Aineen olomuodot. Fysiikka 2 tiivistelmä. Lämpö. Nimityksiä: systeemit. Paine. Lämpötila F A

Transkriptio

1 For evaluation only Aineen olomuodot Fysiikka tiivistelmä Juhani Kaukoranta Raahen lukio 0 Kiinteä Pitää oman muotonsa astiassa Neste Saa astian muodon Kaasu Jos kansi, niin täyttää koko astian Leviää astiasta pois, jos kansi kiinni Lämpö Nimityksiä: systeemit Lämpö on energiaa, joka ilmenee aineen perusosasten (atomien, molekyylien, ionien) lämpöliikkeenä Aineen sisäenergia on rakenneosasten liikeenergian ja potentiaalienergian summa Lämpöenergian yksikkö on J (= joule) Lämpö siirtyy lämpimämmästä kylmempään Lämpötila on on suure, joka riippuu rakenneosasten keskimääräisestä liike-energiasta 3 Eristetty: ei vaihda ympäristönsä kanssa ainetta eikä energiaa Suljettu: Ei vaihda ainetta, vaihtaa vain energiaa ympäristönsä kanssa Avoin: vaihtaa ainetta ja energiaa ympäristönsä kanssa 4 Lämpötila yksikkö ºC ja K =kelvin 0 K = -73,5 ºC ( 73,5 ºC = absoluuttinen nollapiste) Kelvin = Celsius + 73,5 00 ºC = ,5 373 K +37 C 300 K (ihmisen normaali sisälämpö) -0 ºC = ,5 53 K 5 p F A Paine Jos voima F vaikuttaa kohtisuoraan pintaan A, niin pintaan A kohdistuva paine p määritellään: Paineen SI-perusyksikkö on N Pascal = Pa = m Voima Paine = Pinta-ala Johdannaisyksikkö bar bar = Pa (käytännössä normaali ilmanpaine bar)

2 For evaluation only Paine kaasuissa Ilmanpaine on ilmankehän ilman painon aiheuttama paine Ilmanpaine bar (normaalipaine,03 bar=0,3 kpa) bar = Pa = 00 kpa Ilmanpaine laskee ylöspäin mentäessä Hydrostaattinen paine Nesteen oman painon aiheuttama paine = ρgh p 0 =ulkoinen paine Kokonaispaine syvyydellä h on: h p p p 0 gh 9,8 m/s nesteen tiheys Sukeltajan sääntö: Paine pinnalla bar. Jokaista 0 m kohti tulee lisää bar. Siten 30 metrissä on 4 bar kokonaispaine. 7 Esim. Kuinka suuri hydrostaattinen paine vaikuttaa sukeltajaan 3,5 metrin syvyydessä? Mikä on sukeltajaan vaikuttava kokonaispaine, jos veden pinnalla vallitsee normaali ilmanpaine (=0,3 kpa)? Hydraulinen nosturi: Pienellä voimalla nostetaan suuri kuorma kg m p 0300 Pa ,8 3,5 m = Pa 3 m s p 36 kpa,36 bar (Sukeltajan päässälasku: p bar + 0,35 bar,35 bar) F F Paine nesteessä sama: A A Verenpaine mmhg ja kpa ENERGIA ja ENERGIARAKAISU Verenpaine ilmoitetaan yleensä elehopeamillimetriä esimerkiksi 0/80 mmhg Elohopean tiheys ρ = 3540 kg/m 3 patsaan korkeus h = 0 mm = 0,0 m p = ρgh = 3540 kg/m 3 9,8 m/s 0,0 m =5,9 kpa Energia = Kykyä tehdä työtä ( Käyttövoimaa ) ( Saa pyörät pyörimään ) ( Kykyä lämmittää )

3 For evaluation only Energian lajeja Liike-energia Kappaleiden potentiaalienergia Lämpöenergia Säteilyenergia Kemiallinen energia Ydinenergia MEKAANINEN ENERGIA koostuu Potentiaalienergiasta Liike-energiasta POENIAALIENERGIA se on kappaleeseen varastoitunutta kykyä tehdä työtä. jännitetty jousi ylös nostettu paalujuntta ylös pumpattu vesi Energia E Energia on kykyä tehdä työtä Energia on varastoitunutta työkykyä yksikkö J (joule) kj = 000 J MJ (megajoule) = 000 kj = J vanha yksikkö: kcal (kilokalori) kcal = 4, kj esim. jäätelötuutissa 06 kcal/00 g on yhtä kuin 860 kj/00 g 6 Energiamuotoja lämpöenergia kemiallinen energia sähköenergia liike-energia (kineettinen energia) asemaenergia (potentiaalienergia) ydinenergia säteilyenergia Esimerkkejä Paristossa on kemiallista energiaa, joka vapautuessaan muuttuu sähköenergiaksi Bensiinissä on kemiallista energiaa Lämpö on lämpöenergiaa Liikkuvassa kappaleessa on liike-energiaa Valossa, mikroaalloissa on säteilyenergiaa Korkealla sijaitsevalla kappaleella on asemaenergiaa 7 8 3

4 For evaluation only Energian häviämättömyyden laki Energiaa ei voi luoda tyhjästä eikä hävittää olemattomiin. Energiaa voidaan muuttaa toiseen energiamuotoon. Hyötysuhde= kuinka suuri osa käytetystä tai kulutetusta energiasta saadaan muutetuksi hyödyksi laitteen tuottama hyötyenergia hyötysuhde laitteen kuluttama kokonaisenergia Bensiinimoottori muuttaa 35 % bensiinin energiaksi liike-energiaksi Dieselmoottori muuttaa 40 % polttoaineen energiaksi liike-energiaksi Sähkömoottori muuttaa 90 % ottamasta sähköenergiasta liike-energiaksi LED-lamppu muuttaa 40 % sähköenergiaksi valoenergiaksi (säteilyksi) 9 Hyötysuhde Ottaa energiaa KONE Hukkaenergia yö W F s W = yö F = Voima s = Δx = matka tai siirtymä Yksikkö [F] [s] = Nm = J (Joule) Voima tekee työtä siirtäessään kappaletta Nostotyö = painovoima pystysuora nostomatka m g h uottaa energiaa uotettu energia Hyötysuhde Otettu energia E W P t P E W P t P tuotto tuotto tuotto tuotto otto otto otto otto Esim. a) 7, kg painava matkalaukku nostetaan 70 cm korkealle pöydälle. Kuinka suuri työ tehdään? b) Samaa laukkua vedetään 3 newtonin voimalla 85 metrin matka parkkipaikalta hotellille. Laske työ. c) Kuinka suuria liikevastukset ovat vedon aikana, jos laukun liike on tasaista (=vakionopeus)?. eho kuvaa työntekovauhtia Kuinka nopeasti voima tekee työn. (työntekovauhti) W P = eho P W = yö (tai energia) t t = aika Yksikkö: J/s = W (watti) yö/energia lasketaan usein tehon avulla. yön/energian yksikkö J = Ws on pieni Yleisesti käytetään yksikköä kwh. Mekaaninen energia = Potentiaalienergia + Liike-energia. Potentiaalienergia Energiaa, jota kappaleella on sijaintinsa perusteella. Esim. Nostettaessa laukku pöydälle, tehty työ varastoituu laukun potentiaalienergiaksi. E p = mgh Yksikkö: J 4

5 For evaluation only Mekaaninen energia. Liike-energia Ek mv Yksikkö = J Esim. Kuinka paljon on liike-energiaa 500 kg painavalla autolla, joka liikkuu nopeudella 80 km/h? Kuinka monella prosentilla liike-energia suurenee, jos auton nopeus kasvaa 0 km/h? Kuinka korkealle auto pitäisi nostaa, jotta sillä olisi vastaava määrä potentiaalienergiaa? Sisäenergia Kun kappale pudotetaan, osa sen potentiaalienergiasta muuttuu liike-energiaksi ja osa kappaleen sisäiseksi energiaksi, joka havaitaan mm. kappaleen lämpenemisestä. Systeemin sisäinen energia on rakenneosasten lämpöliikkeen ja rakenneosasten välisiin vuorovaikutuksiin liittyvien potentiaalienergioiden summa. Systeemin sisäenergiaa ei voida määrittää, mutta termodynaamisten systeemien sisäenergioiden muutokset voidaan. Ravinnosta saatava energia Energiaravintoaineet rasvat 38 kj/g (ravintosuositus alle 30 %) hiilihydraatit 7 kj/g (ravintosuositus %) valkuaisaineet (proteiinit) 7 kj/g (ravintosuositus 0-5 %) Ravinnon energia peräisin auringosta. (katso kuva sivulla 5) Energiankulutus hapen avulla Yksi litra happea (NP) polttaessaan eri ravintoaineita tuottaa noin 0 kj energiaa Happiekvivalentti 0 kj l Mittaamalla elimistön (tai elimen) hapenkulutus, saadaan epäsuorasti tieto energiankulutuksesta tai energiantuotosta 7 Lämmön siirtyminen Lämpöopin toinen pääsääntö: Lämpö siirtyy korkeammasta lämpötilasta matalampaan lämpötilaan, kunnes lämpötilaeroa ei enää ole. sovellus: lämpö- ja kylmähauteet Siirtotavat: Johtuminen Kuljetus Säteily 9 Johtuminen Lämpö on rakenneosasten liike-energiaa Lämmittäminen lisää liikettä Lämpö johtuu väliainetta pitkin siten, että rakenneosaset (atomit, molekyylit, ionit) tönivät toisiaan Hyviä lämmönjohteita metallit Hyviä lämmöneristeitä ilma ja puu 30 5

6 For evaluation only Kuljetus Lämpö siirtyy väliaineen mukana lämpimän aineen liikkuessa. esim. Golf-virta, keskuslämmitys, verenkierto Kun veri lämmittää kehoa, sen oma lämpötila laskee kehon lämpötila on erilainen eri kohdissa esim. raajat 5 ºC Aivot, sisäelimet, valtimoveri säädeltyä Säteily Ei tarvitse väliainetta Jokainen aine, esine tai kappale lähettää lämpö- eli infrapunasäteilyä. Infrapunasäteily on näkyvää valoa pitempiaaltoista sähkömagneettista säteilyä. esim. lämpölamppu 3 3 Pinnan vaikutus säteilyyn Mitä tummempi ja karheampi pinta, sitä enempi se säteilee lämpösäteilyä. Samoin tumma ja karhea pinta imee eli absorboi enempi lämpöä kuin vaalea ja sileä pinta. esim. termospullon hopeoitu sisäpinta heijastaa lämpösäteilyn takaisin Infrapunakuvaus Ihminen lähettää infrapunasäteilyä infrapunakuvaus: käytetään kadonneen etsimisessä kasvainten ja tulehdusten paikantaminen rakennusten lämpövuotojen löytäminen pimeällä kuvaus Kuvissa lämmin punainen, kylmä sininen Lämpölaajeneminen Kun lämpötila kasvaa, rakenneosasten lämpöliike kiihtyy. ällöin osasten välimatka kasvaa. Aine siis laajenee. Aineen jäähtyessä osasten liike heikkenee ja osaset tulevat lähemmäksi toisiaan Pituuden lämpölaajeneminen: pituuden muutos lämpötilan muutos l l ( t) eli l l t 0 0 Pinta-alan ja tilavuuden laajeneminen A A ( t ), jossa = 0 0 V V ( t ), jossa kiinteille aineille 3 Levyssä oleva tyhjä aukko laajenee samalla tavalla kuin se olisi umpinainen alkuperäinen pituus pituuden lämpötilakerroin (taulukosta)

7 For evaluation only ehtävä 3-4: Kallen auton teräksinen polttoainesäiliö tankattiin aamulla aivan täyteen. äytön jälkeen bensaa oli 45,3 litraa. ankin ja bensiinin lämpötila oli aamulla +5 C ja iltapäivällä +35 C, Kuinka paljon bensiini valui maahan, kun autolla ei ajettu lainkaan? Bensiinin tilavuuden lämpötilakerroin =9,5 0 ⁴/K Kaasujen yleinen tilanyhtälö ( ideaalikaasut ) Jos kaasun tiheys on alhainen, paine matala, lämpötila melko korkea, kaasu käyttäytyy lähes ideaalikaasun tavoin. Ideaalikaasua hallitsee yhtälö paine (Pa) pv nr kaasuvakio R=8,3 J/mol K lämpötila (K) 37 tilavuus (m 3 ) ainemäärä (moolit) Kaasujen tilanyhtälön käyttö Sama kaasumäärä puristuu, laajenee, lämpenee, jäähtyy pv nr vakio Alussa Lopussa p V p V Eri määrät kaasua oisin sanoen moolien määrä muuttuu kaasun poistuessa tai lisääntyessä Kaasuerä : pv n R Kaasuerä p V n R Erikoistapaukset : joku tekijä vakio Kaasujen yleinen tilanyhtälö (sama kaasumäärä): p V pv Isokoorinen (V =V ): (tilavuus pysyy vakiona) Isoterminen muutos ( = ): (lämpötila pysyy vakiona) p p p V pv Isobaarinen muutos (p =p ): (paine pysyy vakiona) V V Hengität talvella -3,0 celsiusasteista kuivaa ilmaa, joka lämpiää isobaarisesti (paine pysyy vakiona) lämpötilaan 37 C. Kuinka monta prosenttia ilman tilavuus kasvaa? (vesihöyryä ei oteta huomioon) pv Ulkoima : (73,5 3) K 50,5 K Keuhkoissa : (73,5 37) K 30,5 K paine ulkona ja keuhkoissa sama: p p p pv V V 30,5 K 50,5 K V: Ilman tilavuus kasvaa 4 %,4 Moolit, massa, tiheys ja tilavuus Moolit n: (ainemäärä) iheys ρ m n M m V m = kaasun massa M = kaasun moolimassa V = kaasun tilavuus Moolimassa M saadaan kaasumolekyylin rakennekaavasta. Esimerkiksi vesihöyryn H O moolimassa on ( + 6) g /mol = 8 g/mol Hapen 3 g/mol. ilavuudet saadaan kaasujen tilanyhtälöstä 7

8 For evaluation only Nimityksiä Mooli on ainemäärän n yksikkö. Yhdessä moolissa ainetta on Avogadron luvun N A =6,0 0 3 määrä ainesosasia (samanlaista atomia, ionia tai molekyyliä) Moolimassa M on yhden moolin massa yksiköissä g/mol. Saadaan molekyylin kaavasta. CO M=44 g/mol Moolitilavuus V m =,4 dm 3 /mol on yhden kaasumoolin tilavuus normaaliolosuhteissa NP Esimerkkejä Pullossa 000 g puhdasta happea 00 bar paineessa 0 ºC lämpötilassa. a) Kuinka monta moolia siinä on happea? b) Kuinka suuri on pullon tilavuus? c) Kuinka suuri on kyseisen happimäärän tilavuus kun normaalipaineisena 0,3 kpa ja 0 ºC? d) Kuinka kauan happimäärä riittää kun potilas hengittää sitä 0 ºC lämpötilassa 7,0 litraa minuutissa paineistamattomassa tilassa. V: a) 3 mol b) 3,8 litraa c) 750 litraa d) h 50 min Nimityksiä NP = Normal emperature and Pressure = 73,5 K p = 0 35 Pa =,035 bar Yhden moolin tilavuus on noin,44 litraa SPD = Standard emperature and Pressure, Dry = 73,5 K p = 0 35 Pa kuiva kaasu. Käytetään, kun halutaan laskea kaasun massa. ällöin,44 litraa on yhden moolin tilavuus. ehtävä 4-0. lasipullossa olevan ilman lämpötila on 5 C ja paine 0, kpa. Pullo suljetaan tiiviillä korkilla. Pallo laitetaan pakastimeen, jossa lämpötila on -8 C. kuinka suuri voima pullon korkkiin kohdistuu, kun korkin pinta-ala on 4,3 cm²? (lasipullon tilavuuden muutosta ei oteta huomioon) BPS = Body emperature and Pressure, Saturated = 30,5 K, vallitseva paine, kylläinen vesihöyry Esimerkiksi keuhkoissa vallitseva tilanne. Olomuodon muutokset Faasikaavio (faasi=olomuoto) SUBLIMOIUMINEN SULAMINEN HÖYRYSYMINEN KIINEÄ NESE KAASU JÄHMEYMINEN IIVISYMINEN HÄRMISYMINEN 47 kriittistä lämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa kaasua ei enää voi nesteyttää 48 8

9 For evaluation only Ilman absoluuttinen ja suhteellinen kosteus Absoluuttinen kosteus ilmoittaa ilman vesihöyryn tiheyden, siis kuinka monta grammaa vesihöyryä on kuutiometrissä ilmaa. m h V aulukoista löytyy ilman sisältämän maksimaalisen kosteuden. Se riippuu lämpötilasta. Esim +37 ºC:ssa ilmassa voi olla enintään 44 g/m 3 vesihöyryä. kiehumispiste 00 ºC Jään muuttuminen höyryksi lämpötila AB jää lämpenee BC jää sulaa CD vesi lämpenee DE vesi höyrystyy EF höyry lämpenee D E F Suhteellinen kosteus ilmoittaa, kuinka monta % ilmassa on vesihöyryä maksiarvosta kyseisessä lämpötilassa h vesihöyryn tiheys ( ) vesihöyryn maksimitiheys hmax sulamispiste 0 ºC A B C tuotu lämpöenergia sulamislämpö höyrystymislämpö 50 Ominaislämpökapasiteetti c Eri aineet tarvitsevat eri määrän lämpöä lämmetäkseen Ominaislämpökapasiteetti c ilmoittaa, kuinka monta kilojoulea kilogramma ainetta tarvitsee lämmetäkseen yhden asteen esim. vesi 4,9 kj/kg ºC Siis 4,9 kilojoulea yhtä kilogrammaa kohti, jotta lämpötila nousisi yhden asteen. m kilon lämmitys Δt asteella vaatii energian Q: Q = c m Δt 5 Aineen sulaminen: Ominaissulamislämpö s = energiamäärä jouleina, joka tarvitaan sulattamaan kg ainetta Esim. veden ominaissulamislämpö on 333 kj/kg Siis jääkilon sulatus vaatii 333 kj energiaa Energia Q = s m Aineen höyrystäminen (kiehutus): Ominaishöyrystymislämpö r = energiamäärä (J), joka tarvitaan höyrystämään kg ainetta Esim. veden ominaishöyrystymslämpö 60 kj/kg Sis vesilitran kiehutus kuiviin vaatii 60 kj energiaa Energia Q = r m 5 Lämpö Lämpömäärä (=lämmittämiseen tarvittava energia tai jäähtymisestä vapautuva energia): lämpökapasiteetti Q C cpm ominaislämpökapasiteetti Sulaminen (tai jäätyminen): Q sm massa [kg] ominaissulamislämpö [J/kg] Lämpökapasiteetti C kertoo, kuinka paljon kappaleen lämmittämiseen kuluu energiaa tai kuinka paljon kappale voi luovuttaa energiaa, kun sen lämpötila muuttuu astemäärän massa lämpötilan muutos Haihtuminen, höyrystyminen (haihtunut energia): massa [kg] Q rm ominaishöyrystymislämpö [J/kg] Lämpöopin pääsäännöt Kappaleen sisäenergia U on rakenneosasten liike-energian (lämpöliike) ja potentiaalienergia summa (vuorovaikutusvoimat). Pääsääntö: Sisäenergian muutos on systeemiin lämpönä siirtyneen energian Q ja systeemiin tehdyn työn W summa ΔU = Q + W (oikeastaan energian säilymislaki). Pääsääntö: Lämpötilaerot pyrkivät tasoittumaan (lämpö virtaa itsestään kuumemmasta kylmempään) (epäjärjestys eli entropia pyrkii kasvamaan itsestään) 9

10 For evaluation only Kaasun laajentuessa tekemä työ Lämpövoimakone muuttaa lämpöenergiaa työksi Kun kaasu laajenee paineen pysyessä vakiona, se tekee työtä: W = p ΔV = paine tilavuuden muutos Kuumempi Kone yö W Hyötysuhteen yläraja Esim. kaasu laajenee 4,0 bar ulkoista painetta vastaan laajentaen tilavuuttaan 0,50 m³,0 m³. Kylmempi Mitä suurempi lämpötilaero, sitä parempi hyösuhde. W p V Pa m , J = 600 kj Jos ei ole lämpötilaeroja, lämpöä ei voi muuttaa työksi Jääkaappi ja lämpöpumppu. Siirtää lämpöä kylmemmästä kuumempaan ja tarvitsee siihen ulkoista työtä Kuumempi Kone yö W Kylmempi 0