejátszódó energiaátadási folyamat a hőközlés.
A hőmennyiség az átadott energia nagyságát jelenti, jele: Q. A munkával analóg (azonos) fogalom; a munkavégzés során átadott vagy felvett energiát a munka, a hőfolyamat orán felvett energiát a hőmennyiség méri. Az energia egy test vagy egy rendszer állapotát jellemzi, míg a hő és a munka az energia változásának folyamatát írja le. Eredeti kérdésünkhöz visszatérve, nevezetesen: miben különbözik, és mi kapcsolja össze a hő és a hőmérséklet fogalmát? A hő mértékegysége az energiához és a munkához hasonlóan a Joule (J). Világosan látszik, hogy a hő és a hőmérséklet különböző fogalmak. A hőközlés folyamatot ír le, a hőmérséklet állapotot jellemez. Mértékegységeik különbözőek. A hőmennyiséget nem magával a hőmérséklettel, hanem a hőmérséklet gváltozásával lehet kapcsolatba hozni. Azt kell vizsgálnunk, hogy milyen mértékű hőközlés szükséges ahhoz, hogy egy anyag hőmérsékletét megemeljük. A méréseket a legpontosabban folyadékokban, elektromos fűtőszálak segítségével hajthatjuk végre, mert így minimálisra csökkenthetők a veszteségek. Ilyenkor a magas hőmérsékletű fűtőszál hőt közöl a folyadékkal, viszont a fűtőszál energiáját jól mérhető módon elektromos energiából szerzi, tehát jogos azt mondanunk, hogy a felhasznált elektromos energia megegyezik a hőmennyiséggel, amely a folyadékot melegíti
2. ábra: Testek felmelegítéséhez szükséges hőmennyiség meghatározására alkalmas
mérőberendezés.
A mérések azt mutatják, hogy a melegítéshez szükséges Q hő egyenesen arányos az anyag mennyiségével (tömegével) és a hőmérséklet Δ T változásával. Ha ugyanolyan anyagi minőségű testeket vizsgálunk, akkor a Q÷(m*ΔT) hányados minden esetben nagy pontossággal állandó lesz. Különböző anyagok esetén az állandó más és más értékű. Ezt az arányt fajlagos hőkapacitásnak vagy röviden fajhőnek nevezzük. Jelölése c. Fenti összefüggésből következően egy test felmelegítéséhez szükséges hőmennyiséget így számítjuk ki:
Q= c*m*ΔT
A fajhő mértékegysége: J÷kg*°C vagy J÷kg*K
3. 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.
3. 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 egoldásaira. 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 tengelre helyezhető, majd a lehűlése során létrejön a szoros illesztés tengely és kerék között. A fémek eltérő méretű hőtágulásán alapszik az ikerfém, idegen nevén bimetall-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.
3. 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.
3. 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. 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.
4. Hőmérők
A testek hőtágulásának legfontosabb gyakorlati felhasználása a hőmérőkészítés.
4. 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.
4. 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).
4. 3. Bimetál-hőmérők
Ezek működését a 3. 1. fejezetben említettük. Felhasználási területük és gyakorlati alkalmazásuk széles körű. Hátrányuk, hogy szűk hőtartományban működnek
4. 4. Elektronikus hőmérők
Általában -10 °C és 100 °C hőmérséklet-határok között alkalmazzuk. Kijelzésük digitális, nagypontosságú hőmérsékletek meghatározására alkalmas.
4.5. 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.
5. Hőközlés, hőterjedés
A hőközlés folyamatát hőterjedésnek nevezzük. A hőterjedés három különböző fizikai folyamattal valósulhat meg: hőáramlással, hővezetéssel és hősugárzással. A hőterjedésben általában mindhárom mechanizmus egyszerre vesz részt, azonban legtöbbször valamelyik folyamat meghatározó szerepet játszik a többihez képest.
5.1. Hőáramlás (kovekció)
A hőáramláskor valamennyi anyag ténylegesen elmozdul a rendszer melegebb tartományából a hidegebb területek felé. A hőterjedés ekkor tehát valóságos anyagáramlással jár. Mivel a hőáramlás megkívánja a közeg mozgékonyságát, mobilitását, így csak folyadékokban és gázokban valósulhat meg. Szilárd anyagokban hőáramlás nem történhet. Ha az anyag mozgása a hőtágulási hatásokra fellépő felhajtóerő következménye, ezt természetes hőáramlásnak (gravitációs áramlásnak) nevezzük. A hőáramlás gravitációs térben azért következik be, mert a hőmérséklet-különbség következtében sűrűség-különbség jön létre. A nagyobb sűrűségű anyag lefelé, a kisebb sűrűségű pedig felfelé törekszik; ezt hívjuk természetes hőáramlásnak. Amennyiben az anyagot keveréssel, szivattyúzással stb. mozgatjuk, mesterséges hőáramlásról beszélünk.
A természetes hőáramlást családi házak központi fűtésére is használhatjuk víz vagy légfűtő-rendszer alkalmazásával. A hőáramlás ilyenkor a fűtőtesteken (radiátorokon) áramoltatja át a meleg vizet, vagy légvezető csatornákon a levegőt, amely lehűlve tér vissza a melegítő egységbe. Az olyan rendszereket, amelyekben a keringés a természetes hőáramlás hatására történik, gravitációs keringető rendszernek nevezzük, legyen szó víz- vagy akár légfűtő-technológiáról. A gravitációs keringetés főleg a vízfűtő rendszerben túlságosan lassú áramlást biztosít, így a szükséges fűtőhatás eléréséhez nagy átmérőjű csőrendszert kellene alkalmazni, mely költséges megoldás. Keringető szivattyú alkalmazásával költségkímélő és hatékonyabb fűtési módot alkalmazhatunk. A mesterséges áramoltatással a házak hőmérsékletének automatikus szabályozása is könnyebben megoldható. A mesterségesen áramoltatott légfűtő-rendszer (a hőforrás lehet akár kandalló vagy kazán) előnyei közé tartozik, hogy egy hideg szobát a befújt levegő nagyon hamar fel tud melegíteni, vagy nagy nyári melegben a házat hűteni is képes a pince hűvösebb levegőjével.
A levegő hőáramlása a szabad természetben is gyakran megfigyelhető, különösen napsütéses időben. Ilyenkor a talaj a napsugarak hatására erősen felmelegszik, hőt adva át a vele érintkező levegőnek. Ez utóbbi sűrűsége csökken és a meleg levegő felemelkedik. Helyére a magasból hideg levegő érkezik, amely fölmelegedvén újra fölemelkedik. A körforgás folytatódik. A levegő felfelé áramlása nagyon erős lehet, s főként hegyvidékeken okozhat különleges légköri jelenségeket. E felfelé törő légáramlatokat termikeknek nevezzük, amelyek sok esetben a kémények funkcionális zavarait idézik elő. A természetes hőáramlás nemcsak áramlásra képes közeget igényel, hanem a gravitáció jelenlétét is megköveteli, továbbá a sűrűség megfelelő változását is a hőmérséklet függvényében. A hőáramlás hatóereje ugyanis a felhajtóerő, amely csak gravitációs közegben és sűrűség-különbségek meglétekor lép fel. Érdekességképpen említjük, hogy az űrhajókban súlytalanság esetén nincs felhajtóerő, tehát nem jöhet létre természetes hőáramlás sem. Ilyen helyzetben az űrhajóban meggyújtott gyertya lángja furcsa gömbalakot venne fel. Abszurd, de igaz feltételezés, hogy a kandalló lángja egy izzó búrához hasonlítana az űrhajóban.
A hőáramlást idegen szóval konvekciónak nevezzük. E kifejezés általánosítva azt jelenti, hogy valamilyen fizikai mennyiség (jelen esetben a hő) áramlása anyagáramlással jár együtt. A konvekciós áramlás lehet teljesen szabálytalan, esetenként azonban több-kevesebb szabályosságot is mutathat. Minél kisebb az áramlásra biztosított tér, annál szabályosabbá válik a konvekciós mozgás. A hagyományos vaskályhák biztosította hő konvekciós mozgása szabálytalan, mivel a teljes szoba térfogata képezi a konvekciós teret. A légfűtő kandallók esetében a motorikus tér szűk kiképzése biztosítja az intenzív és szabályos hőáramlást. A légfűtő kandalló ezért hatékonyabb és gazdaságosabb a hagyományos vaskályhánál.
5.2 Hővezetés (kondukció)
Hővezetéskor a termikus energia az atomok vagy molekulák kölcsönhatásának segítségével terjed, anélkül, hogy az anyag egyes részei makroszkopikus mértékben elmozdulnának. A hővezetés tipikusan a szilárd anyagokra jellemző, amelyekben a részecskék egyensúlyi helyük körül rezegnek. A meghatározásban az is benne van, hogy az anyag atomjai mikroszkopikus mozgást viszont végezhetnek. Hiszen a hővezetés magyarázata éppen az atomok mikroszkopikus mozgásán alapul. A mikroszkopikus mérték most az atomok, molekulák méretét jelenti, következésképpen az elmozdulás is nagyon kicsi.
A hővezetés mikroszkopikus magyarázatához a következőket kell tudnunk, illetve felelevenítenünk. Bármilyen anyag atomjai véletlenszerű, szabálytalan mozgást végeznek, amelynek hevessége a hőmérséklet emelkedésével növekszik. Kristályos, szilád anyagokban (a legtöbb szilárd anyag kristályos) az atomok átlagos helye rögzített, hőmozgást csak átlagos helyük körül végezhetnek, amely mozgás szabálytalan, változó rezgőmozgás különféle irányban. A rezgések amplitúdója a hőmérséklet emelkedésével nő. A kristályrácsban lévő atomok közvetlen szomszédjaikkal kölcsönhatásban vannak, amit úgy modellezhetünk, mintha piciny rugókkal lennének egymáshoz kötve. Ha a kristály egyik oldalát (azaz a szilárd testet) melegíteni kezdjük, akkor ott az atomok rezgése felerősödik. Ezek a nagy energiájú rezgések viszont a kölcsönhatás következtében (képzeletbeli összekötő rugók) továbbterjednek a szilárd testben anélkül, hogy az egyes atomok elhagynák átlagos egyensúlyi helyüket. Tehát: a hővezetés az atomok rezgési állapotának továbbterjedése anélkül, hogy a részecskék makroszkopikus mozgást végeznének.
A szilárd anyagok hővezetési szempontból nagymértékben különböznek egymástól. A legjobb hővezető képességű anyag több mint tízezerszer gyorsabban vezeti a hőt, mint a legjobb hőszigetelő. Az előbb szemléltetett rugókkal összekötött kristálymodell nem magyaráz meg ekkora különbséget, a valódi helyzet ennél jóval bonyolultabb, ugyanis a hővezetésben fontos szerepet játszanak a fémekben megtalálható szabad elektronok. Az egyszerűség kedvéért megjegyezzük, hogy az elektromosan jól vezető anyagok jó hővezetők, míg az elektromos szempontból szigetelőként viselkedő anyagok jó hőszigetelők.
5.3. Hősugárzás
A Nap és a Föld közötti hatalmas űr csaknem teljesen üres, itt majdnem tökéletes vákuum uralkodik. A napfény mégis eljut hozzánk, energiát, életet ad a Földnek. A világűr távolabbi részei még üresebbek, a csillagok fénye, a még nagyobb távolság ellenére is ideérnek. Nehéz először elfogadni, hogy a fény minden hordozó közeg nélkül terjed, mert minden más esetben valamilyen megfogható anyagot találunk, ha az energiaterjedés részleteit kutatjuk. Bár nem tudjuk megragadni és felmutatni, mint egy anyagi részecskét, beláthatjuk, hogy a fény is szállít energiát. Érezzük hatását; átalakíthatjuk, hasznosíthatjuk ezt az energiát. Az energiaterjedésnek ezt a formáját sugárzásnak nevezzük.
A hősugárzás általánosságban az elektromágneses hullámok teljes színképét jelenti, bár gyakran leszűkítik a környezetünkben lévő meleg tárgyak (például a kályha) által kisugárzott tartományra, amely főként a legnagyobb hullámhosszúságú látható fénynél, a vörösnél is nagyobb hullámhosszak tartományára esik. Ezt infravörös (vörösen túli) sugaraknak nevezzük. Hősugárzáskor az energiaterjedésnek nincs szüksége hordozó közegre, légüres térben is terjed. Sokféle anyagi közegen többé-kevésbé át tud hatolni, azonban különböző mértékben el is nyelődik. Minden test képes hősugárzás formájában energiát leadni, aminek mértéke a test hőmérsékletétől erősen függ. Magasabb hőmérsékleten a testek által kibocsátott hősugárzás nagyobb.
A testek azonban nemcsak kisugároznak energiát, hanem el is nyelnek. Alapvető természeti törvény, hogy ilyenkor hőmérsékleti egyensúly áll be, ami azt jelenti, hogy a kisugárzott energia megegyezik a felvett vagy az elnyelt energiával, vagyis a testek hőmérséklete meg fog egyezni. Az egyensúly beállta után természetesen a közös hőmérsékleten is fognak sugározni és elnyelni is, azonban ekkor az időegységenként kisugárzott energiájuknak meg kell egyeznie azt időegység alatt elnyelt energiával. Egyszerűen fogalmazva, amit az egyik kisugároz, azt a másiknak el kell nyelnie. Ezek a megfontolások arra a felismerésre vezetnek, hogy a testek kisugárzási képessége arányos elnyelő képességükkel, vagyis ha egy test sok hőt tud elnyelni, akkor sokat is sugároz ki. Például a sötét felszínű testek jó hőelnyelők, de erős kisugárzók is. A fényesre tükrösített felületek elnyelő képessége majdnem nulla.
Az abszolút fekete test sugárzása: A legjobb sugárzó az úgynevezett „abszolút fekete test”, amelyre jellemző, hogy a ráeső sugárzást 100 százalékosan elnyeli, abszorbeálja. Ilyen ideális test a valóságban nincs. Jól közelíti azonban az abszolút fekete testet a fekete színű érdes felület. Minél érdesebb a felület, annál hangsúlyosabb az ide-odaverődő sugarak elnyelődése. A gyakorlatban a vasöntvény felülete közelíti meg leginkább az abszolút fekete test tulajdonságait. Nem véletlen, hogy a legjobb hatékonyságú kandalló-tűzterek vagy kályhák vasöntvényből készülnek. Ezek nemcsak tartósságuk, de hőhasznosításuk révén is a legkeresettebb fűtéstechnikai termékek.
6. Égés
Az égés vegyi folyamat, amelyben a különböző halmazállapotú tüzelőanyag éghető részecskéi hőfejlődés közben a levegő oxigénjével egyesülnek. Az égés általában a rendszer egy pontjában jön létre, majd igen nagy sebességgel kiterjed a teljes égő térre. A természetben előforduló tüzelőanyagok éghető részének legfontosabb alkotói a szén, a hidrogén, a kén és néhány kis mennyiségben előforduló egyéb éghető elem.
A szilárd szén (carbon) oxidálódás közben magas hőmérsékleten izzik, a gázok és gőzök lánggal égnek. Érdekes és fontos megállapítás, melyet mindannyiunknak tudni kell, hogy a szilárd és cseppfolyós tüzelőanyagok égésénél a lángképződés onnan ered, hogy azokból a gyulladáspontra való felhevülés folyamán éghető gázok és gőzök távoznak. Ez utóbbiak oxidációja, vagyis égése eredményezi a lángot. Tehát például a fa azért ég lánggal, mert magas hőmérsékletre hevítve (gyulladás- vagy lobbanáspont) belőle éghető gázok és gőzök szabadulnak fel, amelyek elégése adja a lángeffektust.
A tüzelőanyagok eltérő mennyiségben meddő (nem éghető) anyagokat is tartalmaznak. Közülük a legfontosabbak a víz, a nitrogén, a széndioxid és a hamu alkotórészei (karbonátok, foszfátok, oxidok, szulfátok).
6.1. Tüzelőanyagok
Eredetük alapján természetes és mesterséges tüzelőanyagokat különböztetünk meg. Halmazállapotuk szerint pedig szilárd, cseppfolyós és gáznemű tüzelőanyagokat.
6.1.1. Szilárd tüzelőanyagok
A tüzelés módját igen sok tényező figyelembevételével kell megválasztani. Közülük a legfontosabb a tüzelőanyag jellemzői, az előkészítés és a tárolás módja, a tüzelőberendezés felépítése és teljesítménye, a kiszolgálás módja, stb. Ezek többnyire természetben előforduló anyagok.
A fa frissen vágott állapotban 40-60 %, légszáraz állapotban 10-15 % vizet tartalmaz. Az alkotórészei szerves és szervetlen anyagok. A vízmentes fa szerves anyaga a cellulóz, szervetlen anyaga a kálium, foszfor, mész és a vas. A fa összetétele: szén 40-45 %, hidrogén 4-7 %, oxigén 32-36 %, nitrogén 0,5-1 %, egyéb 2-3 %. Figyelemre méltó a fa magas oxigéntartalma. Ezzel magyarázható, hogy a fa léghiányban is képes égni a belőle fölszabaduló oxigén hatására.
Alábbi táblázatunk összesíti a különböző faféleségek jellemző adatait.
| Faféleség | Sűrűség kg/m3 | Fűtőérték MJ/kg | Gyulladási hőmérséklet °C |
| Nyárfa | 370 | 13,4 | 200~220 |
| Fenyőfa | 400 | 13,8 | 230~250 |
| Gyümölcsfa | 480 | 14,1 | 250~280 |
| Nyírfa | 480 | 14,2 | 210~220 |
| Égerfa | 480 | 14,8 | 220~230 |
| Bükkfa | 510 | 14,8 | 250~280 |
| Akácfa | 520 | 14,9 | 260~290 |
| Tölgyfa | 520 | 16,5 | 280~310 |
A tőzeg a növényi anyagok elszenesedésének kezdeti képződménye, laza szerkezetű. Széntartalma kicsi 35-40 %, a hidrogén 4-6 %, az oxigén 20-25 %, a víztartalom 15-30 %, egyéb 4-10 %.
A faszén ként nem tartalmaz, füstmentesen ég, s a fa száraz lepárlásával, illetve gázosításával nyerik (a fát levegőtől elzárt térben hevítik).
A lignit a szénféleségek legfiatalabb képződménye. Átlagos összetétele: szén 48-52 %, hidrogén 3-5 %, kén 0,5-1 %, oxigén 15-18 %, nitrogén 0,5-1 %, nedvesség 15-25 %, egyéb 6-12 %.
A barnaszén illóanyag tartalma kb. 30 %. Összetétele: szén 50-60 %, hidrogén 3-5 %, kén 1-3 %, oxigén 10-17 %, nitrogén 0,5-1 %, nedvesség 8-18 %, egyéb 8-12 %. A feketeszén vagy más néven kőszén összetétele: szén 75-85 %, hidrogén 1-5 %, kén 0,5-1 %, oxigén 2-9 %, nitrogén 0,5-1 %, víz 1-3 %, egyéb 6-10 %. A fűtési célra számításba vehető mezőgazdasági melléktermékek (növényi maradványok) vagy mezőgazdasági főtermékek (energiafű, stb.) eredetüket és jellemzőiket tekintve igen széles skálán mozognak. Közülük a szőlő és gyümölcsültetvények nyesedékei – tüzeléstechnikai jellemzőiket tekintve – a fa paramétereihez közel állóak. A szántóföldi növénytermesztés anyagai közül a legnagyobb tömegben a kukoricaszár áll rendelkezésre. Igen kedvező a különböző kalászos gabonák szalmája hőfejlesztésre.
6.1.2. Folyékony halmazállapotú tüzelőanyagok
A folyékony tüzelőanyagok általában kolajszármazékok, de használják még a szén lepárlásával előállított kő- és barnaszénkátrány-olajokat, valamint mezőgazdasági eredetű anyagokból készült alkoholokat és növényi olajokat. Az olajok legfontosabb jellemzője a viszkozitás (sűrűség), a kéntartalom és a fűtőérték. Az olajokat két nagy csoportra szokás osztani: tüzelőolajak, melyek hidegen, illetve fűtőolajak, melyek csak melegítve kezelhetők. Előbbiek fűtőértéke 42 MJ/kg.
A növényi olajok széles skálája lényegében két növényre szűkíthető: a repcére és a napraforgóra.
6.1.3. Gáznemű tüzelőanyagok
A legáltalánosabban használt tüzelőanyag az országos hálózatra vagy a helyi lelőhelyre alapozott földgáz. A földgáz elsősorban kis szénatom-számú szénhidrogénekből áll, de rendszerint a lelőhelyi adottságoktól függő mértékben különböző nem éghető gázokat is tartalmaz. Fűtőértéke 34MJ/m3 körül meghatározható, mely elsősorban attól függ, hogy milyen arányban tartalmazza ezeket a nem éghető gázokat (inert-tartalom). Nem véletlenül számolják a gázszolgáltatók MJ/m3-ben a számlázott gázfogyasztás értékét. Ezt gázszámláinkon tapasztalhatjuk.
A propán-bután gáz a földgázból leválasztott természetes gáz. Előnye, hogy a környezeti hőmérsékleten – nem túl nagy nyomáson – cseppfolyósítható. Fűtőértéke 100 MJ/m3. A generátorgáz szén, fa és újabban mezőgazdasági melléktermékek elgázosításával nyert légnemű tüzelőanyag. Fűtőértéke 5-6 MJ/m3.
A biogáz szerves anyagok, elsősorban mezőgazdasági hulladékok baktériumos erjesztése során keletkező metán és széndioxid gázelegy. Fűtőértéke: 21-25 MJ/m3.
6.2. Égési hőmérsékletek
Az égési hőmérséklet alatt azt a hőfokszintet értjük, amelyre a felszabaduló hő hatására az égéstermék felmelegszik. A felszabaduló hő egy része a gyakorlatban különböző veszteségek formájában távozik a rendszerből, vagy más célra fordítódik. Ez a hőveszteség.
Tökéletes égésről beszélünk, ha a tüzelőanyag összes éghető alkotóeleme elég, az égéshez szükséges levegőmennyiség rendelkezésre áll és a fűtőanyag teljes fűtőértéke felszabadul. A tökéletes égéshez elméletileg szükséges levegőmennyiség m3-ben 1 kg tüzelőanyagra vonatkoztatva fánál 4,2, tőzegnél 3,8, brikettnél 5,7, barnaszénnél 6,3. A gyakorlatban az elméletileg szükségesnél több levegőt kell a tűztérbe juttatni, ezt légfeleslegnek nevezzük. A viszonyszámot, amely megmutatja, hogy a tűztérbe bevezetett levegőmennyiség hányszorosa az elméletileg szükségesnek, légviszony-tényezőnek nevezzük. Fatüzelésű kályhák vagy kandallók esetében ennek értéke 1,5-2. Vagyis a fent felsorolt elméleti értékek 1,5-2-szeresével kell számolnunk. Például: egy 10 kW teljesítményű fatüzelésű kandalló óránkénti levegőigénye legalább 60 m3/óra.
Fontos megjegyezni, hogy a tökéletes égés alapfeltétele a tűzkamra megfelelő hőmérséklete (mindenképpen a gyulladási hőmérséklet fölött), a tüzelőanyag jó minősége (szárított keményfa) és az égéshez szükséges levegőmennyiség biztosítása. Bármelyik előbbi tényező hiánya a tüzelőberendezés teljesítményének, élettartamának csökkenéséhez és a hatásfok romlásához vezet.
Gondolatok a hőtan és a természet furcsaságairól
Tudják, hogy a sört miért kell hidegen inni? Nos, nemcsak azért, mert így esik jól. Ez is fontos, de ami igazán hasznos: a nedű elfogyasztott energiatartalma így nem hizlal, mivel ezt az energiát szervezetünk elhasználja, hogy felmelegítse saját testhőmérsékletére. Alább hasonló példákkal szemléltetjük a természetben tapasztalt furcsaságokat, helyenként nyitott kérdésekkel buzdítva az olvasókat gondolkodásra és a helyes válaszok megtalálására. A mindennapi életben lépten-nyomon találkozunk olyan jelenségekkel, amelyek a hőmérséklettel, a hővel, az energiával, a párolgással, az olvadással, illetve a hővezetéssel kapcsolatosak. Hogy életünkben milyen nagy szerepe van a hőnek és a hőmérsékletnek, csak néhány példát említünk.
Hosszabb napozás után tapintással is jól érzékelhető, hogy bőrünk az elnyelt napsugarak hatására felmelegedett, testünk felszíni hőmérséklete megnőtt. Ilyenkor célszerű vízbe mártózni. A víz először nagyon hidegnek tűnik, majd néhány perc után kellemesnek érezzük hőmérsékletét. Nem a medencevize melegedett fel eközben, hanem testünk szokott hozz a friss vízhez. A vízből kilépve – különösen, ha árnyékba megyünk, vagy ha szél fúj – meglepődve vehetjük észre, hogy a kánikula ellenére fázunk. Ez addig tart, amíg bőrünk meg nem szárad. Miért okoz a bőrünkön lévő víz ilyen érzetet, holott annak hőmérséklete legalább megegyezik testünk hőmérsékletével? A magyarázat a hőtanban keresendő, nevezetesen: a párolgás hőt von el.
A víz a fajhő szempontjából is különleges tulajdonságú, ugyanis a víz fajhője kiemelkedően nagy értékű. (Kiváló hőtároló). Ennek az a következménye, hogy a tengerek és a nagy tavak hatalmas mennyiségű termikus energiát képesek tárolni, ami az időjárásra is jelentős hatással van. Ezért a tengerek közelében enyhébbek a telek, mert a tenger télen fűti a környezetet. Nyáron viszont a felmelegedés mérsékeltebb, mert a tengerek ilyenkor sok hőt nyelnek el, tehát hűtik környezetüket. A levegő természetes hőáramlása a szabadban gyakran különleges jelenségeket kelt. Napsütéses időben a talaj a sugárzó hő hatására felmelegszik, majd ez a vele érintkező levegőt melegíti. A levegő sűrűsége ezáltal csökken, és felfelé emelkedik. Helyére a magasból hideg levegő érkezik, amely aztán szintén felmelegszik, és a körforgás folytatódik. Főként hegyvidékeken a domborzat határozza meg az áramlás helyét és formáját, ami gondot okozhat a tüzelőkészülékek (kályhák, kandallók) üzemeltetésekor. E felfelé törő légáramlatokat termikeknek nevezzük, melyekről már tettünk említést előző cikkeinkben. A vitorlázó és a sárkányrepülők használják fel a nagy magasságba emelkedéskor. Ha sík vidék felett repülnek, és termiket keresnek – mert veszítettek magasságukból -, akkor igyekeznek friss szántást találni, mert ott a sötét talaj erősebben elnyeli a napfényt, így jobban felmelegszik a levegő és valószínűleg erős felszálló légáramlatra – termikre – számíthatnak.
A hőáramlás érdekes példáját mutatják az úgynevezett parti szelek, amelyeket tengerek, nagyobb tavak – így a Balaton – partján is megfigyelhetjük. A víz a nagy fajhője miatt nehezebben melegszik fel, mint a szárazföld. (Ki hitte volna?) Ezért forró, napsütéses napokon napközben erős a szárazföldről felszálló légáramlat, amelyet a víz felől érkező hideg levegő pótol. Tehát a part közelében, napközben a víz felől fúj a szél. Éjszaka viszont megfordul a széljárás, mert a szárazföld gyorsabban kihűl, mint a nagy fajhőjű víz. Ezért a szél iránya megfordul. A parti szelek szinte állandóak. Kivételt képez ez alól a hajnali napfelkelte és az esti napnyugta táján egy-egy rövid időszak, amikor teljes szélcsend alakulhat ki. Vajon miért?
A nagyvárosok életét néha hosszú napokra megnehezíti, kellemetlenné, egészségtelenné teszi egy különös légköri jelenség, az inverzió. A szó megfordítottat jelent, s arra utal, hogy néha a hideg és a meleg légtömegek nem a szokásos módon, hanem megfordítva helyezkednek el. Vagyis alulra kerül a hideg és felülre a meleg légréteg. (Normális esetben a levegő hőmérséklete néhány kilométeres magasságig fokozatosan csökken). A nagyvárosok felett a felülre került meleg légréteg általában eléggé szennyezett, ezért elég sokat elnyel a napsugárzásból, vagyis tovább melegszik, miközben az alsó hideg réteg nem tud felmelegedni, sokáig nagyobb sűrűségű marad a felső rétegnél. Nem alakul ki hőáramlás. Ezért a kémények füstje, a kipufogógáz és minden egyéb légszennyezés a felszín közelében marad, feldúsul. Ilyenkor rendelnek el szmogriadót.
A természetes és szabályos hőáramlást – vagy ahogyan már korábbi cikkeinkben említettük, a konvekciót – egyszerű kísérlettel tapasztalhatjuk. Egy égő gyertyát helyezzünk egy mély üvegpohárba. A gyertya rövid idő múlva elalszik, mert a lánghoz nem jut elegendő oxigén. Ha az üvegpohár közepébe függőlegesen egy fémlapot lógatunk a láng csúcsáig, akkor a gyertya tovább ég. Mi lehet ennek az oka? A lemez egyik oldalán a meleg levegő felszállhat, míg a másik oldalon az oxigénnel teli hideg levegő lefelé áramlik, biztosítva a gyertya égéséhez szükséges oxigént. Így alakítottunk ki mesterségesen egy konvekciós teret, tudományos megfogalmazással konvekciós cellát.
Vajon miért nem alszik ki a parázs a teljesen lezárt csempekályha tűzterében? Hasonló cellákat képezünk ki a hypokaust rendszerű kályhákban. Minél szűkebbek a konvekciós cellák, annál szabályosabbak a légáram vonalai. Laboratóriumi méretekben, ha elkészítünk egy 10 cm hosszú, 5 cm magas és 0,5 cm széles üvegtartályt, melybe színezett levegőt zárunk, és ezt alsó felületén melegítjük, akkor jól megfigyelhető ellipszis formájú, függőleges irányban nyújtott, egymással érintkező cellák jelennek meg.
Mint ahogyan látjuk, a hőáramlás iránya mindig ellentétes, ami azt jelenti, hogy az egymással érintkező tartományban vagy felfele mozog a felmelegedett gáz, vagy a tartály tetején lehűlt gáz lefelé halad. Hasonló cellákat kell elképzelnünk fűtött lakásunk belső terében is, csak sokkal szabálytalanabb formában. A légfűtéses kandallók tulajdonképpen egy ilyen nagyobb konvekciós cella mesterséges változatai. Többé-kevésbé ilyen állandósult konvekciós cellák jönnek létre a Nap anyagát alkotó izzó gázban is. A Nap felszíni hőmérséklete 6000 K, míg középpontjának hőmérséklete 15 millió K, vagyis hatalmas hőmérsékletkülönbség van a felszín és a mély között. Ez konvekciós hőáramokat hoz létre. A felfelé mozgó anyagáramlás olyan erős is lehet, hogy jelentős mennyiségű anyag hagyja el időnként a Nap felszínét, amelynek egy része később visszahullik a Napba, más része viszont a világűrbe távozik – ezt nevezzük napszélnek, amelynek kis része a Föld közelébe is eljut.
A föld belsejében is léteznek állandósult konvekciós cellák, melyek élettartama nagyon hosszú, s mozgásuk nagyon lassú. A föld mélyén működő konvekciós cellák feltételezése aránylag korai földtudományi elmélet és az úgynevezett lemeztektonika tárgykörébe tartozik. Ezen elmélet szerint a szilárd földkéreg és az alatta lévő földköpeny legfelső része alkotja a Föld átlagosan 100 kilométer vastagságú külső szilárd burkát, melyet litoszférának nevezünk. Ez alatt a Föld anyaga olvadt állapotú. A konvekciós cellák ebben az olvadt rétegben találhatóak, 100-600 kilométeres mélységben. Alábbi ábránk szerint az itt kialakult olvadt massza cellikus mozgása okozza a kontinensek távolodását és közeledését, a földkéreg domborzatának változását és a földrengéseket.
Elméletben a tökéletes hővezető végtelen nagy hővezetésű tényezőjű, míg a tökéletes szigetelő hővezetési tényezője 0. Ez a gyakorlatban szélsőségesen elérhetetlen érték. Azonban a modern anyagtudomány képes igen különleges anyagok előállítására. Főleg az űrkutatás hasznosítja ezen eredményeket, de a mi szakmánkban is kamatoztathatjuk ezeket a találmányokat. (Például a hőálló kerámia üvegek, és egyéb hőszigetelők használata során.) A légkörbe visszatérő űrhajó felszíne a súrlódás következtében nagyon felmelegszik, az űrhajó belsejét viszont meg kell védeni ettől a hőtől. Ezért az űrhajó külső felületét olyan különleges kerámiával burkolják, amelynek hővezetési tényezője és fajhője is rendkívül alacsony. Ezért még izzó állapotban is meg lehet fogni puszta kézzel, mert ahol megfogjuk, ott nagyon kis hő leadásával égést nem okozva, testhőmérsékletre lehűl. A többi részén viszont a kiváló hőszigetelő tulajdonsága miatt megtartja hőmérsékletét, ami akár 1000 Co is lehet. Gyerekkorunkban óva intettek, hogy kesztyűből kihúzott meleg kézzel nyúljunk a fagyos fémkilincshez. Vajon miért? Nyáron a tűző napon hagyjunk egy fa és egy fémtárgyat. Kezünkkel megérintve, a fémtárgyat érezzük melegebbnek. Miért? Ha ugyanezeket a tárgyakat hideg téli időben, a szabadban hagyjuk, akkor a kezünk a fémet hidegebbnek érzi a fánál. Miért?
A fémek jó hővezetési tulajdonságán alapszik a Davy-lámpa működése, amelyet bányarobbanások elkerülésére használnak. Főként szénbányákban, a mélyben keletkező metángáz – amely egyébként nem mérgező – szikra vagy láng hatására robbanhat. A Davy-lámpa lényege, hogy a nyílt lángot egy sűrű fémszita-harang veszi körül, ekképpen a láng a szitán belül marad, így – bár a bányában világos lesz és mutatja az oxigén jelenlétét – mégsem robbantja be a metángázt. A magyarázat az, hogy a hővezető anyagból készült drótháló – a nagy felülete miatt – gyorsan elvezeti a hőt és nem melegszik fel annyira, hogy felgyújthatná a gázt a háló túlsó oldalán.
Laboratóriumi kísérleteknél az üveglombikot gázlángon melegítik. Legtöbbször a lombikot fémhálóra állítják. Miért? A nyitott kandallók elé úgynevezett szikrafogó hálót tettek – vajon csak a szikra kipattanása miatt? Vagy ennek más oka is lehetett? A régebben a kályhaajtókban használt gyenge minőségű edzett üveget miért védték belülről fémhálóval? Ha hideg éjszaka tábortűz közelében ülünk, akkor testünk tűz felőli oldala nagy hőmennyiséget nyel el, s erősen felmelegszik. Testünk ellenkező oldala viszont nemcsak nem nyel el energiát a tűzből, hanem saját energiáját kisugározza a hidegebb környezet felé, vagyis ez a felünk erősen lehűl. Hasonló a helyzet a Hold napsütötte és árnyékos oldala között. Ha a Nap a zeniten áll, a Hold felszíni hőmérséklete plusz 130 °C, az éjszakai oldalon viszont mínusz 150 °C. A nagy különbség azért jön létre, mert a Holdnak nincs légköre, így a kisugárzás is, az elnyelődés is zavartalan. Továbbá az is szerepet játszik, hogy a Hold nagyon sötét színű kőzetekből áll. A Földön főként a sivatagokban figyelhetjük meg a nappali és az éjszakai hőmérsékletek közötti nagy különbséget. Vajon miért?
Előbbi példáink is mutatják, hogy a testek kisugárzási képessége arányos elnyelési képességükkel, tehát ha egy test sok hőt tud elnyelni, akkor sokat is sugároz ki. Például a sötét felszín jó hőelnyelő és erős kisugárzó. A fehér színre fordított a jelenség. Az eszkimók fehér ruhája és a jeges medve fehér bundája nem azt a célt szolgálja, hogy testük ne nyeljen el hőt a külső környezettől (hiszen úgy sincs miből), hanem az a cél, hogy meleg testük minél kevesebb hőt sugározzon ki a zord környezet felé. Továbbá a különböző hűtőbordák (járművek, rádiók, erősítők) azért készülnek érdes, sötét felületű anyagból, mert így tudnak sok hőt kisugározni. Az űrhajókat világos színű, fényes felületű borítással látják el, mert így stabilizálhatják a legjobban hőmérsékletüket. Hiszen sem a napos oldaluk nem melegszik fel túlzottan – mert a fényes felületnek kicsi az elnyelő képessége -, sem az árnyékos felük nem hűl le túlságosan, mert kismértékű a kisugárzás is. Vajon ezt a logikát követve figyelembe vették-e, vesszük-e a kályhák kivitelezésekor a külső felület kialakítását és színe megválasztásának fontosságát? Miért készítették a hőtároló kemencéket fehér színűre? Miért festették feketére az öntvényből készült kályhákat? Az öntöttvas kályhák külső felületének domború díszétese a dekorációs célokon túl jelentett-e más szerepet? Miért ezüstözik be a termoszok üvegfalát? Miért szívják ki a levegőt a termoszok dupla üvegfala közül Ha előbbi kérdéseinkre megtaláljuk a helyes választ és magyarázatot, akkor talán nem volt hiábavaló korábbi cikkeink közlése. Ezen fizikai jelenségek ugyanis – bármenyire is száraznak és tudományosnak tűnhetnek -, mégiscsak közelebb visznek a kályhás szakma mesterségbeli alapismereteinek megértéséhez.
Gyergyay Csaba
