I hőelmélet: hőmérséklet, abszolút nulla, vezetőképesség és még sok más

A melegnek detonáló hatása van, növeli a véráramlást, fájdalomcsillapító hatású, krónikus, inaktív gyulladás esetén gyakran gyulladáscsökkentő. Az izomtónust csökkenti a melegség és a tartós hideg. A hőterápia különböző hőkezelések alkalmazása a beteg számára. De mit is jelent pontosan a „meleg”? Hogyan melegszik a test, hogyan szállítja a hő?

hőelmélete

hőfok

A hőmérséklet olyan fizikai mennyiség, amelyből kijelentéseket lehet tenni az anyagok következő tulajdonságairól:

  • Hőegyensúly - Ha két test hőmérséklete azonos, akkor nincs hőcsere közöttük. Ha a hőmérséklet különbözik, a hő a melegebbtől a hidegebb testig áramlik, amíg ki nem alakul az egyensúly.)
  • Meg kell mérni a gázokban lévő átlagos kinetikus energiát
  • A hőmérséklet-függő anyagok tulajdonságai - példák: az anyagok hőtágulása, sűrűsége, elektromos ellenállása

A hőmérséklet alapegységét (Si egység) Kelvinben [K] adják meg. A ° C azonban az európai országokban is gyakori. Ez megfelel a 1 ° C = 274,15 K.

A Celsius-skála létrehozásakor Anders Celsius csillagász rögzített pontokat határozott meg. Azt mondta, hogy 0 ° C-on a tiszta víz forráspontja, 100 ° C-on pedig a tiszta jég olvadáspontja. A fagyás és a forráspont megfordulását csak halála után határozták meg, és ez adja az alapot a mai hőmérsékleti mérésekhez.

Az abszolút nulla

A definíció szerint az abszolút nulla a még mindig mérhető legalacsonyabb hőmérséklet, és nulla Kelvin (= -273,15 ° C). Az elmélet szerint minél lassabban mozognak benne a részecskék, annál hűvösebbé válik a gáz. Abszolút nulla esetén a részecskék mozgása nulla. Tehát az abszolút hőmérsékleti skálán (Kelvin-skála) nem lehet negatív hőmérsékletet elérni.

A gázok hőállapotegyenletei

Ideális gázok esetén arányos a nyomás és a hőmérséklet. A következő törvények két mennyiség kapcsolatát írják le, míg a többi érintett mennyiség állandó marad:

Boyle-Mariotte törvénye

Ha a nyomást ideális gázra növeljük, akkor a gáz térfogata állandó hőmérséklet és anyagmennyiség mellett csökken, vagy a nyomás fordítottan arányos a térfogattal:

Gayle-Lussac törvénye

Az ideális gázok térfogata arányos a hőmérséklettel, feltéve, hogy az anyag mennyisége és a nyomás állandó.

Amontoni törvény

Ha ideális gázt melegítenek, a nyomás növekszik, amikor lehűl, a nyomás csökken.

Hőtágulási együttható

Különböző anyagok eltérően tágulnak, amikor a hőmérséklet emelkedik. A felelős hatás a hőtágulás. Ez nem mindig történik egységesen, és fel van osztva:

Lineáris hőtágulási együttható

Ez azt a hosszúságváltozást jelzi, amellyel a szövet megváltozik a teljes hosszához képest.

α Lineáris tágulási együttható [10 -6/K] 20 ° C-on
L. Hossz [m]
ΔL Hosszváltozás [m]
ΔT Hőmérsékletváltozás [K]

Térfogatspecifikus tágulási együttható/köbös tágulási együttható

Jelzi a test térfogatának változását a teljes térfogathoz képest, amikor egy Kelvin felmelegíti.

γ Köbös tágulási együttható [10-3/K] 20 ° C-on
V0 Mennyiség melegítés előtt [m³]
8V A térfogat változása [m³]
5T Hőmérsékletváltozás [K]

Hőmérsékletmérés

A különböző anyagtulajdonságok hőmérsékletfüggése miatt ezek a függő változók használhatók a hőmérséklet mérésére:

Folyékony hőmérő

A folyadék - általában higany vagy színes alkohol - egy vékony csőben van, amelyhez mérleg van csatlakoztatva. A hőmérsékletet a folyadék melegítésénél vagy lehűtésénél a táguláson és a térfogat csökkenésén keresztül lehet mérni. A víz nem alkalmas a víz úgynevezett rendellenességei miatt.

Gázhőmérő

A folyékony hőmérőhöz hasonló vékony csőben van egy csepp higany, amely lezárja azt a teret, amelyben egy gáz található. Ez a gáz melegítéskor tágul, vagy hűlve csökken a térfogata.

Bimetál hőmérő

A hőtágulás tágulása anyagonként változik. A mutatóhoz két különböző fémből álló spirális bimetálcsík van rögzítve. Melegítéskor a két fém eltérően tágul, ami a mutató elhajlását okozza.)

Elektronikus hőmérő/ellenállás hőmérő

Az elektromos ellenállások hőmérsékletfüggése, különösen a félvezető anyagoknál, nagyon magas. Az alábbiak érvényesek: Az NTC termisztor ellenállása csökken a hőmérséklet emelkedésével. Az ellenállás csökkentése növeli az áramáramot, ami megadja a hőmérséklet-változás mértékét.

Hőfestékek

Az úgynevezett termikus színek bizonyos hőmérséklet-változásokkal megváltoztatják színüket vagy fényt bocsátanak ki.

melegség

A hőmérséklet növekedése a legkisebb részecskék mozgási energiájának növekedését okozza. A felmelegedés az energia hozzáadását, a hűtés az energia eltávolítását jelenti.
A hő az energia speciális formája. Az energiamegmaradás törvénye szerint a belső energiát csak más típusú energia átalakításával lehet megszerezni. Például mechanikai, elektromos, kémiai vagy nukleáris energiából.

Jegyzet: Az energia nem veszhet el, csak az egyik energiaformából alakulhat át a másikba. (Lásd a Mechanika I cikket)

A hőt és a belső energiát egyenértékűnek kell tekinteni a többi energiaformával, és legalább részben átalakítani egymásba.

A test által elnyelt hő arányos a test tömegével és hőmérsékletének változásával. A fajlagos hőkapacitás általában azt a hőmennyiséget jelzi, amely egy kilogramm anyag felmelegítéséhez szükséges egy kelvin által. Kaloriméterrel meghatározható a fajlagos hőkapacitás, vagyis a test hőváltozása és ezáltal annak belső kinetikus energiája (hőáramlású kaloriméter, hőegyensúly kaloriméter, adiabatikus kaloriméter).

A hő kiszámítását a következőképpen határozzuk meg:

A test által elnyelt vagy kibocsátott hő megegyezik a fajlagos hőteljesítmény, a test tömegének és a hőmérséklet-különbség szorzatának.

Hőteljesítmény

Ha egy hőforrás egy bizonyos mennyiségű hőt szolgáltat egy bizonyos időintervallumban, akkor hővezetése a hő és az időintervallum hányadosa:

Hőáramlás

A hőt háromféle módon lehet átvinni: Hővezetés, hőáramlás (konvekció) és hősugárzás révén. A hő az egyik testből egy hidegebbbe kerül.

Ha egy testet egy ponton melegítenek, a folyadék sűrűsége ezen a ponton csökken a hőmérséklet növekedése következtében. A felhajtóerő miatt a folyadék felmelegedett része felfelé emelkedik, és a folyadék hidegebb része lefelé süllyed. Ez teljes mennyiségű folyadék szállításához vezet, amelyek hőenergiát visznek magukkal.

Az embereknél a következő négy mechanizmus révén még állandó hőcsere is zajlik a környezetükkel.

Vezetés (hőátadás közvetlen érintkezés útján)

Itt a hő magasabb hőmérsékletű helyekről vándorol alacsonyabb hőmérsékletű szomszédos (szomszédos) helyekre. Az átvitel a kinetikus energia molekuláról molekulára történő továbbításával történik.

Konvekció (hőcsere közeggel (levegő, víz))

A részecskék folyadékokban és gázokban való mozgását konvekcióként is definiálják. Az emberi hőszabályozás összefüggésében fontos tényező a testhő felszabadulásában.
A konvekciós transzport szállítja a vérgázokat a testen keresztül a véráramláson keresztül.

Sugárzás (elektromágneses hullámokból származó hősugárzás)

Ha a hőenergiát egy melegebb testből egy hidegebbbe szállítják közbenső közeg bevonása nélkül, akkor hősugárzásról beszélünk. A hősugarak nemcsak a fénykibocsátó meleg testekből származnak, hanem a nem fénykibocsátó testekből is, amint saját hőmérsékletük magasabb, mint a környezeti hőmérséklet. Ha a hősugarak alacsonyabb hőmérsékleten érik a testet, akkor felmelegítik.

Párologtatás (hőveszteség párolgással)

A párolgás a bőrön keresztül izzadság formájában történik.

A termodinamika fő törvénye

W. elvégzett munka [J]
H Entalpia [J]
U belső energia, egységek nélkül
o nyomás
V hangerő

A gáz állapotát a nyomás, térfogat és hőmérséklet három állapotváltozó jellemzi. A két vagy az összes állapotváltozó változását állapotváltozásnak nevezzük. A belső energia világosan meghatározott értéke a rendszer minden állapotához tartozik. Ehhez a termodinamika első törvényét használják. Az alábbiak érvényesek:

Ha Q a szolgáltatott hőenergia, W az elvégzett mechanikai munka és ΔU a belső energia változása, akkor:

Ideális gázok esetén a mechanikai munka térfogatváltozást okoz. A szállított hőenergia a belső energia növekedéséhez és a térfogat növekedéséhez vezet. A rendszerben jelen lévő teljes energiát belső energiának nevezzük. Ez egy olyan állapotfüggvény, amely csak a nyomás, térfogat és hőmérséklet változók állapotától függ. A belső energia változását csak a kezdeti és a végső állapot határozza meg.

A belső energia, valamint a nyomás és a térfogat szorzatának összegét entalpiának nevezzük. A nyomás és a térfogat szorzata megfelel az elmozdulás munkájának:

Vezetés

Mivel a hővezetés különösen fontos téma az orvostudományban, erről ebben a fejezetben lesz szó részletesebben.
A hőátadás legegyszerűbb típusa a hővezetés. Mint már említettük, ez a szomszédos anyagokon keresztül történik, amelyek közül a melegebb anyag energiáját átadja a hidegebbnek.

A hővezetés kizárólag az anyagban megy végbe, és hőmérsékleti gradiens szükséges. Különböző anyagok hővezető képessége eltérő. Ezt a hővezető képességet a hővezető együttható fejezi ki. A hővezetési együttható azt a hőmennyiséget jelzi, amely időegységenként áramlik át egy olyan kockán, amelynek élhossza 1 m két ellentétes oldalfelület között, amelyek között egy Kelvin hőmérséklet-különbség van. A kocka többi felületének teljesen át kell eresztenie a hőt.

Az anyagok hővezető képessége egy adott anyaghoz viszonyítva is megmutatható. Ezután megkapjuk a relatív vezetőképességet.

A fémek általában jó hővezetők. A rossz hővezetők gázok, gyapjú, papír és még sok más. Ezeket a rossz hővezetőket hőszigetelő anyagként használják.

Az orvostudományban különböző hőterápiákat alkalmaznak a mozgásszervek működésének javítására és fenntartására, az izmok megerősítésére és ellazítására, a trófeák javítására vagy a fájdalom enyhítésére.

Népszerű vizsgakérdések a termodinamikáról

A megoldások a referenciák alatt találhatók.

1. Legyen egy gőz folyadékával (dinamikus) egyensúlyban. Ennek a gőznek az izotermái vízszintes vonalak a p-v diagramban, mert egy folyadék gőznyomása csak a hőmérséklettől függ.

  1. Az 1. állítás helyes, a 2. állítás helyes, az összekapcsolás helyes
  2. Az 1. állítás helyes, a 2. állítás helyes, az összekapcsolás hibás
  3. Az 1. állítás helyes, a 2. állítás hamis, link nem lehetséges
  4. Az 1. állítás hibás, a 2. állítás helyes, link nem lehetséges
  5. Az 1. állítás hamis, a 2. állítás hamis, link nem lehetséges

2. Mekkora a két hőmérséklet t1 = 127 ° C és t2 = 47 ° C értéke, a hozzájuk tartozó abszolút hőmérsékletek T2/T1 aránya?

  1. 1/3
  2. 4/5
  3. 5/4
  4. 5.
  5. egyik érték sem érvényes

3. 2 liter víz (cVíz = 4,2 kJ * K -1 * kg -1) T = 20 ° C és T = 40 ° C közötti hőmérsékletének felmelegítéséhez a következőkre van szüksége:

  1. 42 kJ
  2. 84 kJ
  3. 168 kJ
  4. 336 kJ
  5. 420 kJ

dagad

Gonsior, Physik für Mediziner, Schattauer Verlag, 1994, 2. kiadás

Seibt, Physik für Mediziner, Springer Verlag, 2009, 6. kiadás

Bevezetés a fizikába I., forgatókönyv, O. von der Lühe és U. Landgraf

Helyes válaszok: 1A (gőznyomás görbe), 2C (az abszolút hőmérsékletet a Celsius-hőmérséklet alapján számoljuk 273 K hozzáadásával), 3C (két liter víz 2 kg tömegnek felel meg)