mv 2 - MEKAANISEN ENERGIAN SÄILYMISLAKI: E p + E k = vakio - TYÖ W = Fs, W = Fcosα s - MEKAANINEN ENERGIAPERIAATE: a a

Transkriptio

1 . KURSSI: Lämpö (FOTONI : PÄÄKOHDAT) ENERGIA: = kyky tehdä työtä YLEINEN ENERGIAN SÄILYMISLAKI: E kok = vakio MEKAANINEN ENERGIA: potentiaalienergia; E p =mgh, liikeenergia; E k = 1 mv MEKAANISEN ENERGIAN SÄILYMISLAKI: E p + E k = vakio TYÖ W = Fs, W = Fcosα s MEKAANINEN ENERGIAPERIAATE: a a l E E E E l + + W = + p k p k (a = alussa, l = lopussa) 1 esim. mäkihyppy: mv + mgh Fs = 1 mv (W = Fs = ulkoisten voimien tekemä työ) a l W TEHO: P =, yksikkö [P] = W (= watti) t Esim. sähköenergia W = Pt, yksikkö [W] = kwh (= kilowattitunti), 1 kwh = 3,6 MJ Teho saadaan myös kaavalla: P = Fv (totea!) HYÖTYSUHDE: η = Panto (%) Potto LÄMPÖOPPI: Peruskäsitteitä; termodynaamiset systeemit: eristetty, suljettu, avoin tilanmuuttujat: p, V, T F N paine; p =, yksikkö [ p] = = Pa ( = pascal) A m (paineen yksiköt, ks. MAOL s. 6768, 70 (6768, 70), 1 bar = 10 5 Pa vrt. kuormitus p = mg/a, m tiheys; ρ = V hydrostaattinen paine; p = ρgh, kokonaispaine; p = p o + ρgh ilmanpaine, normaali ilmanpaine p o = 1013 mbar (MAOL s. 71 (71, 16)) ARKHIMEDEEN LAKI; noste = kpl:een syrjäyttämän nesteen tai kaasun paino: N = ρvg hydraulisia koneita: pumppu, hydraulinen puristin paineen mittaaminen, esim. avoin ja suljettu manometri, (rasiailmapuntari, paineputkimanometri, ) LÄMPÖTILAASTEIKOT: celsius, kelvin, fahrenheit (MAOL s.10 (115)) KELVINasteikon peruspisteet: 0 K (absoluuttinen nollapiste) ja 73,16 K (veden kolmoispiste) MUUNNOKSET: o C K: T(K) = t( o C) + 73,15 K o C: t( o C) = T(K) 73,15 lämpötilan mittaaminen: (kaksoismetallilämpömittari, vastuslämpömittari, termistori, lämpösähköpari, pyrometri, lämpökamera, aineen magneettisuuden muuttuminen, nestekideindikaattori, kaasulämpömittari, ) (virtaus; A 1 v 1 = A v, Bernoullin yhtälö: 1 ρ v 1 + p p 1 = ρv + ) (suprajohtavuus, MAOL s. 96 (93)) TILANYHTÄLÖT: pituuden lämpölaajeneminen; l = αl o t, (kiinteä, neste) l = l o + l = l o (1+α t), pintaalan lämpölaajeneminen; A = βa o t, (β=α), tilavuuden lämpölaajeneminen; V = V o χ t), (χ=3α), V = V o + V = V o (1+χ t), Huom! Veden poikkeava lämpölaajeneminen (MAOL s (81))

2 lämpölaajenemisen vaikutuksia käytännössä, esimerkkejä! α = pituuden lämpötilakerroin (ks. MAOL s. 777 (777)) γ = tilavuuden lämpötilakerroin (ks. MAOL s (7879)) V (nesteen puristuvuus κ =, yksikkö: 1/Pa, Vo p V = κv o p) p1v1 p V m KAASUN TILANYHTÄLÖT: = ja pv = nrt ( n = ) T1 T M T = lämpötila kelvineinä (K), (ks. MAOL s. 10, (115, 1617)) ideaalikaasu ja reaalikaasu kaasun normaalitila (NTP): 73,15 K ja 1,0135 bar, ks. MAOL s. 71 (71), 16 1 kaikkien kaasujen isobaarinen lämpötilakerroin: γ =. o 73 C isoterminen prosessi (T = vakio), isobaarinen prosessi (p = vakio), isokoorinen prosessi (V = vakio) aineen olomuodot: kiinteä, neste, kaasu, (plasma) OLOMUODON MUUTOKSET: sulaminen, jähmettyminen, kiehuminen, höyrystyminen, tiivistyminen, sublimoituminen, härmistyminen faasikaavio eli faasidiagrammi; kriittinen piste, kolmoispiste absoluuttinen kosteus, kyllästyskosteus, suhteellinen kosteus, kylläisen vesihöyryn paine (vrt. MAOL s. 80 (80), kastepiste LÄMPÖENERGIA = LÄMPÖ = LÄMPÖMÄÄRÄ (J) LASKUPERIAATE; lämmön säilymislaki: Q luovutettu = Q vastaanotettu (ol: eristetty systeemi) Kappaleen 1 luovuttama lämpöenergia = kappaleen vastaanottama lämpöenergia: Q 1 = Q eli c1m 1 t1 = cm t. Huom! Tässä otetaan aina t > 0. [Oppikirjassa on toinen tapa] c 1 c t 1 > t t 1 + t t m 1 m t1 = t1 t t = t t Q Q lämpökapasiteetti; C = = t T (J/K tai J/ o C) C Q Q OMINAISLÄMPÖKAPASITEETTI; c = = = m m t m T KAPPALEEN LUOVUTTAMA TAI VASTAANOTTAMA LÄMPÖMÄÄRÄ: Q = cm t Huom! kaasuilla: c p ja c v (Huom! MAOLlissa s. 78 (78) on annettu c p ja c p /c v ). Q Q ominaissulamislämpö; s =, ominaishöyrystymislämpö; r = (Huom! r:n sijaan kirjassa h) m m (arvoja: c, s, r MAOLlissa, s. 779 (779)).

3 KAPPALEEN SULAMISEEN TARVITTAVA LÄMPÖMÄÄRÄ Q = sm (vastaava energia vapautuu jähmettyessä) KAPPALEEN HÖYRYSTÄMISEEN TARVITTAVA LÄMPÖMÄÄRÄ Q = rm (vastaava energia vapautuu tiivistyessä) t / o C arvot c, r ja s ovat taulukossa (ks. s. 779 (779)) kineettisen kaasuteorian olettamukset Q / kj LÄMPÖOPIN PÄÄSÄÄNNÖT (4 kpl): 0Ps, 1Ps, Ps, 3Ps [on erilaisia tapoja ilmaista säännöt] 0Ps: TASAPAINO Eristetyssä systeemissä muodostuu terminen tasapaino, jolloin lämpötilaerot tasoittuvat. 1Ps: ENERGIAN SÄILYMINEN Systeemin sisäenergian muutos on yhtä suuri kuin siihen tehdyn työn ja systeemiin tuodun lämpöenergian summa: U = Q + W (ks. MAOL, s. 10 (115)) [Systeemin tasapainotilassa sisäenergialla on tietty arvo eli systeemin sisäenergia on tilanfunktio] Sisäenergia U on systeemin rakenneosien liike ja potentiaalienergiaa. Lämpöopin 1. pääsääntö on eräs energian säilymislain muoto, joka osoittaa, että energiaa ei voi luoda eikä hävittää, vaan ainoastaan muuttaa muodosta toiseen. Esim. lämpöopin 1. pääsäännöstä: kaasua sylinterissä. Kaasua lämmitetään (Q) ja puristetaan (W) sisäenergian muutos: U = U U 1 = Q + W. Jos kaasusysteemi tekee työtä ja systeemistä poistuu lämpöä (W ja Q: suunnat vastakkaiset), niin W < 0 ja Q < 0, jolloin U pienenee. kaasun laajenemistyö: W = p V W U > U 1 Q U 1 U

4 Ps: ENTROPIAN KASVU Eristetyn systeemin kaikissa prosesseissa entropia eli epäjärjestys kasvaa, jolloin prosessien suunta on kohti tasapainotilaa. Ts. luonnon tapahtumat vievät kohti suurempaa epäjärjestystä. Entropia on epäjärjestyksen mitta. Esim. mustepisara leviää vedessä kaikkialle. Lämpöä ei voi muuttaa täydellisesti työksi. Sellaista lämpövoimakonetta, joka muuttaisi kaiken ottamansa lämmön työksi, ei voida rakentaa eli toisen lajin ikiliikkuja (η = 100 %) on mahdottomuus. Lämpövoimakoneen hyötysuhde on aina < 100 %. Termodynaamisissa prosesseissa yhä vähemmän energiaa on käytettävissä työksi. Käyttökelpoinen energia siis vähenee ajan kuluessa energiavarojen muuttuessa lämmöksi ja lämpötilaerojen tasoittuessa Lämpöopin. pääsääntö on siis energian huononemisen laki. Energiaperiaate on yleinen koko maailmankaikkeutta koskeva lainalaisuus, mutta se ei sano mitään luonnon tapahtumien kulkusuunnasta. Tapahtumien suunnan lainalaisuuden ilmoittaa lämpöopin. pääsääntö: tapahtumat luonnossa vievät kohti suurempaa epäjärjestystä ( kaikki kuluu ja vanhenee, koi syö ja ruoste raiskaa ). Jos järjestystä halutaan ylläpitää tai sitä halutaan lisätä, tarvitaan ulkoista energiaa. Esimerkiksi elollisen luonnon systeemeissä (esim. solut) ja tapahtumissa entropia pienenee ja systeemin järjestys kasvaa. Elollinen luonto ei ole kuitenkaan eristetty systeemi, sillä luonnon järjestäytyneisyyttä ylläpitää Auringon energia. Jos energiavirta ehtyy, niin systeemi hajoaa kohti epäjärjestystä. Vastaavasti huoneen siisteyden ja järjestyksen ylläpitämiseen tarvitaan työtä ja energiaa. Ilman ulkoista työtä huoneen järjestys pienenee ja entropia kasvaa (!). Huom! Lämpöopin. pääsääntö voidaan esittää useammilla eri tavoilla: 1) entropia eli epäjärjestys kasvaa ) lämpö siirtyy aina korkeammasta lämpötilasta matalampaan 3) kaikki termodynaamiset prosessit suuntautuvat kohti tasapainoa 4) sellaista lämpövoimakonetta, joka muuttaisi kaiken ottamansa lämmön työksi, ei voida rakentaa eli II lajin ikiliikkuja on mahdottomuus (hyötysuhde: η = 100 %) 5) kaikkea systeemin energiaa ei voida muuttaa mekaaniseksi työksi ( energian huononemisen laki ) 3Ps: ABSOLUUTTINEN NOLLAPISTE Absoluuttista nollapistettä (0 K = 73,15 o C) ei voida saavuttaa. ******************************************************************************** JOULEN KOE: osoitti lämmön ja mekaanisen energian vastaavuuden: Q = W (ks. oppikirja, s ). 1 cm t = mv mgh

5 LÄMPÖKONEET eli lämpövoimakoneet toimivat kuumasäiliön ja kylmäsäiliön välissä muuttaen lämpöenergiaa mekaaniseksi työksi esim. höyrykoneet, polttomoottorit, suihkumoottorit, rakettimoottorit Kuumasäiliö, T 1 > T koneen tekemä työ W = Q 1 Q Kylmäsäiliö lämpövoimakoneen terminen hyötysuhde η = W Q1 Q = ja koska Q ~ T, niin Q1 Q1 absoluuttisten lämpötilojen avulla esitettynä ideaalikoneen hyötysuhde eli Carnot n hyötysuhde on: η = T1 T T jäähdytyskone (pakastin, jääkaappi); siirtää lämpöenergiaa kylmäsäiliöstä kuumasäiliöön koneen tekemän työn avulla eli jäähdyttää kylmäsäiliötä 1 Q Q 1 jäähdytyskoneen suorituskyky ε = = = 1 (MAOL s. 11 (116)) W Q1 Q η lämpöpumppu; toimintaperiaate sama kuin jäähdytyskoneella, lämmittää kuumasäiliötä lämpöpumpulla lämmitetään rakennuksia siten, että ulkoilmasta, vesistöstä tai maaperästä (= kylmäsäiliö) otettu lämpö siirretään sisätilaan (= kuumasäiliö) (jäähdytyskoneen ja lämpöpumpun suorituskyky, ks. MAOL s. 11 (116)). Q1 Q1 1 lämpöpumpun suorituskyky ε = = = (MAOL s. 11 (116)) W Q Q η 1 IKILIIKKUJAT: ensimmäisen lajin ikiliikkuja on kone, joka luo tyhjästä energiaa; η > 100 % eli tuottaa enemmän energiaa kuin kuluttaa (energian säilymislain vastainen toisen lajin ikiliikkuja on yhdellä lämpösäiliöllä toimiva kone, joka käyttää syöttöenergianaan lämpöä ja muuttaa sen kaiken työksi (lämpöopin Ps. vastainen, jonka mukaan eristetyn systeemin kaikissa prosesseissa entropia kasvaa). Myös ns. superjäähdytin eli jäähdytyskone, joka siirtäisi lämpöä kylmästä säiliöstä kuumaan ilman työtä on lämpöopin. pääsäännön mukaan mahdoton.

6 Entropia ilmaisee systeemissä olevan epäjärjestyksen määrän. Mekaanisen energian muuttuminen lämmöksi on energiaa kasvattava prosessi, joten lämpö ei voi itsestään muuttua takaisin mekaaniseksi energiaksi. siksi lämmön muuttaminen takaisin mekaaniseksi työksi on mahdotonta. lämmön siirtyminen: kuljetus, johtuminen, säteily A T ( lämmön johtuminen: Q = λ t ) d (polttomoottorit; nelitahtimoottori, kaksitahtimoottori, dieselmoottori, suihkumoottori, rakettimoottori) TEHT. Vuolukiviuunin massa on kg. Uunissa poltetaan 5,5 kg puita, joiden palamislämpö eli lämpöarvo on 14 MJ/kg. Kuinka paljon uunin lämpötila nousee, jos palamisen hyötysuhde on 80 % ja vuolukiven kj ominaislämpökapasiteetti on c = v 0,98 o kg C? Oletetaan, että uuni lämpiää tasaisesti eikä lämpöä siirry ympäristöön. RATKAISU: η = 0,80 m puut = 5,5 kg Puiden vapauttama energia = uunin sitoma energia eli Q puut = Q uuni H = 14 MJ/kg kj c v 0,98 o kg C ηm puut H = c v m uuni t : c m v uuni m uuni = 1500 kg η m puut H t =? 0,80 5,5 kg 14000kJ/kg o o t = = 41,9 C 4 C. c m kj v uuni 0, kg o kg C Huom! Polttoaineiden lämpöarvoja H on taulukossa (MAOL s. 85 (8)). Vapautunut lämpöenergia voidaan laskea lausekkeella: Q = ηhm, missä η = hyötysuhde, H = taulukosta saatava lämpöarvo (MJ/kg) ja m = poltettavan aineen massa (kg). Esim. Turpeen lämpöarvo H = 11 MJ/kg. Kun poltetaan 8,0 kg turvetta saadaan lämpöenergiaa Q = Hm = 11 MJ/kg 8,0 kg = 88 MJ.

7 ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^ MAOL taulukko: TÄRKEITÄ SIVUJA: sivuviittaukset: uusi MAOLtaulukko (keltainen), Otava,. painos 005 (suluissa vastaavat MAOLLIN vanhan painoksen (vihreä) sivut) s. 66 (66): SIjärjestelmän perussuureet ja yksiköt + määritelmät s. 67 (67): kerrannaisyksiköiden etuliitteet ja johdannaisyksiköt s. 68 (68): lisäyksiköt, mm. 1 a 365 d, 1 litra = 1 dm 3, 1 t = 1000 kg = 1 Mg, s (6979): muuntokertoimia, mm. 1 litra = 1 dm 3 = 0,001 m 3, HUOM! PAINEEN YKSIKÖT; MAOL s. 67, 68, 70 (67, 68, 70) 1 kwh = 3,6 MJ (MAOL s. 70 (70)) s. 71 (71): luonnonvakioita, mm. normaaliputoamiskiihtyvyys g n = 9,80665 m/s 9,81 m/s normaalilämpötila ja paine (NTP), ideaalikaasun moolitilavuus V m, moolinen kaasuvakio R, Avogardon vakio N A (ks. myös MAOL s (1617!!)) massa s. 781 (784): aineiden tiheyksiä ( tiheys = ) tilavuus s. 777: kiinteiden aineiden pituuden lämpötilakertoimia α, ominaislämpökapasiteetteja c, (777) ominaissulamislämpöjä s, ominaishöyrystymislämpöjä h, sulamispisteitä, kiehumispisteitä ym. s. 7884: nesteiden ja kaasujen tilavuuden lämpötilakertoimia χ, ominaislämpökapasiteetteja (7879) c, ominaissulamislämpöjä s, ominaishöyrystymislämpöjä r, sulamispisteitä, kiehumispisteitä, kriittisiä lämpötiloja ja paineita ym. HUOM! Uudessa keltaisessa MAOLLISSA on sivuilla 883 uusia kuvaajia: veden tiheyden riippuvuus lämpötilasta veden kiehumispisteen riippuvuus paineesta lämpötila ja jään höyrynpaine jään sulamispisteen riippuvuus paineesta ominaislämpökapasiteetin c p riippuvuus lämpötilasta veden ominaishöyrystymislämmön riippuvuus kiehumispisteestä, ym s. 80 (80): kylläisen vesihöyryn paine ja tiheys s (81): veden tiheys lämpötiloissa 0 o C 100 o C, ym, s. 84 (81): ilmakehän ominaisuuksia, mm. ilmanpaineen ja tiheyden riippuvuus ilmakehän korkeudesta s. 85 (8): polttoaineiden lämpöarvoja s. 86 (83): tuulen voimakkuus, tuulivaroitukset s. 96 (93): suprajohteita s (111116): KAAVOJA + tunnukset ja yksiköt!!! sivulla (11111) on mekaniikan kaavat (vrt. fy1) sivulla 118 (113) on vain matemaattisen heilurin kaava sivulla 1119 (114) on tiheyden, paineen, hydrostaattisen paineen ja nosteen kaavat sivuilla 1011 (115116) on termodynamiikan kaavat sivuilla (1617) on myös lämpöoppiin liittyviä asioita.

8 LÄMPÖOPPI EXTRA : KIERTOPROSESSI (Ylimääräistä asiaa) Lämpövoimakoneet toimivat jaksollisesti siten, että tietty tapahtumasarja toistuu jatkuvasti. Tätä tapahtumasarjaa sanotaan kiertoprosessiksi. Alla olevassa kuvassa on esitetty polttomoottorin kiertoprosessin kuvaus Vpdiagrammina. Tässä on tarkasteltu henkilöauton, ns. nelitahtimoottorin, (1600 cm 3 ) vaiheet lämpövoimakoneen kaavion avulla tulkittuna yhdessä sylinterissä. Kuvassa V = tilavuus ja p = paine ja alue BCDE esittää moottorin tekemää työtä W. (Ks. oppikirja; Fotoni, s. 114 ja esim. ) Alussa (vaihe AB) on imutahti: mäntä liikkuu alas sylinterissä, tilavuus V kasvaa ja sylinteriin muodostuu alipaine. Imuventtiili on auki ja sylinteri täyttyy ilman ja polttoaineen (bensiini) seoksella. Välillä BC on puristustahti; imuventtiili sulkeutuu ja mäntä liikkuu ylöspäin ja puristaa kaasuseoksen pieneen tilaan ja paine kasvaa. Näin kasvaa myös kaasun sisäenergia (Q 1 ). Koska puristus on nopea, systeemi ei vaihda lämpöä ympäristön kanssa, joten kyseessä on adiabaattinen prosessi. Pisteessä C polttoaineen ja ilman seos sytytetään palamaan sytytystulpan kipinällä. Polttoaine syttyy juuri ennen kuin mäntä saavuttaa yläasentonsa ja aine kasvaa voimakkaasti. Palaminen tapahtuu hyvin nopeasti, joten mäntä ei ehdi liikkua ja tilavuus pysyy vakiona (väli CD). Välillä DE on työtahti. Sylinterissä vallitsee suuri paine, jonka johdosta räjähtänyt, laajeneva kaasuseos työntää mäntää alaspäin ja tilavuus kasvaa (vaihe DE). Kohdassa E mäntä on uloimmassa asennossa ja välillä EB pakoventtiili aukeaa ja paine laskee. Välillä BA on poistotahti; mäntä liikkuu sisäänpäin ja imuventtiili pysyy edelleen kiinni. Mäntä työntää palaneet kaasut ulos ja sylinteri jäähtyy. Q = sylinteristä poistuva lämpömäärä. Kun mäntä saapuu takaisin kohtaan A, niin kierros alkaa uudestaan. Tällöin taas pisteessä A mäntä alkaa liikkua ulospäin, pakoventtiili sulkeutuu ja imuventtiili aukeaa, jolloin uuta polttoaineseosta virtaa sylinteriin (väli AB). Kiertoprosessin aikana moottori pyörii kaksi kierrosta. Kohdassa B eli imutahdin lopussa tilavuus voi olla esim. 400 cm 3 ja lämpötila T 300 K. Kohdassa D puristustahdin lopussa paine voi olla esim. 40 bar ja lämpötila T K. Nelitahtimoottorin hyötysuhde on noin 40 % ja dieselmoottorin yli 40 %. Lämpövoimakonetta voidaan verrata vesirattaaseen. Siinä vesi virtaa ylemmästä asemasta alempaan suorittaen samalla mekaanista työtä, pyörittäen ratasta. Vastaavasti voidaan käyttää työn suorittamiseen osa lämpöenergiasta, jonka neste tai kaasu jäähtyessään luovuttaa virratessaan korkeammasta lämpötilasta matalampaan. h 1 VESI T 1 LÄMPÖ h T E = mg(h 1 h ) VRT Q = cm(t 1 T )

9 7. ENERGIA YHTEISKUNNASSA (Huom! Ylimääräistä asiaa) EskolaKetolainen Stenman: Fotoni ; Lämpö (Otava, 005), s LehtoLuomaVirolainen: Energia yhteiskunnassa (Tammi, 005) Wikipedia ( ) 7.1 Energian alkuperä Auringon säteilyenergia (fuusioreaktiot Auringossa) maapallon ydinenergia (Maan kuoren ydinreaktiot) 7. Energiantuotantomuodot 1) Uusiutuvat energiamuodot aurinkoenergia (aurinkosähkö ja lämpö), tuulienergia, vesienergia (veden potentiaalienergia ja vuorovesienergia), kasvien ja eläinten bioenergia (biomassa), geoterminen energia (maankuoren lämpöenergia), maa ja ilmalämpö, vetyenergia ) Uusiutumattomat energiamuodot fossiiliset polttoaineet (kivihiili, öljy, maakaasu), turve, ydinenergia (fissio, fuusio [suunnitteilla]) UUSIUTUVAT ENERGIAMUODOT Aurinkoenergia (aurinkosähkö ja aurinkolämpö) Tuulienergia Vesienergia veden potentiaalienergia vuorovesienergia Bioenergia = luonnossa kasvavasta biomassasta (kasvit ja eläimet) saatavaa energiaa valo biomassa on fotosynteesissä (yhteyttämisessä: 6CO +6HO C6H1O6 ) kasveihin kerääntynyttä aurinkoenergiaa sekä eläinten ja kotitalouden jätteitä Geoterminen energia (maankuoren lämpöenergia) = maankuoreen johtuvaa energiaa, joka syntyy maan sisuksissa tapahtuvien radioaktiivisten hajoamisten seurauksena (= geoterminen lämpö) Maalämpö ja ilmalämpö = maaperän tai veden massaan varastoitunutta Auringon lämpöenergiaa. maalämpö ei ole sama kuin geoterminen energia! Vetyenergia vety ja happi yhtyvät vedeksi, jolloin vapautuu energiaa: H + O HO vedyn palamislämpö eli lämpöarvo H on korkea: 119 MJ/kg (ks. MAOL s. 85 (8)) UUSIUTUMATTOMAT ENERGIAMUODOT Fossiiliset polttoaineet: hiili, öljy, maakaasu, (turve) kivihiili syntynyt kasvien jätteistä 300 miljoonaa vuotta sitten: kasvit hautautuivat veden alle hiekkaan ja saveen. jolloin niistä syntyi hapettomassa tilassa ja kovassa paineessa hiiltä öljy syntynyt miljoonia vuosia sitten maakerrosten alle hautautuneiden kasvien ja eliöiden jäännöksistä: vuosimiljoonien aikana syntyneet orgaanisten aineiden kerrostumat ovat muuttuneet maaöljyksi korkeassa paineessa ja lämpötilassa

10 maakaasu syntynyt eloperäisten eliöiden hajotessa korkeassa paineessa ja lämpötilassa vähähappisissa olosuhteissa koostuu pääosin metaanista (CH 4 ) sekä pienistä määristä typpeä, etaania, propaania, ja muita raskaampia hiilivetyjä pelkkien hiilivetyjen palaessa syntyy vain hiilidioksidia ja vettä, esim. jos puhdas maakaasu on pelkästään metaania, niin sitä poltettaessa syntyy vain hiilidioksidia ja vettä: CH 4+ O CO + HO 1 m 3 maakaasua vastaa energiasisällöltään noin 1 litraa polttoöljyä turve syntyy hapettomassa tilassa veden alla maatuneista kasvien jätteistä turvetta voidaan pitää lähes uusiutumattomana energianlähteenä, koska sen uusiutuminen on hyvin hidasta Fissio = ydinreaktio, jossa raskaat atomin ytimet (esim. Uraani35) halkeavat toisiksi alkuaineiksi, jolloin samalla vapautuu 3 neutronia ja energiaa esim. hidas eli terminen neutroni voi halkaista uraaniytimen 35 U, jolloin fissio voi tapahtua useammin eri tavoin, esim. seuraavasti: n + U Ba + Kr + 3 n + energiaa Uraaniisotoopin 35 Ufisiossa syntyy keskimäärin,4 neutronia, yli 60 halkeamistuotetta ja kaikkiaan eri nuklideja eli atomiytimiä yli 00. Fissiossa syntyneet neutronit liikkuvat nopeasti ja ne hidastetaan raskaalla vedellä D O, kevyellä vedellä H O tai grafiitilla C. Neutronien lukumäärä pidetään vakiona polttoainesauvojen välissä olevilla säätösauvoilla (sis. B tai Cd), jotka absorboivat (imevät) pois ylimääräiset neutronit. Jäljellejääneet neutronit halkaisevat uusia uraaniytimiä, jolloin tapahtuu hallittu ketjureaktio. Hidastinaineena toimiva vesi lämpenee ja lämpö kuljetetaan veden mukana lämmönvaihtimeen, jossa syntyvä höyry pyörittää turbiineja. Turbiini on akselilla yhdistetty generaattoriin, joka tuottaa vaihtovirtaa mekaanisesta pyörimisliikkeestä. Yleisin toimintatapa on pyörittää sähköjohtimesta muodostettua silmukkaa magneettikentässä, mikä synnyttää johtimeen jännitteen ja sähkövirran (sähkömagneettinen induktio). Suomen fissioreaktorit ovat painevesireaktoreita (PWR) ja kiehutusvesireaktoreita (BWR). Loviisan ydinvoimalaitos koostuu kahdesta painevesireaktorista (PWR), joiden teho on x 490 MW = 980 MW. Olkiluodon ydinvoimalaitos sijaitsee Eurajoella Olkiluodon saarella. Se koostuu kahdesta kiehutusvesireaktorista (BWR), jonka teho on x 860 MW = 170 MW. Olkiluotoon on rakenteilla kolmas ydinvoimalaitos, jonka nettosähköteho on 1600 MW. Voimalan valmistunee kaupalliseen tuotantoon vuonna 015. Se on EPRtyyppinen painevesireaktori. Fuusio = ydinreaktio, jossa kevyet ytimet yhtyvät raskaammaksi ytimeksi ja samalla vapautuu energiaa fuusio vaatii korkean lämpötilan (10 8 K) ytimien välisen poistovoiman takia esim. DTfuusio eli deuteriumin ja tritiumin fuusio: H + H He + n + energiaa ################################################################################### energia energiatilastot TVO Fortum ##################################################################################

11 Sähkön hankinta 007 Kuva 1. Sähkön hankinta 007, Lähde: Tilastokeskus ATS Ydintekniikka /001

12 005 Ydinenergia ja Suomi