Háztartásfizika - fizikai jelenségek a házban és a ház körül

A Háztartáskémia című részben a házban (lakásban), ház körül, kertben található, kémia tárgykörébe tartozó témákat, címszavakat gyűjtöttem össze.
Ebben a részben a fizikai vonatkozásokat "listázom". Itt most bizonyos témakörökhöz csoportosítva próbálom meg összeszedni a lényegesebbeket, hivatkozva azokra a címszavakra, ahol részletesebben megtalálhatók.

A házban és a ház körül szinte mindennek van valami köze a fizikához, még akkor is, ha erről nem tudunk.
Számtalan olyan eszközt használunk, amelynek működési elve a fizika tárgykörébe tartozik.
Nézzünk szét kicsit "fizikai" szempontból a lakásunkban, kertünkben.
(Ez csak egy ízelítő, lexikonomban ennél sokkal több címszó található ebben a témakörben, a Szójegyzék keresőjébe a háztartásfizika keresőszót beírva ezek a címszavak legyűjthetők. Egy ennél bővebb "csoport" érhető el a mindennapokfizikája keresőszóval.)

 


Főbb témakörök:
Ház (lakás), Fűtés, hűtés, Elektromos hálózat, Világítás, Elektromos eszközök, Elektronikus eszközök, Érzékelők, Egyebek,

 

Ház (lakás)

Magával a házzal Érdekességek részben Az építkezés fizikája és kémiája címszónál foglalkozom részletesebben.

Egyébként egy lakóház számos kompromisszumot tesz szükségessé.
Hőtechnikailag pl. egy négyzet alapterületű épület lenne a legpraktikusabb, mindenféle "kiugró" nélkül, kevés üvegfelülettel, (mivel az egyébként legkisebb felületű gömb nem igazán lakható).
A hőátadás a hőmérsékletkülönbséggel és a felülettel arányos.
Világítás szempontjából viszont jó sok ablak lenne célszerű, ami rontja a hőszigetelést és beengedi a nyári napfényt, vele a hőenergiát és akkor jöhet az energiafaló légkondi.
Ezzel szemben, "esztétikai okokból" mindenféle kiálló és beugró részeket építenek be, ami nagyon megnöveli a felületeket és növeli a fűtésigényt, még korszerű, jó hőszigetelésű építőanyagok esetén is.
Most (2022) már tudunk teljesen energiafogyasztás nélküli házakat építeni. Az energetikai szabványok egyébként is sokat szigordtak. Egy most épülő ház fűtési energiaigénye már sokkal kisebb, mint a jelenlegi lakásállomány többségéé. A rendkívüli módon megelemkedett energiaárak sokakat ösztönöznek hőszigetelésre, fűtéskorszerűsítésre.

 

Fűtés, hűtés

Az ember olyan 20°C körül ("szobahőmérsékleten") érzi jól magát, persze attól függően, hogy mit csinál és milyen ruha van rajta. (Nedvesen, ruha nélkül ácsorogva pl. még ennél jóval nagyobb hőmérsékleten is fázik, ha meg erős fizikai munkát végez akkor ez is sok.)
E miatt viszonylag hamar rájöttek, hogy télen be kell húzódni valahova és tüzet kell rakni.
Fűtésre még most is általában a tüzelést alkalmazzuk, vagyis valamilyen vegyileg kötött energiát szabadítunk fel oxidációval. (Tehát földgázt, szenet, olajat esetleg fát vagy egyebet égetünk (ez idáig kémia) egy megfelelően kialakított eszközben, és ennek jét hasznosítjuk - általában víz "közvetítésével".) A keletkezett hőmennyiség hasznosítása, a fűtőrendszer elemeinek működése már a fizika tárgykörébe tartozik.

Az utóbbi időben egyre jobban terjednek a föld melegét hasznosító hőszivattyús megoldások (főleg a mostani /2022/ földgázárak mellett), illetve a napenergiát felhasználó rendszerek is. Ezek azonban még elég drágák a "hagyományos" fűtéshez viszonyítva, megtérülésük nagyban függ az adott áraktól, szabályozóktól. (A "tüzelés" végső soron ezekkel sem teljesen úszható meg, mert a szükséges - nem kevés - elektromos energia nagy részét jelenleg még hőerőművekben állítják elő.)
Egy ház (lakás) esetén a falak és nyilászárók hőszigetelése nagyon lényeges, de számtalan egyéb tényező is drasztikusan tudja növelni az energiaigényt. (Pl. a már említett ház kialakítás, "ideálistól" eltérő alakzat, elhelyezkedés, benapozottság, stb.)

Egy körültekintően tervezett, megépített épület a mi éghajlatunkon nem igényel hűtést nyáron. Meglévő épületeink, lakásaink nagy része azonban egyáltalán nem ilyen, ezért egyre több helyen jelennek meg a légkondicionálók. Ráadásul ezeket is hozzáértés nélkül, választják ki, szerelik fel és üzemeltetik. Így aztán nem csoda, ha a meleg nyári napokon mostanában rengeteg áramot pazarlunk el és több helyen az elektromos rendszerek összeomlását okozták a kánikula időszakában.

 

Elektromosság

A korszerű háztartás szinte elképzelhetetlen elektromos eszközök nélkül.
Az elektromos áram nagyon "praktikus", mert mindössze "két szál drót" kell a továbbításához és bármire használható (fűtés, világtás, mechanikai munkavégzés).
Amikor látszólag semmi sincs bekapcsolva, akkor is számtalan "fogyasztó" működik. Ha az ember szétnéz éjszaka a sötét lakásban, akkor tűnik igazán szembe, hogy mennyi kontrollfény (általában LED) világít, TV készüléken, DVD játszón, telefonon, hűtőgépen, bojleren, stb. Időnként bekapcsol a fűtés keringető szivattyúja, bekapcsol a vízmelegítő, a hűtőgép, stb.
Amikor "zajlik az élet" akkor pedig elektromos eszközök tucatjai fogyasztják a kilowattórákat.

Az alábbi fejezetek a "háztartási elektromossággal" foglalkoznak.

 

Elektromos hálózat

 

Az elektromosság "alapjaival" az Érdekességek rész Villamosság - amit tudni illik címszavában foglalkozom. Ott megtalálhatók a háztartások elektromosellátásával kapcsolatos információk is. Az elektromos hálózat a legtöbb lakásba 230 voltos egy fázisú vátóáramú forrásként érkezik be egy 16 (25) amperes biztosítékkal. Ez valamivel több, mint 3,5 (5,7) kilowattnyi (egyidejű) fogyasztást tesz lehetővé. (Egy komolyabb elektromos tűzhely már hálózatfejlesztést igényel, a hőszivattyúról nem is beszélve!)

Mivel az elektromos áram egyik legalapvetőbb hatása a hőhatás a vezetékek védelme és a tűzveszély elkerülése miatt valamilyen "biztosíték" szükséges. Erre a célra már nem igen találunk "olvadót", csak "automatát" (a kép alján) a mostani házakban.
A "korszerű" lakásokban a világítás és a többi elektromos eszköz is ("darabonként") egyre kevesebbet fogyaszt. Ugyanakkor a háztartás elektromos rendszerei, összességében egyre többet fogyasztanak.
Az elektromos melegítőeszközök (pl. villanytűzhelyek), légkondik stb. tekintélyes elektromosenergia-fogyasztók.
A meleg nyári napokon mostanában több áram fogy a háztartásokban, mint télen.
Bláthy találmánya, a villanyóra (a kép felső részén) pedig könyörtelenűl forog télen-nyáron. (Mostmár nem forog, az új villanyórák elektronikusak.)

 

Világítás

Ma már egy "közönséges háztartás" is többféle, jó hatásfokú, kis fogyasztású fényforrást alkalmazhat (LED-izzó (baloldali kép), fénycső (eltűnőben), kompakt fénycső (középső kép - eltűnőben), halogén izzók (eltűnőben)). Ugyanakkor még előfordulnak, de már nem kaphatók a "jó öreg, energiafaló, hagyományos izzólámpák" (jobboldali kép) is.

A Szójegyzék keresőjébe a fényforrások keresőszót beírva valamennyi legyűjthető - nem csak a lakásban alkalmazottak.

Fény minden esetben úgy keletkezik, hogy az anyag külső elektronját gerjeszti valamilyen energia és az visszatérve a nyugalmi helyzetébe egy fotont (tehát valamilyen elektromágneses hullámot) bocsát ki. (Ezt mutatja be az alábbi animáció.) Az elektromágneses hullámoknak egy kis tartományát a szemünk képes fényként észlelni.

Circle

A képre kattintva az atommag körül mozgó elektron egy nagyobb energiájú pályára ugrik, majd onnan visszazuhanva egy fotont bocsát ki.
A képre újra rákattintva visszaáll a kiinduló helyzetbe.
A keletkező foton hullámhossza az energiaszintek különbségétől függ.

A gerjesztés történhet pl. hatására, vagy egy másik foton által.

Régen "fénykeltési célra" is valamilyen lángot használtak (fákja, gyertya, mécses, gázláng) csak Edison fejlesztette ki az első használható izzólámpát (1879). Ezekben a hő készteti fénykibocsátásra az atomokat.
Tehát a "hagyományos izzólámpák" és a halogén izzók egyaránt elektromos áram hőhatását alkalmazó eszközök körébe tartoznak.
A "hagyományos" és a kompaktfénycsövek esetén a látható fény a cső belsejében az elektromos ívben létrejövő UV sugárzás készteti fénykibocsátásra a bevonat (fénypor) atomjait. A LED-ek teljesen másképp működnek.

A megvilágítást számos egyéb tényező is befolyásolja a fényforrás mellett.
Nem árt tudni pl. azt is, hogy a fehér fal kétszer annyi fényt ver vissza, mint a világoszöld, a divatos sötétebb színekről nem is beszélve.
Bár a világítás a háztartások energiaszükségletének csak kis hányadát jelenti, nagyon sok energia (és pénz) takarítható meg megfelelően kialakított, megfelelően festett lakással és megfelelő fényforrások használatával.

 

Elektromos eszközök

Hihetetlen mennyiségű elektromos eszközt használunk, hálózati és elemes (akkumulátoros) készülékek tucatjait.

Az elektromos áram mágneses hatását alkalmazó eszközök

Villanymotorok
Valamikor a 60-as években hallottam egy beszélgetést Szentgyörgyi Alberttel. Nagyon megmaradt bennem az, hogy említette a lakásában tucatnyi villanymotor működik, és ezek mennyire fontosak.
Most összeszámolni is nehéz lenne, hogy hány villanymotor van a házamban (csak a számítógépben több mint egy tucatnyi). Villanymotor van a mosógépben, a porszívóban, a hűtőgépben, az keringeti a fűtési rendszer vizét (a képen egy ilyen kerigetőszivattyú látható).

 

Elektromágnesek
Nagyon sok eszközben alkalmaznak elektromágneseket (szolenoid).
Ilyen elven működik pl. a fentebb látható elektromos megszakító (automata biztosíték).
Elektromágnest tartalmaznak a csengők (a képen), a mosógépek mágnesszelepei, stb.

 

Transzformátorok
Szinte minden hálózatról üzemelő elektronikus eszközben alkalmaznak transzformátorokat, hiszen a hálózati 230 voltos feszültséget át kell alakítani kisebbre, vagy éppenséggel nagyobbra pl. a már eltűnőben lévő TV készülékek CRT képcsövei számára.
A képen egy mobiltelefon töltőjének belsejében látható egy kis transzformátor a nyomtatott áramkör fölött.

 

Az elektromos áram hőhatását alkalmazó eszközök

gyakorlatilag minden elektromos eszközben keletkezik (akkor is, ha nem akarjuk). Ide a kifejezetten fűtés céljára szolgáló eszközök tartoznak pl. a bojler, vasaló, elektromos tűzhely, mosógép, hősugárzó fűtőszála, stb. - bár a két utóbbi villanymotor(oka)t is tartalmaz(hat). Ezekben valamilyen nagyobb elektromos ellenállású fémszál melegszik (úgynevezett ellenállásfűtés).
Általában ezek a legnagyobb teljesítményű fogyasztók a lakásban, akár több kilowattosak.


 

Az elektromos áram vegyihatását alkalmazó eszközök

A ház körül gyakorlatilag a (tölthető) akkumulátorok és az ("eldobható") elemek vagyis az elektrokémiai áramforrások tartoznak ide. (Működési elvüket a Kémia részben a galvánelemek címszónál egy animáció mutatja be.)
Számtalan eszközben (mobiltelefon, elemlámpa, távvezérlők, stb.) használunk, többféle elektrokémiai áramforrást (Li-ion akku - baloldali kép, Ni-Cd akku - jobboldali kép, stb.).

(Az akkumulátorok címszóban a lexikonomban az összes elektrokémiai áramforrás listája látható és az egyes típusok címszavára ugorva részletesebb információ érhető el.)


Elektronikus eszközök

Félvezetők milliói találhatók az otthon előforduló különböző elektronikus eszközökben.
Egy "rendes lakásban" általában már több TV készülék is található, szinte mindenütt van számítógép, telefon, DVD játszó (CD játszó), kazettásmagnó (ha még előfordul), erősítő, hangdobozok, néhol még a "régi" lemezjátszó is megtalálható.
A "hangkeltő" eszközökkel külön foglalkozom az Érdekességek részben A hangok birodalma címszónál.
Szinte mindenütt található valamilyen fényképezőgép, mostanában már szinte csak a "digitális" változat. A fényképezéssel is foglakozom részletesebben az Érdekességek részben A fotózás fizikai és kémiai alapelvei címszónál.

 

Érzékelők

Számtalan különböző érzékelő eszköz található egy háztartásban.
Ezeknek a működési elvével is külön foglalkozom az Érdekességek részben az Érzékelés, észlelés, kölcsönhatás címszónál.
Ilyenek pl. az automata mosógépek hőfok érzékelői, a vasalók és bojlerek bimetálkapcsolója - amely szintén "hőre reagál", a riasztók mozgásérzékelői, stb.
Az utóbbi időben különös hangsúlyt kaptak a füst és szén-monoxid érzékelők. Ezekben a készülékekben többféle mérési elvet alkalmaznak, pl.:
- a félvezetős érzékelők a felületükön megkötődő szén-monoxid vezetőképességet növelő hatását használják ki
- az elektrokémiai-cellás érzékelő 2 egymástól különböző elektródából és elektrolitból áll. A belsejébe diffundáló szén-monoxid hatására, a katód és az anód között a koncentráció nagyságával arányos elektromos feszültség jön létre.

 

Egyebek

Nagyon sok egyéb eszköz, jelenség fizikai vonatkozásai megemlíthőtők még:
- A gépkocsi ugyan nem a háztartás része, de mindenképpen hozzátartozik a család életéhez, ezzel fizikai szempontból is foglalkozom az Érdekességek részben Az autózás fizikai - kémiai alapelvei címszónál.
- Tükröket is biztos találunk egy a lakásban (legalább a fürdőszobában egyet). A Fizika részben animációk mutatják be a síktükör, a homorú tükör és a domború tükör leképezését, alkalmazásait.
- Egész biztosan találunk lencséket is szinte minden háztartásban. Ha szemüveges valaki akkor abban, ha nem akkor biztosan van a házban valami optikai eszköz (színházi látcső, mikroszkóp, fényképezőgép), ha az sincs akkor pl. a CD vagy DVD játszó lézerében, a mobiltelefonban. A Fizika részben animációk mutatják be a homorú lencsék és a domború lencsék leképezését, alkalmazásait.
- Biztosan van a házban hőmérő. Ebből mostmár elég sokféle előfordul a lakásokban a "hagyományos hőtágulásos" változat mellett már többféle egyéb módon működő is előfordul (elektronikus, folyadékkristályos). Az Érdekességek részben az Érzékelés, észlelés, kölcsönhatás címszónál a különböző hőmérséklet észlelési módszerekkel is foglalkozom.

További a témával kapcsolatos információk találhatók még
- a rádió működési elvéről az Érdekességek részben az Szól a rádió... címszónál
- a mikrosütőről az Érdekességek részben az Sütő-e a mikrohullámú sütő? címszónál
- a vasalásról az Érdekességek részben az A vasalás fizikája és kémiája címszónál

Számtalan "mindennapi" eszköz működésének fizikai elvei megtalálhatók lexikonomban a már említetteken kívül a már nem túl elterjedt diavetítő, mozgófilm vetítő, képmagnó, különböző típusú hűtőgépek stb.

Ha szeretné megismerni használati eszközeinek működési elvét írja be a Szójegyzék keresőjébe a keresett eszközt, vagy a háztartásfizika illetve a mindennapokfizikája keresőszóval gyűjtse le az összeset és abból válasszon.

Felhasznált irodalom