A hő mint mozgás

• Sok tapasztalat - sok kérdés
• Mindez nagyon érdekes, de...
• Miért nem használhatunk vasbeton helyett alumíniumbetont?
• Miért van millió fokos meleg és miért nincs még ezer fokos hideg se?
• Hol van a hőmérséklet határa lefelé? - Az abszolút nulla fok
• Mire jó az elérhetetlen abszolút nulla pont? - Az abszolút hőmérséklet
• Harmincezer millió fok bőrünk közelében!

Sok tapasztalat - sok kérdés

Életünkben nagy szerepet játszik a meleg, a hő. Mi különbség van a hideg és a meleg levegő között? Mi az oka annak, hogy a víz lehet hideg, lehet meleg? Miért terjednek ki általában a testek, ha melegítjük őket ? Miért húzódnak össze, ha lehűlnek? Miért lesz hidegebb egy test, miközben párolog?
Sok-sok ilyen mindennapi tapasztalatunkra lehet választ adni, ha tudjuk, hogy mi is az a meleg, mi a hő.
Már ismerünk egy kísérletet, aminek alapján könnyű a felelet. Egy tejcseppet néztünk mikroszkóppal. A tejcseppben levő parányi zsírszemecskék táncoló mozgást végeztek, mert az örökké mozgó vízmolekulák lökdösték őket.
Azután kissé melegítettük a tejcseppet, és a zsírszemecskék tánca még élénkebb lett, mert a vízmolekulák még hevesebben lökdösték őket. Említettük, hogy ez a molekulák hőmozgásának bizonyítéka.
Ennek alapján könnyű megmondani azt, hogy mi a különbség két anyag között, ha az egyik melegebb, mint a másik.
Abban a melegebb anyagban nagyobb sebességgel, élénkebben mozognak az anyag legkisebb részecskéi: a molekulák, az atomok. Ez nem feltevés, ez nem elmélet, hanem tapasztalati tény. Például a hidegebb vagy melegebb levegőben szálló gázmolekulák sebességét meg is tudjuk mérni. Ha nagyobb a gázrészecskék sebessége, akkor melegebbnek érezzük a levegőt, a hőmérő nagyobb hőmérsékletet mutat.

Így például ha a szoba levegőjében levő oxigéngáz molekuláinak sebessége 476 méter másodpercenként, akkor a hőmérő higanyszála 20 fok hőmérsékletet mutat (ábra).

A zárt edényben oxigénmolekulák vannak. Ha egyre nagyobb lesz az oxigénmolekulák sebessége, a gázba nyúló hőmérő egyre nagyobb hőmérsékletet mutat

De ha az oxigéngáz molekuláinak sebessége 556 méterre növekszik másodpercenként, akkor a hőmérőben levő higany jobban kiterjed és 117 fok hőmérsékletet jelez.

Mindez nagyon érdekes, de...

...miért tágul ki az a higany, ha sebesebb gázrészecskék ütköznek neki? Egyáltalában hogyan tudjuk rábírni azokat a gázrészecskéket arra, hogy sebesebben mozogjanak?
Először feleljünk az első kérdésre: miért tágul ki a higany a melegebb levegőben. Ha egy lassan mozgó acélgolyóhoz egy sebesebben mozgót nekilökünk, a lassan mozgó sebessége nagyobb lesz. Mennél melegebb a levegő, annál nagyobb sebességgel ütköznek a gázmolekulák a hőmérő üvegedényébe. Meglöki az üvegmolekulákat, azok hevesebb mozgásba jönnek. Az üvegedény molekulái pedig az edényben levő higany atomjait lökik meg. A higanyatomok hőmozgása hevesebb lesz, nagyobb erővel lökdösik egymást, ennek következménye az lesz, hogy a higany kitágul.
Most már könnyen érthető, hogy például egy vasdarab is miért tágul ki, ha melegítjük.
Ha a testek hőmérséklete változik, igen jelentékeny lehet a térfogatuk megváltozása. Például ha 1 liter = 1000 köbcentiméter 0 fokú levegőt 100°-ra melegítünk, térfogata 367 köbcentiméterrel lesz nagyobb (ha közben változatlanul marad a nyomása). A táblázatban láthatjuk néhány anyag térfogat változásának nagyságát.

1 liter (1000 cm³ = 1 millió mm³) anyag térfogatának növekedése,
ha 20°-ró! 30°-ra melegítjük

köbmilliméter

Miért nem használhatunk vasbeton helyett alumíniumbetont?

Az előbbi táblázat megmondja. A vas és a beton hőmérsékletváltozás közben egyenlő mértékben tágul ki. De az alumínium majdnem két és félszer nagyobb mértékben változtatja térfogatát, mint a beton. Ha tehát vas helyett alumíniumot ágyaznánk a betonba, a beton megrepedezne, az alumínium pálcák elválnának a betontól.

A demizsont 5° hőmérsékletű pincében színültig töltjük és erősen be. dugaszoljuk. Ezután a demizson 20° hőmérsékletű szobába kerül és felmelegszik. A kitáguló alkoholos folyadék az üveg belső felületének minden négyzetcentiméterét kb. 2 métermázsa erővel feszíti

De más tapasztalatainkra is magyarázatot találunk a táblázatban. Ha a hűvös pincében hideg folyadékkal színültig töltünk egy üveget és erősen bedugaszoljuk, szétreped az üveg, ha melegebb helyre kerül (ábra). Nem csoda, hiszen a táblázatból látjuk, hogy még a víz is mintegy 10-szer nagyobb mértékben terjed ki, mint az üveg, az alkohol pedig
40 - 70-szer jobban! Persze, hogy szétreped az üveg, hacsak a dugót nem sikerül kilöknie az üvegből.
Mivel a folyadékok ilyen nagymértékben változtatják térfogatukat a hőmérséklettel, alkalmasak hőmérők készítésére.

Miért van millió fokos meleg és miért nincs még ezer fokos hideg se?

Mi határozza meg azt, hogy milyen meleg egy gáz? A gáz molekuláinak átlagos sebessége. Ezt kissé másképpen is megfogalmazhatjuk. Azt már tudjuk, hogy a sebesebb molekulának a munkavégző képessége, az energiája is nagyobb.
Ezért ezt a tételt:

mennél nagyobb a molekulák sebessége, annál nagyobb az anyag hőmérséklete,

így is mondhatjuk:

mennél nagyobb az anyagban mozgó egyes molekulák energiája, annál nagyobb a test hőmérséklete.

Gyakran lehet hallani ezer, sőt millió fokos melegről is, de még nem hallottunk millió fokos hidegről.
Mi ennek az oka?
A kérdést másként úgy lehetne feltenni, hogy van-e a hőmérsékletnek határa felfelé és van-e határa lefelé? Lehetséges-e a természetben akárhány ezermillió fokos hőség és lehetséges-e akárhány millió fokos hideg?
Mivel a hőmérséklet az anyag legkisebb részecskéinek mozgási energiájától függ, azért a kérdést így lehet fogalmazni: van-e a molekulák energiájának határa felfelé és van-e határa lefelé?
Ha a molekulák mozgási energiájának felfele van határa, azaz van olyan nagy energia, amelynél nagyobb energia már lehetetlen, akkor a hőmérsékletnek felfelé van határa.
Bármilyen energiánál nagyobb energia is elképzelhető és lehetséges. Eszerint a hőmérsékletnek felfelé nincsen határa. Valóban előfordul a természetben sok millió fokos hőmérséklet, és talán rábukkanunk sok ezermillió fokosra is.
Most lássuk az ellenkező végletet. Van-e az anyag legkisebb részecske mozgási energiájának lefelé határa? Van-e olyan energia, melynél kisebb nem lehetséges?
Van! A nulla energia, vagyis az az eset, amikor a molekuláknak nincs sebességük, tehát nincs mozgási energiájuk.
Eszerint a hőmérsékletnek nincsen határa felfelé, de van határa lefelé!

Hol van a hőmérséklet határa lefelé?
Az abszolút nulla fok

Az előző okoskodás igen érdekes és meggyőző. De most már szeretnénk tudni azt, hogy hány fokkal kell alászállani a hőmérő osztályzatán, hogy elérjünk oda - ahonnét már nincs tovább.
Említettük, hogy a fizikusok egy gáz molekuláinak átlagos sebességéből ki tudják számítani a hőmérsékletet, hiszen a hőmérsékletet a molekulák sebessége határozza meg.
E szerint a számítás szerint, abban az esetben, amikor a molekuláknak nincsen sebességük, amikor mozgási energiájuk nulla, a hőmérsékletre mínusz 273 fok adódik (pontosabban 273,16°). Ezt nevezzük abszolút nulla pontnak.
Tehát - 273,16 fokon megszűnik az anyag mozgása. De ha nincsen mozgás, akkor megszűnik az anyag - mint anyag. Ez pedig lehetetlen!
Ebből következik, hogy a molekulák nulla sebessége a természetben lehetetlen. De ha nem érhető el az az állapot, hogy a molekulák sebessége nulla legyen, akkor nem érhető el ez a mínusz 273,16 fok hőmérséklet sem. A hőmérséklet sohasem süllyedhet az abszolút nulla pontig.
Az abszolút nulla pont elérhetetlen!

Mire jó az elérhetetlen abszolút nulla pont?
Az abszolút hőmérséklet

Bár az abszolút nulla pontig sohasem sikerül az anyagot lehűteni, de azért mégis jó valamire. Arra, hogy innét számítsuk a hőmérsékletet. A mindennapi életben a jég olvadáspontjától, a nulla foktól számítjuk a hőmérsékletet, de a tudósok a -273 foktól számítják, és az így mért hőmérséklet neve: abszolút hőmérséklet. Így tehát az abszolút nulla ponttól a jég olvadási pontjáig abszolút 273 fok van. A jég olvadáspontja 273 abszolút fok (más néven: Kelvin-fok).
Ha szobánkban 20°-ot mutat a Celsius-fokra beosztott hőmérő, akkor az abszolút hőmérséklet 273 + 20 = 293
A Celsius-fokokhoz egyszerűen hozzá kell adni 273-at, és akkor megtudjuk az abszolút fokokban kifejezett hőmérsékletet.
Csak a tudományban használják az abszolút fokokban mért hőmérsékletet, a gyakorlati életben nem.
Mi értelme van annak, hogy a tudományban 273 foktól számítják a hőmérsékletet? Ily módon a hőtan törvényszerűségei egyszerűbb formában fejezhetők ki és könnyebb a számolás.
Mivel a hőmérsékletnek felfelé nincsen határa, most már még jobban érdekelhet bennünket az, hogy milyen hőmérsékletek fordulnak elő.

Hőmérsékletek
(Celsius-fokban)

Emberi test ................................................................................................	37
Madarak átlagos hőmérséklete ..............................................................	42
Hazánkban megfigyelt legnagyobb meleg árnyékban ..........................	40
Tripoliszban megfigyelt legnagyobb meleg árnyékban ........................	58
A cukor olvadáspontja .............................................................................	160
A tűzhelylap hőmérséklete főzéskor .......................................................	200- 300
A benzin gyulladáspontja .........................................................................	415
A vas vörös izzása éppen észrevehető sötétben .................................	500
Gyertyaláng ...............................................................................................	750
Cigaretta parazsa ....................................................................................	720
Cigaretta parazsa szippantáskor ...........................................................	1000
Széntűz a kályhában ................................................................................	1100
Villanylámpa izzószála .............................................................................	2400
Forrasztólámpa lángja .............................................................................	2400
Elektromos olvasztókemence .................................................................	4000
A Nap felszíne ...........................................................................................	6000
A Nap és a csillagok belsejében és atombomba robbanásakor keletkező hőfok ........................................................................................	10-100 millió

(Az Érdekességeknél a Hőmérsékletek - mi a hő? címszónál ismert, jellemző hőmérsékletek láthatók egy képzeletbeli hőmérő animációban.)

Harmincezer millió fok bőrünk közelében!

Talán meglep bennünket az, hogy a csillagok belsejében százmillió fokos hőmérséklet fordul elő. De nem kell ilyen messzire mennünk, mert közvetlen környezetünkben is találkozhatunk sokkal nagyobb, legalább 30 000 millió fokos hőmérséklettel.
Mielőtt elárulnám, hogy hol, előbb győződjünk meg arról, hogy valóban legalábbis 30 000 millió fokról van szó.
Már említettük, hogy szobahőmérsékleten az oxigénmolekula sebessége körülbelül 500 méter másodpercenként. A kisebb tömegű héliumatom sebessége pedig kb. 1500 méter. A szobahőmérséklet abszolút fokokban éppen az előbb számítottuk ki - kb. 300 abszolút fok. A 300 abszolút fokú héliumgázban tehát egy héliumatom átlagos sebessége 1,5 km másodpercenként.
Tegyük fel, hogy 10 000-szer nagyobb sebességet tudunk adni azoknak a héliumatomoknak. Hányszor nagyobb lesz az energiájuk?
Emlékezhetünk rá, hogy ha a sebesség 10 000-szeresre nő, akkor a mozgási energia 10 000 ^.10 000 = 100 milliószor lesz nagyobb.
De ha egy gáz legkisebb részecskéinek energiája 100 milliószor lesz nagyobb, akkor a gáz hőmérséklete is 100 milliószor nagyobb.
Előbb: az 1,5 kilométer másodpercenkénti sebességnek 300 abszolút fok hőmérséklet felelt meg.

Most: a 15 000 kilométer másodpercenkénti sebességű héliumgázatomoknak 100 milliószor nagyobb hőmérséklet felel meg.
300 abszolút fok ^. 100 millió = 30 000 millió abszolút fok.
Ha tehát valahol sikerül olyan héliumgázt találni, amelyben az atomok másodpercenként 15 000 km sebességgel repülnek, annak a gáznak a hőmérséklete 30 000 millió fok (ábra).

Az óramutatón levő önmagától világító festékből 15 000 km másodpercenkénti sebességgel repülnek ki a hélium atommagok. Tegyük fel, hogy ekkora a közepes sebessége egy edényben levő héliumgáz atomjainak. Akkor abban az edényben 30 000 millió fok lenne a hőmérséklet

Ne ijedjünk meg, de karóránk mutatóján, az önmagától világító festékben felbomló atomokból még ennél is nagyobb sebességgel repülnek ki a hélium atommagok. Ezek ütközése kelti a felvillanásokat.
Tehát a karóránkon a kisugárzó hélium atommagoknak akkora a sebességük, hogy ennek legalább 30 000 millió fokos hőmérséklet felel meg.
De akkor miért nem ég el óránk, kezünk?
Mert szerencsére csak néhány részecskéről van szó, csak néhány részecske repül ekkora sebességgel. És ott van körülöttünk a levegő, a mutató sok-sok trillió atomja. Ezekbe ütközik az a néhány óriási sebességű hélium atommag, ezeket löki meg, ezek között oszlik el energiája. Végeredményben a mutató hőmérséklete még egy billiomod fokkal sem emelkedik.
Ez a példa kitűnően mutatja azt, hogy a hőtanban maga a hőmérséklet még nem döntő. Az is lényeges, hogy hány részecskének van meg a nagy hőmérsékletnek megfelelő sebessége. Mert ha a sok-sok részecske energiája összegeződik, akkor kaphatjuk csak meg a gyakorlati életben fontos nagy melegmennyiséget.

Felhasznált irodalom