Lämpötila Lämpölaajeneminen Ideaalikaasu. Luku 17

Transkriptio

1 Lämpötila Lämpölaajeneminen Ideaalikaasu Luku 17

2 Ch

3 Termodynaaminen tasapaino Termodynaaminen tasapaino: Tuotaessa kaksi systeemiä lämpökontaktiin niiden termodynaaminen tasapaino on saavutettu, kun systeemien makroskooppiset ominaisuudet eivät enää muutu. Lämpökontakti: Jos toista kappaletta lämmitetään, toisen ominaisuudet muuttuvat

4 Termodynamiikan nollas pääsääntö Jos kaksi systeemiä on termodynaamisessa tasapainossa kolmannen kanssa, ne ovat termodynaamisessa tasapainossa myös keskenään. Tämä antaa mahdollisuuden määritellä lämpötila. Jos kaksi systeemiä on termodynaamisessa tasapainossa, niillä on sama lämpötila. T

5 Ch 17-4 Lämpölaajeneminen

6 Aineen lämpölaajenemista kuvataan tilavuuden lämpölaajenemiskertoimella β = ΔV /V o ΔT ja pituuden lämpölaajenemiskertoimella Lämpölaajeneminen α = ΔL / L o ΔT Kiinteälle homogeeniselle ja isotrooppiselle aineelle pätee β 3α. V = V o ( 1+ βδt )

7 Esimerkki 17-3 Teräsrakenteinen silta on 200m pitkä kun ulkoilman lämpötila on 20 C. Sillan lämpötilan odotetaan vaihtelevan kuuman kesäpäivän +40 C:sta talven -30 C:een. Määritä kuinka paljon sillan pituus voi vaihdella. Esimerkkien ratkaisut löytyvät kurssin oppikirjasta

8 Esimerkki 17-7 Auton teräksestä valmistetun bensatankin tilavuus on 70 litraa. Tankki täytetään +20 C:lla bensiinillä aivan täyteen. Auto seisoo auringossa ja sen lämpötila nousee +40 C:een. Selvitä mitä tapahtuu tankille ja bensalle. Esimerkkien ratkaisut löytyvät kurssin oppikirjasta

9 Ch 17-5 Lämpöjännitys

10 Esimerkki 17-8 Amerikkalainen valtatie on tehty betonikappaleista, joiden pituus on 10 m ja poikkipinta-ala 0,2 m 2. Ne on asennettu 10 C:een lämpötilassa kiinni toisiinsa. Määritä puristusjännitys 40 C:een lämpötilassa. Kestääkö betoni? Esimerkkien ratkaisut löytyvät kurssin oppikirjasta

11 Ch Ideaalikaasu

12 Kaasut Kaasuille pätee lim P 0 PV NT = k Tästä saadaan ideaalikaasun tilanyhtälö pv = nrt pv = NkT

13 Kaasulämpömittari ja lämpötila-asteikko Mitataan lämpötilaa ja painetta. Havaitaan lineaarinen riippuvuus. Kalibroidaan lämpötilaasteikko käyttäen ekstrapoloitua (p,t) pistettä (0,0) ja veden kolmoispistettä 611,73 Pa, 273,16 K)

14 Esimerkit oppikirjasta ja niiden oppimistavoitteet 17-1 Atomien välinen etäisyys kiinteässä aineessa 17-2 Celsius-Fahrenheit muunnos 17-3 Pituuden lämpölaajeneminen 17-5 Pyöreän kappaleen halkaisijan lämpölaajeneminen 17-7 Nesteen ja tankin tilavuuden lämpölaajeneminen Ideaalikaasun moolitilavuuden määrittäminen Kaasun määrän laskeminen Kaasun massan laskeminen Paineen muuttuminen läpötilan muuttuessa Vetyatomin massan määrittäminen

15 Luku & 17-5 Kertausta Uutta Elastisuus Hooken laki Jännitys ja venymä Lämpöjännitys Funktiomittauksesta ja virheen määrittämisestä

16 Ch 12-4&5 Elastisuudesta ja lujuudesta

17 Vetävä voima Materiaalin kuormittaminen Puristava voima Leikkaava voima

18 Jännitys ja venymä Hooken laki F = k l Δl = 1 k F Jousivakio k riippuu langan dimensioista Saatiin malli Δl = l o EA F k = E A l o Lisäksi tarvitaan materiaalia kuvaava kimmokerroin E.

19 Määritelmät Jännitys ja venymä jännitys venymä σ = F A ε = Δl l o Hooken laki uudelleen σ = εe

20 Murtojännitys Elastisuus Suhteellisuusraja Plastinen alue Jännitys Elastinen alue Kimmoraja Venymä

21 Funktiomittauksesta ja virheen arvioinnista

22 Esimerkki funktiomittauksesta Tutkitaan alumiinilangan venymistä voiman funktiona Osoitetaan teorian pätevyys Määritetään teoriaan liittyvät parametrit

23 Esimerkki funktiomittauksesta Tutkitaan alumiinilangan venymistä voiman funktiona Osoitetaan teorian pätevyys jännitys venymä jännityksen ja venymän riippuvuus saadaan F A = E Δl l o σ = εe Δl = l o EA F Määritetään teoriaan liittyvät parametrit: langan kimmokerroin σ = F A ε = Δl l o lineaarinen riippuvuus E Kokeessa voimaa muutetaan lisäämällä massaa F = mg

24 Esimerkki funktiomittauksesta Mittaukset m (g) l (mm) 530 0, , , , ,52 langan pituus 0 = (1,000 ± 0,005) m langan halkaisija d = (1,00 ± 0,05) mm

25 Esimerkki funktiomittauksesta Lasketaan voima Piirretään graafi m (g) F (N) l (mm) 530 5,2 0, ,1 0, ,9 0, ,3 0, ,1 0,52 Pituuden muutos (mm)

26 Esimerkki funktiomittauksesta Sovitetaan suora (lineaarinen regressio) y = kx + b Sovitus voidaan tehdä piirtämällä, mutta tämän kurssin laboratroriotöissä suositaan pienimmän neliösumman (PNS) menetelmää Pituuden muutos (mm) Sisäänrakennettuna esim. Excel (Trendline, Data analysis > Regression) Matlab (suora.m), Origin (Linear Fit) Miksi piirtää suora, kun voi laskea pisteittäin? Suora testaa mallia Karkeat virheet jää huomaamatta Systemaattinen virhe voi vääristää tulosta

27 Esimerkki funktiomittauksesta Sovitus antaa kulmakertoimen k = 0,0206 mm / N k = Δy Δx ja vakiotermin b = 0,01 mm PNS-menetelmä antaa myös virherajat, joten voidaan kirjoittaa k = (0,0206 ± 0,0009) mm / N b = ( 0,01 ± 0,01) mm Pituuden muutos (mm) Δx Δy PNS-menetelmällä voi sovittaa myös muita funktioita Vertailua voi tehdä myös Sovittamalla jotain muuta funktiota kuin suoraa Laskemalla teorian mukaisen käyrän ja piirtämällä sen yhdessä mittaustulosten kanssa

28 Esimerkki funktiomittauksesta Samaistetaan teoriaan Δl = l o EA F y = k x + b Teorian mukaan b=0 Vakiotermi on silti hyvä olla mukana, sillä se kertoo systemaattisesta virheestä Pituuden muutos (mm) k = l o EA E = l o ka E = 1m 0,0206mm / N π 0,5mm ( ) 2 61, N / m 2

29 Esimerkki funktiomittauksesta Lasketaan tuloksen virhearvio Käytetään kokonaisdifferentiaalia, eli lasketaan funktion osittaisderivaatta (herkkyys) jokaisen muuttujan suhteen ja kerrotaan kunkin muuttujan virheellä. Kahden muuttujan tapauksessa esim. f = f(x,y) f = E( l o,k,d) = 4l o kπd 2 ( ) = f ( x, y ) Δf x, y x ( ) Δx + f x, y y Tässä esimerkissä kyseessä on kolmen muuttujan funktio ΔE = E l o Δl o + E k Δk + E d Δd A = πd 2 / 4 Δy

30 Esimerkki funktiomittauksesta Lasketaan Saadaan ΔE = E l o ΔE = ΔE = ΔE = l o 4 kπd 2 Δl o + E k 4l o kπd 2 4 kπd 2 Δl o + ΔE = 4l o Δl o kπd 2 l o ΔE = 4l o kπd 2 Δk + E d Δd Δl o + k Δl o + 4l o k 2 πd 2 Δl o l o 4l o kπd 2 Δk + 2 4l o kπd 3 4l o k 2 πd 2 Δk + 8l o kπd 3 Δd + 4l o Δk kπd 2 k + 4l o 2Δd kπd 2 d + Δk k + 2Δd d = E Δk + d Δl o l o Δd 4l o kπd 2 + Δk k + 2Δd d Δd ΔE = 61,8Gpa 5mm 1m + 0,0009mm / N 0,0206mm / N + 2 0,05mm 1mm 6,10GPa

31 Huomio osittaisderivaatan laskemisesta Kirjoitetaan suhteellisen virheen lauseke ΔE E = Δl o + Δk l o k + 2Δd d Jos derivoitava lauseke sisältää vain kerto-, jako- ja potenssilaskuja, suhteellinen virhe saadaan laskettua helposti. Esimerkiksi f = x2 ab 4 y1/3 Δf f = 2 Δx x Δy y + Δa a + 4 Δb b

32 Esimerkki funktiomittauksesta Lopputulos E = ( 62 ± 6)GPa Virhetermiin vain yksi merkitsevä numero ja lopputuloksen pyöristys sen mukaisesti Verrataan kirjallisuuteen Table 12-1 => EAl = 70 GPa

33 Mitä muistaa tästä kurssin laboratoriotöitä varten? Laadi graafiset esitykset huolella Funktiomittaus Funktiomittaus antaa yleensä parempia tuloksia kuin toistomittaus Kulmakertoimen hyödyntäminen Sovittaminen Virhearviointi Suhteellisen virheen laskeminen Saatu virheen suuruusluokka määrittää lopputuloksen tarkkuuden

34 Vetojännitys, puristusjännitys ja leikkausjännitys Analoginen lauseke Eri geometria Δl = 1 E F A l o Δl = 1 E F A l o Δl = 1 G F A l o

35 Kokoonpuristuvuus ΔV V = 1 B ΔP

36 Kimmokerroin Liukukerroin Puristuskerroin

37 Venymä ja puristuma Usein mukana on molemmat Yläpinnalla puristumaa keskiviivalla ei jännitystä eikä puristumaa alapinnalla vetojännitystä Miksi ratakisko on I-palkki?

38 Esimerkit oppikirjasta ja niiden oppimistavoitteet 12-7 Jännitys pianon kielessä 12-8 Pianon kielen katkaiseminen 17-8 Lämpölaajeneminen ja puristusjännitys