A hőszigetelt tartály és a mozgó dugattyú rejtélye (állapotváltozás)

Az alábbi feladat a 2023-as (NAT 2012) októberi, középszintű fizika érettségi első részének tizedik feladata volt. A feladat kulcsa az állapotváltozás.

Egy hőszigetelt tartályt súrlódásmentesen mozgó, jó hővezető dugattyú oszt két egyenlő részre. A dugattyú egyik oldalán kezdetben 300 K hőmérsékletű ideális gáz van, másik oldalán 400 K hőmérsékletű ideális gáz helyezkedik el, amint a mellékelt ábrán látszik. A dugattyú kezdetben egyensúlyban van. Merre mozdul el a dugattyú, ha hosszabb ideig várunk?

• A)   A dugattyú jobbra mozdul el.   
• B)   A dugattyú helyzete nem változik.     
• C)   A dugattyú balra mozdul el.      
• D)   Nem lehet a kérdést eldönteni, mert nem tudjuk, hogy ugyanolyan gáz van-e mindkét oldalon.

Mielőtt megnéznéd a helyes választ érdemes utánanézni kicsit az alapoknak. Az általános iskolásoknak szóló részben is. A „Hőmérséklet, halmazállapotok”” c. fejezet a hőtan alapjait fekteti le.

Középiskolásoknak és fizika érettségire készülőknek is érdemes keresgélni. „A melegítés és hűtés következményei” c. fejezetből

„Gázok állapotváltozása állandó nyomáson – izobár állapotváltozás” c. leckéről készült videó segít.

Helyes válasz:    A

Az ideális gázok viselkedésének megértése kulcsfontosságú a termodinamika világában. Egy érdekes fizikai helyzet került terítékre a 2023 októberi középszintű fizikaérettségin, ahol egy hőszigetelt tartályban, egy súrlódásmentesen mozgó, jó hővezető dugattyú két különböző hőmérsékletű gázt választott el egymástól. A kérdés az volt, hogy melyik irányba mozdul el a dugattyú, ha az egyik oldalon a gáz hőmérséklete 300 K, míg a másik oldalon 400 K.

A fizikai helyzet értelmezése

A tartályban lévő két gáz kezdeti állapotban egyensúlyban van, ami azt jelenti, hogy a dugattyúra ható erők kiegyenlítik egymást. A dugattyú egyik oldalán lévő gáz alacsonyabb hőmérsékletű (300 K), míg a másik oldalon lévő magasabb (400 K). A kérdés az, hogy a hőmérséklet-különbség miatt merre mozdul el a dugattyú a hőszigetelt és súrlódásmentes környezetben.

Termodinamikai megfontolások

A helyes válasz az A) opció, vagyis a dugattyú jobbra mozdul el. De miért is? A termodinamika törvényei szerint, ha két különböző hőmérsékletű gáz érintkezik egymással egy jó hővezetőn keresztül, hőáramlás jön létre a magasabb hőmérsékletű oldalról az alacsonyabb felé. Mivel a dugattyú jó hővezető, ez lehetővé teszi a hőátadását, ami növelné a nyomást a melegebb oldalon. A dugattyú súrlódás mentesen mozoghat, ezért végig úgy fog elmozdulni, hogy a két üreg nyomása egyenlő maradjon. Az állapotváltozás az a kulcsfogalom, amit ha megértesz, akkor az egész csak játék lesz.

A mozgás irányának logikája

A dugattyú elmozdulása a magasabb hőmérsékletű oldalról az alacsonyabb felé azért történik, mert a gázok nyomása a hőmérséklet növekedésével emelkedik. A 400 K hőmérsékletű oldalon a gázok részecskéi gyorsabban mozognak, nagyobb nyomást gyakorolva a dugattyúra, ami végül annak elmozdulását eredményezi.

Összefoglalás

Ez a fizikai koncepció nem csupán egy érettségi kérdés megválaszolására szolgál, hanem betekintést nyújt a hőáramlás, a nyomás és a hőmérséklet összefüggéseibe is. A termodinamika alapelvei szerint a hő mindig a melegebb területről az alacsonyabb hőmérsékletű terület felé áramlik, ami jelen esetben a dugattyú jobbra történő elmozdulásával jár együtt. Ez a jelenség nem csak elméleti szempontból fontos, hanem gyakorlati alkalmazásai is vannak például a hőerőgépek működésében vagy a hűtőrendszerek tervezésében.

• Ingyenes tananyagok – Eduking
• Általános Iskolás Fizika Tananyag – Eduking
• Középiskolás Fizika Tananyag – Eduking