Bevezetés a meteorológiába

1. Hőmérséklet, hőtágulás

A főzéstől a strandolásig a mindennapi életben folyamatosan találkozunk a hőmérséklettel, hőközléssel kapcsolatos jelenségekkel, és néha megfogalmazva, de gyakrabban tudomást nem véve róluk lépünk túl rajtuk.Hasonlóan gyakori szereplője életünknek a nyomással, nyomásváltozásssal kapcsolatos jelenségkavalkád, amikre alapozva az ember is rendkívül sok hasznos szerkezetet konstruált.Először effélékkel kell foglalkoznunk, legelőször pedig a fizikának a hővel, hőmérséklettel foglalkozó ágával, a hőtannal, idegen szóval termodinamikával, megértve a lagalapvetőbb működési mechanizmusokat, hogy aztán megismerjük a meteorológia, az időjárás tudományának alapjait.

Mi is a hőmérséklet?

Tudja mindenki, miről van szó, mégis nehéz definiálni. Érezzük a velünk érintkező tárgyak hőmérsékletét bőrünk érző-idegvégződéseivel, mégis igen megtévesztő tud lenni:

Ha kedved van, végezd el ezt az egyszerű és olcsó kísérletet: tartsd egyik kezedet meleg, másikat hideg vízben, majd tedd bele mindkettőt ugyanabba a langyos vizet tartalmazó edénybe! Tapasztalni fogod, hogy egyik kezed melegnek, másik hidegnek fogja ugyanazt érezni.

Kiderült már a korábban a faj fogalmának meghatározásánál, hogy igen nehéz egyes esetekben egzakt definíciót adni. Ez a helyzet most is. Mondjuk tehát azt, hogy hőmérséklet az, amit a hőmérő mér. Ha mégsem elégednél meg ezzel, mivel már hallottál a testeket alkotó elemi részecskékről, atomokról, molekulákról, így azt is mondhatjuk, hogy a hőmérséklet a molekulák mozgási energiájának a mértéke.Ez alapján fogalmazhatta meg annak idején Lord Kelvin azt, hogy létezik egy abszolút nulla fok is, amikor a részecskék gyakorlatilag mozdulatlanok, és - mint közismert- ehhez igazította hőmérsékleti skáláját. A részecskék állandó ütközésekkal módosítják egymás sebességét is: lefékeződnek, ill. felgyorsulnak. Így egy meghatározott hőmérsékletű anyag molakulái a legkülönbözőbb sebességgel mozognak. Egy adott hőmérsékletre tehát nem az egyes molekulák sebessége jellemző, hanem a részecskék sebességének az átlaga. A vízmolekulák sebessége pl. 25 Celsius fokon átlagosan 500 m másodpercenként.

A molekulák közti tér meghökkentően üres. Ha képzeletben a víz molekuláit gombostűfej nagyságúra nagyítjuk, akkor a köztük levő üres tér k.b. akkora lenne, mint a Nyugati pályaudvar épülete.

A hőmérséklet mérésével, és egyáltalán a méréssel kapcsolatban már sok mindent megtudtunk a tavalyi év legelső epochájának végén. Érdemes utánanézned itt!

Földünk hősugárzása révén annyival csökkenne belső energiája, hogy pótlására másodpercenként k.b. egy millió tonna kőolajat kellene elégetni. Szerencsére a Nap pótolja a veszteséget. Hallottad-e, csökken vagy nő-e a Nap kisugárzott energiája, hosszú időtávlatot figyelembe véve?

Röviden a hőtágulásról

A fenti definícióból kiindulva azt mondhatjuk, hogy amikor azt tapasztaljuk, hogy hő hatására a testek mérete (általában) megnő, akkor valójában a rezgő mozgást végző molekulák kitérése (amplitúdója) nő meg. A növekedés mértéke anyagi minőségtől, halmazállapottól függ. Természetesen a test hőtágulása annál nagyobb, minél nagyobb a test eredeti mérete.

5.1.1.A szilárd testek hőtágulását a mindennapi életben gyakran figyelembe kell venni. Tudnál erre

példákat mondani? (Hidak, sínek, vezetékek, stb.)

Szerinted miért nincs probléma a vasbetonba szilárdan rögzített vasakkal hőmérsékletváltozáskor?

Itt kül. anyagokból készített 1 m hossz.-ú rudak
megnyúlási értékeit láthatod 100 Celsius fokos hőm. növekedéskor

Két, 30-40 cm hosszú üvegcsövet erősítsünk egy deszkalapra. A két cső közé egy égő gyufát tartunk. Az üvegcsövek végei eltávolodnak egymástól. Mi a magyarázata?

5.1.2. A beszorult csavaranyát meg lehet lazítani úgy, hogy gyorsan felmelegítjük. Miért?

Mit gondolsz, a hordókra az abroncsokat felmelegítve vagy lehűtve húzzák fel?

Miért károsítja a fogzománcot a hideg ital vagy a forró étel?

Egy alumínium és egy rézlemezt szegecselünk össze. Az így kapott ikerfémet (bimetállszalagot) melegítjük. Milyen irányban hajlik el az ikerfém? Hol találkozhatsz ilyennel a mindennapi életben?

A folyadékok hőtágulása

A folyadékok hőtágulására is érvényesek a fennti megállapítások, azaz, pl. anyagi minőségtől, ill. az eredeti térfogattól függő. Ezen az elven alapulnak a folyadékos hőmérők, amikben lehet pl. higany, petróleum, vagy alkohol, amiket a felhasználási területnek megfelelően alkalmazunk, ezért alkalmaznak a hideg övben borszeszes hőmérőket, mert a higany -30 Celsius fok alatt megfagyna.

Ez a táblázat azt mutatja, hogy mennyivel nő az 1 köbdeciméter térfogatú folyadék
térfogata 10 Celsius fok hőmérséklet-emelkedés esetén

A gázok hőtágulása

Húzz leeresztett léggömböt egy üres műanyag palack szájára, és rögzítsd légmentesen! Vidd a palackot meleg kályha, vagy fűtőtest közelébe! Mit tapasztalsz? Magyarázd!

A fenti kísérlet is bizonyságot ad arról, hogy a gázok melegítés hatására ugyanúgy kitágulnak, mint más halmazállapotú anyagok, de ez is függ anyagi minőségtől és itt is igaz, hogy az eredetileg nagyobb térfogattal bíró gázok jobban tágulnak. A mérések szerint, ha 1 Celsiussal növeljük a gáz hőmérsékletét, a térfogata 1/273-ad részével nő, azonos külső légnyomás mellett, és hűtéskor ugyanennyivel csökken.