Megmaradási törvények a fizikában (GPK)
A Fizikában felfedezhetünk olyan átfogó törvényeket, amelyek gondolataink startkövei lehetnek, és iránymutatóként működhetnek. Az ún. „megmaradási tételek” (is) ilyenek. Bármilyen összetett is legyen egy (mechanikai) rendszer, és bármilyen bonyolult módon is mozogjék, ha az előírt feltételek teljesülnek, bizonyos tulajdonságai állandóak maradnak. Ez lehetővé teszi azt, hogy az igen bonyolult mozgásegyenletek megoldása nélkül is egzakt eredményekre jussunk. Ezen törvények megfelelő általánosításával a ma ismert Univerzum egészére érvényes állításokat tehetünk.
A megmaradási tételek számos természeti jelenségben felismerhetők, és segítségükkel technikai alkalmazások és a sportokban alkalmazott „trükkök” is könnyebben megérthetők.
Tartalomjegyzék |
Munka, teljesítmény, energia
A munka és a teljesítmény fogalma
A fizikában sok olyan fogalmat használunk, ami a hétköznapi életből származik, azonban a jelentése nem ugyanaz a fizikában, mint a hétköznapi nyelvhasználatban. Ilyen fogalom a munka és a teljesítmény is.
A mechanikai munka két test közötti energiaátadás egyik lehetséges módja. Az elemi munkát a![\[\Delta W=\vec{F}\Delta\vec{s}\]](/images/math/7/e/0/7e03bec6a4be86286a073b153d81cfc4.png)
![\[W=\int_g\vec{F}{\rm d}\vec{s}\]](/images/math/f/3/9/f39722dacfe0843e496f60f9c76bef54.png)
arra utal, hogy egy görbe, a test pályája mentén kell integrálni. Ha 
állandó, akkor az integrál helyett a munka egy egyszerű skalárszorzattal kiszámítható: ![\[W=\vec{F}\vec{s}=Fs\cos\alpha\]](/images/math/f/8/2/f825b67d72af3d502e85cdd6f45d7edc.png)
az erő- és az elmozdulásvektor által bezárt szög.
A teljesítmény a munkavégzés sebességét fejezi ki: ![\[P=\frac{{\rm d}W}{{\rm d}t}=\frac{\vec{F}{\rm d}\vec{s}}{{\rm d}t}=\vec{F}\vec{v}\]](/images/math/6/7/6/676894b9e2d7904e7eb46b51b1fcff45.png)
A munka SI mértékegysége a joule, 1 J = 1 Nm, a teljesítményé a watt, 1 W = 1 J/s.
Mozgási energia
Vizsgáljunk egy testet, mely a rá ható erők hatására valamilyen pályán mozog. Az eredő erő munkája ![\[W=\int_1^2\vec{F}{\rm d}\vec{s}\]](/images/math/f/b/9/fb9302f2a4cc48f511fa92e15510c9f9.png)
, valamint a gyorsulás és a sebesség definícióját, a kifejezés átalakítható: ![\[W=\int_1^2 m\vec{a}{\rm d}\vec{s}=m\int_1^2\frac{{\rm d}\vec{v}}{{\rm d}t}{\rm d}\vec{s}=m\int_1^2{\rm d}\vec{v}\frac{{\rm d}\vec{s}}{{\rm d}t}=m\int_{v_1}^{v_2}\vec{v}{\rm d}\vec{v}\]](/images/math/d/c/9/dc9fb2828305ccddef0b96e21b616e67.png)
és 
a testsebessége a vizsgált mozgás elején és végén. Az integrálást elvégezve: ![\[W=m\int_{v_1}^{v_2}\vec{v}{\rm d}\vec{v}=m\left[\frac{1}{2}v^2\right]_{v_1}^{v_2}=\frac{1}{2}mv_2^2-\frac{1}{2}mv_1^2\]](/images/math/9/a/2/9a2130e000126d1e2029af00d5434c4f.png)
![\[E_m=\frac{1}{2}mv^2\]](/images/math/5/f/f/5ffb4aac659dbfc06bca9bfeeb9fadd0.png)
![\[W=\Delta E_m\]](/images/math/8/5/8/8580ecf0990386c73ab3921be889ac83.png)
Helyzeti energia
Bizonyos erőhatások esetében az erő által végzett munka nem függ a pálya alakjától, csak a kezdő és végpontoktól. Például az 1. ábrán az A pontból a B pontba három különböző útvonalon kiszámolva a munkát, azt kapjuk, hogy az mindhárom útvonalon egyforma:![\[W_1=W_{AC}+W_{CB}=mgh+0=mgh\]](/images/math/e/2/6/e2658b41d6c79e69d5cff8f691d60356.png)
![\[W_2=m\vec{g}\vec{s}=mgs\cos\alpha=mgh\]](/images/math/d/5/c/d5c5f6bd2ebb810a81a4867a1080e8d3.png)
![\[W_3=\int_A^B m\vec{g}{\rm d}\vec{s}=m\vec{g}\int_A^B {\rm d}\vec{s}=m\vec{g}\vec{s}=mgh\]](/images/math/e/8/4/e84607ee458c888f9d989b25f1351e98.png)
![\[\oint\vec{F}{\rm d}\vec{s}=\int_{A(1)}^B \vec{F}{\rm d}\vec{s}+\int_{B(2)}^A \vec{F}{\rm d}\vec{s}=\int_{A(1)}^B \vec{F}{\rm d}\vec{s}-\int_{A(2)}^B \vec{F}{\rm d}\vec{s}=W_{AB(1)}-W_{AB(2)}=0\]](/images/math/9/5/f/95f4a4f3880bc77b2dbd667915295f86.png)
![\[E_{hA}=\int_A^O\vec{F}{\rm d}\vec{s}=-\int_O^A\vec{F}{\rm d}\vec{s}=W_{AO}=-W_{OA}\]](/images/math/0/e/a/0ea90db891bbbb755cadbc24238e6bdd.png)
![\[W_{AB}=W_{AO}+W_{OB}=E_{hA}-E_{hB}=-\Delta E_h\]](/images/math/2/2/6/22654f1677a68c8230f3d9c2d6774529.png)
![\[W_k+W_{nk}=\Delta E_m\]](/images/math/4/b/4/4b421e3a008a7536580955dd38d0472d.png)
![\[W_k=-\Delta E_h\]](/images/math/1/2/b/12b25eb89996f87284357d7d39398424.png)
mechanikai energiát a következő összefüggést kapjuk: ![\[W_{nk}=\Delta E_m+\Delta E_h=\Delta\left(E_m+E_h\right)=\Delta E\]](/images/math/7/1/0/7100616a0e3ace06574b63f77cf32e0f.png)
![\[W_{nk}=0\quad\Leftrightarrow\quad E={\rm const.}\]](/images/math/d/5/7/d57618c4c846a389e6a11fd5b106cb92.png)
Ez a mechanikai energia megmaradásának tétele egy tömegpontra.
Impulzus és perdület
Tömegpont impulzusa, Newton II. törvénye impulzussal megfogalmazva
A megmaradási tételek sok feladat megoldását megkönnyítik. A mechanikai energia után ezért bevezetjük az impulzus (vagy másképp lendület) fogalmát. Az impulzus vektoriális mennyiség, egy tömegpont impulzusa a tömeg és a sebességvektor szorzata:![\[\vec{p}=m\vec{v}\]](/images/math/1/b/8/1b8235c049c408e5ddf30af8e589d191.png)
![\[\frac{{\rm d}\vec{p}}{{\rm d}t}=\frac{{\rm d}(m\vec{v})}{{\rm d}t}=m\frac{{\rm d}\vec{v}}{{\rm d}t}=m\vec{a}=\vec{F}\]](/images/math/e/3/c/e3c3dfcba3ce4df9c43d2247b46aa783.png)
![\[\vec{F}=0\quad\Leftrightarrow\quad\vec{p}={\rm const.}\]](/images/math/8/c/a/8ca1953adf8b3ac6506fdef8bff795db.png)
Ez az impulzus megmaradásának tétele egy tömegpontra.
Tömegpont perdülete, perdület és forgatónyomaték kapcsolata
Ugyanilyen megfontolásból bevezetjük a perdület (vagy másképpen impulzusmomentum) fogalmát is. A perdület szintén vektoriális mennyiség, az O pontra vonatkoztatott perdületet a következő vektoriális szorzattal definiálunk:![\[\vec{N}=\vec{r}\times\vec{p}=m\vec{r}\times\vec{v}\]](/images/math/0/8/e/08eee0b3ad8f957a6529cbb84c762c55.png)
az O pontból a tömegpontba mutató helyvektor.
Deriváljuk ezt a kifejezést is idő szerint: ![\[\frac{{\rm d}\vec{N}}{{\rm d}t}=\frac{{\rm d}(\vec{r}\times\vec{p})}{{\rm d}t}=\frac{{\rm d}\vec{r}}{{\rm d}t}\times\vec{p}+\vec{r}\times\frac{{\rm d}\vec{p}}{{\rm d}t}=\vec{v}\times\vec{p}+\vec{r}\times\vec{F}\]](/images/math/c/6/9/c69470a60168b718c36c5b75bdde2981.png)
és 
párhuzamos, a második tag pedig az eredő erő forgatónyomatéka: ![\[\vec{M}=\vec{r}\times\vec{F}\]](/images/math/7/e/0/7e05bf4950c432027287dfce89ca0bf4.png)
![\[\frac{{\rm d}\vec{N}}{{\rm d}t}=\vec{M}\]](/images/math/5/1/c/51c85fb9a2790e9dabb55cd548f950de.png)
![\[\vec{M}=0\quad\Leftrightarrow\quad\vec{N}={\rm const.}\]](/images/math/e/2/7/e271df62524e4e5fbec32ff7aca898d7.png)
Ez a perdület megmaradásának tétele egy tömegpontra.
Megmaradási tételek
Pontrendszer fogalma
A pontrendszer tömegpontokból áll. Szabadon megválasztható, hogy mely pontok tartoznak a rendszerhez. A modell használható néhány testből álló rendszerek (például ütközések, Föld-Hold rendszer), nagyon sok tömegpontból álló rendszerek (például gázok, 10
részecske) és a kiterjedt testek (például merev testek) leírására.
![\[m=\sum_i m_i\]](/images/math/7/9/1/7919962b3d5cef651743ed7551a0004f.png)
![\[\vec{r}_{{\rm TKP}}=\frac{1}{m}\sum_i m_i\vec{r}_i\]](/images/math/f/3/b/f3b1458cfd8912a61cdd325e0714c99e.png)
Impulzusmegmaradás tétele
A pontrendszer impulzusa a tömegpontok impulzusának összege. A kifejezést átalakítva és felhasználva a tömegközéppont definícióját:![\[\vec{p}=\sum_i\vec{p}_i=\sum_i m_i\vec{v}_i=\sum_i m_i\frac{{\rm d}\vec{r}_i}{{\rm d}t}=\frac{{\rm d}\left(\sum_i m_i\vec{r}_i\right)}{{\rm d}t}=\frac{{\rm d}\left(m\vec{r}_{{\rm TKP}}\right)}{{\rm d}t}=m\frac{{\rm d}\vec{r}_{{\rm TKP}}}{{\rm d}t}=m\vec{v}_{{\rm TKP}}\]](/images/math/d/4/c/d4cd827dd9c6bcda2a88a6fe023dcc38.png)
A pontrendszer impulzusa tehát úgy számolható, mintha az egész tömeg egyetlen pontként a tömegközéppont sebességével mozogna.
A pontrendszer minden pontjára hathatnak erők. Az erők egy része a pontrendszeren kívüli testekkel való kölcsönhatás eredménye, ezeket nevezzük külső erőknek. Az 
tömegpontra ható külső erők eredője 
Ezen kívül a pontrendszer tagjai között is felléphetnek erőhatások, ezeket belső erőknek nevezzük. Az tömegpontra az 
tömegpont 
erővel hat.
![\[\frac{{\rm d}\vec{p}_i}{{\rm d}t}=\vec{F}_{k_i}+\sum_{j\neq i}\vec{F}_{b_{ij}}\]](/images/math/7/7/6/776e8a227eb43e48ea9e005806166153.png)
![\[\sum_i\frac{{\rm d}\vec{p}_i}{{\rm d}t}=\sum_i\vec{F}_{k_i}+\sum_i\sum_{j\neq i}\vec{F}_{b_{ij}}\]](/images/math/9/f/d/9fdbb4096158778944ce2777f39f2ae3.png)
![\[\sum_i\frac{{\rm d}\vec{p}_i}{{\rm d}t}=\frac{{\rm d}\vec{p}}{{\rm d}t}\]](/images/math/a/0/8/a08b9399a10106d167882435770e251a.png)
![\[\sum_i\vec{F}_{k_i}=\vec{F}_k\]](/images/math/6/0/f/60fcd9b3068db71ec1fdb26361bc5251.png)
![\[\vec{F}_{b_{ij}}=-\vec{F}_{b_{ji}}\quad\Rightarrow\quad\sum_i\sum_{j\neq i}\vec{F}_{b_{ij}}=0\]](/images/math/a/8/7/a87000fa6d757e23bc8c8b2bce4b3263.png)
![\[\frac{{\rm d}\vec{p}}{{\rm d}t}=\vec{F}_k\]](/images/math/1/1/9/119459dce7eb6462e42e4896b6882f9c.png)
![\[\vec{F}_k=0\quad\Leftrightarrow\quad\vec{p}={\rm const.}\]](/images/math/d/5/e/d5e4f4176222b1d02eda0ecaec294d6d.png)
Ez az impulzus megmaradásának tétele pontrendszerre. Érdemes még egyszer hangsúlyozni, hogy a megmaradási tétel feltételében a belső erők nem szerepelnek, belső erők nem tudják megváltoztatni a rendszer impulzusát.
Perdületmegmaradás tétele
A pontrendszer tömegpontjaira ható erőknek – egy kiválasztott O pontra – forgatónyomatéka is lehet. Az erőkhöz hasonlóan a forgatónyomatékok is részben a pontrendszeren kívüli testekkel való kölcsönhatásból származnak, ezeket nevezzük külső forgatónyomatékoknak. Az tömegpontra ható külső erők forgatónyomatékának eredője az O pontra 
A pontrendszer tagjai között ható erők forgatónyomatékait belső forgatónyomatékoknak nevezzük. Az tömegpontra az tömegpont az O pontra vonatkoztatva 
forgatónyomatékot fejt ki.
![\[\frac{{\rm d}\vec{N}_i}{{\rm d}t}=\vec{M}_{k_i}+\sum_{j\neq i}\vec{M}_{b_{ij}}\]](/images/math/f/6/a/f6adc0f1eb70489667626f9fa3ecfd11.png)
![\[\sum_i\frac{{\rm d}\vec{N}_i}{{\rm d}t}=\sum_i\vec{N}_{k_i}+\sum_i\sum_{j\neq i}\vec{N}_{b_{ij}}\]](/images/math/2/c/3/2c329c06a45c9ca9638ce290439e1bdb.png)
![\[\sum_i\frac{{\rm d}\vec{N}_i}{{\rm d}t}=\frac{{\rm d}\vec{N}}{{\rm d}t}\]](/images/math/0/0/d/00d76bba4e9dd6daa3e38ed1bde3d607.png)
![\[\sum_i\vec{M}_{k_i}=\vec{M}_k\]](/images/math/f/c/9/fc93c2691d60b6bca3dfad57965ea6f1.png)
![\[\vec{M}_{b_{ij}}=\vec{r}_i\times\vec{F}_{b_{ij}}=-\vec{r}_j\times\vec{F}_{b_{ji}}=-\vec{M}_{b_{ji}}\quad\Rightarrow\quad\sum_i\sum_{j\neq i}\vec{M}_{b_{ij}}=0\]](/images/math/f/9/6/f96f9039b6a73328e44a950b88fad59f.png)
![\[\frac{{\rm d}\vec{N}}{{\rm d}t}=\vec{M}_k\]](/images/math/a/c/0/ac04663bd45d503080e4b3fcb1cc605d.png)
![\[\vec{M}_k=0\quad\Leftrightarrow\quad\vec{N}={\rm const.}\]](/images/math/b/5/a/b5a465dbc88f98c6e53ba4c51e9849d3.png)
Ez a perdület megmaradásának tétele pontrendszerre. A megmaradási tétel feltételében a belső erők forgatónyomatéka sem szerepel, belső forgatónyomatékok nem tudják megváltoztatni a rendszer perdületét.
| A perdületmegmaradás törvényét bemutató kísérleti videók: | |||||
A mechanikai energia megmaradásának tétele
A rendszer pontjaira ható erők munkát is végeznek. A munkavégzéseket is csoportosíthatjuk aszerint, hogy külső vagy belső erők végzik. Ezen kívül érdemes megkülönböztetni a konzervatív és nemkonzervatív erők munkáját is. Írjuk fel a munkatételt minden tömegpontra: ![\[W_{k,k_i}+W_{k,nk_i}+\sum_{j\neq i}W_{b,k_{ij}}+\sum_{j\neq i}W_{b,nk_{ij}}=\Delta E_{m_i}\]](/images/math/f/3/2/f32af77be87a301a555d5ecef48afce2.png)
![\[W_{k,k_i}=-\Delta E_{h_i}\]](/images/math/a/4/5/a45968db7059e729498ce5e817a9acac.png)
![\[W_{b,k_{ij}}=-\Delta E_{h_{ij}}\]](/images/math/6/1/5/6150d1295b7d20529f53024eda9dc8e3.png)
![\[W_{k,nk_i}+\sum_{j\neq i}W_{b,nk_{ij}}=\Delta E_{m_i}+\Delta E_{h_i}+\sum_{j\neq i}\Delta E_{h_{ij}}=\Delta E_i\]](/images/math/2/d/5/2d516a53857728e2d815011c30d69ac8.png)
az tömegpont teljes mechanikai energiája.
Összeadva az összes tömegpontra az egyenleteket ![\[\sum_i W_{k,nk_i}+\sum_i\sum_{j\neq i}W_{b,nk_{ij}}=\sum_i\Delta E_i\]](/images/math/e/8/4/e84aad3dcbbc6966eb280e42e9ff4cd5.png)
). Tehát a rendszer teljes mechanikai energiáját a külső és a belső nemkonzervatív erők munkája tudja megváltoztatni: ![\[W_{k,nk}+W_{b,nk}=\Delta E\]](/images/math/d/f/5/df5ec04da0c31f977442b0c47c1adc7e.png)
![\[W_{k,nk}+W_{b,nk}=0\quad\Leftrightarrow\quad E={\rm const.}\]](/images/math/4/0/b/40b414b0519dce767955ef90ed4739f0.png)
Ez a mechanikai energia megmaradásának tétele pontrendszerre.
Bolygómozgás és műholdak
Kepler II. törvénye (perdületmegmaradás)
Kepler a XVII. század elején Tycho Brahe csillagászati megfigyelései alapján fogalmazta meg a bolygók mozgását leíró tapasztalati törvényeit:
I. A bolygók pályája ellipszis, melynek egyik gyújtópontjában van a Nap.
II. A Napból egy bolygóhoz húzott szakasz azonos idő alatt azonos területet súrol.
III. A bolygópályák fél nagytengelyeinek köbei úgy aránylanak egymáshoz (egy naprendszeren belül), mint a keringési idejük négyzetei.
A III. törvény fontos kísérleti előzménye volt Newton gravitációs törvényének. A II. törvény pedig szép példa a perdületmegmaradásra:
A bolygóhoz húzott szakasz által kicsiny
idő alatt súrolt terület a 3. ábra alapján: ![\[A=\frac{1}{2}r\left(v\Delta t\right)\sin\alpha=\frac{\Delta t}{2}rv\sin\alpha\]](/images/math/1/5/4/15419496e01de234c3bbad2ae92098c1.png)
![\[rv\sin\alpha=|\vec{r}\times\vec{v}|={\rm const.}\]](/images/math/f/9/4/f94a1c0934b432cebb29bf800ba175a1.png)
![\[\vec{N}=\vec{r}\times\vec{p}=m(\vec{r}\times\vec{v})\]](/images/math/1/4/4/1441d8a77ba7c361a832378a4dd7612c.png)
Kepler II. törvénye tehát – csillagászati megfigyelések tapasztalata alapján – a bolygó (Napra vonatkoztatott) perdületének állandóságát mondja ki.
A Nap körül keringő bolygóra a Nap gravitációs vonzása hat (a többi bolygó hatása emellett elhanyagolható). Ez az erő mindig egy pontba, a Nap felé mutat (ún. centrális erő), ezért forgatónyomatéka (a Napra, mint középpontra vonatkoztatva) mindig nulla. Ebből következik, hogy a bolygó perdületének valóban állandónak kell lennie:![\[\vec{M}=0\quad\Rightarrow\quad\vec{N}={\rm const.}\]](/images/math/7/3/e/73e9aa444ff7100d8dde90bc60ddcd37.png)
Rakétaelv (impulzusmegmaradás)
A világűrben, a Föld légkörén kívül az űrhajóra csak a környező égitestek gravitációs ereje hat. Pályáját a gravitációs erőtér és a kezdeti feltételek határozzák meg. Ha csak egyetlen égitest hat rá, akkor kör-, ellipszis-, parabola- vagy hiperbolapályán fog mozogni.
A pálya megváltoztatására (gyorsításra, lassításra, irányváltoztatásra) egyetlen lehetőség van: az űrhajó nagy sebességgel anyagot (forró égésterméket) lövell ki magából. Az űrhajó és a kilövellt gáz közti erőhatás belső erő, amely nem változtathatja meg az űrhajó - kilövellt gáz rendszer összimpulzusát. Ezért ha a gáz nagy sebességgel hátrafelé áramlik ki, akkor az űrhajó előrefelé fog gyorsulni. Ez a rakétaelv, amelynek részleteit Ciolkovszkij dolgozta ki a XIX. század legelején.
A sugárhajtású repülőgépekkel szemben az űrhajó csak olyan anyagot tud kilövellni, amelyet magával visz (szilárd vagy folyékony tüzelőanyag és oxigén vagy más oxidálószer), emiatt nagy végsebességhez nagy induló tömegre van szükség. A kiürült üzemanyagtartályokat nem célszerű tovább gyorsítani, ezért azok leválnak az űrhajóról (többlépcsős rakéták).
Kozmikus sebességek (energiamegmaradás)
A Föld körül körpályán keringő űrhajó sebessége Newton II. törvénye és gravitációs törvénye alapján könnyen meghatározható. A körpályához szükséges centripetális gyorsulást a gravitációs erő biztosítja:![\[m\frac{v^2}{r}=\gamma\frac{mm_F}{r^2}\]](/images/math/8/7/c/87ce397035f5e095ca7e7c7fd91a34b7.png)
az űrhajó, 
a Föld tömege, 
a pálya sugara, 
a gravitációs állandó. Felhasználva,hogy 
(
a Föld sugara) ![\[v=\sqrt{\frac{\gamma m_F}{r}}=\sqrt{\frac{gr_F^2}{r}}\]](/images/math/6/2/8/628e1bf7dfbaf180ea7254bd2f4ddf6a.png)
) – ami persze a légellenállás miatt képtelenség, de néhány tíz km-es magasságban már lehetséges – akkor ![\[v_1=\sqrt{gr_F}\approx 7,9\,{\rm km/s}\]](/images/math/2/5/c/25c60b5b7a091d44e624c226665a1d11.png)
Ez az első kozmikus sebesség. Legalább ekkora sebességre kell gyorsítani egy űrhajót a Föld felszínén, hogy Föld-körüli pályára állhasson. (A Föld forgása miatt az egyenlítőn már a Földön álló úrhajónak is kb. 460 m/s sebessége van, ezért építik az űrközpontokat minél közelebb az egyenlítőhöz.)
A második kozmikus sebesség (vagy szökési sebesség az a sebesség, amivel az űrhajónak ahhoz kell rendelkeznie a Föld felszínén, hogy végleg elhagyja a Földet. Ennek meghatározásához használjuk fel, hogy a már kikapcsolt hajtóművű űrhajó teljes mechanikai energiája állandó:![\[E=E_m+E_h={\rm const.}\]](/images/math/9/1/7/917117b0be52d3c323b62a728833b0c5.png)
![\[E_h=-\int_{r_0}^r F{\rm d}r=-\int_{r_0}^r -\gamma\frac{mm_F}{r^2}{\rm d}r=-\gamma mm_F \left(\frac{1}{r}-\frac{1}{r_0}\right)\]](/images/math/c/3/e/c3ea903229ea26c008b5a6fa482b1223.png)
), akkor ![\[E_h=-\gamma\frac{mm_F}{r}=-m\frac{gr_F^2}{r}\]](/images/math/f/a/4/fa4dc32881a54a6cf09fb48805f941e1.png)
![\[E_m+E_h=\frac{1}{2}mv_2^2-m\frac{gr_F^2}{r_F}=0\]](/images/math/b/1/b/b1be6ed2364ee051eba9b312a8355793.png)
![\[v_2=\sqrt{2gr_F}=\sqrt{2}v_1\approx 11,2\,{\rm km/s}\]](/images/math/8/e/d/8ed25cb84a1188e6c9e347ed945cc385.png)
A távközlési és navigációs műholdak pontosan meghatározott pályákon keringenek a Föld körül. A műholdakat nagy hordozórakéták emelik Föld-körüli pályára (minél magasabb a pálya, annál több energiára van szükség a pályára állításhoz).
A távközlési műholdak a forgó Földhöz képest állnak, hogy a Földről rögzített parabolaantennával lehessen velük kapcsolatot tartani. Ehhez a műholdnak pontosan egy nap (egy csillag-nap) alatt kell megkerülniük a Földet az egyenlítő síkjában. Felírva a mozgásegyenletet![\[m\omega^2r=\gamma\frac{mm_F}{r^2}=m\frac{gr_F^2}{r^2}\]](/images/math/c/a/4/ca4096d5f11d670e658658c5b55e5f80.png)
![\[r^3=\frac{gr_F^2}{\omega^2}=\frac{gr_F^2T^2}{4\pi^2}\]](/images/math/b/0/3/b0329be9376b56d1c195ba62f9da8bca.png)
![\[r\approx 40200\,{\rm km}\qquad h=r-r_F\approx 35800\,{\rm km}\]](/images/math/d/d/8/dd8a48601b7ff0fa9667de226eaad11e.png)
A GPS rendszer műholdjai ennél valamivel alacsonyabban (kb. 20 ezer km), sok más műhold (pl. fényképező, időjárási műholdak) pedig sokkal alacsonyabb pályán keringenek. (A Nemzetközi űrállomás például mindössze 360 km magasan.) A műholdak a különböző zavarok (az alacsony pályákon elsősorban a magas légkör fékező hatása) miatt pályakorrekciókra szorulnak. Erre a célra a műholdakon kisteljesítményű rakéták vannak. Az alacsony pályán keringő, és így a légkör miatt erősebb fékezésnek kitett műholdakat időnként újra magasabb pályára kell állítani. Ehhez a műholdat a keringés irányában a rakéták segítségével gyorsítani kell. (Ha elfogy a manőverekre szánt üzemanyag, akkor a műhold egyre mélyebbre süllyed, és végül elég a sűrűbb légkörben.)
Merev test forgása
Tehetetlenségi nyomaték
A merev test a valóságos testek egy modellje: a tömegponttal szemben figyelembe veszi a test alakját, forgását is, de a valóságos testek (rugalmas vagy képlékeny) alakváltozásait nem. A merev test leírásához felhasználható, amit a pontrendszerekről megállapítottunk, hiszen a merev test egy speciális pontrendszerként kezelhető (ahol a pontok egymáshoz képest nem mozoghatnak).
A merev test mozgása felépíthető elemi elmozdulásokból és elfordulásokból. A merev test haladó mozgása ugyanúgy leírható, mint a tömegponté: a testet ekkor a tömegközéppontjába koncentrált tömegpontként kezelhetjük. A forgás általános esetben nagyon bonyolult lehet, itt két esettel, a rögzített tengely körüli forgással és a pörgettyűmozgással foglalkozunk.
-irányú. A merev test egy elemi tömegdarabjának perdülete ![\[\Delta\vec{N}_i=\vec{r}_i\times\Delta\vec{p}_i=\Delta m_i\vec{r}_i\times\vec{v}_i=\Delta m_i\vec{r}_i\times\left(\vec{\omega}\times\vec{r}_i\right)\]](/images/math/1/1/6/1161049c21349ce905ad4b31094a4105.png)
- és 
-rányú komponenseinek változását, ezért csak a perdület -irányú komponensével kell foglalkoznunk: ![\[\Delta N_{z_i}=\Delta m_i\omega_z R_i^2\]](/images/math/a/0/c/a0cfbce96590422e1f8224db79de2337.png)
a tömegpont távolsága a tengelytől (4. ábra). A test teljes perdületének -komponense ![\[N_z=\sum_i\Delta m_i\omega_z R_i^2=\omega_z\sum_i\Delta m_i R_i^2\]](/images/math/a/a/2/aa2ec022732aa4e5fd56ccbf95334bdb.png)
![\[\Theta_z=\sum_i\Delta m_i R_i^2\]](/images/math/d/4/d/d4d4ead403307048eca6a3ab2fcc39e4.png)
-irányú perdülete így: ![\[N_z=\Theta_z\omega_z\]](/images/math/4/0/0/4000d1729a78a404e3b01ada39b66d79.png)
![\[M_z=\frac{{\rm d}N_z}{{\rm d}t}=\frac{{\rm d}\left(\Theta_z\omega_z\right)}{{\rm d}t}=\Theta_z\frac{{\rm d}\omega_z}{{\rm d}t}=\Theta_z\beta_z\]](/images/math/3/a/2/3a2e131134fc1df4eeebb468d6fa387d.png)
-irányú forgatónyomaték nulla, akkor a test állandó szögsebességgel forog: ![\[M_z=0\quad\Leftrightarrow\quad\omega_z={\rm const.}\]](/images/math/b/3/e/b3e4947f4bd504881883c415efbcd3bf.png)
![\[E_m=\sum_i\frac{1}{2}\Delta m_i v_i^2=\frac{1}{2}\sum_i\Delta m_i\left(\omega R_i\right)^2=\frac{1}{2}\omega^2\sum_i\Delta m_i R_i^2=\frac{1}{2}\Theta\omega^2\]](/images/math/e/2/5/e2508a447c46cda1d94805b812a875e8.png)
Precesszió
A pörgettyű olyan forgó test, melynek egyetlen pontja rögzített, amely körül szabadon foroghat.
Ha a pörgettyűre nem hat külső forgatónyomaték (pl. ha a rögzített pont a test tömegközéppontja), akkor perdületvektora időben állandó. Ez az ún. erőmentes pörgettyű. A perdületvektor állandóságán alapul a giroszkóp működése, melyet repülőgépekben (mesterséges horizont) és űrhajókban használnak a jármű orientációjának érzékelésére és szabályozására.
Ha a pörgettyűre külső forgatónyomaték hat (pl. tömegközéppontja alatt vagy felett van alátámasztva), akkor súlyos pörgettyűről beszélünk. Ilyen eszköz a gyerekjátékként használt búgócsiga. A gyorsan megpörgetett búgócsiga (annak ellenére, hogy a tömegközéppontja alatt van alátámasztva) nem dől fel, hanem forgástengelye egy függőleges tengelyű kúp mentén lassan körbefordul. Ez a mozgás a precesszió.
![\[\Delta\vec{N}=\vec{M}\Delta t\]](/images/math/6/3/f/63fa226f5951b3f8dcffb7f2df12754c.png)
precessziós szögsebességgel körbefordul. A forgatónyomaték, a precesszió szögsebessége és a pörgettyű perdülete közötti kapcsolat ![\[\vec{M}=\vec{\Omega}_p\times\vec{N}\]](/images/math/a/0/b/a0b6f10943f1fbe780b00039fce0ed0d.png)
Forgómozgás a hétköznapokban és a természetben
Gyorsan forgó adathordozók a számítógépben
A merevlemez és a DVD a számítógép két fontos adathordozója: az írható és olvasható adatokat mindkettőben – egészen különböző módon – gyorsan forgó lemezek tárolják. A nagy adatsűrűség és a minél gyorsabb adatelérés rendkívül gyors forgást tesz szükségessé, ami – a kis méretekkel együtt – komoly technikai kihívást jelent.
A mai merevlemezek 5400-15000 fordulat/perc sebességgel forognak. A tükörsima lemezek 10-20 nm vastag mágneses rétegei felett néhány tized nm távolságra, egy néhány atom vastagságú légpárnán siklik az író-olvasó fej – a lemez pereménél versenyautónál is nagyobb sebességgel. Emiatt a lemezeket speciális pormentes helyiségekben kell összeszerelni és légmentesen lezárni. Az adatok írása az írófejben létrehozott mágneses térrel történik, a kiolvasásnál viszont a hagyományos indukciós elven működő apró tekercs helyett már az óriás mágneses ellenállás (GMR) kvantummechanikai jelenségén alapuló eszközöket használnak (ezzel jelentősen megnövelve az elérhető adatsűrűséget és kiolvasási sebességet).
A DVD lemezek szintén akár 10000 fordulat/perc sebességgel foroghatnak. Az író és olvasó lézerfényt ilyen sebesség mellett kell a 
m-nél kisebb „lyukakba” fókuszálni.
Forgómozgás a sportban
A forgómozgásnak nagyon sok sportágban van meghatározó szerepe. A gerelyhajításnál, a diszkoszvetésnél és a frizbinél a forgásnak fontos szerepe van az eldobott test repülési helyzetének stabilizálásában. Az eldobáskor megforgatott sportszerek megőrzik perdületüket, és így olyan helyzetben maradnak, hogy az aerodinamikai felhajtóerő miatt sokkal messzebbre repülnek.
Ugyanez a szerepe a lövedékek forgásának is. A (sport)fegyverek csövében található huzagolás a kirepülő lőszert nagy sebességgel megforgatja hossztengelye körül, ezzel biztosítva stabilitását.
A labdajátékoknál is fontos szerepe van a forgásnak, de itt nem a helyzet stabilitása miatt: a forogva repülő labdára a levegővel való kölcsönhatás miatt a közegellenálláson kívül oldalirányú erő is hat (Magnus-effektus), ami a labda pályáját oldalirányban eltéríti. Ennek köszönhetően lehet szögletből közvetlenül gólt lőni. A pingpongban a nyesett és csavart labdák pedig nem csak a levegőben, hanem az asztalról való visszapattanáskor is „furcsán” viselkednek.
A perdületmegmaradás tételére szép példa a piruettező mozgása: a korcsolyázó vagy a tornász kitárt karokkal és térddel (azaz nagy tehetetlenségi nyomatékkal kezd forogni. Amikor karjait, lábát behúzza, a tehetetlenségi nyomatéka lecsökken, és így a perdület állandósága miatt (lábujjhegyen vagy a korcsolya hegyén pörögve nagyon kicsi a külső forgatónyomaték) a szögsebessége megnő, pörögni kezd.
Bonyolult forgó mozgás a szaltó és a különböző szertorna gyakorlatok: a forgás sebessége itt is a végtagok behúzásával gyorsítható.
A biciklikerekek forgására később visszatérünk.
A Föld precessziója: a csillagjegyek eltolódása
A Föld forgástengelye nem merőleges az ekliptikára (az ekliptika a Föld keringési síkja), hanem a merőlegestől 23,5°-kal eltér. Ez a tengelyferdeség okozza az évszakok változását: nyáron az északi féltekén a napfény meredekebben éri a felszínt, mint télen, így erősebb a besugárzás.
A Nap látszólagos mozgása az égen bonyolultabb, mint a csillagoké: egyrészt a Föld forgása miatt naponta felkel és lenyugszik, másrészt a keringés miatt a delelés látszólagos helye az égbolton folyamatosan változik. Azok a csillagképek, amelyeken egy év alatt végighalad a Nap delelése az állatövi csillagképek. A Nap látszólagos pályája kétszer keresztezi az egyenlítőt (ilyenkor a nappalok és az éjszakák hossza megegyezik), ezek közül egyik a tavaszpont. A forgástengely meghosszabbítása északi irányban egy aránylag fényes csillag közelében halad el: ez a Sarkcsillag. A Sarkcsillag mindig ugyanott látható az égbolton, ezért jól használható tájékozódásra.
A Föld azonban nem gömbszimmetrikus: a forgás miatt alakja jó közelítéssel lapult forgási ellipszoid. Emiatt a Nap (és a Hold) gravitációs erejének forgatónyomatéka van, amely a Föld tengelyét az ekliptikára merőleges irányba próbálja beforgatni.
A jelenséget érdemes a Föld keringésével együtt forgó koordinátarendszerből vizsgálni: ebben a koordinátarendszerben a Föld középpontja nyugalomban van, viszont a Földre a Nap gravitációs erején kívül a (fiktív) centrifugális erő is hat.![\[F_g=\gamma\frac{m_F m_N}{r^2}\]](/images/math/0/2/3/023028133bbebeb0f3014080d73f0003.png)
![\[F_{cf}=\omega^2 r\]](/images/math/b/1/c/b1c5be7824b8bd49f31e328b1d0d5e2a.png)
A Föld középpontjában a két erő kiegyenlíti egymást (hiszen ebben a koordinátarendszerben a Föld középpontja nyugalomban van). A Föld Naphoz közelebbi felén azonban az erők távolságfüggése miatt 
, míg a távolabbi felén 
(6. ábra). Az így kialakuló erőpárnak a Föld perdületére merőleges forgatónyomatéka van, ezért a forgó Föld tengelye a búgócsigához hasonlóan precesszálni fog.
A precesszió periódusideje kb. 26000 év. Ez azt jelenti, hogy az ókor óta a csillagjegyek kb. egy hónappal eltolódtak (pl. a tavaszpont már nem a kos csillagképbe esik). A precesszió miatt változik a forgástengely meghosszabbításának a helye is az égbolton: a Sarkcsillag csak a jelenkorban van az égi pólus közelében.
A forgástengely precessziója mellett megfigyelhető a tengelyferdeség lassú változása is: a tengelyferdeség mértéke 41000 éves periódussal ingadozik 22° és 24,5° között, ami jelentősen befolyásolja a Föld éghajlatát.
A Hold-pálya precessziója: miért nincs minden hónapban napfogyatkozás?
A Hold keringésének síkja nem egyezik meg az ekliptikával, azzal kb. 5°-os szöget zár be. A Hold-pályára a forgó Földhöz hasonlóan hat a Nap forgatónyomatéka, ezért a Hold-pálya tengelye is precesszál (18,6 éves periódusidővel).
Napfogyatkozás újholdkor lehet (amikor a Hold a Nap és a Föld között van), holdfogyatkozás pedig teliholdkor (amikor a Hold és a Nap a Föld két ellentétes oldalán van). A fogyatkozásoknak azonban az is feltétele, hogy a Hold éppen az ekliptika közelében legyen, ezért nincs minden hónapban fogyatkozás. A lehetséges időpontokat a Föld és a Hold keringéséből, valamint a Hold-pálya precessziójából adódó ciklusok határozzák meg. A fogyatkozás létrejötte és jellege, valamint megfigyelhetősége ezen kívül függ még a Nap-Föld és a Föld-Hold távolságtól, és természetesen a megfigyelő földrajzi helyétől (és az időjárástól) is. Holdfogyatkozást aránylag gyakran lehet látni, hiszen ha a Hold a Föld árnyékába kerül, akkor azt a Föld minden olyan pontjáról látni lehet, ahonnan a Hold látszik (tehát kb. a Föld feléről, ahol éppen éjszaka van). A teljes napfogyatkozás egy adott földrajzi helyen azért olyan ritka, mert a Hold látszólagos átmérője kb. megegyezik a Nap látszólagos átmérőjével (0,5°), és így a Hold árnyékkúpja csak egy nagyon kis területen éri el a Földet. (Amikor a Hold földtávolban, a Föld pedig napközelben van, akkor pedig egyáltalán nem éri el: ilyenkor csak gyűrűs napfogyatkozás látható.) A fogyatkozás során ez az árnyékkúp halad végig egy keskeny sávon, ahonnan a teljes napfogyatkozás megfigyelhető.
A Hold mozgására hatással vannak a Föld-Hold rendszerben kialakuló árapály erők. Az árapály jelenséget a Föld-Hold rendszerrel együtt forgó koordinátarendszerben érdemes vizsgálni: A Hold és a Föld a közös tömegközéppont körül kering (ami a tömegarányok miatt a Föld belsejébe esik). A forgó koordinátarendszerben az égitestekre a gravitációs vonzáson kívül a centrifugális erő is hat. Az Föld középpontjában a Hold vonzása és a centrifugális erő kiegyenlíti egymást (hiszen ebben a koordinátarendszerben nyugalomban van). A Hold felé néző oldalon a gravitációs erő, az ellentétes oldalon pedig a centrifugális erő nagyobb, így ezeken a helyeken az óceánok felszíne megemelkedik.
A Föld forgása miatt ezek a kiemelkedések körbejárják a Földet, így egy adott helyen naponta kétszer dagály, kétszer pedig apály figyelhető meg. (A Holdon kívül a Nap is hozzájárul az árapály-jelenséghez, amit a kontinensek is jelentősen befolyásolnak, így annak nagysága nagyon különböző: néhány cm-től akár 20 m-ig is változik.) A Földön körbehaladó dagályhullám fékezi a Föld forgását (emiatt lassan nő a napok hossza), ez viszont a rendszer összperdületének állandósága miatt a Hold pályaperdületének növekedését, és így a Földtől való folyamatos távolodást okozza.
A Holdon a tömegarányok miatt sokkal erősebb árapály erők lépnek fel. Mivel jelenleg a Holdon nincs folyékony anyag ezek az erők csak holdrengéseket okoznak. Korábban viszont az árapály erők fékezése lassította a Hold forgását, egészen addig, amíg a forgási idő meg nem egyezett a keringési idővel. Ez a kötött forgás az oka annak, hogy a Holdnak mindig ugyanazt az oldalát látjuk. (A Hold billegése miatt azonban a felszín 59 %-a látható a Földről.)
Látványos kísérletek
A perdületmegmaradást bemutató videók után néhány további szép kísérlet:
A lejtőn leguruló testek mozgását befolyásolja a testek tehetetlenségi nyomatéka. Az azonos átmérőjű, de különböző tehetetlenségi nyomatékú testek (tömör henger, üreges henger, golyó) más-más gyorsulással gördülnek le a lejtőn (első videó).
A következő videón egy pörgettyű viselkedését tanulmányozhatjuk. Ha a kerék nem forog, akkor, ha a tömegközéppontja felett van alátámasztva, fizikai ingaként viselkedik, ha a tömegközéppontja alatt, akkor ledől, ha pedig a tömegközéppontjában, akkor közömbös egyensúlyi helyzetben van.
A megpörgetett kerék másképp viselkedik: ha nem a tömegközéppontjában van alátámasztva, akkor precesszálni fog. A precesszió iránya attól függ, hogy a kerék a tömegközéppontja alatt vagy felett van alátámasztva (hiszen ettől függ a pörgettyűre ható forgatónyomaték iránya). A tömegközéppontjában alátámasztott (ún. erőmentes) pörgettyű nem precesszál.
Az utolsó két videón azt lehet megfigyelni, hogy a szabadon (nem rögzített tengely körül) forgó testek csak bizonyos meghatározott tengelyek körül foroghatnak.
Egy tévhit: miért lehet biciklizni?
Széles körben elterjedt tévhit, hogy azért lehet biciklizni, mert a biciklikeréknek perdülete van, és ez stabilizálja a feldőléssel szemben. A bicikli azonban azért nem dől fel, mert már csekély dőléskor is a kormány elfordul a dőlés irányába, és az emiatt körpályára kényszerített biciklire ható centrifugális erő (a jelenséget a biciklivel együtt kanyarodó, azaz forgó rendszerből leírva) a dőlő biciklit felállítja.
Az igaz, hogy a kerék perdülete miatt a bicikli dőlésekor fellépő pörgettyűnyomaték közrejátszik a kormány elfordításában, de ez a hatás – különösen könnyű kerekű bicikliknél – sokkal kisebb, mint a kerék utánfutása miatt fellépő forgatónyomaték. Ez utóbbi hatásról könnyen meggyőződhetünk, ha egy álló biciklit a nyergénél megfogunk, és kicsit megdöntjük: a kormány el fog fordulni a dőlés irányába (annak ellenére, hogy az álló keréknek nincs perdülete). Ennek az az oka, hogy a kormány tengelyének meghosszabbítása az első kerék érintkezési pontja előtt metszi a talajt (a két pont távolságát nevezik utánfutásnak), és így a megdöntött biciklinél a talaj által kifejtett kényszererőnek forgatónyomatéka van a kormány tengelyére vonatkoztatva.
A biciklizés fizikája röviden és részletesebben.
Newton törvényeivel leírhatjuk makroszkopikus tárgyak mozgását a bolygóktól a biliárdgolyókig. Viszont egy kisebb szobában található mintegy 
gázmolekula mozgását reménytelen, és értelmetlen egyenként követni. Szerencsére a statisztikus fizika segítségével a nagyszámú részecske átlagos jellemzői (pl. hőmérséklet, nyomás) közötti összefüggéseket pontosan megérthetjük. A statisztikus fizika számos komplex rendszer leírására is alkalmas, a természetben előforduló érdekes mintaképződésektől az internet vagy pénzügyi folyamatok modellezésén keresztül a kollektív mozgások (pl. közlekedési dugók) megértéséig. Ezen komplex folyamatok megértésében a statisztikus fizikán alapuló számítógépes szimulációknak kiemelkedő jelentősége van.
Sokrészecskés rendszerek statisztikus leírása
A hőmérséklet kinetikus értelmezése
Egy egyensúlyban lévő rendszer állapotát jellemezhetjük a makroszkopikus állapotjelzőkkel. Az állapotjelzők csak a rendszer pillanatnyi állapotától függenek, függetlenek a rendszer előéletétől. Az extenzív állapotjelzők a rendszer méretével együtt nőnek, két rendszer egyesítésekor összeadódnak: ilyen pl. a térfogat, a tömeg, a mólszám, a belső energia és az entrópia. Az intenzív állapotjelzők – pl. a hőmérséklet, a nyomás, a kémiai potenciál és a sűrűség – a rendszer méretétől függetlenek, két rendszer egyesítésekor átlagolódnak.
A hőmérséklet értelmezéséhez több lépésben juthatunk el. A fogalom a hétköznapi tapasztalatból származik: érzékszerveinkkel meg tudunk különböztetni hideg és meleg testeket. Az érzékelés azonban meglehetősen szubjektív: például ugyanazt a langyos vizet melegnek vagy hidegnek fogjuk érezni attól függően, hogy előtte a kezünk hideg vagy forró vízben volt-e. A hőmérséklet objektív mérését az teszi lehetővé, hogy az anyagok számtalan tulajdonsága hőmérsékletfüggő. A hagyományos higanyos vagy alkoholos hőmérőkben a folyadékok hőtágulása, az elektromos hőmérőkben pedig legtöbbször az anyagok hőmérsékletfüggő fajlagos ellenállása alapján mérjük a hőmérsékletet.
A hétköznapi életben a hőmérséklet méréséhez a Celsius-skálát használjuk, melynek két rögzített pontja a víz fagyáspontja (0 °C) és a víz forráspontja normál légköri nyomáson (100 °C). A fizikában a hőmérséklet mértékegysége a kelvin (K): a termodinamikai (vagy abszolút) hőmérsékleti skála egysége megegyezik a Celsius-skála egységével, de nullpontja az un. abszolút nulla fok (-273,15 °C = 0 K).
Az állapotjelzők nem függetlenek egymástól, különböző rendszereknél más-más kapcsolat írható fel közöttük. A valóságos rendszereket különböző modellekkel lehet leírni. Egyszerűsége, elméleti és gyakorlati jelentőssége miatt is kiemelkedő fontosságú modell az ideális gáz. Az ideális gáz modellben a molekulák között – az ütközéseket kivéve – nincs kölcsönhatás, és a molekulák össztérfogata sokkal kisebb, mint a tartály térfogata. A hétköznapi életben a nem túl nagy sűrűségű gázok jó közelítéssel ideális gáznak tekinthetők.
Az ideális gáz makroszkopikus állapotjelzői között a tapasztalat szerint a![\[pV=nRT\]](/images/math/c/6/3/c634efd95a0753d59c8f23bd97bb3ee6.png)
kapcsolat írható fel, ahol 
a gáz nyomása, 
a térfogata, 
a mólszám, 
az abszolút hőmérséklet és 
= 8,314 J/molK az egyetemes gázállandó. A gáz nyomása (a tartály falának egységnyi területű darabjára ható erő) a tartály falának ütköző, és onnan visszaverődő molekulák impulzusváltozásából ered. A gáz homogén és izotróp, így a molekulák egyforma valószínűséggel haladnak minden irányba. A gázmolekulák nem egyforma sebességgel mozognak (sebességeloszlásukat a Maxwell-eloszlás adja meg), de számításunkban csak a sebességek négyzetes középértékére (
) van szükség.
négyzetes középsebességgel mozogna. A Pitagorasz-tétel alapján ![\[\widehat{v}^2=\widehat{v}_x^2+\widehat{v}_y^2+\widehat{v}_z^2=3\widehat{v}_x^2\]](/images/math/d/a/f/daf4a204af75256dfa452ed5dcf4cd2a.png)
, ahol a molekula tömege. A falat idő alatt azok a részecskék érik el, amelyek legfeljebb 
távolságra vannak a faltól, és a fal felé mozognak. Ezek száma ![\[\Delta N=\frac{N}{2}\frac{\widehat{v}_x\Delta t A}{V}\]](/images/math/9/e/2/9e295b66542b1ee3c4630ae5e9826021.png)
az összes részecske száma (a szimmetria miatt ezek fele mozog a fal felé). A falra ható erő ![\[F=-\frac{\Delta I}{\Delta t}=\frac{N}{2}\frac{\widehat{v}_x\Delta t A}{V}\frac{2\mu\widehat{v}_x}{\Delta t}=\frac{\mu\widehat{v}_x^2 N A}{V}=\frac{\mu\widehat{v}^2 N A}{3V}\]](/images/math/b/6/5/b65ffd64fcdc3ac7a961b2046a62df1b.png)
![\[p=\frac{F}{A}=\frac{2}{3}\frac{1}{2}\mu\widehat{v}^2\frac{N}{V}=\frac{2}{3}\bar{\varepsilon}_h\frac{N}{V}\]](/images/math/9/d/8/9d80cfca9375164b38b099aaf8c079a8.png)
![\[\bar{\varepsilon}_h=\frac{1}{2}\mu\widehat{v}^2\]](/images/math/a/3/c/a3cc12549265436ac91a0acecb5fb5de.png)
a molekulák átlagos haladó mozgási energiája.
Az eredményt összevethetjük az ideális gáz állapotegyenletével:![\[pV=\frac{2}{3}\bar{\varepsilon}_h N=nRT\]](/images/math/a/d/8/ad8e795c8757311e2e05574ba26cec42.png)
![\[\bar{\varepsilon}_h=\frac{3}{2}\frac{n}{N}RT=\frac{3}{2}\frac{R}{L}T=\frac{3}{2}kT\]](/images/math/9/4/4/9442d8cd1feaef1f9e51a2d4be55471d.png)
![\[L=6,02\cdot 10^{23}\,{\rm 1/mol}\]](/images/math/2/6/3/263eb3fef80105903acab2ab40171089.png)
![\[k=\frac{R}{L}=1,38\cdot 10^{-23}\,{\rm J/K}\]](/images/math/5/8/d/58dbdb3f9f2086af58c698d1a275c4c7.png)
![\[\widehat{v}=\sqrt{\frac{3kT}{\mu}}=\sqrt{\frac{3RT}{M}}\]](/images/math/4/7/0/4705d932eefe330cc87b800362647ca8.png)
ahol 
a moláris tömeg. Szobahőmérsékletű nitrogén esetében az átlagos sebesség kb. 500 m/s.
Ezek az összefüggések kapcsolatot teremtenek a mikroszkopikus állapotjelzők (molekulák átlagos sebessége, átlagos mozgási energiája) és a makroszkopikus állapotjelzők (nyomás, hőmérséklet) között.
A hőtan I. főtétele, belső energia, munkavégzés és hőközlés
Egy rendszer belső energiája a benne lévő részecskék tömegközépponthoz viszonyított mozgási energiájának és a részecskék közti erőkből származó potenciális energiának az összege. Mozgási energia a szabadon mozgó részecskék haladó mozgásából, a molekulák forgásából és belső rezgéséből, illetve szilárd anyagoknál az atomok és molekulák rácshely körüli rezgéséből származik.
Az ideális gázban a molekulák közt (az ütközéseket kivéve) nincs kölcsönhatás, így a potenciális energia nulla. A mozgási energia az egyes atomok mozgási energiájának összege. Egyatomos molekulák (nemesgázok) esetében a molekuláknak csak haladó mozgási energiája van. (Az atomok tömegének 99,8 %-a az atomnál 5 nagyságrenddel kisebb átmérőjű atommagban van, így az pontszerűnek tekinthető.) Kétatomos (és többatomos lineáris molekulák) a molekula tengelyére merőleges két tengely körül, többatomos térbeli molekulák pedig három tengely körül foroghatnak, amelyhez szintén mozgási energia („forgási energia”) tartozik.
Az ekvipartíció tétele szerint minden szabadsági fokra átlagosan ugyanakkora energia jut. Az egyatomos gázban a molekuláknak 3 szabadsági foka van (3 dimenzióban mozoghat), a kétatomos gázban 5 (3 a haladó mozgásból + 2 a két tengely körüli forgásból), a többatomos gázokban pedig 6 (3 haladó + 3 forgó mozgásból). Nagyobb molekuláknál, vagy magasabb hőmérsékleten a molekulák rezgéseihez is tartozhat szabadsági fok. Az ekvipartíció tétele nem csak gázokra, hanem más rendszerekre is igaz: a szilárd testek rezgő atomjainak például 6 szabadsági foka van (3 mozgási energia + 3 potenciális energia tagból).
Az egyatomos gázban a molekulák átlagos mozgási energiája![\[\bar{\varepsilon}_m=\bar{\varepsilon}_h=\frac{3}{2}kT\]](/images/math/e/e/d/eed7ad06af88f21415585c39b3ebef04.png)
![\[\bar{\varepsilon}_0=\frac{1}{2}kT\]](/images/math/4/0/e/40e3f6e494c30696b7f7f47b56e52543.png)
szabadsági foka van, akkor a molekula átlagos mozgási energiája ![\[\bar{\varepsilon}_m=\frac{f}{2}kT\]](/images/math/d/9/5/d9562fdb13904d66b71220ef6a3c4431.png)
![\[E=N\bar{\varepsilon}_m=\frac{f}{2}NkT=\frac{f}{2}nRT\]](/images/math/2/3/9/2395133c47abd5d0780c0b2271642389.png)
A belső energia az ideális gáznál tehát csak a hőmérséklettől függ. Más anyagoknál a belső energia a többi állapotjelzőtől is függhet (lásd pl. Van der Waals-gáz).
A rendszer belső energiája csak akkor változhat meg, ha a rendszer a környezettől energiát kap vagy a környezetnek energiát ad le. Az energiaátadásnak két lényegesen különböző módja van: a munkavégzés és a hőközlés.
Ha a rendszer kitágul, akkor a környezetén munkát végez. (A kitáguló gázok munkavégzéséről látványos kísérleti videók tanúskodnak.) A rendszer összenyomásához viszont külső munkavégzés szükséges (ilyenkor a rendszer munkavégzése negatív). Az elemi munkavégzés![\[{\rm d}W=p{\rm d}V\]](/images/math/f/0/d/f0d84d5395aaa08a4f319f15a3a5078b.png)
![\[W=\int_1^2 p{\rm d}V\]](/images/math/1/0/3/1039180fecc7eb62bb73720cedfaa51f.png)
A munkavégzés az energiaátadás „rendezett” módja: pl. a tartályt elzáró dugattyú valamilyen irányban elmozdul. (A munkavégzés az elmozdulás irányától függően pozitív vagy negatív lehet.) Bár mechanikai elmozdulás nem történik, termodinamikai szempontból munkavégzés a termoelemben keletkező elektromos munka, illetve a Peltier-elemben a rendszerrel közölt elektromos munka is.
A hőközlés az energiaátadás „rendezetlen” módja: úgy jön létre energiaátadás, hogy a két rendszer (vagy a rendszer és környezete) hőmozgásban lévő részecskéi véletlenszerű ütközésekkel adnak át energiát egymásnak. A tapasztalat szerint azonban a magasabb hőmérsékletű rendszer (átlagosan nagyobb energiájú) részecskéi az ütközések során átlagosan több energiát adnak át az alacsonyabb hőmérsékletű (átlagosan kisebb energiájú) részecskéinek, mint viszont. Emiatt ez az energiaátadási forma meghatározott irányú: mindig a melegebb test ad át energiát a hidegebb testnek. A hőközléskor a rendszer által felvett energiát (a „hőt”) 
-val jelöljük.
![\[\Delta E=Q-W\]](/images/math/2/3/0/2307dd275da59a1f960d1cfeaf3d3e7e.png)
Az I. főtétel azt is kifejezi, hogy az energiaátadásnak két lényegesen különböző módja van. (A munkavégzés előtt azért van negatív előjel, mert 
a rendszer által végzett munka.)
A hőtan II. főtétele, hőerőgépek, hőszivattyúk
Az I. főtétel szerint egy rendszer belső energiája hőközléssel és munkavégzéssel is megváltoztatható. Ez lehetővé teszi olyan berendezések készítését, melyek hőközlés hatására mechanikai munkát végeznek (hőerőgép), illetve mechanikai munka segítségével hidegebb helyről a melegebb felé hoznak létre hőtranszportot (hőszivattyú, hűtőgép).
A járművekben használt benzin- és dízelmotorok, a gőzgépek, az atom- és hőerőművekben használt gőz- és gázturbinák, a repülőgépek sugárhajtóműve mind hőerőgépek: különböző anyagok elégetése vagy az urán hasadása közben felszabaduló hőt alakítják (részben) mechanikai munkává – amely a járművekben közvetlenül hasznosul, az erőművekben pedig az elektromos energiát előállító generátorokat működteti. A különböző hőerőgépekben különböző termodinamikai folyamatok játszódnak le, és más-más technikai megoldásokat alkalmaznak, de a hőerőgépek lényegét egyszerűbb modelleken is megérthetjük.
Ha vizet forralunk (hőt közlünk vele), akkor a felszabaduló vízgőz térfogata megnő, és eközben munkát végez. Ez egy nagyon egyszerű hőerőgép. Azonban ahhoz, hogy a berendezés folyamatosan működjön, a vizet is folyamatosan pótolni kell, vagy a keletkező és kitáguló vízgőzt kell visszaalakítani vízzé. Ilyen módon ciklikusan működő berendezést hozhatunk létre. A víz-vízgőz rendszer viselkedésének leírása a halmazállapot-változás miatt bonyolultabb, azonban hőerőgép ideális gázon végzett körfolyamatok segítségével is létrehozható. Ezek közül elméleti szempontból a Carnot-ciklus a legfontosabb. A 2. ábrán p-V állapotsíkon ábrázolt körfolyamat négy részből áll:
Az 1-2 folyamat egy adiabatikus összenyomás. A külvilágtól hőszigeteléssel elválasztott gázt külső munkavégzéssel összenyomjuk – ennek hatására a belső energiája, és így a hőmérséklete is megnő.
A 2-3 folyamat egy izoterm kitágulás. A gáz a (legalább) 
hőmérsékletű környezettől („kazán”) hőt vesz fel, eközben kitágul, és munkát végez. A belső energiája (és így a hőmérséklete) nem változik, mert a felvett hő és a munkavégzés nagysága megegyezik.
A 3-4 folyamat egy adiabatikus kitágulás. A gáz ismét a külvilágtól elzárt (hőcsere nincs), a munkavégzés miatt csökken a belső energia és a hőmérséklet. Bebizonyítható, hogy a gáz munkavégzése éppen ugyanakkora, mint az 1-2 folyamatban a gázon végzett munka, így ez a két folyamat egymást kiegyenlíti, a további számításokból kihagyható. (Csak azért van rájuk szükség, hogy a gáz átjusson egyik izotermáról a másikra.)
A 4-1 folyamatban a gázt vissza kell juttatni a kiinduló állapotba, hogy a folyamat zárt, ciklikusan ismételhető legyen. Ez egy izoterm összenyomás: a gázt külső munkavégzéssel össze kell nyomni, miközben az így nyert belső energiát a (legfeljebb) 
hőmérsékletű környezetnek („hűtő”) leadja.
hőt, a hidegebb környezetnek (a „hűtő”-nek) pedig lead 
hőt. A kettő különbsége a hőerőgép által végzett hasznos munka (a kitágulás közben végzett munka és az összenyomáshoz felhasznált munka különbsége): ![\[W=Q_2-Q_1\]](/images/math/0/1/f/01f246c576b3992d212a4f9d8c19ecc5.png)
![\[\eta=\frac{W}{Q_2}=\frac{Q_2-Q_1}{Q_2}=1-\frac{Q_1}{Q_2}\]](/images/math/e/7/a/e7a2fe9dbecefb08a12197a517652ec8.png)
![\[\frac{Q_1}{Q_2}=\frac{T_1}{T_2}\]](/images/math/6/a/e/6ae0d68a20a3bde772b561e2e297e5b8.png)
![\[\eta=1-\frac{T_1}{T_2}\]](/images/math/9/4/c/94cf63c242eee8b0948ea8d1c2ee0340.png)
) hatására hőt von el a hidegebb () hőmérsékletű környezettől, és hőt ad le a melegebb () hőmérsékletű környezetnek. A magasabb hőmérsékleten leadott hő a hidegebb környezettől felvett hő és a befektetett munka összege: ![\[Q_2=Q_1+W\]](/images/math/f/9/7/f97b2b01482926768a5758d9b199cec6.png)
Ez a folyamat a hőszivattyú és a hűtőgép modellje (a valódi berendezések ennél bonyolultabb folyamatokkal működnek).
Hőszivattyúval a külső (hidegebb) környezettől elvont hő felhasználásával lehet fűteni, így a berendezés teljesítménytényezője 1-nél nagyobb:![\[\varepsilon=\frac{Q_2}{W}=\frac{Q_1+W}{W}=1+\frac{Q_1}{W}\]](/images/math/6/1/4/61423de2ebce90a14157466f0fa7c19e.png)
A hűtőgép hőt von el egy a környezeténél hidegebb helyről, és azt (a befektetett munkával együtt) leadja a melegebb környezetnek. Ezért meleg a hűtőgép hátulja.
A II. főtétel néhány megfogalmazása
Az I. főtétel kimondja, hogy energia nem keletkezhet (és nem tűnhet el). Ezzel korlátozza a lehetséges folyamatok körét, például kizárja az örökmozgó – az elsőfajú perpetuum mobile, egy olyan berendezés, amely a környezettől elzárva folyamatosan energiát termel – létét. Ugyanakkor az I. főtétel semmit nem mond a lehetséges folyamatok irányáról.
A tapasztalat szerint viszont bizonyos folyamatok csak kitüntetett irányban mennek végre. Ha például forró vízbe jeget dobunk, akkor az „magától” elolvad, és langyos víz keletkezik. Ugyanakkor a magára hagyott langyos vízből nem lesz külső behatás nélkül újra jég és forró víz (annak ellenére, hogy az I. főtétel ezt nem tiltaná).
A termodinamika II. főtétele a folyamatok irányát határozza meg. Sokféleképp megfogalmazható, ezek közül néhány (és majd kicsit később egy további is):
A hőátadás spontán (külső hatás nélkül) mindig a melegebb testről a hidegebb felé történik.
Az intenzív állapotjelzők különbségei (hőmérsékletkülönbség, nyomáskülönbség, kémiai potenciál különbség) idővel mindig a kiegyenlítődés felé változnak.
Egy (ciklikus folyamattal működő) hőerőgép termikus hatásfoka soha nem lehet 1, azaz egy rendszer belső energiája nem alakítható teljes egészében mechanikai munkává. (Nem készíthető másodfajú perpetuum mobile sem.) A valóságos hőerőgépek hatásfoka nem lehet jobb, mint a Carnot-gép termikus hatásfoka. Így![\[\eta\leq 1-\frac{T_1}{T_2}<1\]](/images/math/d/f/6/df60cbe4f5233e794ec252a971ab6882.png)
ahol és a gép működéséhez használt hideg és meleg környezet („hőtartály”) hőmérséklete. A hőerőgép működtetéséhez két különböző hőmérsékletű hőtartály szükséges.
Peltier-elem: a számítógépben használt hűtőgép
Hőerőgépek és hűtőgépek nem csak gázok összenyomásával és kitágulásával működhetnek. A termoelektromos jelenségek lehetővé teszik mozgó alkatrésze nélküli, közvetlenül elektromos energiát termelő, illetve elektromos energiával működő eszközök készítését.
Két különböző fém, vagy különböző félvezető anyag érintkezésénél potenciálkülönbség alakul ki. Ez a potenciálkülönbség hőmérsékletfüggő, ezért ha a 3. ábrán látható elrendezésben a két érintkezési pont hőmérséklete különböző, a kimeneteken
elektromos feszültség jelenik meg (Seebeck-effektus). A feszültség arányos a két érintkezési pont hőmérsékletkülönbségével: ![\[U=\alpha\Delta T\]](/images/math/b/b/3/bb3f8aad6e0e5ab6b40565c8dc34be42.png)
ahol az anyagpárra jellemző Seebeck-együttható.
A jelenség jól használható hőmérsékletmérésre: ha az egyik érintkezési pont hőmérsékletét állandó értéken tartjuk (pl. olvadó jégben, vagy forrásban lévő cseppfolyós nitrogénben), akkor a Seebeck-együttható ismeretében a feszültség mérésével meghatározható a másik pont hőmérséklete.
Ha a kimenetet egy ellenállással terheljük, akkor az áramkörben
áram fog folyni. Az érintkezési pontokon átfolyó áram egy másik termoelektromos jelenség, a Peltier-effektus következtében a meleg érintkezési pontot hűteni, a hideg pontot pedig melegíteni fogja. Az elnyelődő, illetve felszabaduló hőteljesítmény ![\[\frac{{\rm d}Q}{{\rm d}t}=\pi I=\alpha TI\]](/images/math/b/e/b/beb6bb50bc5cbb288095719722c19237.png)
ahol 
a az adott érintkezési pont abszolút hőmérsékletével arányos Peltier-együttható, pedig a Seebeck-együttható.
Ha ezeket a pontokat folyamatosan melegen ill. hidegen tartjuk, akkor egy közvetlenül elektromos energiát termelő hőerőgépet kapunk. A hatásfoka ugyan kicsi, de speciális körülmények között mégis célszerű a használata. Ilyen eszköz a radioizotópos termoelektromos generátor, ahol a meleg oldal fűtését az eszközben elhelyezett közepesen hosszú felezési idejű radioaktív izotópok bomlása biztosítja. Ezt az elektromos energiaforrást elsősorban olyan űreszközökben használják, amelyekben az energiaellátás napelemekkel nem megoldható (pl. a Naprendszer távoli részeiben).
Ha az eszközre külső feszültségforrásból kapcsolunk áramot, akkor hűtőgépként (hőszivattyúként) fog működni: a befektetett elektromos energia segítségével az egyik (hidegebb) érintkezési pontból hőt von el, a másikon pedig hőt szabadít fel. A gyakorlatban használt Peltier-elemekben különböző adalékolású (n- és p-típusú) félvezetőkből készülő termopárok vannak elektromosan sorba, míg hőtani szempontból párhuzamosan kapcsolva. Ha a fűtött oldalon felszabaduló hőt hűtőbordákkal, szellőztetéssel vagy vízhűtéssel elvezetjük, akkor a hűtött oldal a környezetnél jóval alacsonyabb hőmérsékletre hűthető. A hűtés hatékonyságát azonban a Peltier-elemben felszabaduló Joule-hő és a hővezetés is korlátozza.
Az eszközt széles körben használják számítógép alkatrészek és más elektromos berendezések hűtésére, valamint hordozható (kis egyenfeszültségről működtethető) hűtőgépekhez.
Vissza a GPK fizika mérnököknek tárgy tervezett tematikája oldalára
