Kokeellista fysiikkaa luokanopettajille Ari Hämäläinen kevät 2005 Lämpöilmiöitä Erilaisia lämpöilmiöitä esiintyy sekä elävässä että elottomassa luonnossa, ja myös teknologisessa ympäristössä. Ulkoilman lämpötila vaihtelee vuorokauden ja vuodenaikojen mukaan, aurinko lämmittää, tuli polttaa. Lämmön tuottaminen Tehtävänä on lämmittää hieman vettä. Millä eri tavoin tämä voidaan toteuttaa? Ensimmäiseksi voi tulla mieleen laittaa vesiastia sähköhellalle. Hellan levy kuumenee, kuten myös levylle laitettu astia, ja astiassa oleva vesi. Tässä selvästi lämpöä siirtyy esineestä toiseen, kuumemmasta kylmempään. Hellan levy lämpenee, koska sen sisällä olevassa sähköjohtimessa kulkee voimakas sähkövirta. Sähköenergiaa muuttuu lämmöksi. Vesiastiaa voi lämmittää myös tulen avulla, esimerkiksi kaasuliekillä. Lämpöä siirtyy nyt liekistä astiaan, ja astiasta veteen. Kun aine (nestekaasu, puu..) palaa, se muuttuu toisiksi aineiksi, ja samalla syntyy lämpöä. Sanotaan, että aineen sisältämää kemiallista energiaa muuttuu lämmöksi. Aikaisemmin on havaittu, miten toisiaan vasten liukuvat kappaleet kuumenevat kitkan vaikutuksesta. Vettäkin voidaan kuumentaa veden sisäisen kitkan avulla. Jos termospullossa olevaa pientä vesitilkkasta ravistellaan voimakkaasti parin minuutin ajan, voidaan herkällä lämpömittarilla havaita pieni lämpötilan nousu. Mekaanista energiaa muuttuu lämmöksi. Ilmaa voidaan lämmittää vielä yhdellä tavalla. Tukitaan polkupyörän pumpun venttiili sormella, ja painetaan mäntää voimakkaasti muutaman kerran. Tällöin havaitaan pumpun lämpenevän. Tässäkin mekaanista energiaa muuttuu lämmöksi, mutta muutos ei johdu ilman sisäisestä kitkasta (joka on hyvin pieni), vaan ilman puristumisesta kokoon. Periaatteessa myös nesteen tai kiinteän aineen kokoonpuristaminen saa aikaan lämpötilan nousun, mutta ilmiö on hyvin heikko, koska nesteet ja kinteät aineet puristuvat kokoon erittäin vähän. Lämmön siirtyminen ja säilyminen Edellä todettiin, miten lämpö siirtyy kuumemmasta kappaleesta kylmempään. Kuumasta kylmään lämpö siirtyy itsestään. Tällöin kuuma kappale jäähtyy, ja kylmä kappale lämpenee, kunnes lopulta kappaleiden lämpötilat ovat samat. Jos kappaleet koskettavat toisiaan, lämpö siirtyy johtumalla aineen läpi kappaleesta toiseen. Kappaleiden ei kuitenkaan tarvitse suoraan koskettaa, että lämmön siirtymistä tapahtuisi. Esimerkiksi saunassa löylyä heitettäessä kiukaan lämpö siirtyy kuuman ilman ja vesihöyryn mukana saunojiin. Kun kuivataan hiuksia hiustenkuivaajalla, lämpö siirtyy ilman mukana kuivaajasta hiuksiin. Tällaista jonkin aineen liikkumisen perustuvaan lämmön siirtymistä sanotaan lämmön kulkeutumiseksi. Mutta välttämättä lämmön siirtymiseen ei tarvita lainkaan väliainetta. Kuuman lampun tai nuotion lämmön tuntee ihollaan, vaikka ympäröivä ilma olisi kylmää. Auringon lämpö siirtyy Maahan tyhjän
avaruuden läpi. Tällöin lämpö siirtyy säteilemällä. Aineiden lämmönjohtavuutta voidaan tutkia esimerkiksi kirjassa Iloa Ilmiöistä s. 98 neuvotulla tavalla. Astiaan laitetaan pystyyn ari aineista tehtyjä sauvoja, joiden tulisi olla osapuilleen samanpituisia ja samanpaksuisia. Jokaisen sauvan päähän kiinnitetään herne pienen voinokareen avulla. Astiaan laitetaan kuumaa vettä. Havaitaan, että joidenkin sauvojen päässä oleva voi sulaa heti ja herne putoaa. Lämpö siirtyy nopeasti kuumasta vedestä sauvaa pitkin voihin. Tällaisten aineiden lämmönjohtokyky on suuri. Useimmat metallit ovat hyviä lämmönjohteita. Odotetaan, missä järjestyksessä herneet putoavat. Tietyillä aineilla, esimerkiksi lasilla ja puulla, on melko huono lämmönjohtokyky. Lämmön siirtymisestä näillä eri tavoilla kuumemmista esineistä kylmempiin johtuu, että toistensa lähellä (esimerkiksi samassa huoneessa) olevien esineiden lämpötilat tasoittuvat. Pöydälle asetettu kuuma juoma jäähtyy, kylmä juoma lämpenee. Lämmön siirtymistä on mahdollista hidastaa ja estää. Ihmisen ruumiinlämmön täytyy pysyä sangen tarkasti 37 asteessa. Kuitenkin ulkoilman lämpötila ja huoneenlämpökin on lähes aina tätä pienempi. Ihminen tuottaa itse lämpöä koko ajan, mutta siitä huolimatta Suomessa tarvitaan lähes aina vaatteita estämään liian suuri lämmön siirtyminen ihmisruumiista pois. Ne estävät lämmön siirtymistä johtumalla (estävät ihon koskettamasta kylmiin pintoihin, johtavat itse huonosti lämpöä), kulkeutumalla (estävät ilman liikkeen ihon lähellä), ja säteilemällä (heijastavat ihon säteilemää lämpöä takaisin). Termospullo on rakenteeltään sellainen, että lämmön siirtyminen pullossa olevan nesteen ja ulkomaailman välillä on tehokkaasti estetty. Neste on pullossa, jossa on kaksinkertainen seinämä. Seinämien välissä on tyhjiö, joten lämpö ei voi kulkeutua johtumalla eikä ilman mukana kulkeutumalla. Seinämät ovat peilikirkkaat, joten ne sekä säteilevät lämpöä ja vastaanottavat lämpöä huonosti. Pullo on tehty lasista, joka johtaa lämpöä huonosti. Kun termospulloon laitetaan kuumaa juomaa, pullon ulkopinta ei lämpene havaittavasti. Tämä osoittaa, että lämpöä ei siirry pois pullon sisältä; lämpö siis säilyy pulloon laitetussa juomassa. Lämpö laajentaa, kylmä kutistaa Messinkitulppa mahtuu juuri ja juuri messinkirenkaan läpi, kun molemmat ovat huoneen lämpötilassa. Jos metallitulppaa kuumennetaan, se ei enää mahdu renkaan reiästä. Tulppa on laajentunut. Jos taas rengas jäähdytetään pakastimessa tai kylmäsuihkeella, tulppa ei silloinkaan mahdu reiästä. Rengas on kutistunut. Ohutta konstantaanimetallista valmistettua lankaa on pingotettu eristepylväiden väliin. Langan keskellä riippuu punnus. Laitetaan voimakas sähkövirta kulkemaan langan läpi, jolloin se kuumenee ja alkaa hehkua. Punnus painuu alas, mikä osoittaa langan venyvän. Kun sähkövirta katkaistaan, lanka jäähtyy ja kutistuu.
Vettä täynnä olevan pullon suulle on kiinnitetty tiiviisti ohut putki. Kun pulloa lämmitetään, vesi työntyy putkeen. Pullossa oleva vesi laajenee. Pelkkää ilmaa sisältävän pullon suulle on kiinnitetty tiiviisti ilmapallo. Kun pulloa lämmitetään, ilmapallo pullistuu. Pullossa oleva ilma laajenee. Näille kaikille ilmiöille on yhteistä se, että niissä havaitaan aineiden lämpölaajenemisesta aiheutuvia ilmiöitä. Kun ainetta lämmitetään, se laajenee. Tämä koskee sekä kiinteitä aineita, nesteitä, että myös kaasuja. Säännöstä on yksi tärkeä poikkeus: veden tilavuus (ja samalla tiheys) on pienimmillään +4ºC:ssa. Vesi laajenee jäähtyessään +4ºC +0ºC. Tästä syystä jää kelluu. Lämpötilan mittaaminen Ihminen aistii kylmän ja kuuman. Seuraava koe testaa, miten luotettava ihmisen lämpöaisti on. Laitetaan yhteen astiaan kuumaa (ei polttavaa) vettä, toiseen kylmää vettä, ja kolmanteen haaleaa vettä. Pidetään toista kättä hetken kuumassa vedessä, toista kylmässä vedessä. Sitten siirretään kädet yhtä aikaa haaleaan veteen. Kuumassa ollut käsi aistii haalean veden kylmänä, kylmässä ollut käsi aistii haalean veden kuumana. Ihmisen lämpöaisti tottuu vallitsevaan lämpötilaan, ja aistii paremmin muutokset kuin todellisen lämpötilan. Ihmisen lämpöaisti on siis liian epäluotettava lämpötilan mittaamiseen, siihen tarvitaan lämpömittari. Tarkastellaan nestetäytteistä lämpömittaria. Siinä on pieni nestesäiliö, ja säiliöstä lähtevä ohut putki. Kun mittari ja siinä oleva neste lämpenee, se laajenee, ja työntyy pitemmälle putkeen. Mittarin jäähtyessä neste kutistuu, ja nesteen pinta vetäytyy putkessa kohti säiliötä. Mekaaninen lämpömittari, esimerkiksi saunan löylymittari, perustuu eri metallien erilaiseen lämpölaajenemiseen. Mittarissa on kaksoismetalliliuska, joka tehty kiinnittämällä kahdesta eri metallista valmistetut liuskat yhteen. Kun kaksoismetalliliuskaa lämmitetään, se vääntyy, koska metallit laajenevat eri tavoin. Mittarissa kaksoismetalliliuska on kierretty spiraaliksi, jonka keskelle mittarin osoitin on kiinnitetty. Sähköiset lämpömittarit, kuten nykyaikaiset ulko- ja sisälämpömittarit ja kuumemittarit, perustuvat aineiden sähkönjohtokyvyn muuttumiseen lämpötilan muuttuessa. Olomuodon muutokset Järven vesi jäätyy loppusyksystä pinnaltaan kovaksi jääksi, ja sulaa keväällä takaisin vedeksi. Kun vettä kuumennetaan tarpeeksi, vesi kiehuu ja näyttää häviävän. Vesi ei kuitenkaan katoa, vaan muuttuu kaasuksi, vesihöyryksi. Jos kiehuvan veden ylle laitetaan viileä metalliastia, havaitaan kuinka vesihöyry tiivistyy astian pinnalla takaisin nesteeksi.
Lämpötilan muuttaminen voi siis saada aikaan aineen muuttumisen olomuodosta toiseen. Aineen olomuodot ovat kiinteä, neste ja kaasu. Aine sulaa ja jähmettyy samassa lämpötilassa. Laitetaan lämpömittari veteen, jossa on sulavia jäitä. Mittari näyttää 0ºC niin kauan kun jäätä on jäljellä. Vastaavasti jos laitetaan vettä (avoimessa astiassa, ettei astia säry) pakastimeen tai talvella ulos, todetaan että veden lämpötila laskee ensin 0ºC:een, ja pysyy siinä kunnes kaikki vesi on jäätynyt. Vasta sen jälkeen jään lämpötila alkaa laskea. Ympäristön lämpötila määrää, onko 0ºC lämpötilassa oleva vesi-jää -seos sulamassa vai jäätymässä. Jos ympäristö on lämpimämäpi kuin 0ºC, seokseen siirtyy lämpöä ympäristöstä, ja seoksen jäät sulavat. Jos taas ympäristö on kylmempi kuin 0ºC, seos menettää lämpöä ympäristöön, ja vesi jäätyy. Eri aineet sulavat ja kiehuvat eri lämpötiloissa. Jää sulaa 0ºC:ssä, tina vasta 232 0ºC:ssa. Vesi kiehuu 100ºC:ssa, etanoli 78ºC:ssa. Vesi jäätyy pakastimessa, jonka sisälämpötila on -18ºC, mutta etanoli ja glykoli (pakkasneste) eivät siinä lämpötilassa vielä jähmety. Kaikkia aineita ei voi sulattaa tai kiehuttaa. Esimerkiksi puuta ei voi sulattaa tai kiehuttaa niin että se pysyisi puuna, vaan puuaines hajoaa kuumuuden vaikutuksesta. Puuaines koostuu kemiallisista yhdisteistä. Kun puuta kuumennetaan, jotkut näistä yhdisteistä alkavat kiehua ja hajota. Syntyvät kaasut ovat helposti syttyviä, ja tavallisesti puu alkaakin kuumennettaessa palaa. Jos palaminen estetään esimerkiksi kuumentamalla puuta ilmattomassa tilassa, helposti kiehuvat ainekset ja hajoavat yhdisteet poistuvat, ja puusta jää jäljelle pääasiassa hiiltä. Paine vaikuttaa sulamiseen ja kiehumiseen. Esimerkiksi vesi kiehuu sitä alemmassa lämpötilassa, mitä pienempi paine vallitsee. Imetään lääkeruiskuun hieman kuumaa vettä. Tukitaan ruiskun nokka sormella ja vedetään mäntää ulospäin, jolloin paine ruiskussa laskee. Havaitaan että vesi ruiskussa kiehuu. Ruisku ei kuitenkaan ala polttaa kättä, joten veden lämpötila ei nouse. Kun männän vetäminen lopetetaan, kiehuminenkin lakkaa. Koska vallitseva ilmapaine vaihtelee hieman, ei veden kiehumispistekään ole aina tasan 100ºC. Korkealla vuoristossa ilman paine on niin pieni, että veden kiehumispiste jää huomattavasti alle 100 asteen. Tämä vaikeuttaa ruokien kypsentämistä keittämällä. Lämpö siirtyy vedestä keitettävään ruokaan sitä paremmin, mitä kuumempaa vesi on. Aineen kyky varastoida lämpöä Kesän auringossa lämmennyt kallio ja rakennuksen tiiliseinä pysyvät lämpiminä vielä jonkin aikaa auringon laskettuakin, mutta auringonpaisteessa polttavan kuumaksi lämmennyt auton peltipinta jäähtyy hyvin nopeasti. Uimaveden lämpötila ei kovin paljon vaihtele, oli sitten päivä taikka yö; vesi lämpenee hitaasti pitkin kesää, mutta myös jäähtyy hitaasti syksyä kohti mentäessä. Ilmeisesti eri aineilla on erilainen kyky varastoida lämpöä. Jotkut lämpenevät helposti,
mutta myös jäähtyvät helposti; toiset lämpenevät hitaasti, mutta säilyttävät lämmön pitkään. Laitetaan eri aineista valmistettuja saman massaisia kappaleita (esimerkiksi eri metalleista tehtyjä punnuksia) kiehuvaan veteen. Tällöin vähän ajan päästä jokaisen kappaleen lämpötila on 100ºC. Mitataan kalorimetreihin yhtä suuret määrät samanlämpöistä vettä. Siirretään punnukset kalorimetreihin, ja yhteen kalorimetriin kaadetaan punnusten massaa vastaava määrä kiehuvaa vettä. Havaitaan että jokaisessa kalorimetrissa veden lämpötila nousee eri määrän, ja kaikkein eniten lämpötila nousi siinä kalorimetrissa, johon kaadettiin kiehuvaa vettä. Eri aineet siis varastoivat lämpöä eri tavoin, ja vesi varastoi lämpöä paljon enemmän kuin mikään metalli. Lämpövoimakoneet Aikaisemmin on tutustuttu tilanteisiin, joissa mekaanista energiaa muuttuu lämmöksi. On myös mahdollista muuttaa lämpöä mekaaniseksi energiaksi. Laitetta, jossa tämä tapahtuu, kutsutaan lämpövoimakoneeksi. Lämpövoimakoneita ovat esimerkiksi kuumailmakone eli stirling-moottori, höyrykone, sekä bensiini- ja dieselmoottori. Kuumailmakone. Kuvan laitteessa on sylinteri ja siihen tiiviisti sopiva mäntä. Sylinteri on yhdistetty letkulla ilmasäiliöön. Kun ilmasäiliö laitetaan vuorotellen kuumaan ja kylmään veteen, havaitaan männän liikkuvan edestakaisin. Lämpenevä ilma laajenee, ja työntää mäntää ylöspäin. Jäähtyvä ilma kutistuu, jolloin mäntä painuu alas. Männän liikkeellä voisi periaatteessa tehdä mekaanista työtä. Kyseessä on siis lämpövoimakone, tarkemmin ottaen kuumailmakone. "Oikeassa" kuumailmakoneessa ilman lämmittäminen ja jäähdyttäminen tehdään ohjaamalla sylinterin ilmaa ns. jakomännällä vuorotellen kosketuksiin kuuman ja kylmän pinnan kanssa. Animaatio: hyötykäyttöön sopiva kuumailmakone. Animaatio (Flash): opetuskäyttöön tarkoitettu kuumailmakone. Kuumailmamoottorin hyvä puoli on, että sitä voidaan käyttää millä tahansa lämmönlähteellä. Jos lämpö tuotetaan polttoaineella, sen palaminen voidaan järjestää niin että syntyy mahdollisimman vähän päästöjä. Toisaalta kuumailmamoottori on tehoonsa nähden kallis ja painava. Wikipedian artikkeli kuumailmamoottoreista Höyrykoneessa kiehutetaan vettä suljetussa kattilassa, josta korkeapaineinen höyry johdetaan luistiventtiin ohjaamana koneen sylinteriin, vuorotellen männän kummallekin puolelle. Animaatio: höyrykone Polttomoottorit. Bensiini- ja dieselmoottorit ovat polttomoottoreita. Niissä polttoaine palaa moottorin sylinterin sisällä, jolloin polttoaineen sisältämä kemiallinen energia muuttuu lämpöenergiaksi. Lämpö saa sylinterin sisältämän kaasun laajenemaan. Kaasu työntää mäntää, jolloin osa lämpöenergiasta muuttuu mekaaniseksi energiaksi.
Animaatio: dieselmoottori