Hogyan keletkezik égéskor a meleg?

• A gyufaláng titka
• A sasmadarak és a kémiai egyesülés
• Miért hidrogén ég a rakétamotorban?

A gyufaláng titka

Még nem feleltünk arra a kérdésre: hogyan tudjuk rábírni a molekulákat arra, hogy sebesebben mozogjanak? Például ha gyufát gyújtunk, miért keletkezik láng? Mi lángol abban a lángban? Mi a tűz, a láng egyáltalában? Ez a láng miért csak meghatározott nagyságú? Hogyan fejlődik a meleg az égéskor?
A hő a molekulák mozgása. Mennél forróbb a levegő, annál sebesebben mozognak legapróbb részecskéi. Ez világos, tiszta dolog. Azt is tudjuk, hagy az égés az anyagok atomjainak egyesülése az oxigénatommal.
Például a szén égésekor a szénatom magához kapcsol két oxigénatomot és szén-dioxid molekula keletkezik (ábra).

Ha 1 gramm szén (jele C) atomjai égés közben a levegő oxigén atomjaival szén-dioxid (CO₂) molekulákká egyesülnek, akkor 8 kilogrammkalória, kb. 3400 méterkilogrammsúly munkavégző képesség szabadul fel

De mit jelent elképzelhetően az, hogy ilyenkor meleg keletkezik? Hiszen eddig azt mondtuk, hagy a hőfejlődés az anyag részecskéinek sebesebb mozgását jelenti. Ha az a szénatom két oxigénatommal új molekulát alkot (bekövetkezik az égés), akkor miért kezdenek nagyobb sebességgel mozogni a szomszédos levegőmolekulák? Miért kíséri a kémiai egyesülést a láng, a fény?

A sasmadarak és a kémiai egyesülés

Előre is elnézést kérek, ha egy túlságosan szemléletes példát mondok, de ez jól megmagyarázza a dolgot.
Egyesülés előtt azok az oxigén- és szénatomok vagy molekulák békésen végezték a maguk mindennapi hőmozgását, szálldostak ide-oda, közben összeütköztek más részecskékkel, de visszapattantak és tovább repültek.
Képzeljünk a szénatom helyébe egy rétisas-madarat, az oxigénatomok helyébe pedig egy-egy saskeselyűt. - Ezek a madarak is békésen szállnak ide-oda, végzik a maguk mindennapi röpködését.
De egyszer csak egymáshoz közel kerülnek, és a sasok lábai hirtelen egymáshoz láncolódnak erős és rövid lánccal, hasonlóan ahhoz, amiként a kémiai erők egymáshoz láncolják az atomokat.
Mi történik a sasokkal a következő pillanatban?
Kétségbeesett csapkodással igyekeznek szabadulni. Hol ide, hol oda röppenek, vadul keringenek - igazán nem lenne ajánlatos a közelükbe kerülni. De ha más madarak mégis odakerülnek, azokat csapkodásuk közben úgy meglökhetik, hogy messzire lódulnak.
Így lehet elképzelni az atomok egymáshoz láncolását, kémiai egyesülését is.

A szén-dioxid molekulában egymáshoz láncolt atomok heves, ide-oda történő rezgő mozgást végeznek, sőt még vadul körbe is forog az egész molekula (ábra).

Ha a hevesen mozgó. Szén-dioxid molekula úgy meglöki a 20°C hőmérsékletű szobalevegőben békésen szálló nitrogénatomot, hogy ennek sebessége kétszer akkora lesz, mint előbb volt, akkor ennek a sebességnek kb. 1200°C hőmérséklet felel meg (pontosabban1172°C)

Tegyük fel, hogy egy békésen szálldogáló levegőmolekula kerül a hevesen rángatódzó, őrülten forgó szén-dioxid molekula mellé. Ez a levegőmolekula olyan lökést kaphat, hogy sebessége kétszeresre is nőhet (ábra). Olyan erejű lökést kaphat, hogy a lökés energiája elegendő ahhoz, hogy a levegőmolekulát fénykibocsátásra gerjessze.
A lökés folytán nagy sebességet nyert levegőmolekulák természetesen meglökdösik a környezetükben levő többi levegőmolekulát. A levegő minden irányban felmelegszik. Lehet, hogy az ütközés még mindig olyan erős, hogy fénykibocsátással jár.
Íme, így keletkezik a fény, a láng az oxigénnel egyesülő szénatomok közelében. Így terjed a meleg a kémiai egyesülés helyéről.

Az is azonnal belátható, hogy a lökdösés ereje az egyesülés helyétől távolabb egyre csökken, hiszen az először meglökött levegőrészecske energiája egyre több részecske között oszlik el. Egyszer csak nem lesz olyan erős az ütközés, hogy fényt gerjesszen. Itt lesz a láng határa (ábra).

Miért van a lángnak határa? - Mert a molekulák sebessége az egyesülés helyétől távolabb egyre csökken

Így lesz tehát a kémiai egyesülésből fizikai mozgás, Így fejlődik hő, fény, láng.

Miért hidrogén ég a rakétamotorban?

Ma az emberiség legfontosabb energiaforrása az égés. Elektromos erőműveinkben, járműveink motorjaiban, a rakéták hajtóműveiben különféle anyagok égnek el (egyesülnek oxigénnel). Mennél több hő szabadul fel 1 kilogramm anyag elégésekor, annál több felhasználható energiához jutunk.

Ha egy esetben 1 kg szalmát égetünk el a vizesüst alatt, máskor meg 1 kg kőszenet, akkor ugyanaz a vízmennyiség nem egyenlő mértékben melegszik fel, mert 1 kg szalma elégésekor kevesebb meleg keletkezik, mint 1 kg kőszén elégésekor.
Ha 1 kg vizet addig melegítünk, amíg hőmérséklete 1°-kal emelkedik, akkor azt mondjuk, hogy a vízbe 1 kilogrammkalória mennyiségű hőt juttatunk (ábra).

Ha 1 kg víz hőmérséklete 1°C-kal emelkedik melegítés közben, akkor a víz 1 kilograrmmkalória (1 kcal) hőmennyiséget vesz fel

Egy kilogrammkalória tehát az a hőmennyiség, amely 1 kg víz hőmérsékletét 1°-kal emeli. Jele: kcal.

Tüzelőszereink jóságát úgy állapíthatjuk meg, hogy a különböző tüzelőszerekből 1 kg-ot elégetünk és megmérjük (pl. a víz felmelegedéséből), hogy hány kalória keletkezik.

1 kg anyag elégésekor felszabaduló meleg
kilogrammkalóriákban kifejezve

Sok érdekeset mond ez a táblázat. Például ki hitte volna, hogyha a szalmát olyan gyorsan sikerülne elégetni, mint a dinamitot, akkor majdnem háromszor hatásosabb robbanóanyag lenne a szalma és a kukoricacsutka, mint a dinamit.

A táblázatból látjuk, hogy a hidrogén égésekor szabadul fel legtöbb hő, legtöbb energia. Ha tehát a rakétát építő mérnök azt akarja) hogy a rakéta a lehető legtöbb hajtóenergiát adó üzemanyagot vigyen magával, akkor a rakéta egyik üzemanyagtartályát hidrogénnel, a másikat pedig oxigénnel tölti meg (ábra).

A rakéta az égéshez szükséges oxigént is magával viszi. A másik tartályban olyan üzemanyag van amelynek égési hője nagy

De egy kis baj van! A hidrogén is, az oxigén is gáz alakban fordul elő. Néhány tízezer kilogramm ilyen gáz szükséges az űrrakéta hajtására. Óriási gáztartályokat kellene magával vinnie a rakétának. Lehetetlen tehát gáznemű hidrogént és oxigént alkalmazni.
Cseppfolyósítani kell őket, hogy cseppfolyós, kisebb térfogatú állapotban vigye magával a rakéta.
Igen ám, de a hidrogént -240°C fokra kell lehűteni, hogy cseppfolyósodjék, és ekkor gőzének nyomása 13 légköri nyomás.
Az oxigént pedig -119°C fokra kell lehűteni, hagy cseppfolyósodjék, és gőze ekkor 51 atmoszféra nyomással feszíti a tartályt!
Mindez óriási nehézséget jelent a rakétaépítőknek. Ha ezt tudjuk, még jobban megbecsüljük az elért sikereket.

Felhasznált irodalom