Hőátadás azonos anyagok között

Két főzőpohárba azonos mennyiségű vizet öntünk. Az egyikben hideg, a másikban meleg víz van. Megmérjük a hőmérsékletüket, majd a két különböző hőmérsékletű vizet összekeverjük egy kettős falú edényben (termosz, kaloriméter, amely biztosítja, hogy a hőveszteség minimális legyen). Megmérjük a kialakuló közös hőmérsékletet. Mérési eredményeinket rögzítsük!

Ha például 0.2\[MediumSpace]kg 18 °C -os vizet keverünk össze 30 °C -os vízzel, és gondosan mérünk, a keverék hőmérsékletére 24 °C -os hőmérséklet értéket kapunk. Azt mondhatjuk, hogy ebben az esetben mindkét folyadék hőmérséklete ugyanannyit változott:

Mivel tömegük és fajhőjük egyforma, a belső energiájuk is azonos mértékben változott, hiszen:

Az energia-megmaradás törvénye

A meleg és hidegvíz kölcsönhatását megvizsgálva látjuk, hogy a melegebb víz energiát adott át a hidegebbnek. A melegebb belsőenergia-változása (energiájának csökkenése) pontosan megegyezik a hidegebb belsőenergia-változásával (energiájának növekedésével): . A folyamat során tehát megmaradt a belső energia.

Csakis a melegebb test képes felmelegíteni a hidegebbet, tehát mindig a melegebb test ad át energiát a hidegebbnek. Az energiaátadást fordított irányban soha senki nem tapasztalhatta.

Abban az esetben, ha két test csak egymással kerül termikus kölcsönhatásba, és minden külső veszteségtől eltekinthetünk, az energia-megmaradás törvénye alapján:

Hőátadás különböző anyagok között

Most különböző tömegű, különböző hőmérsékletű és különböző anyagú testekkel fogunk kísérletezni.

Fémtárgyak hőmérsékletét nem könnyű pontosan megmérni. Ezért a kísérletekben úgy járunk el, hogy a fémtárgyat vízbe tesszük, s a víz hőmérsékletét mérjük. A fém hőmérséklete azonos lesz a víz hőmérsékletével. Melegítéskor a fémtárgyat a vízzel együtt melegítjük, így hőmérsékletváltozása is jól mérhető. Használhatunk például vasdrótot, amelyből tetszőleges tömeget mérhetünk ki, és forró vízfürdőben melegíthetjük fel.

Tegyünk egy forró vasdarabot hideg vízbe, és mérjük a kialakuló közös hőmérsékletet! Kísérleti eredményeinket írjuk le!

Tegyünk például 0.3\[MediumSpace]kg 80 °C -os vasat 18 °C -os vízbe. Azt tapasztaljuk, hogy a hidegebb anyag, a víz felmelegszik, a melegebb test, a vas pedig lehűl. A végső, közös hőmérséklet a két eredeti hőmérséklet között lesz, esetünkben például 32 °C lesz a közös hőmérséklet. Fajhőtáblázat alapján látható, hogy a víz fajhője több, mint tízszerese a vas fajhőjének. Ezért változik a kölcsönhatásban sokkal kevésbé a víz hőmérséklete, mint a vasé. Végezzünk egy ellenőrző számítást a mérési eredmények alapján! Vajon milyen pontossággal adódik, hogy a víz és a vas belsőenergia-változása egyenlő?

A két eredmény közelítőleg egyenlő, az eltérés a mérési hibával és a környezet zavaró hatásával magyarázható. A számítás igazolja az energia-megmaradás törvényét: A két test termikus kölcsönhatásában energia nem tűnhet el.

Az egyik (a melegebb) test energiaváltozása - az általa leadott energia - egyenlő a másik (a hidegebb) test által felvett energiával.

Fémtárgy hőmérsékletének mérése