14.1. Lämpötilan mittaaminen

Transkriptio

1 LÄMPÖOPPIA

2 14.1. Lämpötilan mittaaminen Neste lasi lämpömittari Nesteen lämpölaajeneminen Kaksoismetallilämpömittari Aineilla erilainen lämpölaajeneminen, jolloin lämpeneminen aiheuttaa taipumista Vastuslämpömittarit Metallit (Platina), lähes lineaarinen riippuvuus Lämpöpari, lähes lineaarinen riippuvuus Puolijohteet, epälineaarinen riippuvuus

3 Sähkömagneettiseen säteilyyn perustuvat t Infrapunalämpömittarit Lämpökamerat Pyrometri korkeat lämpötilat Kaasulämpömittarit Tilavuus on vakio, jolloin paine kasvaa lämpötilan kasvaessa

4 14.3. Lämpölaajeneminen Aineissa atomien väleillä on värähtelyä, joka kasvaa lämpötilan kasvaessa. Silloin atomien keskinäinen etäisyys kasvaa ja aine laajenee. Pituuden muutos l = αl ΔT Δ 0 Pituus l = l0 + Δ l = l0(1 + α ΔT ) α on pituuden lämpötilakerroin l 0 on alkuperäinen pituus ΔT on lämpötilan muutos

5 Pinta ala ala Δ A 2α A 0 Δ T Tilavuus ΔV = αvv0δt 3αV 0ΔT α V on tilavuuden lämpötilakerroin Lämpötilan vaikutus tiheyteent m m 1 ρ = = = ρ0 ρ0(1 3αΔT ) V V (1 + 3 α Δ T ) α ΔT 0 T Tiheys siis pienenee lämpötilan kasvaessa Poikkeuksena vesi, jolla suurin tiheys on lämpötilassa 4 C

6 15.1. Lämpömäärä Lämpömäärä Q on lämpötilaeron johdosta kuumasta kylmään kohteeseen siirtyvää energiaa.

7 15.2. Ominaislämpökapasitetti Ominaislämpökapasitetti c riippuu materiaalista J J Yksikkö tai kg C kgk Kappaleen massan lämmittämiseen tarvittavaa lämpömäärä Q = mcδt m on massa ΔT on lämpötilan muutos

8 15.3. Olomuodon muutokset Olomuodon muutoksissa energiaa siirtyy, mutta lämpötila ei muutu Sulamispisteessä: jähmettyminen, sulaminen Kiehumispisteessä: tiivistyminen, höyrystyminen Sublimoitumispisteessä: härmistyminen, sublimoituminen

9 Jokaiselle aineelle omat ominaislatenttilämmöt sulamiselle l s ja höyrystymiselle y y l h Olomuodon muutoksessa tarvittavat lämpömäärät Q s = ml s Q = h ml h sulaminen höyrystyminen

10 15.4. Kalorimetria Kalorimetrisissa laskuissa käytetään lämpömääriä Aineeseen tulevat lämpömäärät positiivisia ja lähtevät negatiivisia Olomuodon muutoksessa ei aina tiedä tapahtuuko muutos osassa vai koko ainemäärässä. Alkuperäistä oletusta voi joutua korjaamaan, jolloin laskuja joutuu uusimaan

11 Uusiutuvat energiat Auringosta Aurinkoenergia Aurinkopaneelit (sähkö) η 12 % Aurinkokeräimet (lämpö) η 70 % Vesivoima Bioenergiat Puu (poltto), kaasu (metaani), alkoholi Tuulivoima Aaltoenergia Maalämpö Geoterminen porakaivolämpöpumput

12 16.1. Konvektio Nesteet ja kaasut ovat yleensä huonoja lämmön johteita. Nesteiden ja kaasujen virtauksella voidaan kuitenkin ki siirtää lämpöenergiaa tehokkaasti. Konvektio on ainevirtausta lämpöenergian siirtämiseksi Vapaa konvektio tapahtuu luonnollisen tiheyseron takia Pakotettu konvektio

13 Konvektiossa tapahtuvan virtauksen aiheuttama lämpövirta Q mcδt Φ = = qmc T t t = Δ missä Q on siirtyvä lämpömäärä ja q m on massavirta Konvektion aiheuttaa yleensä lämpötilaero Merivirrat Tuulet

14 16.2. Johtuminen Aineessa lämpö leviää törmäysten ja lisääntyvän värähtelyn avulla. Lämpövirta Φ = AΘ λ d missä A on pinta ala, d on ainekerroksen paksuus, Θ = T 1 T 2 on lämpötilaero, λ on aineen lämmönjohtavuus [W/Km]

15 Lämpövirta voidaan kirjoittaa muotoon Φ = AΘ d λ Jos tasokerroksia on useita, niin saadaan lämpövirraksi i Φ AΘ d = i λ AΘ = R i i i i missä R i on tasokerroksen lämmöneristys kerroin, lämpövastus tai lämmöneristävyys

16 Usein käytetään rakenteelle U arvoa, joka on nimeltään myös lämmönläpäisykerroin U = Siten lämpövirta voidaan kirjoittaa itt Φ = UAΘ 1 i R i missä Θ on lämpötilaero koko rakenteen läpi Usein käytetään lämpövirran tiheyttä q = Φ A

17 Lämpöenergian siirtyminen rajapinnan yli Lämpöenergian siirtymisen nopeus aineiden rajapinnan yli riippuu pinnan laadusta, asennosta, virtaavasta aineesta ja virtauksen nopeudesta. Kuhunkin tapaukseen liittyy lämmönsiirtymiskerroin h Rajapinnassa lämpövirta Φ = haθ Voidaan käyttää myös pintavastusta 1 R s = h

18 16.3. Säteily Kaikki kappaleet säteilevät Kappaleen säteilemisvoimakkuus P W M = yksikkö 2 A m P on kokonaissäteilyteho A on pinta ala ala

19 Säteilemisvoimakkuus voidaan esittää M = εσt jossa T on absoluuttinen lämpötila, σ on Stefan Boltzmannin vakio σ = 5, W 2 m K ε on kappaleen pinnan emissiivisyys (0 1) Ideaalisen mustan kappaleen emissiivisyys on 1 Emissiivisyys riippuu kappaleen materiaalista, lämpötilasta ja säteilyn aallonpituudesta -8 4

20 Kappaleen säteilemä teho P = εσat Vastaavasti ti kappale absorboi b ympäristötä säteilyä teholla 4 P = ασat 0 0 missä T 0 on ympäristön lämpötila, α on absorptiosuhde (0 1) (vrt. ε) 4 Kappaleen nettosäteilyteho (usein α ε) P netto 4 = σa( εt α T 4 0 )

21 Säteilyenergia siirtyy kvantteina h on Planckin vakio h = 6, Js f on kvantin taajuus Wienin siirtymä laki λ max T E = = hf Km lämpökamerat