Víz, levegő

Gyenes Béla

1. Légnyomás, időjárás, a légnyomás és az időjárás kapcsolata

Légnyomás:
- A Föld légköre gravitáció hatására nyomást fejt ki a felszínre és az ott lévő testekre.
- Standard légnyomás (tengerszinten): \(p_0 \approx 101{,}325\,\text{Pa} = 1\,\text{atm}\).
- Mérőeszköz: barométer (pl. higanyos barométer, aneroid barométer).
Változása és időjárás:
- A légnyomás területről területre változhat (alacsony nyomás, magas nyomás).
- Alacsony nyomás (ciklon) sokszor kedvez a csapadéknak, szeles, felhős időnek.
- Magas nyomás (anticiklon) általában száraz, tiszta időjárással párosul.
- Légnyomásváltozáshoz gyakran időjárás-változás társul.
Gyakorlati jelenségek:
- „Tapadó” vákuumpoharak, szívószál használata, hegyvidéki vízforralás (alacsonyabb légnyomáson alacsonyabb hőmérsékleten forr a víz).
- Repülés, meteorológiai előrejelzések, magaslati forráspont-csökkenés.

Rendhagyó hőtágulás:
- A víz \(4^\circ\mathrm{C}\)-on a legsűrűbb (ekkor a legkisebb a térfogata), fagyáskor (0 \(^\circ\)C) pedig kisebb sűrűségű, a jég úszik a vízen.
- Ezért tavakban a felszín fagy be, a mélyben \(4^\circ\mathrm{C}\)-os víz marad, ami lehetővé teszi a vízi élővilág fennmaradását télen.
Nagy fajhő, olvadáshő, forráshő:
- Nagy fajhő: sok hőt képes elnyelni vagy leadni anélkül, hogy hőmérséklete nagyon megváltozna (klímahatás, tengerek mérséklik a szárazföldi hőingadozást).
- Olvadáshő, forráshő nagy: ezért a víz forralása és fagyasztása sok energiát „köthet le” vagy szabadíthat fel.

A folyadékokban és gázokban a nyomás minden irányban gyengítetlenül terjed tovább.
Jelentős gyakorlati alkalmazás: hidraulikus emelő, fékberendezések.

A folyadékoszlop nyomása a mélységgel nő: \[p_\text{hid} = \rho \, g \, h,\] ahol \(\rho\) a folyadék sűrűsége, \(h\) a folyadékoszlop magassága.
Hidrosztatikai paradoxon: a nyomás (az edény alakjától függetlenül) csak a magasságon és a sűrűségen múlik.

Arkhimédész törvénye: a folyadékba merülő testre felhajtóerő hat, amely \[F_\text{fel} = \rho_\text{foly.} \, V_\text{test} \, g.\]
Magyarázat: a folyadék nyomása az alsó pontokon nagyobb, mint a felső pontokon.
Felemelkedés, elmerülés, lebegés, úszás:
- Ha \(F_\text{fel} > G\) (a test saját súlya), akkor a test felemelkedik.
- Ha \(F_\text{fel} < G\), akkor a test lesüllyed.
- Ha \(F_\text{fel} = G\), akkor lebeg (vagy úszik, ha részben kiemelkedik).

Folyadék tömegárama állandó stacionárius áramlásnál. Ha a cső keresztmetszete változik, \(A_1\)-nél \(v_1\), \(A_2\)-nél \(v_2\), akkor: \[A_1 \, v_1 = A_2 \, v_2.\]
Vékonyabb helyen a folyadék gyorsabban halad át, mint a vastagabb csőszakaszon.

Bernoulli egyenlet: áramló ideális folyadékra konstans \[p + \frac{1}{2}\rho v^2 + \rho g h = \text{állandó}.\]
Az áramlási sebesség megnő, a helyi nyomás csökken (pl. repülőgép szárnya fölött a gyorsabb levegőáramlás kisebb nyomást okoz, így felhajtóerő keletkezik).
Példák: autóspoiler, vitorla, csavart labda (Magnus-hatás).

A mozgó testekre ható erő a közegtől (levegő, folyadék) függ. Általánosságban: \[F_\text{közegell} \sim \rho \cdot A \cdot v^2,\] ahol \(A\) a keresztmetszet, \(v\) a sebesség, \(\rho\) a közeg sűrűsége (plusz alakfüggő tényező).
Nagy sebességeknél ez az erő jelentős, pl. áramvonalas autók, repülők kialakítása.

Felületi feszültség: a folyadék felülete rugalmas hártyaként viselkedik, a folyadék térfogata a felületet minimálisra igyekszik csökkenteni (vízcseppek gömbalakja).
Kapilláris jelenségek: folyadék emelkedése/süllyedése vékony csőben a felületi feszültség és adhéziós erők miatt (pl. víz felszívódása papírban, talajban, növények gyökérzetében).