3. Hőtan

Hőtan

2022.05.C
3/B Ha a modern számítógépek processzoráról (CPU) képet keresünk (bal oldali kép), azt vehetjük észre, hogy amit látunk, nem pont úgy néz ki, mint amikor a számítógép házába benézve megkeressük az alaplapon a CPU helyét. A CPU tetejére ugyanis rendszerint egy nagy, bordás fémdarabot szorítanak, rajta pedig egy ventilátor helyezkedik el (jobb oldali kép). A CPU és a bordás fém közé különleges, fémtartalmú, jó hővezető zsír kerül úgy, hogy ne legyen légrés a kettő között.

a) Mi történik működés közben a számítógép processzorával, miközben a benne lévő áramkörök sok elektromos energiát fogyasztanak?
b) Hogyan függ ez a hatás a processzor feszültségétől és az áramfogyasztásától?
c) Mi lehet a bordás fémdarab szerepe, amit a processzorra szorítanak?
d) Miért készül fémből?
e) Mi a bordák szerepe és miért tesznek rá ventilátort?
f) Miért fontos, hogy ne legyen levegő a processzor és a fém között?

3/B feladat a) A processzor működése közben bekövetkező hatás megadása: 2 pont Az elektromos áram felmelegíti, fűti a processzor áramköreit (2 pont). b) Az áramfogyasztás mellékhatásának megnevezése és a feszültségtől/áramtól való függésének meghatározása: 2 pont A teljesítmény arányos a feszültség és az áramerősség (áramfogyasztás) szorzatával (2 pont). c) A bordás fémdarab szerepének leírása: 6 pont (bontható) A bordás fémdarab egy hűtő (2 pont), amely a processzoron keletkező hőt elvezeti (2 pont) és átadja a környező levegőnek (2 pont). d) A fém mint anyag előnyének megadása: 2 pont A fém jó hővezető. e) A bordák, illetve a ventilátor szerepének magyarázata: 6 pont (bontható) A bordák azért fontosak, hogy a hűtő minél nagyobb felületen érintkezzen a levegővel (2 pont), mert így időegységenként több hőt tud átadni (2 pont). A ventilátor gondoskodik arról, hogy a bordák közé friss, hideg levegő jusson, a levegő áramlása is javítja a hűtőhatást (2 pont). f) A légrés káros voltának magyarázata: 2 pont A levegő jó hőszigetelő, akadályozná a hőátadást a processzor és a hűtő között. Összesen: 20 pont 2019.10.
3/A Már az ókori görögök is ismerték a búvárharangot. Ez a legősibb eszköz, amely az ember számára lehetővé tette a hosszabb ideig tartó víz alatti tevékenységet, akár nagyobb mélységekben is. Legegyszerűbb formájában ez egy egyszerű, harang alakú, alulról nyitott kamra, amelyet lemerítenek a víz alá a benne ülő emberrel vagy emberekkel. A harang alá szorult levegő lehetővé teszi a búvároknak, hogy a víz alatt dolgozzanak és levegőt is vegyenek. Régen víz alatti építkezéseken (például híd pillérjeinek építésénél), vagy sekély vízben elsüllyedt hajók kincseinek megszerzésénél használták.

a) Mi történik, ha egy nyílásával lefelé fordított, felülről zárt harangot víz alá merítünk?
Miért nem tölti meg teljesen a víz a harangot?
b) Miért tölti meg a víz részlegesen a harangot? Mitől függ, hogy a harang térfogatának mekkora részében lesz víz és mekkora részében marad levegő?
c) Körülbelül mekkora lesz a harangban a levegő nyomása és térfogata a kezdeti nyomáshoz, illetve térfogathoz képest a víz felszíne alatt 10 m mélységben?
d) Milyen célt szolgálhatnak a súlyok, amelyeket a búvárharang aljára erősítenek?
(A merülés során a harangban a hőmérséklet állandónak tekinthető.)

3/A feladat a) A búvárharang működési elvének leírása: 4 pont (bontható) Amikor a búvárharangot víz alá merítjük, a pereme, ami merüléskor elsőként érkezik a vízbe, a harangba zárja a levegőt (2 pont), ami így csak fölfelé, a harang zárt része felé tud mozogni. A harangba bezárt levegő miatt (2 pont) nem tudja a víz teljesen kitölteni a harangot. b) A harangban lévő levegő és víz mennyiségének kvalitatív elemzése: 10 pont (bontható) Merülés közben a külső hidrosztatikai nyomás nő (2 pont), ezáltal nő a bezárt levegő nyomása is (2 pont), térfogata tehát csökken (2 pont). A víz így a harangba benyomul, elfoglalja a fennmaradó részt (2 pont). Mivel a hidrosztatikai nyomás a mélységtől függ, a bezárt levegő, illetve a harangba bekerülő víz térfogatának aránya is a mélységtől függ (2 pont). c) A levegő térfogatának és nyomásának közelítő meghatározása 10 m mélyen: 4 pont (bontható) Mivel a hidrosztatikai nyomás 10 m mélyen ph ≈ 10 5 Pa = p0 (2 pont), ezért p1 = 2·p0 →V1 = V0 /2 (2 pont). (Egyenlet felírása nem szükséges, a fentihez hasonló érvelésre a teljes pontszám jár. Amennyiben a vizsgázó a bezárt gázra felírja a Boyle–Mariotte-törvényt, de számítást nem végez vele, csak egy pont jár.) d) A harang alján lévő súlyok szerepének meghatározása: 2 pont A súlyok nélkül a harang nem merülne el (úszna), illetve könnyen felfordulna (2 pont). (A teljes két pont jár, amennyiben a vizsgázó megemlíti a fenti két cél legalább egyikét.) Összesen: 20 pont 2019.06.
3/B Amennyiben a Földnek egyáltalán nem volna légköre, felszínének átlagos hőmérséklete 14 °C helyett körülbelül −18 °C volna. A felszíni hőmérséklet alakításában óriási szerepe van a légkörben lévő vízpárának, szén-dioxidnak és minden olyan "üvegházhatású" gáznak (pl. metánnak), amelyek a látható tartományban nagyrészt átengedik, de az infravörös tartományban jelentős részben elnyelik a rájuk eső elektromágneses sugárzást. (A függőleges tengelyen szerepelő mértékegység a sugárzás energiáját fejezi ki egységnyi felületre, illetve időre vonatkoztatva.)

a) Hogyan jut el a Nap által termelt energia a Földre? Hogyan ad le energiát egy bolygó a környezetének?
b) Mi a különbség egy „hűvösebb” vörös és egy „forróbb” kék fényű csillag által kibocsájtott sugárzás hullámhossza között?
c) Mi történik a Napból érkező és a légkör határát elérő látható sugárzással, hogyan hat kölcsön a légkörrel? Mi történik a földfelszínt elérő sugárzás legnagyobb részével?
Hogyan befolyásolja ez a földfelszín fizikai állapotát?
d) Az ábrán az is látszik, hogy a légkör nem engedi át az infravörös sugárzás egy részét.
Mi történik a Földnek az űr felé sugárzott, az infravörös tartományba eső sugárzásával? Hogy hívják azokat a légköri gázokat, melyek a Föld által kisugárzott infravörös sugárzást nem eresztik át?
e) Hogyan és milyen módon befolyásolhatja az emberi tevékenység a Föld légkörének átlaghőmérsékletét a légkörbe bocsátott szén-dioxid révén?

3/B feladat a) Elektromágneses sugárzással (2 pont) adják le energiájukat az űr felé a csillagok és a bolygók egyaránt (2 pont). b) A forróbb test által kibocsátott hőmérsékleti sugárzás rövidebb hullámhosszú (vagy nagyobb frekvenciájú) (2 pont), mint a hűvösebb által kibocsátott. c) A látható tartományba eső sugárzás nagyrészt áthalad a légkörön (2 pont), a felszínt elérő sugárzás jelentős részét pedig elnyeli a Föld (2 pont). Ez az energia melegíti a földfelszínt (2 pont). (Nem szükséges megemlíteni, hogy a sugárzás egy része a légkörről, illetve a felszínről visszaverődik. Az is helyes megfogalmazás, hogy a légkör az energia egy részét elnyeli.) d) A földfelszín által infravörös sugárzás formájában kisugárzott energia jelentős részét elnyelik (2 pont) a légkörben lévő üvegházhatású gázok (2 pont). e) Ha nő a légkör szén-dioxid tartalma, megnő a Föld hősugárzásának légkörben elnyelt hányada (2 pont), ami hozzájárul a légkör fokozatos melegedéséhez (2 pont). Összesen 20 pont 2017.10.
3/B A kimosott ruhát úgy szárítják, hogy kiterítik. A száradás ütemét befolyásolja a légmozgás. Melegben sokkal gyorsabban szárad a ruha, mint hidegben.
A trópusokon tapasztalataink szerint általában nehezebben szárad a ruha, mint egy hasonlóképpen meleg, de sivatagos területen, ahogy izzadtságunk is nehezebben szárad fel a trópusokon.
Magyarázza meg, miért és hogyan befolyásolja a ruha száradását az, hogy kiterítik, illetve a légmozgás és a magasabb hőmérséklet! Miért szárad nehezebben a ruha a trópusokon, mint a hasonlóképpen meleg sivatagban? Mi az izzadás szerepe az emberi szervezet működése során, és mi a hatásának magyarázata?

A párolgást befolyásoló tényezők felsorolása és szerepük rövid magyarázata: 14 pont (bontható) A párolgási felület növelése (pl. a ruha kiterítése) gyorsítja a párolgást (2 pont). A légmozgás (szél) szintén gyorsítja a párolgást, mert a ruha közvetlen közelében lévő már párás levegőt elszállítja, kicseréli (3 pont). Mivel a párolgás során a víz energiát vesz fel (1 pont), melegben gyorsabb a párolgás (2 pont). Vagy: A melegebb folyadék folyadékrészecskéinek átlagenergiája nagyobb (1 pont), így több éri el időegység alatt a kilépéshez szükséges küszöbenergiát. (2 pont) Alacsony relatív páratartalmú (azaz száraz) levegőben gyorsabb a párolgás (3 pont) - sivatag. Nagy relatív páratartalmú (azaz nedves) levegőben lassabb a párolgás (3 pont) - trópus. Az izzadás szerepének megnevezése és mechanizmusának fizikai magyarázata: 6 pont (bontható) Mivel a párolgás hőt von el (3 pont), az izzadás segítségével testünk leadja a felesleges hőt, hogy megakadályozza a felmelegedést (3 pont). (A párolgás sajátságai magyarázhatók részecskemodellel is, de ez nem elvárás.) Összesen 20 pont

2015.06.
3/A Egy üres borosüveget nyitva a mélyhűtőbe helyezünk. Körülbelül fél óra elteltével kivesszük az üveget, az asztalra állítjuk, száját kicsit bevizezzük, és egy pénzérmét helyezünk rá. Ezután az asztalon álló üveget oldalról két kézzel megfogjuk. Azt tapasztaljuk, hogy az üveg szájára helyezett pénzérme rövid időközönként jól hallható pukkanás kíséretében ugrik egyet, majd visszaesik az üvegre.
a) Magyarázza meg, miért ugrál az érme az üvegen, amikor az üveget oldalról megfogjuk! Milyen erő emeli a magasba? Miért esik vissza az érme, és miért ugrik fel megint?
b) Meddig ugrál a pénz az üvegen?
c) Mi történik másképp, ha nagyobb, súlyosabb érmével zárjuk le az üveget?
d) Mi történik, ha nem fogjuk meg az üveget oldalról, csak az asztalon áll magában? e) Mi lehet a szerepe annak, hogy a borosüveg száját bevizeztük?

3/A feladat a) Annak részletes magyarázata, hogy a pénzérme miért ugrál az üvegen: 10 pont (bontható) A kezünk az üvegen keresztül melegíti a benne lévő levegőt (2 pont), így annak növekszik a nyomása (2 pont). A benti és a kinti levegő közti nyomáskülönbség (2 pont) időnként megemeli az érmét. Amikor az érme felemelkedik, levegő szökik ki az üvegből (2 pont) így a belső nyomás lecsökken (2 pont), és az érme visszahuppan az üveg szájára. b) A folyamat végének meghatározása: 2 pont Ha az üvegben maradó levegő felmelegszik (közel) a környezet hőmérsékletére, s így az üvegben lévő levegő túlnyomása már nem elegendő az érme megemeléséhez, az ugrálás megszűnik. c) Annak elemzése, hogy milyen különbséget okoz, ha az érme nehezebb: 4 pont (bontható) Ahhoz, hogy egy nehezebb érme felemelkedjen, nagyobb nyomáskülönbség (2 pont) szükséges, így ebben az esetben a levegő kellő felmelegedéséhez több időre van szükség, azaz ritkábban (2 pont) ugrik az érme. d) Annak elemzése, hogy mi történik, ha nem fogjuk meg az üveget: 2 pont Ebben az esetben lassabban melegszik fel a levegő, így ritkábban ugrik fel az érme. e) A borosüveg száján lévő víz szerepének meghatározása: 2 pont A borosüveg száján lévő kevés víz elzárja a kicsiny rést, ami az üveg pereme és a ráhelyezett pénzérme között lehet. Így a víz az üveg légmentes lezárását teszi lehetővé. Összesen 20 pont

2011.05.
3/B Télen hosszabb távollét után hazatérve, 12 ºC-os hőmérséklet fogad a lakásban. A fűtést bekapcsolva azt figyelhetjük meg, hogy sokkal hosszabb ideig tart a lakást a megszokott 20 ºC-ra felmelegíteni, mint amikor egy rövid ideig tartó alapos szellőztetés után kell a lakást 12 ºC-ról 20 ºC-ra felfűtenünk.
(Egy lakás a legjobb hőszigetelés mellett sem tekinthető légmentesen zártnak.)
a) A szobában lévő levegő milyen állapotjelzői változnak meg, illetve melyek maradnak változatlanul a fűtés során?
b) Becsülje meg, hogy a levegő tömegének hányadrésze távozhat a szobából a fűtés során!
c) Mire fordítódik a fűtőtestek által leadott energia az egyik, illetve a másik esetben?
Milyen módon „szökik meg” az energia a szobából a fűtés során?

3/B feladat a) A hőmérséklet, nyomás, térfogat, tömeg (anyagmennyiség) – állapotjelzők vizsgálata: 6 pont (bontható) A hőmérséklet változik, nő (1 pont). A nyomás állandó. (A szoba nem légmentesen zárt.) (2 pont) A térfogat állandó (1 pont). A tömeg (anyagmennyiség) csökken, mert a levegő kitágul, de a szobában lévő levegő térfogata és nyomása változatlan marad (2 pont). b) Az állapotegyenlet vagy az egyesített gáztörvény alkalmazhatóságának felismerése: 4 pont (bontható) Az állapotegyenlet alkalmazása esetén: A nyomás és a térfogat állandósága miatt – az állapotegyenlet szerint – n ⋅T állandó (2 pont), vagyis n és T fordítottan arányos mennyiségek (2 pont). Vagy az egyesített gáztörvény alkalmazása esetén: Ha a szoba a levegővel együtt „tágulna”, akkor állandó mennyiségű gáz izobár állapotváltozása zajlana (2 pont). A térfogat és a hőmérséklet egyenesen arányos (2 pont). (Ha a vizsgázó a későbbiekben egyértelműen és helyesen követi valamelyik gondolatmenetet, akkor az értelmezésre adható 4 pont részletes szöveges indoklás nélkül is jár.) A távozó levegő mennyiségének becslése: 5 pont (bontható) A hőmérsékletváltozás aránya T2/T1 = 293/285 . (2 pont). A kezdeti és végső tömeg vagy anyagmennyiség aránya 285/293 = 0,97. (2 pont). A levegő tömegének 0,03-része (3%-a) távozott el közelítőleg. (1 pont). c) Az energia hasznosulásának vizsgálata az első és második esetben: 1+1+1 pont A gyors szellőzés után a fűtőtestek energiája elsődlegesen a levegőt melegítette (1 pont), hiszen a falak és a bútorok nem hűltek le olyan gyorsan (1 pont). A hosszabb távollét után a falakat és bútorokat is fel kellett melegíteni. (1 pont) A veszteségek vizsgálata: 1+1 pont A falakon keresztül távozott hő. (1 pont) A kiáramló levegővel távozott hő. (1 pont) (Ha a vizsgázó energetikai megfontolásokat alkalmaz, pl. Hőtan I. főtétele a fenti 1 pont jár.) Összesen 20 pont

2008.06.
3/A Egy jól hőszigetelő termoszban lévő, 1 kg tömegű, 20 °C-os vízhez folyamatos kevergetéssel forró vizet töltünk és közben mérjük az így keletkező keverék hőmérsékletét. A grafikon a keverék hőmérsékletét mutatja a keverék tömegének függvényében. (A víz fajhőjét állandónak tekinthetjük.)
a) Töltse ki a táblázat első és második oszlopát a grafikon alapján, majd számolja ki a táblázat további üres oszlopaiba tartozó értékeket!
b) Határozza meg a meleg víz hőmérsékletét!
c) Magyarázza meg, hogy a grafikon miért tér el az egyenestől!

3. A feladat a) A táblázat hiányzó adatainak meghatározása. A meleg víz és a hideg víz hőmérsékletváltozásának kapcsolata: 4 pont cmh|Δth| = cmm|Δtm| , amiből mh|Δth|= mm|Δtm| (Ahol c a víz állandónak tekintett fajhője.) (Ha az összefüggést a jelölt nem írja fel, de a további számításokból kiderül, hogy a vizsgázó a hőmérséklet-változások abszolút értékét a tömegekkel fordított arányúnak tekinti, akkor 3 pont adandó.) A megadott táblázat kitöltése: 8 pont (bontható) tkeverék (ºC) mkeverék (kg) mh (kg) mm (kg) Δth (°C) Δtm (°C) 30 1,2 1 0,2 10 50 40 1,5 1 0,5 20 40 42.5 1,6 1 0,6 22,5 37,5 50 2 1 1 30 30 (Az első és második oszlop adatainak leolvasása a grafikonról rendre 0,5 pontot ér, a negyedik és ötödik oszlop adatai rendre 0,25 pontot érnek, az hatodik oszlop helyes adatai rendre 1 pontot érnek. Ha az értékelés során tört összpontszám adódik, a pontérték egész részét kapja a jelölt!) b) A meleg víz hőmérsékletének meghatározása: 2 pont Pl: Amikor a meleg víz hőmérsékletének csökkenése 30 °C volt, akkor mikor a közös hőmérséklet 50 °C , tehát a meleg víz hőmérséklete 80 °C. (Tetszőleges értékpárból, illetve tetszőleges más gondolatmenet felhasználásával kapott helyes eredmény teljes értékűnek tekintendő.) c) Annak felismerése, hogy a keverék hőmérséklet-növekedése nem arányos az egyik komponens (a hozzáöntött meleg víz) tömegével, valamint ennek egyszerű magyarázata: 4 pont (bontható) Példa az indoklásra: A közös hőmérséklet a hideg és meleg víz arányától függ. Ha egyenletesen növeljük a keverék mennyiségét, vagyis mindig ugyanannyi melegvizet öntünk a keverékhez, akkor a közös hőmérséklet nem változik egyenletesen, mert a rendszer belső energiája és tömege ugyannyival, de nem ugyanannyiszorosára nő. (Minden egyszerű indoklás elfogadható, amely a két mennyiség kapcsolatának nem lineáris jellegét alátámasztja.) Összesen: 18 pont

2008.10.
3/A Talpas lombikban kevés vizet forralunk gázlángon. Miután a víz néhány percig forrt, levesszük a lombikot a gázról. Ekkor a forrás leáll. Ezután a lombikot gumidugóval lezárjuk, majd a benne lévő víz feletti teret egy szivacs segítségével hideg vízzel hűteni kezdjük. A víz ismét forrásba jön! A gumidugót ekkor már igen nehéz eltávolítani.
Miért jön ismét forrásba a víz? Miért nehéz eltávolítani a dugót?

3/A Minden pontszám bontható! A jelenség leírása során az alábbi felismerésekért jár pont: • A forralás során a vízgőz levegőt hajtott ki. 5 pont • A bedugaszolt lombikban víz, felette vízgőz volt. 2 pont Amennyiben a vizsgázó nem írja le, hogy a vízgőz kiszorította a lombikból a levegőt, s azt feltételezi, hogy a bedugaszolás után víz, vízgőz, valamint levegő volt a lombikban, az első két részpontszám helyett összesen 3 pont jár. • A lehűtött vízgőz egy része lecsapódott, 4 pont Ha a vizsgázó csak azt írja, hogy a vízgőz hirtelen lehűlése miatt annak nyomása csökken, itt nem adható pont, csak a következő részpontszám (3 pont) jár. • emiatt lecsökkent a víz felett a nyomás. 3 pont • A víz alacsony nyomáson alacsonyabb forrásponton is felforrt. 3 pont • A külső légnyomás nagyobb, mint a belső vízgőz nyomása, így a levegő nagyobb erővel nyomja befelé a gumidugót a lombik szájába, mint amilyen erővel a vízgőz nyomja kifelé. 3 pont Ha a jelölt csak a nyomáskülönbségre utal az erők említése nélkül, 2 pont adható. Összesen: 20 pont

---