Fázisátalakulások. Átalakulási hők. Égés, oxidáció, égéshő

Kritikus állapotok. Alacsony hőmérsékletek előállítása

Az energiatranszport termikus formái: Hővezetés, hőáramlás, sugárzás.

Carnot-féle körfolyamat és hatásfoka. A hőtan második főtétele, következményei. Hatásfok.

A hőtan harmadik főtétel: Abszolút zéruspont.

Alkalmazási területek, eszközök

 

Fázisátalakulások. Átalakulási hők. Égés, oxidáció, égéshő

 

A fázisátalakulás az anyag halmazállapotában vagy szerkezetében (pl. kristályszerkezetében) bekövetkező változás. (A fázisátalakulás hőfelvétellel, vagy hőleadással jár).

Olvasásnál, forrásnál a testek belső energiája úgy nő, hogy közben hőmérsékletük nem változik. Az olvadáspont és a forráspont is függ a külső nyomástól. A folyadék azon a hőmérsékleten forr, amelyen telített gőzének nyomása – a gőznyomás – egyenlő a külső nyomással. (Víz. 0,5 atm-nál 82 oC, 5 atm-nál 152 oC,).

Átalakulási hők (olvadáshő, forráshő):

                   egysége:          (h3.1)

 

pl.: Lolv(víz)= 334 kJ/kg, Lforr(víz)= 2256 kJ/kg

 

Égés, oxidáció, égéshő

 

C + O2   →  CO2      (h3.2)

 

Kritikus állapotok. Alacsony hőmérsékletek előállítása

 

Kritikus pontok. Minden gázhoz tartozik egy kritikus hőmérséklet, amelynél nagyobb hőmérsékleten a gáz bármilyen nagy nyomással sem cseppfolyósítható, kritikus hőmérséklete felett az anyag nem lehet folyékony halmazállapotban. A kritikus hőmérséklethez tartozik a kritikus nyomás, a telítési nyomás. Ezek az értékek adják a kritikus állapotot, amelyben nincs különbség a folyadék és a gőz között. (Kritikus pontok: víz 374 oC, 226 atm., széndioxid 31 oC, 75 atm, levegő -141 oC, 38 atm).

 

Alacsony hőmérsékletek előállítása:

Hűtőgépek: Kompressziós hűtőgépek: Könnyen párolgó folyadék (freon), kompresszor, kondenzátor, fojtószelep, hűtendő tér,

Gázok cseppfolyósítása: Gázt le kell hűteni kritikus hőmérséklete alá.

 

Az energiatranszport termikus formái. Hővezetés, hőáramlás, hősugárzás.

 

A hővezetés a termikus energia terjedésének az a módja, amely során a közeg (pl. szilárd anyag) részecskéi nem mozdulnak el makroszkópikus méretekben, csak átadják egymásnak az energiát. A hővezetési egyenlet (k hővezetési tényező, A merőleges keresztmetszet):

         (h3.3)

 

A hőáramlás során a közeg (pl. folyadék, vagy gáz) áramlásban van, és az áramlás irányában magával viszi energiatartalmát.

 

A hősugárzás kémiai anyag közvetítése nélküli (vákuumban is létrejövő) energiaterjedés, amely elektromágneses hullámok útján megy végbe (infravörös sugarak). A hősugárzási törvény

        

     (h3.4)

 

e= emisszióképesség,

s= 5,7 10-8 W/m2 K4; Stefan-Boltzman állandó.

 

A víz, mint energia transzporter anyag.

 

 

Fajhő mérése, kalorimetria, keverési módszer: (víz fajhője: 4,2 kJ/kg K)

 

Carnot-féle körfolyamat és hatásfoka. A hőtan második főtétele, következményei. Hatásfok

 

A Carnot-féle körfolyamat végeredménye: a gáz a T1 hőmérsékletű „kazánból” felvesz Q1, a T2 hőmérsékletű (T1>T2) „hűtőnek” lead Q2, hőmennyiséget, és összesen W munkát végez. A körfolyamat termikus hatásfoka

             (h3.6)

 

Pl. Gőzgép, benzinmotor, dízelmotor, hűtőszekrény, stb.

 

A hőtan második főtétele és néhány következménye.

II. axióma: (A hőtan második főtétele, entrópia tétel) Zárt rendszerben a valóságban végbemenő, irreverzibilis folyamatoknál a rendszer enrópiája növekszik.

 

Def.: Az entrópia egy állapotfüggvény. Két hőtani (termodinamikai) állapot közötti entrópia változást a következő határozott integrállal számoljuk ki: (Q/T, redukált hőmennyiség):

                  (h3.7)

 

Megjegyzések: A második főtétel más megfogalmazásai, értelmezései, a termodinamika második főtételének néhány következménye:

 

- Nem lehet olyan gépet szerkeszteni, amely egy hőtartályból hőmennyiséget von el, és ezt egyéb változások bekövetkezése nélkül munkává alakítja át. (Thomson 1851, Planck).

- Hő nem juthat hidegebb testről melegebbre „magától” (Clausius, 1850).

- Hőerőgépek termikus hatásfoka mindig kisebb 1-nél. Másodfajú perpetuum mobile nem szerkeszthető. Periódikusan működő géppel hőmennyiség nem alakítható át teljes egészében munkává.

 

A hőtan harmadik főtétele. Abszolút zéruspont

 

III. axióma: (hőtan harmadik főtétele) Az abszolút zérusponthoz való közelítésnél a kémiailag egységes szilárd és cseppfolyós testek entrópiája zérushoz tart.

 

         Ha               (h3.8)

 

Megjegyzések: A harmadik főtétel más megfogalmazásai, értelmezései: A szilárd testek (és folyadékok) fajhőjének (hőtágulási együtthatójának) T®0 –ra „elegendően gyorsan” zérushoz kell tartani. Az abszolút zéruspont nem érhető el.

 

Alkalmazási területek, eszközök

 

Nedvesség mérők, páratartalom mérők

Kazánok

Hőcserélők

Hőmennyiség mérők

Égéshő mérés

Kaloriméterek

Hatásfok mérés