Gépjárműveinkben a motor hűtésére hűtőfolyadékot használunk. Ez nyáron lehet egyszerű desztillált víz, télen viszont a fagyás elkerülése miatt fagyálló folyadékot használunk. A fagyálló folyadékot víz és etilénglikol keverékével állíthatjuk elő. Érdekes, hogy míg a desztillált víz fagyáspontja 0 °C, a tömény etilénglikolé -12,9 °C, a két anyagból összeállított keveréké ennél jóval alacsonyabb is lehet az összetétel függvényében. 1:1 arányú keverék esetén a fagyáspont -41,5 °C, ami biztosan megfelelő, hiszen Magyarországon ilyen alacsony hőmérsékletet még sohasem mértek. 2 rész etilénglikol, 1 rész víz keveréke -72 °C-os fagyáspontot eredményez, ami jól mutatja, hogy az olvadás- és fagyáspontot a keverékek anyagi összetételének változtatásával erőteljesen lehet befolyásolni.

Amennyiben a vizsgált anyag többkomponensű rendszer, akkor az olvadáspont függ az összetevők százalékos összetételétől. Ezt a jelenséget mutatjuk be az animáción a fagyálló folyadék segítségével.

Fagyálló folyadék fagyáspontja

Vizsgáljuk az olvadáspont anyagi minőségtől való függését a következő videón látható kísérlet segítségével!

Jég sózása

Sózás hatására a jég hőmérséklete csökkeni kezdett, miközben az olvadási folyamat felgyorsult.A sós jég olvadáspontja alacsonyabb, mint a tiszta jégé, ezért sózás hatására a jég hőmérséklete csökkent. A hőmérséklet-csökkenéskor felszabaduló energia a jég egy részét megolvasztotta, ezért láttuk az olvadást felgyorsulni.

Kristályos szilárd anyagok olvadáspontja adott nyomás mellett állandó érték. A nyomás értékét változtatva azonban az olvadáspont is változik. Általában növekvő nyomás esetén az olvadáspont növekszik, de azoknál az anyagoknál, ahol az olvadás térfogatcsökkenéssel jár, az olvadáspont is csökken. A legismertebb ilyen anyag a jég, de ezt a tulajdonságot mutatja a bizmut és a szilícium is. A jég esetében kb. 10⁷ Pa nyomásnövekedés okoz kb. 1 °C olvadáspont-csökkenést.

Az olvadáspont nyomástól való függésének bemutatására egy vékony drótszálat fektetünk át egy jégtömbön, majd a drótszál két végét nehéz súlyokkal megterheljük. A megfigyelés szerint a drót belevág a jégbe, az idő múlásával egyre mélyebbre süllyed, miközben a jég a drótszál felett újrafagy.Hosszú idő elteltével a drót átvágja a jeget, a két nehezék leesik, miközben a jégtömb az újrafagyás miatt egyben marad.A drótszál kis keresztmetszete miatt nagy nyomást fejt ki a jégre. Nagy nyomás esetén a jég olvadáspontja csökken, ezért a drótszál alatt a jég megolvad. A drót a megolvadt víz helyére nyomul, miközben a drót tetején a víz - ahol a nyomás megegyezik a légköri nyomással - újrafagy. Ezt a jelenséget regelációnak nevezzük.

Ha egy kristályos anyag hőmérséklete eléri az olvadáspontot, akkor az az anyag biztosan megolvad. Ez a jelenség azért következik be, mert a kristályrácsot alkotó szomszédos részecskék rezgése átfedi egymást, ezért a kristályrács összeomlik. A rezgések amplitúdója viszont mindig adott hőmérsékleten válik megfelelő nagyságúvá. Ezzel szemben, ha egy folyadékot hűtünk, akkor a folyadék normál körülmények között sem feltétlenül fagy meg a fagyáspontján. Ez azzal magyarázható, hogy a fagyási jelenség megindulásához kristályosodási gócok képződésére van szükség. A kristályszerkezet kialakulása ezekből a kristályosodási gócokból indul ki, és olyan módon folytatódik, hogy újabb részecskék kapcsolódnak az egyre növekvő kristályhoz egészen addig, amíg a folyadék teljes egészében meg nem fagy. Amennyiben a fagyásponton nem alakul ki kristályosodási góc, akkor a folyadék hűtés hatására sem fagy meg, hanem a hőmérséklete a fagyáspont alá csökken. Ezt a jelenséget nevezzük túlhűtésnek. Ha egy túlhűtött anyagba kristályosodási gócok kerülnek, akkor a folyadék robbanásszerűen kikristályosodik, miközben a hőmérséklete az eredeti fagyáspontra emelkedik.

A túlhűtés jelenségét fixírsó segítségével mutathatjuk be.Melegítés hatására a fixírsó 48 °C-on megolvad. Óvatos hűtéskor a folyékony fixírsó hőmérséklete jóval 48 °C alá csökkenthető anélkül, hogy a folyadék megfagyna. Az ilyen túlhűtött állapotban lévő folyadék instabil, már kisebb rázkódásra, külső behatásra megindul a fagyás folyamata. Mivel a fagyás hőleadással jár, a rendszer hőmérséklete egészen az olvadáspontig emelkedik.

Kémiában ismert jelenség, hogy egy oldat forráspontja mindig magasabb, mint a tiszta oldószeré. A forráspont-emelkedés híg oldatok esetén független az anyagi minőségtől, csak az oldott anyag koncentrációja határozza meg.A következő videón azt mutatjuk be, hogy az oldat forráspontja mindig magasabb, mint a tiszta oldószeré, tehát az anyagi minőség megváltozása befolyásolja a forráspont értékét!

A sós víz forráspontja magasabb, mint a tiszta vízé. Ennek magyarázata felsőbb ismereteket igényel, ezért itt ezzel nem foglalkozunk.

Mivel egy folyadék akkor forr, amikor a folyadék belsejében lévő buborékokban a nyomás eléri a külső légnyomás értékét, a forráspont erősen függ a külső légnyomástól. A légnyomás növekedésével a forráspont nő, a légnyomás csökkenésével pedig csökken.

A kuktafazék légmentesen lezárt edény, amelyben a víz feletti légtérbe kilépő vízrészecskék növelik a nyomást. Ilyen módon megnő a víz forráspontja, tehát a magasabb hőmérsékleten is folyadék halmazállapotú marad. (A kuktafazekat azért használjuk, mert magasabb hőmérsékleten gyorsabban és jobban megpuhul az étel.)

Amennyiben a folyadék nem tartalmaz oldott állapotban levegőt vagy más gázokat, akkor benne nem alakulhatnak ki olyan buborékok, amelybe a folyadék részecskéi beléphetnének. Ez azzal jár, hogy a folyadék nem képes forrásba jönni, hőmérséklete a forráspont fölé emelhető. Ezt a jelenséget túlhevítésnek nevezzük. A túlhevített folyadék instabil állapotú, rázkódás, kisebb szennyeződéseknek a folyadékba való kerülése után robbanásszerűen forrásba jöhet.

Telítetlen, telített és túltelített gőzEgy zárt térben lévő folyadék felszínéről folyamatosan részecskék lépnek ki a gőztérbe, és a gőztérből részecskék zuhannak vissza a folyadékba. Ha az időegység alatt kilépő részecskék száma nagyobb, mint a visszahulló részecskéké, akkor a gőz telítetlen gőz. Amikor dinamikus egyensúly alakul ki a folyadékból kilépő és az oda visszatérő részecskék között, akkor azt mondjuk, hogy a gőz telített gőzzé vált. Egy telített gőz nyomása az anyagi minőségen kívül csak a hőmérséklettől függ. Csökkenő hőmérséklet esetén a nyomás alacsonyabb, ez azt jelenti, hogy hűtéskor a részecskék egy része lecsapódik. A lecsapódás megindulásához azonban kondenzációs magvakra van szükség. Ha a gőztér ilyeneket nem tartalmaz, akkor nem indul meg a lecsapódási folyamat, és a gőz túltelített gőzzé válik.

A fotoeffektus bemutatása legegyszerűbben úgy történhet meg, hogy negatívra töltött cinklemezt higanygőzlámpa fényével világítunk meg. Ekkor a cinkhez kötött elektroszkóp kimutatja a cink gyors töltésvesztését. A cink felületén lévő többletelektronok a fotonok hatására könnyen kiléphetnek onnan. Nyilván nem kapunk fényelektromos jelenséget akkor, ha a cinket pozitívra töltjük fel, mert ebben az esetben a cink felületén elektronhiány alakul ki, tehát nem lesznek olyan elektronok, amelyek könnyen elhagyhatnák a cink felületét. Mivel a cink kilépési munkája viszonylag magas, a küszöbfrekvencia értéke az ultraibolya tartományba esik. Így látható fénnyel megvilágítva a cink nem mutat fényelektromos jelenséget.Ha semleges cinklapot világítunk meg higanygőzlámpával, akkor is létrejön az elektronok kilépése a fém felületéről. Ekkor azonban a cink pozitívvá válik, és ennek hatására az elektronok nem tudnak eltávolodni, hanem visszazuhannak a felületre.

KondenzcsíkDerült időben érdekes látvány a magasban szálló repülő után kialakuló kondenzcsík. Hogyan magyarázzuk ennek létrejöttét? 10-12 km magasságban nagyon hideg van, a hőmérséklet -50 °C körüli érték, és a nyomás a földfelszíni nyomás 10%-a. Ha az időjárás csendes, akkor ebben a magasságban könnyen túltelítetté válhat a levegő vízpárával. Ahogy egy repülőgép ezen a rétegen áthalad, a kiáramló égéstermékek kondenzációs magvakként szolgálnak, amelyre a vízpára kicsapódik. Ezeket a kis vízcseppeket látjuk kondenzcsíkként.

KorcsolyázásKözismert megállapítás, hogy azért tudunk korcsolyázni a jégen, mert a korcsolyaél alatt a jég megolvad, vékony vízréteg keletkezik, ami csökkenti a súrlódást. Ezt az elméletet azonban többen cáfolják. Érveik a következők: 1 °C olvadáspont-csökkenéshez kb. 10⁷ Pa nyomásnövekedés szükséges, ekkora változást még nagy súlyú emberek és pengeéles korcsolyák esetén sem kapunk. -22 °C alatt semmilyen körülmények között sem olvad meg a jég, mégis lehet korcsolyázni. Mi akkor a megoldás? Tökéletesen nem tudja senki, nagy valószínűsége annak van, hogy a vízréteg a súrlódás közben keletkező hő hatására alakul ki.

A víz forráspontjának függése a tengerszint feletti magasságtólMivel a tengerszint feletti magasság növekedésével a felettünk lévő levegőoszlop nyomása egyre csökken, ezzel együtt a víz forráspontja is csökkenő értéket mutat. A csökkenés mértéke 10 km magasságig nagyjából lineáris. A víz forráspontja Kékestetőn kb. 96,5 °C, a Mont Blanc-on 83,9 °C, a Mount Everesten 72 °C.

Kézmelegítő párnaA kézmelegítő párna túlhűtött folyadékot, nátrium-acetát-oldatot tartalmaz. Az oldatban található kis fémkorong átpattintása kristályosodási gócokat képez az oldatban, és ennek hatására viszonylag gyorsan végbemegy a kristályosodás. Mivel a folyamat hőleadással jár, a tasak átforrósodik, és melegítő eszközként szolgál. Ha a megszilárdult anyagot forró vízbe helyezzük, akkor a tasak tartalma újra megolvad, és óvatos hűtéssel visszaállítható az eredeti állapot.

Az 1900-as évek első felében a részecskefizikai megfigyelések egyik legfontosabb eszköze volt a ködkamra.A ködkamra megfigyelőterének alján egy fekete fémlap található, amelyet egy hűtőberendezés -28 °C-ra hűt le. A felső laphoz közel egy fűtőszál alkoholt melegít, amely ennek hatására elpárolog és a melegebb hely felől a hidegebb fémlap irányába mozog, ahol lecsapódik. Így a fémlapon kialakul egy vékony folyadékréteg, fölötte pedig az alkohol túltelített gőze. Amikor elektromosan töltött részecskék áthaladnak ezen a túltelített gőzön, akkor újabb elektromos töltésű részecskéket gerjesztenek, amelyek kondenzációs magvakként szolgálva elősegítik a lecsapódást a gőztérben. Az apró cseppekről - amelyek így kirajzolják a részecske útvonalát - fénykép készíthető. Létezik expanziós elven működő ködkamra is.