„6. Hideg-meleg” változatai közötti eltérés
| (egy szerkesztő 3 közbeeső változata nincs mutatva) | |||
| 1. sor: | 1. sor: | ||
<wlatex> | <wlatex> | ||
| + | |||
| + | [[Kategória:Hőtan]] | ||
| + | [[Kategória:Kísérleti fizika 1.]] | ||
| + | [[Kategória:Szerkesztő:Vankó]] | ||
| + | |||
A komfort érzetünk egyik fontos tényezője hogy télen a meleg szobát, nyáron a hűvös, árnyas helyeket keressük. A „hideg és a meleg” iránti vágyunk kielégítése pénzbe kerül. Télen fűtűnk, nyáron hűtünk. De a technika világában a „melegedés” igen káros is lehet. Egy számítógép belsejében a hő mindig termelődik, így a processzor hűtése létfontosságú a berendezés megbízható működéséhez. | A komfort érzetünk egyik fontos tényezője hogy télen a meleg szobát, nyáron a hűvös, árnyas helyeket keressük. A „hideg és a meleg” iránti vágyunk kielégítése pénzbe kerül. Télen fűtűnk, nyáron hűtünk. De a technika világában a „melegedés” igen káros is lehet. Egy számítógép belsejében a hő mindig termelődik, így a processzor hűtése létfontosságú a berendezés megbízható működéséhez. | ||
| 114. sor: | 119. sor: | ||
Ahhoz, hogy a testhőmérsékletünk állandó maradjon, a testünkben termelődő hőtől (nyugalmi állapotban kb. 50 W) folyamatosan meg kell szabadulnunk. Ezért a testhőmérsékletünknél kicsit hidegebb (20-25 °C-os) környezetben érezzük magunkat kellemesen. Ha a környezet ennél melegebb, akkor csak izzadás ([[#A hőátadás fokozása halmazállapot-változással|halmazállapot-változás]]) segítségével tudjuk leadni a felesleges hőt. Ha a környezet sokkal hidegebb, akkor fel kell öltöznünk: a hőszigetelő ruha felülete alacsonyabb hőmérsékletű a testünknél (hiszen ez a hőmérséklet-gradiens kell a hővezetéshez), így kevesebb hőt sugároz ki. | Ahhoz, hogy a testhőmérsékletünk állandó maradjon, a testünkben termelődő hőtől (nyugalmi állapotban kb. 50 W) folyamatosan meg kell szabadulnunk. Ezért a testhőmérsékletünknél kicsit hidegebb (20-25 °C-os) környezetben érezzük magunkat kellemesen. Ha a környezet ennél melegebb, akkor csak izzadás ([[#A hőátadás fokozása halmazállapot-változással|halmazállapot-változás]]) segítségével tudjuk leadni a felesleges hőt. Ha a környezet sokkal hidegebb, akkor fel kell öltöznünk: a hőszigetelő ruha felülete alacsonyabb hőmérsékletű a testünknél (hiszen ez a hőmérséklet-gradiens kell a hővezetéshez), így kevesebb hőt sugároz ki. | ||
| − | A természetben a testünket a napsugárzás és a környező tárgyak sugárzása éri. A Napból érkező (elsősorban látható fényből és közeli infravörösből álló) sugárzás azonban térben és időben egyenetlenül éri a Földet. Nappal, tiszta időben kb. 1000 W/m< | + | A természetben a testünket a napsugárzás és a környező tárgyak sugárzása éri. A Napból érkező (elsősorban látható fényből és közeli infravörösből álló) sugárzás azonban térben és időben egyenetlenül éri a Földet. Nappal, tiszta időben kb. 1000 W/m<sup>2</sup> teljesítmény ér a Föld felszínén egy napsugárzásra merőleges felületet. Ugyanakkor éjszaka csak a talaj, a környező tárgyak és a légkör sugároz felénk. A tiszta légkör azonban keveset nyel el (kicsi az abszorpciós együtthatója), és így keveset is sugároz (kicsi az emissziós együtthatója). Derült időben az égbolt így csak annyi energiát sugároz, mint egy nagyon hideg test. Ez okozza derült időben az eget „látó” felületek jelentős lehűlését. A környező levegőnél hidegebb tárgyakra pedig harmat vagy dér formájában kicsapódhat a levegő nedvességtartalma. |
Hová verjük a sátrunkat, ha éjjel nem akarunk fázni, és reggel szárazon szeretnénk elcsomagolni? Borult időben majdnem mindegy: ilyenkor a felhők visszaverik a Föld felszínéről kisugárzott sugárzást, és így az égbolt erősebben sugároz, nem lesz olyan erős kisugárzás, és az éjszaka melegebb lesz. Derült időben viszont fák alatt érdemes sátrazni: a fák lombja a környező levegővel azonos hőmérsékletű, így sokkal erősebben sugároz, mint a közel átlátszó derült égbolt. Derült nyári éjszakákon az erdőben szárazon és melegen lehet ébredni, míg a réteket vastag harmat borítja. | Hová verjük a sátrunkat, ha éjjel nem akarunk fázni, és reggel szárazon szeretnénk elcsomagolni? Borult időben majdnem mindegy: ilyenkor a felhők visszaverik a Föld felszínéről kisugárzott sugárzást, és így az égbolt erősebben sugároz, nem lesz olyan erős kisugárzás, és az éjszaka melegebb lesz. Derült időben viszont fák alatt érdemes sátrazni: a fák lombja a környező levegővel azonos hőmérsékletű, így sokkal erősebben sugároz, mint a közel átlátszó derült égbolt. Derült nyári éjszakákon az erdőben szárazon és melegen lehet ébredni, míg a réteket vastag harmat borítja. | ||
| 145. sor: | 150. sor: | ||
Az épület alakja és tájolása is jelentősen befolyásolja a hőháztartást. Ugyanahhoz az alapterülethez egy kompakt, nagyjából kocka alakú épület esetében tartozik a legkisebb hőleadó felület. Ugyanakkor a téli besugárzás jobb kihasználásához ettől eltérő (kb. 1:1,6) oldalarányú épület az optimális, természetesen megfelelő [http://en.wikipedia.org/wiki/Passive_solar_design tájolással]. | Az épület alakja és tájolása is jelentősen befolyásolja a hőháztartást. Ugyanahhoz az alapterülethez egy kompakt, nagyjából kocka alakú épület esetében tartozik a legkisebb hőleadó felület. Ugyanakkor a téli besugárzás jobb kihasználásához ettől eltérő (kb. 1:1,6) oldalarányú épület az optimális, természetesen megfelelő [http://en.wikipedia.org/wiki/Passive_solar_design tájolással]. | ||
| − | A szinte semmi külső energiát nem igénylő épületek világszerte használt német szabványa a [http://en.wikipedia.org/wiki/Passive_house passzívház]. Az ilyen épületek évente legfeljebb 15 kW/m< | + | A szinte semmi külső energiát nem igénylő épületek világszerte használt német szabványa a [http://en.wikipedia.org/wiki/Passive_house passzívház]. Az ilyen épületek évente legfeljebb 15 kW/m<sup>2</sup> energiát használnak fűtésre-hűtésre. Az ilyen épületekben a vastag (50 cm), jó hőszigetelésű falakkal, a hézagmentes, háromrétegű, nemesgáztöltésű nyílászárókkal, valamint hőhídmentes konstrukcióval minimálisra csökkentik a hőveszteséget. A szellőzést a talajban kígyózó csővezetéken keresztül beáramló levegővel biztosítják: a talajban hosszan kanyargó csőben télen melegszik, nyáron lehűl a levegő. Ezután télen a házból kilépő levegő melegíti tovább egy hőcserélőben. A minimális veszteséget a megfelelő tájolásnak köszönhető besugárzás, és a házban lakó emberek, valamint a háztartási eszközök hőkibocsátása biztosítja. A használati meleg vizet napkollektorok melegítik, a nyári hűtést a talajban előhűtött levegő és megfelelő árnyékolás biztosítja. Gázbekötés, kémény nincsen. Az első [http://hu.wikipedia.org/wiki/Passz%C3%ADvh%C3%A1z#K.C3.A9m.C3.A9ny_.C3.A9s_g.C3.A1zbek.C3.B6t.C3.A9s_n.C3.A9lk.C3.BCl magyar] passzívház Szadán épült. |
Az elektromos energia részben vagy egészében napelemekkel, vagy egyéb megújuló energiaforrásokkal is előállítható. Léteznek már pozitív energiamérlegű [http://en.wikipedia.org/wiki/Energy-plus-house aktív házak], melyek egy év alatt több energiát termelnek (és juttatnak vissza az elektromos hálózatba), mint amennyit felhasználnak. | Az elektromos energia részben vagy egészében napelemekkel, vagy egyéb megújuló energiaforrásokkal is előállítható. Léteznek már pozitív energiamérlegű [http://en.wikipedia.org/wiki/Energy-plus-house aktív házak], melyek egy év alatt több energiát termelnek (és juttatnak vissza az elektromos hálózatba), mint amennyit felhasználnak. | ||
A lap jelenlegi, 2013. szeptember 26., 11:39-kori változata
A komfort érzetünk egyik fontos tényezője hogy télen a meleg szobát, nyáron a hűvös, árnyas helyeket keressük. A „hideg és a meleg” iránti vágyunk kielégítése pénzbe kerül. Télen fűtűnk, nyáron hűtünk. De a technika világában a „melegedés” igen káros is lehet. Egy számítógép belsejében a hő mindig termelődik, így a processzor hűtése létfontosságú a berendezés megbízható működéséhez.
A hőátadási folyamatok fizikai alapjait jól ismerjük. Fel- és kihasználásuk a mérnöki munka egyik igen fontos területe. Hol termelni, hol „megszüntetni” akarjuk. A célt mindig az elérni kívánt eredmény határozza meg.
Tartalomjegyzék |
Hőfelszabadulás
Hőfelszabadulás számítógépekben és élő szervezetekben
A számítógépekben (és más berendezésekben), valamint élő szervezetekben is folyamatosan hő szabadul fel, azaz külső vagy belső energiaforrások növelik a gép vagy az élő szervezet egyes részeinek belső energiáját. A hőfelszabadulásnak nagyon sokféle oka lehet.
Az élő szervezetekben az izmok munkavégzéséhez szükséges energiát a táplálékkal felvett szerves anyagok kémiai oxidációja fedezi. Ilyen szempontból az élő szervezet lényegében egy hőerőgép, amelyre természetesen igaz a II. főtétel: termikus hatásfoka egynél kisebb. Ezért a munkavégzéssel együtt szükségszerűen hőfelszabadulás jár. (Ugyanez az oka a belsőégésű motorral üzemelő járművekben felszabaduló hő döntő többségének is.) Ez a felszabaduló hő pótolja a szervezet hőleadását, és így képes a melegvérű állatokat (és az embert) állandó, a környezeténél általában magasabb hőmérsékleten tartani. Az állandó hőmérséklet megtartásához azonban a hőtermelést és a hőleadást egyensúlyban kell tartani.
A számítógépekben nincs hőerőgép, de például a mozgó alkatrészek súrlódása, az áramjárta vezetékekben felszabaduló Joule-hő, a mágneses anyagok (adathordozók, transzformátorok) hiszterézise folyamatosan hőt „termel”. A hőfelszabadulás aránylag kis méretű alkatrészekben (pl. a processzorban vagy a merevlemez író-olvasó fejében) különösen koncentráltan történik, és így ezek hűtésére különösen figyelni kell.
A hőátadás módjai
A termodinamika II. főtétele szerint a hőátadás mindig a melegebb testről a hidegebb irányába történik. A folyamat azonban több, lényegesen különböző módon történhet:
A hővezetés elsősorban szilárd testeken belül meghatározó folyamat. (Folyadékokban és gázokban csak akkor figyelhető meg önmagában, ha nem jöhet létre áramlás.) A rezgő atomok és molekulák közötti kölcsönhatás eredményeképpen a gyorsabban rezgő részecskék átlagosan több mozgási energiát adnak át a lassabb részecskéknek, mint viszont. Az energiatranszport tehát a hővezetésnél nem jár részecsketranszporttal.
A hőáramlás folyadékokban és gázokban lehetséges. Ekkor a hőátadás úgy történik, hogy az átlagosan nagyobb energiájú részecskék áramlással a melegebb helyről a hidegebb helyre kerülnek (míg az átlagosan kisebb energiájúak éppen fordítva, a hidegebb helyről a melegebb helyre áramlanak). Itt tehát az energiatranszport a részecsketranszporttal együtt történik.
Az előzőektől teljesen eltérő folyamat a hősugárzás, amikor a testek közti hőátadás elektromágneses sugárzás segítségével jön létre. Az elektromágneses hullámok vákuumban is terjednek, a világűrben csak így lehetséges hőátadás. Ugyanakkor a hősugárzásnak a földi folyamatokban is nagyon fontos szerepe van.
A hővezetés
A hővezetés törvényei
A hőáram az időegység alatt szállított hő:![\[J_Q=\frac{\Delta Q}{\Delta t}\]](/images/math/9/5/a/95ab2e23d6a70134924c3d168d9fa4e1.png)
hőmérséklet-különbséggel valamint a rúd 
keresztmetszetével (a fal felületével), és fordítva arányos a rúd 
hosszával (a fal vastagságával): ![\[J_Q=\lambda \frac{A}{l}\Delta T\]](/images/math/c/f/3/cf361d36213c5ee496002bf6102a164f.png)
A 
hővezetési tényező az anyagra jellemző állandó.
hőáramsűrűség-vektorral (az egységnyi felületen áthaladó hőáram) jellemezhető. A hőáramsűrűség egyenesen arányos a hőmérséklet-gradienssel (Fourier-törvény): ![\[\vec{j}_Q=-\lambda\nabla T\]](/images/math/8/e/d/8ede46393ee744d9c69374eda412d20a.png)
keresztmetszetű, hosszúságú vezetőn folyó 
áramerősség (időegység alatt szállított töltés): ![\[I=\sigma\frac{A}{l}U\]](/images/math/3/a/6/3a64a5548842c7fe957b35be6d15b04d.png)
a feszültség (potenciálkülönbség), és 
a fajlagos vezetőképesség (a fajlagos ellenállás reciproka).
Differenciálisan pedig ![\[\vec{j}=-\sigma\nabla\Phi=\sigma\vec{E}\]](/images/math/6/1/1/61125981653cfe0321973beb7d808de5.png)
ahol 
az áramsűrűség-vektor, 
az elektromos potenciál és 
az elektromos térerősség.
Az analógia lehetővé teszi összetett hővezetési problémák elektromos modellezését: ellenállásokat bekötni, feszültségeket és áramerősségeket mérni sokkal egyszerűbb, mint hővezető szerkezeteket megépíteni, hőmérsékleteket és hőáramokat mérni.
A legjobb hővezetők egyben jó elektromos vezetők is (ezüst, vörösréz, alumínium), aminek az az oka, hogy a szabad elektronoknak nemcsak az elektromos vezetésben, hanem a hővezetésben is fontos szerepük van.
Különleges hőszigetelő anyagok
Legjobb hőszigetelő a vákuum: azon keresztül csak hősugárzással lehet hőcsere. Így „működik” az acél termosz: a két, egymáshoz közeli, vékony fal közti levegőt kiszívják. (A falak közti hősugárzást pedig fényes, tükröző felületekkel csökkentik.)
A gázok is elég jó szigetelők lennének, ha nem alakulnának ki áramlások. A lyukacsos, porózus szerkezetekben az egymástól elzárt (és így az áramlásban akadályozott) levegőrétegek szigetelnek.
Az űrsiklók burkolására olyan speciális kerámiát fejlesztettek ki, amely kellő szilárdságú, és ugyanakkor nagyon jó hőszigetelő. (A légkörbe való belépéskor a nagyon nagy sebesség miatt az űrsikló felülete felforrósodik.) Ez az anyag olyan rossz hővezető, hogy ha vörösen izzik, akkor is kézbe lehet venni: A bőrünk lehűti a kerámia felületét, és az nem melegszik fel újra a rossz hővezetés miatt. (Ugyanezért nem éget a szauna 100 °C-os fa burkolata sem, pedig az ugyanilyen meleg víz, vagy fém tárgyak már égési sérülést okoznak.)
A hőáramlás
Gravitációs áramlások
A folyadékok és gázok sűrűsége függ a hőmérséklettől: általában a hőmérséklet növelésével csökken. (Kivétel pl. a víz 0 °C és 4 °C között.) Emiatt ha egy folyadék vagy gáz alját melegítjük (vagy tetejét hűtjük), akkor a közegben a gravitáció hatására áramlások alakulnak ki: a meleg (kisebb sűrűségű) anyag felfelé, a hideg (nagyobb sűrűségű) lefelé mozdul el. A hőáramlás csökkenti a közeg alja és teteje közti hőmérséklet-különbséget, de ha a közeg alját folyamatosan melegítjük (vagy a tetejét hűtjük), akkor folyamatos áramlás alakulhat ki. A gravitációs áramlásra rengeteg példát láthatunk a természetben és a hétköznapi gyakorlatban is.
A napsugárzás elsősorban a talajban és a vízfelületeken nyelődik el, azt melegíti fel. A talajtól és a víztől felmelegedő (nedves) levegő felszáll, és eközben kitágul, adiabatikusan lehűl (és a benne lévő vízgőz kicsapódik) – ez a globális légmozgások alapvető hajtóereje.
A fűtőtesttől felmelegedő levegő felszáll, a szobában áramlás alakul ki. Ez szállítja a fűtőtest melegét a szoba többi részébe. Eközben a levegő lehűl, és a szoba másik oldalán leszáll – így záródik az áramlás. Ehhez hasonlóan a kémények huzatát szintén a gravitációs áramlás biztosítja: a kinti levegőnél melegebb füst felfelé száll.
Központi fűtés is építhető gravitációs áramlással: a kazánban felmelegedő víz az egyik csövön a pincéből felfelé, a fűtőtestekben kihűlő víz a másik csövön lefelé áramlik. A tűzhelyre tett lábasban is a folyadékban kialakuló gravitációs áramlás szállítja a hőt a lábas aljáról a felsőbb rétegekbe. (Viszkózusabb folyadékokban nem alakul ki elég erős áramlás, így az étel a lábas alján túlzottan felforrósodik, és az étel odaég. Ilyenkor az ételt keverni kell.)
Télen a tavak és tengerek felülete kezd el hűlni, a hideg víz lesüllyed, ezzel gyorsítva az egész víztömeg kihűlését. A folyamat azonban csak 4 °C-ig tart: az ennél hidegebb víz már kisebb sűrűségű, mint a 4 °C-os, így az a felszínen marad. Emiatt először a felszínen fagy meg a víz. A jégréteg viszont már rosszabb hővezető, lassítja az alatta lévő víz hűlését és megfagyását, így az aránylag sekély vizek se fagynak be fenékig. Ennek rendkívüli jelentőssége volt a sekély vizekben kialakuló földi élet szempontjából (és ma is ez teszi lehetővé a vízi élőlények áttelelését).
Ha egy vékony, viszkózus folyadékréteget egyenletesen melegítünk alulról, akkor a szimmetria miatt sokáig nem alakul ki áramlás (a folyadék „nem tudja eldönteni”, hogy hol kezdjen el felfelé, és hol lefelé áramlani). Amikor a sűrűségkülönbség már nagy lesz, akkor az instabil egyensúly valahol felborul: a meleg anyag bizonyos helyeken felfelé, körülötte a hideg pedig lefelé fog áramlani. Ilyen áramlási mintázatokat meg lehet figyelni egy vékony, alulról melegített olajrétegben is, de a Nap felületén is (ahol az égitest belsejében zajló fúzió által felforrósodott anyag áramlik a hidegebb felszín felé).
Kényszerített áramlások
Súlytalanság állapotában (például műholdakon), vagy ha a közeg fent melegebb, mint lent, gravitációs áramlás egyáltalán nem alakul ki. Más esetekben – például ha az áramlás kialakulásához rendelkezésre álló tér szűk, vagy a csövek vékonyak – a kialakuló áramlás nem elég intenzív a kellő intenzitású hőátadáshoz. Ilyenkor kényszerített áramlásra van szükség, az áramlást ventillátorral, keringtetőszivattyúval lehet kialakítani vagy fokozni.
A számítógépekben (gyakran kellemetlenül zajos) ventillátorok biztosítják a kellő hőcserét. A mai központi fűtések pedig keringtető szivattyúval készülnek (így vékonyabb csövek kellenek – viszont a gázfűtés áramszünetkor is leáll). Legtöbb autóban mind a kettőt alkalmazzák: a motorban felszabaduló hőt a vízpumpával hajtott hűtővíz szállítja a hűtőbe, ahonnan – szükség esetén ventillátorral hajtott – levegő szállítja tovább.
A hőátadás fokozása halmazállapot-változással
A testek felületén a hő átadódik a szilárd test és a környező gáz vagy folyadék között. A hőátadás mértéke értelemszerűen függ a felület nagyságától, de ezen kívül sok más paramétertől is. A közeg áramlása például jelentősen növeli a hőátadás intenzitását. Így nem mindegy a felület iránya sem, hiszen függőleges felület mellett könnyebben alakul ki gravitációs áramlás.
A hőátadás intenzitását nagymértékben fokozza a felületen végbemenő halmazállapot-változás: a párolgó folyadék jelentős hőmennyiséget von el környezetétől. Nagy melegben, fizikai munka és sport közben ezért izzadunk: a szervezet így tud megszabadulni a felesleges hőmennyiségtől. (Ugyanakkor szélben, vizesen veszélyesen ki lehet hűlni.)
A hősugárzás
Nem csak izzó testeknél!
A hősugárzás az izzó testek estében (pl. napsütés, hősugárzó) nem csak a bőrünkkel érzékelhető, hanem látható is (hiszen ilyenkor az elektromágneses sugárzás egy része a látható fény tartományába esik). De nem csak a forró testek, hanem minden test sugároz! A sugárzás intenzitása azonban az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával arányos, így a hidegebb testek sugárzása sokkal gyengébb. Ennek ellenére a hővezetés és a hőáramlás mellett a hősugárzásnak is fontos szerepe van a szobahőmérsékletű tárgyak közti hőcserében is. A környezetünkben minden test sugároz, és ugyanakkor el is nyel hősugárzást. Ezen a hőmérsékleten a hősugárzás az elektromágneses spektrum emberi szemmel nem látható, infravörös tartományába esik (erre a célra készített kamerákkal azonban érzékelhető).
Az abszorpciós tényező, feketetest-sugárzás
A testek a rájuk eső hősugárzás egy részét elnyelik, a többit visszaverik (vagy átengedik). A beérkező sugárzás hullámhosszától is függő 
abszorpciós tényező megadja, hogy a test a ráeső hőáram mekkora részét nyeli el. A tökéletesen tükröző (vagy tökéletesen átlátszó) test abszorpciós tényezője =0, a minden sugárzást elnyelő, „fekete” test abszorpciós tényezője pedig =1. A „fekete” szó azért van idézőjelben, mert itt nem csak látható sugárzásról van szó: az infravörös tartományban egy látható tartományban „színes” test is lehet „fekete”.
A feketetest egy olyan (elvi szempontból is fontos) test, amely minden frekvencián minden hősugárzást elnyel, abszorpciós együtthatója hullámhossztól függetlenül =1. (Valódi anyagok csak jó közelítéssel lehetnek ilyenek.)
intenzitása (a hőáramsűrűség) csak a test 
abszolút hőmérsékletétől függ (Stefan-Boltzmann-törvény): ![\[j_Q=\sigma T^4\]](/images/math/2/4/d/24df49ee1fc93ac63da33d69ff32511c.png)
![\[\sigma=5,67\cdot 10^{-8}\quad{\rm Wm}^{-2}{\rm K}^{-4}\]](/images/math/c/0/f/c0f7cee562239649a71b62ac11ba4e31.png)
Abszorpció és emisszió: miért fekete a hűtőborda?
Egy (nem fekete) test által kisugárzott hőáram![\[J_Q=A\sigma e T^4\]](/images/math/a/5/1/a5121b5270953517f0155d8b61a1963d.png)
ahol a test sugárzó felülete, 
pedig az emissziós állandó. Ez az állandó adja meg, hogy az adott test mennyi hőt sugároz ki az ugyanekkora felületű és hőmérsékletű feketetesthez képest. (A feketetest emissziós állandója =1.)
![\[e=a\]](/images/math/0/c/f/0cf4691b7168e81ac55b1e794e423201.png)
azaz ugyanolyan körülmények között a „fekete” testek sugároznak a legerősebben, és a tükröző (vagy átlátszó) testek a leggyengébben. Emiatt festik a hűtőbordákat matt feketére: így tud leadni adott hőmérsékleten, adott felületen a lehető legtöbb hőt.
Az állítás bizonyításához megmutatjuk, hogy ha nem lenne igaz, az ellentmondana a II. főtételnek.
Legyen két párhuzamos felület minden mástól elszigetelve, és legyenek kezdetben azonos hőmérsékletűek. Egymás közt is csak hősugárzással cserélhetnek energiát. Legyen az egyik (a bal oldali) fekete (=1), a másik aránylag jól tükröző (pl. =0,3), ugyanakkor tegyük fel, hogy az állításunkkal ellentétben mindkettőnek mégis =1 az emissziós tényezője. Az 1/a ábra alapján látható, hogy ekkor mindkét oldal ugyanakkora teljesítménnyel sugározna, viszont nem ugyanannyit nyelne el. (A részben tükröző test a beeső sugárzás nagyobb részét visszaveri, amit szintén a fekete test nyel el.) Ilyen módon a két kezdetben egyforma hőmérsékletű test közül az egyik külső hatás nélkül felmelegedne, a másik pedig lehűlne, ami ellentmondana a II. főtételnek. Az 1/b ábrán látható, hogy ha a részben tükröző test emissziós tényezője megegyezik az abszorpciós tényezőjével, akkor mind a két test összesen ugyanannyi energiát nyel el, mint amennyit kisugároz, és így a hőmérsékletek nem változnak.
A hősugárzás spektrális eloszlása
Hőmérsékletmérés színkép alapján
A hősugárzás nem egy hullámhosszon, hanem a teljes elektromágneses spektrumon történik. A spektrális eloszlás azt adja meg, hogy a teljes kisugárzott energia hogyan oszlik el a különböző hullámhosszúságok között. A feketetest-sugárzás spektrális eloszlásának elméleti magyarázata a XIX. század végén még hiányzott. Max Planck 1900 karácsonyán csak az energiakvantum fogalmának bevezetésével tudta megmagyarázni a sugárzási törvényt, ezzel elindítva a XX. századi fizika alapvető elméletét, a kvantummechanikát.
A spektrum függ a sugárzó test hőmérsékletétől. Mint láttuk, a teljes kisugárzott energia arányos az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával. Emellett a hőmérséklet növelésével a spektrum a magasabb frekvenciák (kisebb hullámhosszok) felé tolódik. A Wien-féle eltolódási törvény szerint a maximális intenzitáshoz tartozó hullámhossz fordítva arányos az abszolút hőmérséklettel.
Szobahőmérsékleten a sugárzás gyakorlatilag teljesen a nem látható, infravörös tartományba esik. 550-600 °C hőmérséklet felett a test már sugároz annyit a látható tartományban is, hogy a szemünk érzékelje (vörös izzás). A Nap kb. 6000 K hőmérsékletű felületéről érkező napfényben a maximális intenzitás már a látható tartományba esik (a hullámhossza kb. 550 nm, zöld szín).
A sugárzás intenzitása és spektrális eloszlása alapján következtetni lehet a sugárzó test hőmérsékletére. (Természetesen figyelembe kell venni, hogy a valódi testek nem feketetestek.) A pirométer egy ilyen elven működő érintésmentes hőmérő, amivel nagyon nagy hőmérsékletek is mérhetők. A termográfia a fényképezéshez vagy a filmezéshez hasonló képalkotás az infravörös tartományban. A mesterségesen színezett képeken a színek a sugárzó test hőmérsékletét mutatják.
Hősugárzás a természetben, hová verjük a sátrunkat?
Környezetünkben minden test sugároz, természetesen a saját testünk is. A hősugárzásról azonban elsősorban forró testek jutnak eszünkbe, például a napfény, vagy egy vörösen izzó hősugárzó. A szobahőmérsékletű testek sugárzását alig vesszük észre. Ugyanakkor, ha egy hideg betonfal, vagy jégtömb közelében áll valaki, akkor azt érzi, hogy a hideg testből „sugárzik a hideg”. Van „hideg sugárzás” is? Természetesen nincs. A testünkkel közel azonos hőmérsékletű testek sugárzását azért nem érezzük, mert ilyenkor a mi általunk kisugárzott energia és a test által felénk sugárzott energia éppen kiegyenlíti egymást. Ha a környező testek jóval hidegebbek a testünknél, akkor kevesebb sugárzó hő éri irányukból a bőrünket, mint amennyit kisugároz, így lehűl. Ezt érezzük úgy, hogy „sugárzik a hideg”.
Ahhoz, hogy a testhőmérsékletünk állandó maradjon, a testünkben termelődő hőtől (nyugalmi állapotban kb. 50 W) folyamatosan meg kell szabadulnunk. Ezért a testhőmérsékletünknél kicsit hidegebb (20-25 °C-os) környezetben érezzük magunkat kellemesen. Ha a környezet ennél melegebb, akkor csak izzadás (halmazállapot-változás) segítségével tudjuk leadni a felesleges hőt. Ha a környezet sokkal hidegebb, akkor fel kell öltöznünk: a hőszigetelő ruha felülete alacsonyabb hőmérsékletű a testünknél (hiszen ez a hőmérséklet-gradiens kell a hővezetéshez), így kevesebb hőt sugároz ki.
A természetben a testünket a napsugárzás és a környező tárgyak sugárzása éri. A Napból érkező (elsősorban látható fényből és közeli infravörösből álló) sugárzás azonban térben és időben egyenetlenül éri a Földet. Nappal, tiszta időben kb. 1000 W/m2 teljesítmény ér a Föld felszínén egy napsugárzásra merőleges felületet. Ugyanakkor éjszaka csak a talaj, a környező tárgyak és a légkör sugároz felénk. A tiszta légkör azonban keveset nyel el (kicsi az abszorpciós együtthatója), és így keveset is sugároz (kicsi az emissziós együtthatója). Derült időben az égbolt így csak annyi energiát sugároz, mint egy nagyon hideg test. Ez okozza derült időben az eget „látó” felületek jelentős lehűlését. A környező levegőnél hidegebb tárgyakra pedig harmat vagy dér formájában kicsapódhat a levegő nedvességtartalma.
Hová verjük a sátrunkat, ha éjjel nem akarunk fázni, és reggel szárazon szeretnénk elcsomagolni? Borult időben majdnem mindegy: ilyenkor a felhők visszaverik a Föld felszínéről kisugárzott sugárzást, és így az égbolt erősebben sugároz, nem lesz olyan erős kisugárzás, és az éjszaka melegebb lesz. Derült időben viszont fák alatt érdemes sátrazni: a fák lombja a környező levegővel azonos hőmérsékletű, így sokkal erősebben sugároz, mint a közel átlátszó derült égbolt. Derült nyári éjszakákon az erdőben szárazon és melegen lehet ébredni, míg a réteket vastag harmat borítja.
Üvegházhatás
Az abszorpciós tényezőhöz hasonlóan a testek átlátszósága is hullámhosszfüggő. A sima üveg felület például átlátszó a látható tartományban, de az infravörös sugárzást visszaveri. Ezt a jelenséget használják ki a kertészek az üvegházak építésével: az üveglapok átengedik a napfényt, ami elnyelődik a talajban és a növényekben. A szobahőmérsékletű tárgyak hősugárzását viszont az üveg visszaveri, így az üvegház felmelegszik.
A globális üvegházhatás ugyanilyen elven alapul: a széndioxid, a metán (és kis mértékben a vízgőz is) a látható fényben átlátszók, míg az infra tartományban elnyelik és részben visszaverik a sugárzást. A Földnek, ahhoz hogy ne változzon a hőmérséklete, folyamatosan ki kell sugároznia azt az energiát, amit a Naptól kap (és ami a Föld belsejében radioaktív bomlásokból keletkezik). Ha a légkör kevésbé átlátszó az infravörös tartományban, akkor a felszíni hőmérsékletnek magasabbnak kell lennie ugyanolyan erős kisugárzáshoz.
Az üvegházhatás jelentős része természetes eredetű. A legnagyobb részéért a kis mértékben üvegházhatású, de nagyon nagy mennyiségben jelenlévő vízgőz felelős. Ezen kívül természetes úton kerül széndioxid és metán is a légkörbe. Üvegházhatás nélkül a Földön túl hideg lenne.
A Föld két különböző visszacsatolási mechanizmussal is képes szabályozni a légköri széndioxid mennyiségét:
A (nagyon lassú) geológiai szabályozás lényege, hogy ha nagyon sok a széndioxid a légkörben, akkor felmelegedés következik be. A meleg tengervízben feloldódó széndioxid reagál a szilikátokkal, és karbonátos kőzetekben megköti a felesleges széndioxidot. Ha túl kevés a széndioxid a légkörben, akkor megindul az eljegesedés, a jégtakarók súlya a magmába nyomja a karbonátos kőzeteket, ahol a széndioxid vulkáni tevékenységgel újra a légkörbe jut.
A (kicsit gyorsabb) biológiai szabályozás a növények széndioxid megkötésén alapul. A magas széndioxid-koncentráció okozta meleg éghajlaton intenzívebb a növényi élet, és a széndioxid az élő növényekben és a növényi maradványokban (szén, kőolaj, földgáz) megkötődik. A légköri széndioxid-koncentráció csökkenése lehűlést és a növényzet visszaszorulását eredményezi, így a megkötött széndioxid részben visszajut a légkörbe.
A fosszilis energiahordozók elégetése és a növényzet irtása azonban a légköri széndioxid-koncentráció földtörténeti léptékben nagyon gyors növekedését okozza, ami a természetes változásokhoz képest túl gyors felmelegedést okozhat. Sokak szerint ez ma a legsúlyosabb környezeti veszély.
Hűtés-fűtés
Egy lakás hőháztartása
Az energiaárak növekedésével egyre inkább előtérbe kerül a lakóházak hőszigetelése. Érdemes áttekinteni egy lakás teljes hőháztartását!
A lakásba bejutó energia meghatározásakor a fűtésen kívül figyelembe kell venni az ablakokon keresztül bejutó napfényt (ami megfelelő tájolás esetében télen se elhanyagolható – nyáron viszont árnyékolással csökkenthető), a lakásban működő háztartási eszközök hőleadását (a berendezések – hűtőgép, hajszárító, számítógép, tévé, belső világítás stb. – elektromos fogyasztása végül hővé alakul), és a lakásban élő emberek hőtermelését is. Ezen kívül nyáron (amikor kint melegebb van, mint a lakásban) hővezetéssel a falakon és nyílászárókon át is befelé áramlik az energia.
A lakás belsejéből télen (amikor a kint hidegebb van, mint a lakásban) a falakon és a nyílászárókon keresztül hővezetéssel jut ki az energia. Ezen belül hagyományos épületeknél meghatározó a nyílászárók és a rossz tervezés vagy kivitelezés miatt kialakuló hőhidak (például a hőszigetelésen átvezető vasbeton szerkezetek) szerepe. Jelentős energiaveszteséget okoz a rosszul záródó ablakoknál kialakuló folyamatos légáramlás, a kéményeken keresztül távozó meleg füst és levegő, valamint a szellőzés is. Nyári hőségben klímaberendezéssel lehet mesterségesen elvonni hőt a lakásból.
A kinti hőmérsékletnek – különösen nyáron – jelentős napi ingadozása van. Ezért fontos a ház hőkapacitása is: a vastag, nagy tömegű falakban tárolt energia csökkenti a lakásban a napi hőmérsékletingadozást.
Az épület alakja és tájolása is jelentősen befolyásolja a hőháztartást. Ugyanahhoz az alapterülethez egy kompakt, nagyjából kocka alakú épület esetében tartozik a legkisebb hőleadó felület. Ugyanakkor a téli besugárzás jobb kihasználásához ettől eltérő (kb. 1:1,6) oldalarányú épület az optimális, természetesen megfelelő tájolással.
A szinte semmi külső energiát nem igénylő épületek világszerte használt német szabványa a passzívház. Az ilyen épületek évente legfeljebb 15 kW/m2 energiát használnak fűtésre-hűtésre. Az ilyen épületekben a vastag (50 cm), jó hőszigetelésű falakkal, a hézagmentes, háromrétegű, nemesgáztöltésű nyílászárókkal, valamint hőhídmentes konstrukcióval minimálisra csökkentik a hőveszteséget. A szellőzést a talajban kígyózó csővezetéken keresztül beáramló levegővel biztosítják: a talajban hosszan kanyargó csőben télen melegszik, nyáron lehűl a levegő. Ezután télen a házból kilépő levegő melegíti tovább egy hőcserélőben. A minimális veszteséget a megfelelő tájolásnak köszönhető besugárzás, és a házban lakó emberek, valamint a háztartási eszközök hőkibocsátása biztosítja. A használati meleg vizet napkollektorok melegítik, a nyári hűtést a talajban előhűtött levegő és megfelelő árnyékolás biztosítja. Gázbekötés, kémény nincsen. Az első magyar passzívház Szadán épült.
Az elektromos energia részben vagy egészében napelemekkel, vagy egyéb megújuló energiaforrásokkal is előállítható. Léteznek már pozitív energiamérlegű aktív házak, melyek egy év alatt több energiát termelnek (és juttatnak vissza az elektromos hálózatba), mint amennyit felhasználnak.
Vissza a Kísérleti fizika 1. nyitóoldalára
3. Megmaradási törvények a mechanikában
6. Hideg-meleg
