Hőfoghatóság
Hőfoghatóság (fajhő, hőkapacitás), azon hőegységek száma, melyek szükségesek, hogy valamely test 1 kilogrammnyi tömegének hőmérséklete 1 °C.-szal emeltessék. Mivel a viz 1 kg.-jának 1 °C.-szal való melegítésére egy hőegység (l. o.) szükséges, a viz hőfoghatósága 1 kaloria (egység). Némelyek a H.-tól megkülönböztetik a fajmeleget. Ezek az utóbbi alatt azon melegmennyiséget értik, mely vm. test mérsékletét 1 °C.-szal képes emelni, viszonyítva azon melegmennyiséghez, mely ugyanolyan súlyu viz mérsékletét képes 1 °C.-szal emelni. Ennek mértékszáma ugyanaz, mint a H.-é; de mig ezt kaloriákkal mérjük, a fajmeleg mértékszámának, mint viszonyszámnak, nevet nem adhatunk. A H. fogalmának megállapítására azon tapasztalati tény vezetett, hogy ugyanazon melegmenynyiségkülönböző anyagok egyforma tömegeit nem hevíti egyenlő magas hőfokra. A különböző testek tehát nem képesek a meleg hatása alatt egyformán fölmelegedni s ezen, az anyagtól függő sajátságot akarja épen a H. fogalma kifejezni. Hogy különböző anyagok H.-a nem egyforma, a következő kisérletből látható: Három, egyforma súlyu golyót, és pedig rézből, ónból és ólomból, kis horgocskák segélyével felfüggesztve forró vizbe mártunk s miután a forráspontnak megfelelő hőmérsékletet fölvették, 3 mm. vastag egyenletes viaszlepényre helyezzük. Rövid idő mulva láthatjuk, hogy a rézgolyó a felolvasztott viaszrétegen átesett, mig az óngolyó a viaszréteget átlyukasztva, megakadt, az ólomgolyó pedig csak kevéssé mélyítette a viaszt. A réznek a három anyag közül legnagyobb a fajmelege, az óné kisebb, az ólomé legkisebb. A viszony közöttük körülbelül ez: 9:5:3. Ily eljárással csak összehasonlítást lehet tenni a különböző testek fajmelege között. A fajmeleg pontosabb meghatározása többféle módszer szerint történhetik.
Az első a jégolvasztás módszere. Ennek alapgondolata az, hogy különböző jégtömegek megolvasztására oly melegmennyiség szükséges, mely a megolvasztott jég tömegével arányos. 1 kg. jég megolvasztására 80 hőegység szükséges. Ha tehát p a megolvasztott jégtömeget jelenti, P azon anyag tömegét, mely a p tömegü jeget felolvasztotta, t azon hőfok, melyre a P tömeg hevíttetett, c pedig ezen anyag fajmelege, akkor 80 p = Pct, miből c = 80 p:Pt. (A Pct szorzat t. i. a t hőfokra hevített, c fajmelegü, P tömegü testben levő melegmennyiséget jelenti.) A meghatározásra vagy Lavoisier és Laplace, vagy Bunsen jégkalorimeterét használják. A Lavoisier-Laplace-féle műszer három ónozott bádogedényből áll, melyek közül a legnagyobb a középsőt, ez a legkisebbet magában foglalja (l. 1. ábra).
1. ábra. Lavoisier-Laplace jégkalorimetere.
A legkisebb edény (c), mely drótkosárka is lehet, a fölmelegített testnek (p. golyónak) fölvételére szolgál. Ezt a legbelső edényt minden oldalról apróra tört jég veszi körül. Az ebből olvasztás által keletkezett viz az e csapon kiereszthető és felfogható. A középső edényt ismét jég veszi körül minden oldalról; az ebből kiolvadó viz a d csapon távozhatik. Ezen külső (aa) jégréteg arra való, hogy a közbenső edénytől a környezet melegét távoltartsa. A (bb) közben levő jeget tehát tisztán csak azon melegmennyiség olvaszthatja, mely a legkisebb edényben levő forró testben rejlik. A kifolyt viz súlyából, a meleg test súlyából és hőfokából az előbb jelzett módon kiszámítható az illető anyag fajmelege. Ezen eljárást lényegesen lehet egyszerüsíteni, ha a meleg testet egyenletes jégdarabba vájt nyilásba helyezzük, melyet még fölülről is jéglappal zárunk. A kiolvasztott vizet száraz szivacscsal lehet felszivni, melynek mérése megadja a kiolvasztott viz súlyát.
A Bunsen-féle jégkalorimeter egészen más szerkezetü. A jégből kiolvasztott viz mennyiségét azon körülményből határozzák meg, hogy a 0 C°-u viz kisebb tért foglal el, mint a jég. Az eszköz lényege a következő (l. 2. ábra):
2. ábra. Bunsen jégkalorimetere.
A w betüvel jelzett üvegcső (próbacső nagyságu) a nagyobb W üvegedényhez van forrasztva, mely utóbbi a kétszer meghajlított Q csőbe megy át. A w cső fölül nyitott, alul be van forrasztva, vagyis zárt. A W edény majdnem tele van desztillált vizzel, mig a Q csőben és az abba dugattyun át szurt q vékony csőben tiszta kéneső van; a q cső vizszintes helyzetü s majdnem 1 méter hosszu. A W csőben levő viznek kifőzöttnek, tehát légmentesnek kell lennie. A kis w csőbe hütőkeverék által lehütött borszeszt öntenek, mely a w csövet kis idő mulva annyira lehüti, hogy körülötte, a W csőben tiszta jégkéreg képződik. Ezt addig növesztik, mignem a jég és a W edény fala között csak keskeny vizréteg marad. A vékony q csőben a kéneső bizonyos pontig terjed. Ha most a w csőbe bizonyos hőfokra hevített, pontosan lemért testet tesznek, a körülvevő jég részben olvad s mivel a viz kisebb tért foglal el, mint a jég, a Q csőből kéneső jut a W csőbe és a q csőben a kéneső Q cső felé huzódik. A megállapodáskor leolvasott skálarészekből s a műszernek már előzetesen meghatározott állandójából (redukciós faktor) meghatározható a kérdéses fölhevített test fajmelege. Ezen eljárás adja a legpontosabb értékeket.
Egy másik módszer az u. n. keverési módszer. Ennek lényege abban áll, hogy bizonyos súlyu, hevített testet meghatározott mennyiségü és hőfoku vizbe tesznek. Ha a vizbe tett test hőfoka magasabb, mint a vizé, ez attól hőt vesz át, amaz pedig hőt ad át. Ha gondoskodva van arról, hogy a környezet a műszernek hőt ne adjon s attól hőt el ne vonjon, a melegített test és a viz bizonyos idő mulva egyenlő hőfoku lesz és a test éppen annyi meleget veszített, amennyit a viz nyert. Ezen adatokból azután könnyü a test fajmelegét meghatározni. Az ezen célra használt Regnault-féle kalorimeter lényegében két részből áll: a melegítő készülékből s a tulajdonképeni kalorimeterből. Az első nem egyéb, mint hármas bádogedény (l. 3. ábra),
3. ábra. Regnault vizkalorimetere.
melyek legbelseje (A) alul könynyen eltávolítható fenékkel bir, mig fölül dugattyuval van elzárva. Ezen keresztül hőmérő van dugva, mely a hevítendő tárgy hőfokát jelzi. Az A edényt körülvevő hengeres térben forró vizgőz kering (B-ben) és ezt ismét levegő környezi, melyet a környezettől a külső bádogedény fala választ el. A legbelső hengerben gyürüalaku finom drótkosárka lóg fonalon, melybe a fajmelegére nézve meghatározandó és hevítendő tárgy helyeztetik.
Ha ez - a hőmérő jelzése szerint - a forráspontig van hevítve, a fenék eltávolítása után az alsó edénybe kerül, hol meghatározott mennyiségü és hőfoku viz van. A vizbeeresztésnek lehetőleg gyorsan kell történnie, hogy hőveszteség ne álljon be. A D kalorimeter, mely a vizet tartalmazza, külső meleghatások ellen szintén kellőleg meg van védve: a d térben hideg viz van, hogy az oldalt elhelyezett kis gőzkazán melegét távoltartsa. Amint a hevített test vizbe került, kavarással segítik elő a meleg kiegyenlítődését és a vizbe merülő hőmérővel meghatározzák, mennyire emelkedett a viz hőfoka, tehát mily nagy az ő melegnyeresége és a testnek melegvesztesége.
Ezen adatokból azután a kérdéses test fajmelege meghatározható. A keverési módszer szilárd és folyékony testek fajmelegének meghatározására használható; az utóbbi célra azonban még másféle eljárást is alkalmaznak. Igy p. fölhasználják az elektromos áram melegítő hatását, amennyiben két egyenlő méretü és ugyanazon anyagból való drót ugyanazon áram által fölmelegítve, egyrészt viznek, másrészt a meghatározandó fajmelegü folyadéknak adja át melegét. Ismerve a folyadékok súlyát, eredeti és későbbi hőfokát, kiszámíthatni a fajmeleget. Egy másik módszer a kihülési módszer. Porrá törött szilárd anyag vagy folyadék vékonyfalu ezüstszelencébe helyeztetik. Az egészet bizonyos hőfokra hevítik s azután egy tágabb edénybe helyezik, melynek belső fala kormozott és amelynek levegője kiszivattyuzható. A hevített szelence csupán sugárzás által vesztheti el melegét s ennek folytonos csökkenését a kérdéses anyagba helyezett hőmérőn figyelik. Megjegyezvén azon időket, melyek szükségesek, hogy különböző anyagok hőmérséke ugyanannyi fokkal csökkenjen, kiszámíthatni az anyagok fajmelegét.
Mig a szilárd és folyékony testek fajmelegének meghatározásánál a testekre ható légnyomásról nincsen szó és hallgatagon egy légköri nyomást tételeznek fel, addig a gázok fajmelegének meghatározásánál pontosan kell a gázokra ható nyomással számolni. A gázok fajmelege állandó nyomás- vagy állandó térfogatnál határozható meg. Az elsőt többen határozták meg kisérletileg, a másodikat csak közvetve lehetett meghatározni. (A módszerekre nézve v. ö. Müller-Pfaundler, Lehrbuch der Physik II. kötetének 2. részét.) Ha valamely gáz állandó nyomás alatt kitágulhat, a hőmérsék bizonyos emeléséhez nagyobb melegmennyiségre szorul, mint midőn állandó térfogatnál nagyobb nyomásnak van alávetve. Tehát a gázok fajmelege állandó nyomásnál nagyobb, mint állandó térfogat mellett. Levegőre nézve amaz 0,2377, ez 0,1686. A viszony ezek közt minden gázra nézve ugyanaz, t. i. 1,41.
A testek fajmelege nem teljesen állandó szám, hanem értéke a hőmérsékkel együtt növekedik. E közben állandó végső értékhez közeledik. 0° és 100° között a változás oly csekély, hogy a fajmeleget ezen határok között állandónak lehet tekinteni. Dulong és Petit azon fontos törvényt találták fel, hogy a szilárd vegyi elemek fajmelegei fordítva aránylanak az atómsúlyokkal, ugy hogy ezen anyagokra nézve az atómsúly és fajmeleg szorzata állandó szám, és pedig közelítőleg 6. E törvény szerint tehát a szilárd elemeknek atómsúlyaik által kifejezett tömegei egyenlő hőemelkedéshez egyenlő melegmennyiségre szorulnak, vagyis az elemek atómmelege egyforma. Neumann e törvényt vegyületekre is kiterjesztette és kimutatta, hogy hasonló összetételü vegyületek fajmelegei is fordítva aránylanak az atómsúlyokkal és Kopp azon tételt állította fel, hogy a vegyületek molekuláris melege az alkotó elemek atómmelegének összegével egyenlő.
Egyes elemek fajmelegei:
| aluminium | 0,214 | ón | 0,056 |
| kén | 0,203 | jód | 0,054 |
| vas | 0,114 | antimón | 0,051 |
| réz | 0,095 | kéneső | 0,033 |
| horgany | 0,095 | platina | 0,032 |
| ezüst | 0,057 | ólom | 0,031 |
A légnemü testek egyenlő térfogatu tömegeinek melegítésére egyenlő melegmennyiségek szükségesek. Mivel Avogadro törvénye szerint minden gáz egyenlő térfogatokban egyenlő mennyiségü molekulát tartalmaz, ha a gázra ható nyomás és a hőmérséklet ugyanaz, következőleg a gázok molekuláris melege egyforma.
