Aineen rakenne the structure of matter

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Aineen rakenne the structure of matter"

Iivari Heikkilä
6 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 1 Termodynaaminen systeemi Aineen rakenne the structure of matter Kaikki aine rakentuu atomeista. Kaikki atomit rakentuvat protoneista, neutroneista ja elektroneista. All matter is atoms, and all atoms are protons, neutrons and electrons. Ydin nucleus pysyy kasassa vahvan vuorovaikutuksen takia. Pelkät protonit eivät pysy kasassa, sillä niiden sähköinen vuorovaikutus työntää ne pois toisistaan, jolloin tarvitaan neutronien tuoma vahva vuorovaikutus, joka on suurempi kuin sähköinen poistovoima. Nucleus is hold together by strong interaction, which needs neutrons. Just protons won't stick together because their electrical charges repel each other.

2 Elektronit pysyvät ytimen ympärillä sähkömagneettisen vuorovaikutuksen takia. Electromagnetic force keeps electrons close to the nucleus. Molekyylit ovat sähkömagneettisella vuorovaikutuksella yhteen liittyneitä atomeja. Molecules are atoms bound together by electromagnetic force. Aineella on 3 olomuotoa: Kiinteä solid Atomit/molekyylit ovat järjestäytyneet hilaksi, tietyllä säännöllisellä rakenteella. Atomit eivät pääse liikkumaan paikoiltaan, mutta pystyvät värähtelemään paikoillaan. Neste liquid Atomit eivät ole säännöllisessä järjestyksessä, pääsevät liukumaan toistensa ohi. Atomit ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Aine ottaa astian muodon.

3 Kaasu gas Atomit eivät juuri vuorovaikuta keskenään, vaan liikkuvat hyvin vapaasti. Atomit törmäilevät seinämiin ja toisiinsa. Termodynamiikka thermodynamics eli lämpöoppi tutkii kappaleen termodynaamisia suureita, kuten lämpötilaa T temperature ja painetta p pressure. Ne vaikuttavat kappaleen tilavuuteen V volume ja olomuotoon. Lämpötila ja ilmanpaine ovat myös merkittävimpiä tekijöitä sään weather vaihteluissa ja ne vaikuttavat kemiallisten reaktioiden alkamiseen starting of a chemical reaction. Termodynaaminen systeemi on kappale tai kokonaisuus, jossa on tietty määrä aineita tietyissä olomuodoissa. Lämpöopissa tutkitaan aineen tilanmuutoksia changes in the state ja systeemin ja sen ympäristön välisiä prosesseja processes between a system and its environment.

4 Kupillinen kuumaa kahvia on esimerkki tutkittavasta termodynaamisesta systeemistä. Kuppi kahvia on avoin systeemi open system, sillä se vaihtaa ympäristönsä kanssa energiaa ja ainetta, sillä se luovuttaa lämpöä ja samalla itse jäähtyy, sekäkahvissa oleva neste höyrystyy ja poistuu kupista. It exchanges matter and energy with its environment. Jos kahvikupin päälle asetetaan lautanen, muuttuu se suljetuksi systeemiksi closed system. Se ei vaihda ainetta ympäristönsä kanssa, mutta kahvi silti jäähtyy, joten se pystyy siirtämään energiaa. It exchanges energy, but not matter. Jotta kahvi ei jäähdy, laitetaan se termospulloon. Termari on esimerkki eristetystä systeemistä isolated system; se ei päästä lämpöä eikä ainetta ulos eikä sisään.

5 It doesn't exchange matter or energy. Todellisuudessa termarissakin oleva kahvi jäähtyy, mutta tietyllä tarkkuudella voidaan sitä silti kutsua eristetyksi systeemiksi. Termodynamiikassa asioita käsitellään makroja mikrotasolla. Makro-tasolla puhutaan kappaleesta. Mikro-tasolla puhutaan atomeista ja molekyyleistä. Mikrotason mallit selittävät ilmiötä. Makrotason suureilla voidaan laskea kappaleen tilanmuutoksia ja ominaisuuksia. Mitä on lämpö tai lämpötila? What temperature really is?

6 Lämpö selitetään mikrotasolla atomien ja molekyylien liikkeellä. On micro level heat is movement of atoms. Lämpöliike = terminen energia thermic energy = etenemis-, värähtely- ja pyörimisliikettä vibrational, rotational and straightforward movement Kun kappaletta lämmitetään, sen rakenneosaset alkavat liikkua enemmän. Makrotasolla lämpöenergia mitataan lämpötilana. Lämpötila on aineen atomien keskimääräinen nopeus. On macro level heat = temperature = average movement of atoms. Jos lämpötila on atomien liikettä, niin onko olemassa lämpötila, missä atomien liike loppuu kokonaan?

7 Absoluuttinen nollapiste absolute zero on alin mahdollinen lämpötila, jota ei voi saavuttaa. Lämpötilan mittaamisen käytetään Kelvinasteikkoa. Siinä ei ole negatiivisia lämpötiloja, vaan 0 K= -273,15 C =absoluuttinen nollapiste. Kelvinit ja celsius asteet lasketaan toisistaan: x K = x+273,15 C Avaruuden space taustalämpötila on noin 3 K. Tällä hetkellä alin lämpötila mihin on päästy on 0, K (MIT 2015)

8 2. Paine Ota kynä ja paina sitä sormenpäidesi väliin. Työntäessäsi kynää molemmista päistä kohdistaa kynä yhtä suuren voiman molempiin sormiisi. Miksi se kuitenkin tuntuu voimakkaammalta terävästä päästä? Why does the pencil pressed against fingers feel worse on the sharp end, even though both fingers feel the same force? Paine kuvaa voiman jakautumista pinnalle: pressure

9 Paineen yksikkö on pascal (Pa) = Painetta voi suurentaa lisäämällä voimaa tai pienentämällä pinta-alaa. Adding force or decreasing are the pressure grows. Siksi kynän painaminen sormien väliin tuntuu pahemmalta terävässä päässä; sama voima kohdistuu pienemmälle pinta-alalle. Siksi veitsi leikkaa paremmin terävänä. Esim. Sharon (86 kg) astuu koko painollaan korkokengän kärjellä (1,2cm^2) maahan. Kuinka suuri paine kohdistuu maahan? Voima F=ma =86 kg 9,81 m/s^2 =843,66 N A=1,2 cm^2 = 0,012 dm^2 = 0,00012 m^2 p = F/A = 843,66N / 0,00012 m^2 = Pa 7,0 MPa

10 Mikrotasolla paine ajatellaan atomien kimpoilusta aiheutuvana voimana astian seiniin. On micro level pressure is atoms hitting a containers walls, causing a force. Paine leviää nesteissä ja kaasuissa tasaisesti joka puolelle. Pressure spreads evenly in a liquid or gas. Kun lämpötila kasvaa, liikkuvat hiukkaset nopeammin, jolloin ne törmäilevät astian seinämiin useammin, aiheuttaen suuremman voiman. Tämän vuoksi lämpötilan nosto kasvattaa painetta! Higher temperature means higher pressure!

11 Ilmakehä on 99,9% 100 km päässä maanpinnasta. Tämä johtuu siitä, että maapallo vetää ilmaa puoleensa gravitaatiolla. Earth pulls air closer to it, thats why 99,9% of air is within 100 km from the earth. Ilma aiheuttaa ilmanpaineen ympärilleen joka suuntaan. Air causes pressure around it in all directions. Ilmanpaine on suurempi lähempänä maapalloa, merenpinnan tasolla se on keskimäärin Pa = normaali ilmanpaine normal air pressure Air pressure is higher closer to the earth. 1 bar = Pa normaali ilmanpaine 760 mmhg = Pa Korkeilla vuorilla ilmanpaine on paljon alhaisempi, jopa puolet normaalista. In mountains the air pressure is much lower.

12 Kaasun lisäksi myös neste aiheuttaa sen sisällä paineen. Mitä syvemmälle nesteessä mennään, sitä suurempi hydrostaattinen paine hydrostatic pressure siinä vallitsee. Nesteessä, jonka tiheys on vallitsee syvyydessä h hydrostaattinen paine Esim. Kuinka suuri hydrostaattinen paine vallitsee uimahallin syvän pään pohjassa, 2,5 metrin syvyydessä? Veden tiheys on n. 1000kg/m^3. Siksi hydrostaattinen paine on

Samankaltaiset tiedostot

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka 2006 m@hyl.fi 1 Lämpötila Suure lämpötila kuvaa kappaleen/systeemin lämpimyyttä (huono ilmaisu). Ihmisen aisteilla on hankala tuntea lämpötilaa,