VASTAUKSIA YO-KYSYMYKSIIN KURSSISTA FY2: Lämpö

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "VASTAUKSIA YO-KYSYMYKSIIN KURSSISTA FY2: Lämpö"

Hilkka Pääkkönen
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 VASTAUKSIA YO-KYSYMYKSIIN KURSSISTA FY2: Lämpö 1. Selitä fysikaalisesti, miksi: a) sateessa kastuneet vaatteet tuntuvat kylmältä, b) pyykit kuivuvat myös pakkasessa, c) uunista pudonneen hehkuvan hiilenpalan voi nopeasti toimien heittää sormissaan takaisin pesään, mutta jos yrittää samaa kuumalle rautanaulalle, polttaa sormensa varmasti, d) pakastimen oven avaaminen uudestaan heti sulkemisen jälkeen vaati enemmän voimaa kuin hetken odottelun jälkeen. (YO-S09-3). a) Vesi haihtuu (höyrystyy) kastuneista vaatteista. Koska haihtuminen vaatii lämpöä, vaatteiden lämpötila laskee. Märät vaatteet myös johtavat lämpöä tehokkaammin ihon pinnalta kuin ilmahuokosia sisältävät kuivat vaatteet. b) Märässä pyykissä oleva vesi jäätyy pakkasessa. Jää sublimoituu, ts. muuttuu kiinteästä olomuodosta suoraan kaasumaiseen olomuotoon. Täten pyykki kuivuu vähitellen pakkasessakin edellyttäen, että ilman kosteus on riittävän pieni. c) Hiilen lämmönjohtavuus on oleellisesti pienempi kuin raudan, minkä vuoksi lämpö siirtyy hiilenpalasta sormiin paljon hitaammin kuin rautanaulasta. d) Ovea avattaessa pakastimeen virranneen huoneilman lämpötila laskee oven sulkemisen jälkeen, mistä johtuen pakastimeen syntyy alipaine. Kun ovi uudelleen avataan, täytyy voittaa paine-erosta aiheutuva voima F = pa. Ajan kuluessa paine-ero kuitenkin häviää vähitellen ilmavuodon vuoksi ja oven avaaminen helpottuu. 4. Kaksi täsmälleen samanlaista tyhjää ilmapalloa täytetään laboratoriossa, toinen vedyllä ja toinen heliumilla siten, että pallojen tilaavuus on sama. Kumpaan palloon kohdistuva noste on suurempi? (YO-K06-4a). Kappaleeseen kohdistuva noste on sen syrjäyttämän ilmamäärän painon suuruinen. Koska pallojen tilavuudet ovat yhtä suuret, niihin kohdistuvat nosteet ovat yhtä suuret.

takaisin pesään, mutta jos yrittää samaa kuumalle rautanaulalle, polttaa sormensa varmasti, d) pakastimen oven avaaminen uudestaan heti sulkemisen jälkeen vaati enemmän voimaa kuin hetken odottelun

2 9. Selosta lyhyesti, mihin fysikaalisiin ilmiöihin perustuu seuraavien laitteiden toiminta: 1) hydrauliset laitteet, 2) painekattila. (YO-K80-VIosa). 1) hydrauliset laitteet - nesteiden kokoonpuristumattomuus - ulkoisen paineen tasainen leviäminen 2) painekattila - kiehuminen - kiehumispisteen riippuminen paineesta 10. Vastaa perustellen seuraaviin kysymyksiin: a) Miksi lumen sulaminen vaatii lämpöä? b) Miksi palelet märissä vaatteissa? c) Miksi vesi avoimessa astiassa kiehuu korkealla vuoristossa alemmassa lämpötilassa kuin merenpinnan tasolla? (YO-K88-2). a) Lumi on kiteistä ainetta. Kiderakenteen purkaminen vaatii energiaa. b) Märässä pyykissä oleva vesi jäätyy pakkasessa. Jää sublimoituu, ts. muuttuu kiinteästä olomuodosta suoraan kaasumaiseen olomuotoon. Täten pyykki kuivuu vähitellen pakkasessakin edellyttäen, että ilman kosteus on riittävän pieni. c) Hiilen lämmönjohtavuus on oleellisesti pienempi kuin raudan, minkä vuoksi lämpö siirtyy hiilenpalasta sormiin paljon hitaammin kuin rautanaulasta. d) Ovea avattaessa pakastimeen virranneen huoneilman lämpötila laskee oven sulkemisen jälkeen, mistä johtuen pakastimeen syntyy alipaine. Kun ovi uudelleen avataan, täytyy voittaa paine-erosta aiheutuva voima F = pa. Ajan kuluessa paine-ero kuitenkin häviää vähitellen ilmavuodon vuoksi ja oven avaaminen helpottuu.

Vastaa perustellen seuraaviin kysymyksiin: a) Miksi lumen sulaminen vaatii lämpöä? b) Miksi palelet märissä vaatteissa?

3 11. Miksi kylmähuoneen jäähdytyselementit sijoitetaan lähelle kattoa? Minkä vuoksi muu osa jäähdytyskoneesta on huoneen ulkopuolella? (~YO-K87-2). Ylös sijoitetut elementit jäähdyttävät ylös nousevaa lämpimämpää ja siis keveämpää ilmaa. Järjestelyllä saadaan ilma kiertämään ja jäähdytys siten tehostumaan. Jäähdytyskone (jääkaappi, pakastin) siirtää lämpöä Q 2 alemmasta lämpötilasta T 2 ylempään ulkoisen työn W avulla. Jäähdytyskone jäähdyttää kylmäsäiliötä ja jäähdytyskoneen luovuttaman lämmön Q 1 = Q 2 + W, täytyy siirtyä kylmätilan ulkopuolelle. 12. Mitkä fysikaaliset ilmiöt ja aineen ominaisuudet ovat oleellisia seuraavien laitteiden toiminnassa: a) hydraulinen nostolaite, b) painekattila ja c) kylmälaukku (styrox-laatikko, jonka sisällä on pakastimesta otettu vesitäytteinen muovipullo)? (YO-K92-2). a) Hydraulinen nostolaite - ulkoisen paineen tasainen leviäminen nesteessä - nesteen pieni kokoonpuristuvuus b) Painekattila - kun suljetussa astiassa olevaa ruokaa ja ilmaa lämmitetään, paine astiassa nousee veden kiehumispiste nousee ruoka kypsyy nopeammin kuin normaalipaineessa keitettäessä c) Kylmälaukku - styrox johtaa huonosti lämpöä - pullossa olevan jään lämpeneminen ja sulaminen vaatii lämpöä, joka siirtyy jäähän laukun sisällöstä.

Jäähdytyskone (jääkaappi, pakastin) siirtää lämpöä Q 2 alemmasta lämpötilasta T 2 ylempään ulkoisen työn W avulla.

4 13. a) Selosta lyhyesti kuumailmapallon toimintaperiaate. a) Miksi nestekaasupullo jäähtyy, kun siitä otetaan kaasua? b) Teräspultti on juuttunut alumiinikappaleeseen. Helpottaako rakenteen lämmittäminen (esim. kuumailmapuhaltimella) pultin irtoamista? (YO-K95-2). a) Ilmaa voidaan pitää ideaalikaasuna, joten sen tiheydellä on lauseke = = = =. Koska paine on pallon sisä- ja ulkopuolella likimain sama, on pallon sisällö olevan kuuman ilman tiheys ρ s pienempi kuin ulkopuolella olevan ilman tiheys ρ u. Tästä johtuen palloon vaikuttava noste N = ρ u Vg on suurempi tai yhtä suuri kuin pallon ja kuuman ilman yhteinen paino m o g + ρ s Vg, jolloin pallo kohoaa tai kelluu. Sisäilman lämpötilaa säädellään kaasupolttimen liekillä. b) Nestekaasupullossa neste ja sen höyry ovat tasapainossa ympäristön lämpötilaa vastaavassa paineessa. Kun pullosta otetaan kaasua, paine laskee, jolloin nestettä höyrystyy vastaava määrä. Höyrystyminen sitoo höyrystymislämmön verran lämpöä nesteestä, kaasusta ja pullon seinämistä, joten pullo jäähtyy. c) Rakennetta kuumennettaessa sekä teräs että alumiini lämpenevät. Taulukkokirjasta todetaan (MAOL s.72, 76), että alumiinin pituuden lämpötilakerroin on lähes kaksinkertainen teräksen (raudan) lämpötilakertoimeen verrattuna. Alumiinilla α = 23, /K ja teräksellä α = /K. Täten alumiinissa olevan reiän halkaisija kasvaa enemmän kuin pultin halkaisija, mikä helpottaa irtoamista. Todettakoon, että kierteen vaikutuksen huomioonottaminen mutkistaa tilannetta. Molemmat aineet laajenevat myös pultin pituussuunnassa. Koska alumiinikierre pitenee enemmän kuin teräskierre, rakenne lukkiutuu, jos kierre on riittävän pitkä.

Koska paine on pallon sisä- ja ulkopuolella likimain sama, on pallon sisällö olevan kuuman ilman tiheys ρ s pienempi kuin ulkopuolella olevan ilman tiheys ρ u.

5 16. a) Mihin perustuu hydraulisen nosturin toiminta? b) Mistä johtuu heliumtäytteiseen vappupalloon kohdistuva noste? (YO-S00-12ab). a) Hydraulinen nosturi on periaatteessa nestesäiliö, jossa on kaksi erikokoista mäntää (ks. kuva). Pumppumännän pienellä voimalla F 1 saadaan aikaan paine =, joka leviää koko nesteeseen. Tällöin suurempaan mäntään kohdistuu voima = =. Koska männän pinta-ala A 2 on paljon suurempi kuin pienemmän männän pinta-ala A 1, niin suurempaan mäntään kohdistuva voima F 2 on palon suurempi kuin voima F 1 : = = > >. Hydraulisen nosturin (puristimen) toiminta perustuu siis oleellisesti paineen tasaiseen leviämiseen nesteessä ja nesteen kokoonpuristumattomuuteen. b) Ilmapalloon kohdistuva noste aiheutuu siitä, että pallon alapintaan vaikuttava ilman hydrostaattinen paine (ilmanpaine) on suurempi kuin pallon yläpintaan kohdistuva ilman hydrostaattinen paine eli ilmanpaine. Tästä pallon ylä- ja alapinnan välisestä ilmanpaine-erosta aiheutuu se, että pallon alaosaan kohdistuu hieman suurempi voima kuin yläosaan. Tästä paine-erosta aiheutuu palloon kohdistuva noste.

Tällöin suurempaan mäntään kohdistuu voima = =.

6 19. a) Miksi keittolevyllä olevassa kattilassa kiehuvan veden lämpötila ei nouse, vaikka virtakytkin on maksimiasennossaan? b) Miksi jääkaapista otetun virvoitusjuomapullon ulkopintaan tiivistyy vettä? c) Miksi nestekaasupullo jäähtyy, kun siitä otetaan kaasua? (YO-K03-11). a) Kun vesi on kiehumispisteessä, siihen tuotu lämpö kuluu kokonaan olomuodon muutokseen, höyrystymiseen, ts. molekyylien irrottamiseen toisistaan ja höyryn laajenemistyöhön) b) Ilman maksimikosteus (ilmassa olevan vesihöyryn suurin mahdollinen tiheys) pienenee lämpötilan laskiessa. Jos jääkaapista otetun pullon pinnan lähellä oleva ilma jäähtyy niin matalaan lämpötilaan, että sitä vastaava maksimikosteus on pienempi kuin huoneilman kosteus, ylimääräinen kosteus tiivistyy vedeksi pullon pinnalle. c) Nestekaasupullossa neste ja sen höyry ovat tasapainossa ympäristön lämpötilaa vastaavassa paineessa. Kun pullosta otetaan kaasua, paine laskee, jolloin nestettä höyrystyy vastaava määrä. Höyrystyminen sitoo lämpöä nestekaasusta ja pullon seinämistä, joten pullo jäähtyy.

a) Kun vesi on kiehumispisteessä, siihen tuotu lämpö kuluu kokonaan olomuodon muutokseen, höyrystymiseen, ts.

7 20. a) Kiinteää ainetta lämmitetään. Mistä tekijöistä riippuu lämpötilan nostoon tarvittava lämpömäärä? b) Miten lämpö liittyy aineen olomuodon muutoksiin? c) Kun maapallon energiavaroja hyödynnetään laajamittaisesti, lämpöenergia on useimmissa prosesseissa oleellinen osa energianmuutosketjua. Miksi tämä on ongelmallista energiavarojen kulumisen kannalta lämpöopin II pääsäännön valossa? (YO-K06-5). a) Kappaleen lämpötilan nostoon tarvittava lämpöenergia on Q = cm t. Lämpömäärä riippuu täten lämpötilan muutoksesta t, kappaleen massasta m ja kappaleen aineen ominaislämpökapasiteetista c (MAOL s ). b) Kiinteän aineen sulaminen ja nesteen höyrystyminen (ja kiinteän aineen sublimoituminen) sitovat lämpöä ympäristöstä. Päinvastaisissa muutoksissa, jähmettyminen ja tiivistyminen (ja härmistyminen), lämpöä vapautuu. Tarvittavat tai vapautuvat lämpömäärät ovat verrannollisia aineen massaan. Ne saadaan laskettua yhtälöistä Q = sm ja Q = rm, joissa s ja r ovat aineen ominaissulamislämpö ja ominaishöyrystymislämpö (MAOL s ). Nämä ovat aineelle ominaisia ja riippuvat lämpötilasta, jossa olomuodon muutos tapahtuu. c) Lämpöopin II pääsäännön mukaan lämpöenergiasta voidaan muuttaa muiksi energiamuodoiksi vain osa, jonka määrää ns. terminen hyötysuhde. Tämän ehdoton yläraja on ideaalisen, lämpötilojen T 1 ja T 2 välillä toimivan lämpövoimakoneen hyötysuhde = (= lämpövoimakoneen ideaalinen hyötysuhde). Täten hyödyksi saatavan energian määrä väistämättä vähenee.

Miksi tämä on ongelmallista energiavarojen kulumisen kannalta lämpöopin II pääsäännön valossa? (YO-K06-5). a) Kappaleen lämpötilan nostoon tarvittava lämpöenergia on Q = cm t.

Samankaltaiset tiedostot

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt Physica 9 1. painos 1(7) : 12.1 a) Lämpö on siirtyvää energiaa, joka siirtyy kappaleesta (systeemistä) toiseen lämpötilaeron vuoksi. b) Lämpöenergia on kappaleeseen (systeemiin) sitoutunutta energiaa.