• hő
• hőáramlás

Hőtechnikai alapfogalmak áttekintése

Hő

A hő tulajdonképpen az anyagot felépítő részecskék (atomok, molekulák) rendkívül gyors mozgása. Minél gyorsabban mozognak ezek a részecskék, annál melegebb az adott test, ill. minél melegebb az adott test, annál gyorsabban mozognak a részecskéi (pl. az oxigénmolekulák szobahőmérsékleten is csaknem kétszeres hangsebességgel mozognak).

A hő az energia egyik megjelenési formája. Átalakítható más energiákká, az elektromos erőművekben például a különböző módon (szén, földgáz elégetésével, atommaghasadással) előállított hőenergiát alakítják át mechanikai munkává, majd elektromos energiává. A hőenergia jele: Q, mértékegysége: J.

Hőmérséklet

A hőmérséklet egy fizikai mennyiség a hőállapot számszerű jellemzésére. Ha két test hőmérséklete különböző, közöttük hőátadás indul meg, ami addig tart, amíg mindkettő azonos hőmérsékletű lesz. Az anyagok fizikai tulajdonságai (pl. térfogatuk, elektromos vezetésük, színük) a hőmérséklettel változnak. Ezt használjuk hőmérsékletmérésre a folyadékos hőmérőkben, a termoelemeknél, a pirométerben stb.

A hőmérséklet jellemzésére különböző hőmérsékleti skálákat alkalmaznak. Leggyakrabban az Andres Celsius svéd természettudós által kifejlesztett Celsius-skálát használják. Ezen a skálán légköri nyomás mellett az olvadó jég hőmérséklete jelenti a 0 fokos értéket, a forrásban levő víz hőmérséklete pedig a 100 fokos értéket. Egysége tehát ennek az intervallumnak a század része. Mértékegysége: °C (Celsius-fok). A fizikában Sí-alapegységként a Kelvin-skálát használják, amelynek beosztása a Celsius-skálával egyezik, azonban nullapontja az abszolút hőmérsékleti zéruspont, ami -273,16 °C-nak felel meg.

Használatos még a Fahrenheit- (°F) és a hozzá kapcsolódó Rankine-féle (°R) hőmérsékleti skála. A Fahrenheit-skála nullapontja Dániel Gábriel Fahrenhei által kísérleti úton előállított legjobban lehűlő sós oldat fagyáspontja, a másik alappontja az emberi test hőmérséklete volt, amely hőtartományt az oszthatóság kedvéért 96 egységre bontotta (így a víz fagyáspontja épp 32 °F). Mértékegysége: °F (Fahrenheit-fok).

A ritkán használt Rankine-skála bevezetője William John Macquorn Rankine skót mérnök ugyanakkora egységeket használt, mint Fahrenheit, de a nullapontja az abszolút nullánál van. Mértékegysége: °R (Rankine-fok). Történelmi jelentősége miatt érdemes megemlíteni a már nem használatos Réaumur-skálát, amelyet René Antoine Ferchault de Réaumur francia természettudós fejlesztett ki úgy, hogy a víz fagyáspontját adta meg 0 foknak, míg a forráspontját 80 foknak.

Fajhő

Ha különböző anyagokat (pl. vizet, olajt) melegítünk, azt tapasztalhatjuk, hogy a belsőenergia-változás mértéke, a tömeg nagysága és a hőmérséklet-változás mellett függ az anyagi minőségtől. Ez utóbbi jellemzésére vezették be a fajhő fogalmát, amely megmutatja, hogy 1 kg anyag 1 °C-kal való melegítéséhez mennyi energia szükséges, azaz mennyivel nő az anyag belső energiája. A fajhő tehát az adott anyagra jellemző adat. A fajhő jele: c, mértékegysége: kJ/kg x °C.

Hőtágulás

Hőtágulásnak nevezzük azt a fizikai jelenséget, amikor valamely anyag hőmérsékletének a változásával megváltoztatja a méretét. Melegítéskor az anyagok általában tágulnak, a tágulás relatív mértékét a hőtágulási együttható fejezi ki. A hőtágulás általában közelítőleg lineárisan függ a hőmérséklettől. Ez alól kivétel, ha halmazállapot-változás történik, ill. néhány speciális vagy bomlékony anyag zsugorodik (negatív hőtágulás). Léteznek kerámiák és fémötvözetek, amelyek gyakorlatilag nem változtatják a méretüket. Az anyagtudomány hőtágulás tekintetében három kategóriát határoz meg, a lineáris (vonalas), a felületi és a térfogati hőtágulást.

A testek egyirányú méretének a hőmérséklet-változás hatására bekövetkező változását lineáris (vagy más néven vonalas) hőtágulásnak nevezzük.

Hőterjedés

A hőközlés folyamatát hőterjedésnek nevezzük. A hő különféle közegekben többféle módon terjedhet, amelyeket hővezetésnek, hőáramlásnak és hősugárzásnak nevezünk. A hőterjedésben általában mindhárom mechanizmus részt vesz, de a három közül általában az egyik dominánsabb szerepet játszik a többinél.

Hővezetés

A hővezetés a hőterjedésnek olyan formája, amikor az anyag részecskéi nem mozdulnak el egyensúlyi helyükről makroszkopikus mértékben, azonban az anyag atomjai mikroszkopikus mozgást végeznek. A hővezetés tehát az atomok mikroszkopikus mozgása, ez a hőmozgás. Ez szilárd anyagokban rezgést jelent. Nagyobb hőmérsékleten az atomok, molekulák hőmozgása intenzívebb. Egy szilárd anyagot melegítve a melegítés helyén a rezgés intenzívebbé válik. Ez az egymás melletti részecskék kölcsönhatása miatt folyamatosan átterjed a többi részecskére is, ami a test nem melegített részeinek hőmérséklet-növekedését okozza.

A hővezetés a hőenergia szilárd, nyugalomban lévő (nem áramló), cseppfolyós, ül. gáznemű anyag egyik molekulájáról terjed a másikra olyan módon, hogy a szomszédos molekulák kinetikus (mozgási) energiájukat közlik egymással. Nincs anyagáramlás, a hőátadás a belső energia részecskéről részecskére való átadásával történik.

Hőáramlás

Hőáramlás vagy konvektív hőátadás a hővándorlás olyan formája, amelynek során a hő közlése az azt hordozó anyag helyének megváltozásából következik, vagyis a vizsgált rendszer egy része, valamennyi anyag ténylegesen elmozdul a rendszer melegebb tartományából a hidegebb felé. A hőterjedés ekkor tehát valóságos anyagáramlással jár. Mivel a hőáramlás megkívánja a közeg mozgékonyságát, így csak folyadékokban és gázokban valósulhat meg, szilárd anyagokban hőáramlás nem történhet.

A hőáramlás eredete szerint lehet szabad (vagy természetes), ún. mesterséges konvekció. Szabad vagy természetes konvekció esetén az áramlást nem külső erő hozza létre, hanem az áramló közeg belső állapotából adódik.

Ha a hőáramlást gravitációs térben nem külső erő hozza létre, hanem azért következik be, mert a hőmérséklet-különbség következtében sűrűségkülönbség jön létre, vagyis a nagyobb sűrűségű anyag lefelé, a kisebb sűrűségű pedig felfelé törekszik (azt is mondhatjuk, hogy a közeg állapotjelzői – hőmérséklet, nyomás sűrűség – helyenként eltérnek), akkor ezt természetes hőáramlásnak hívjuk.

Hősugárzás

A hősugárzás (radiáció) a hőenergia elektromágneses sugárzás révén történő terjedése. Ilyenkor a szilárd vagy cseppfolyós anyag molekuláit mozgási energiájuk egy része elhagyja. Az elektromágneses rezgések tartományából az infravörös tartomány a számottevő, vagyis a 0,4-40 um közé eső hullámhosszúság, mert elnyelődve ez az intervallum hőt indukál. A hősugárzás független a hőt elnyelő (abszorbeáló) vagy kibocsátó (emittáló) anyag vastagságától, de függ a hőmérsékletétől, a geometriai viszonyoktól, a felület szerkezetétől, tulajdonságaitól.

A sugárzás minden törvénye a hősugárzásra is érvényes, tehát a hősugárzás valamennyi testre nézve jellemző, és az energiát minden test folyamatosan sugározza. Ez az energia egy másik testen vagy elnyelődik (emittálódik), vagy visszaverődik (reflektálódik), vagy áthalad (transzmittálódik). Amennyiben a testre érkező energia teljes egészében elnyelődik, úgy abszolút fekete testről, ha visszaverődik, akkor tükröző testről (abszolút fehér), ha áthalad, úgy abszolút átbocsátó (átlátszó) testről beszélünk.

A hő a termodinamika második főtétele szerint mindhárom esetben önként, mindig a nagyobb hőmérsékletű hely felől a kisebb hőmérsékletű hely felé vándorol, hőveszteséget okozva. A hőveszteség az a jelenség, amikor két, eltérő hőmérsékletű közeg (pl. egy lakás fűtött légtere, ill. a külső levegő) hőt cserél. Az őket elválasztó (szigetelő) anyag hőszigetelő képessége ezen átáramló hő mennyiségét befolyásolja. Minél jobb hőszigetelő képességei vannak, annál kevesebb lesz a nagyobb hőmérsékletű közeg felől az alacsonyabb felé eltávozó energia, vagyis annál kisebb lesz a hőveszteség.