Läpöoppia Haarto & Karhunen
Läpötila Läpötila suuren atoi- tai olekyylijoukon oinaisuus Liittyy kiinteillä aineilla aineen atoeiden läpöliikkeeseen (värähtelyyn) ja nesteillä ja kaasuilla liikkeisiin Atoien ja olekyylien keskiääräinen nopeus ja kiinteillä aineilla keskiääräinen läpövärähtelyn suuruus ovat verrannollisia läpötilaan, aineen sisäiseen liike-energiaan. SI-järjestelän ukainen perusyksikkö (terodynaainen läpötila) on kelvin (K) ja johdannaisyksikkö celsiusaste ( C) t ( T C 273,15 K) K Yhdysvalloissa yleisesti käytetty yksikkö on fahrenheit ( F)
Läpötilan ittaainen Neste-lasi-läpöittari Nesteen läpölaajeneinen Kaksoisetalliläpöittari Aineilla erilainen läpölaajeneinen, jolloin läpeneinen aiheuttaa taipuista Vastusläpöittarit Metallit (Platina), lähes lineaarinen riippuvuus Läpöpari, lähes lineaarinen riippuvuus Puolijohteet, epälineaarinen riippuvuus
Sähköagneettiseen säteilyyn perustuvat Infrapunaläpöittarit Läpökaerat Pyroetri korkeat läpötilat Kaasuläpöittarit Tilavuus on vakio, jolloin paine kasvaa läpötilan kasvaessa
Läpölaajeneinen Aineissa atoien väleillä on värähtelyä, joka kasvaa läpötilan kasvaessa. Silloin atoien keskinäinen etäisyys kasvaa ja aine laajenee. Pituuden uutos l l T 0 Pituus l l (1 0 l l0 T ) α on pituuden läpötilakerroin l 0 on alkuperäinen pituus ΔT on läpötilan uutos
Pinta-ala A 2A0 T Tilavuus V VV0T 3V 0T α V on tilavuuden läpötilakerroin Läpötilan vaikutus tiheyteen 1 0 V V (1 3T ) 1 3T 0 (1 3T ) Tiheys siis pienenee läpötilan kasvaessa Poikkeuksena vesi, jolla suurin tiheys on läpötilassa 4 C 0
Pituuden läpötilakertoiia Aine Pituuden läpötilakerroin [10 6 K 1 ] Pii 2,5 Aluiini 23,2 Kupari 16,8 Teräs 12 Betoni 12 Lasi 8 Polystyreeni 60 80
Esierkki Kuinka onta prosenttia kuparipallon tilavuus kasvaa, kun sitä läitetään 55,5 C? T 55,5 C V V V 0 T 17 10 V 3 6 1 C 5110 6 1 C V V 0 T V Vastaus : 0,28 % 5110 6 1 C 55,5 C 0,0028
Läpöäärä Läpöäärä Q on läpötilaeron johdosta kuuasta kylään kohteeseen siirtyvä energia. Läpöäärän yksikkö on joule, J
Oinaisläpökapasiteetti Jokaisella aineella ja niiden olouodoilla on niille oinainen läpöäärä, joka tarvitaan nostaaan 1 kg assan läpötilaa 1 K. Tätä verrannollisuuskerrointa, joka liittää assan ja läpötilan uutoksen läpöäärään, sanotaan oinaisläpökapasiteetiksi, c Kappaleen assan läittäiseen tarvittavaa läpöäärä Q ct on assa T on läpötilan uutos Oinaisläpökapasiteetin yksikkö: J kgc tai J kgk
Aineiden oinaisläpökapasiteetteja Aine C [kj/kgk] Vesi 4,190 Jää 2,10 Etanoli 2,428 Elohopea 0,14 Aluiini 0,90 Hopea 0,234 Kupari 0,39 Lyijy 0,13 Rauta 0,47
Olouodon uutokset Olouodon uutoksissa energiaa siirtyy, utta läpötila ei uutu Sulaispisteessä: jähettyinen, sulainen Kiehuispisteessä: tiivistyinen, höyrystyinen Sublioituispisteessä: häristyinen, sublioituinen
Jokaiselle aineelle oat oinaislatenttiläöt sulaiselle l s ja höyrystyiselle l h Oinaislatenttiläpöjen avulla voidaan laskea assa olouodon uutoksessa tarvittava läpöäärä Q l Olouodon uutospisteessä energian varastointiahdollisuus Oinaislatenttiläpöjä Aine Sulaispiste [ C] l s [kj/kg] Kiehuispiste [ C] l h [kj/kg] Happi -218,8 13,8-183,0 21,3 Vesi 0,00 334 100,0 2260 Aluiini 660 398 2450 11400 Kupari 1083 134 1187 5060 Lyijy 327 24,5 1750 870
Kalorietria Kalorietrisissa laskuissa käytetään läpöääriä Aineeseen tulevat läpöäärät positiivisia ja lähtevät negatiivisia Olouodon uutoksessa ei aina tiedä tapahtuuko uutos osassa vai koko aineäärässä. Alkuperäistä oletusta voi joutua korjaaaan, jolloin laskuja joutuu uusiaan Systeei pyrkii tasapainoon, jossa kaikkialla on saa läpötila
Esierkki Juoalasiin, jossa on 0,20 kg läpötilassa 22 C olevaa ehua, pudotetaan 22 g läpötilassa 0 C olevaa jäätä. Mikä on juoan läpötila tasaantuisen jälkeen? 334 kj/kg C 4,190 kj/kg C 22 C 0 0,20 kg 0,022 kg 1 1 s v j j l c T T C 12 ) ( 0 ) ( ) ( 1 1 2 1 2 1 2 j v j s v j j v v j j v j s c l T c T c T T T c T T c l Q
Läpöenergian siirtyinen Konvektio Nesteet ja kaasut ovat yleensä huonoja läönjohteita. Nesteiden ja kaasujen virtauksella voidaan kuitenkin siirtää läpöenergiaa tehokkaasti. Konvektio on ainevirtausta läpöenergian siirtäiseksi Vapaa konvektio tapahtuu luonnollisen tiheyseron takia Pakotettu konvektio syntyy esi. vesipupun avaulla
Konvektiossa tapahtuvan virtauksen aiheuttaa läpövirta Q ct Φ qct t t issä Q on siirtyvä läpöäärä ja q on assavirta, yksikkö kg/s Konvektion aiheuttaa yleensä läpötilaero Merivirrat Tuulet Pakotetun konvektion puppu tai puhallin
Johtuinen Aineessa läpö leviää töräysten ja lisääntyvän värähtelyn avulla. Läpövirta Φ Q t AΘ d issä A on pinta-ala, d on ainekerroksen paksuus, = T 1 T 2 on läpötilaero, on aineen läönjohtavuus [W/K]
Aineiden läönjohtavuuksia Aine λ [W/K] Kupari 360 Vesi 0,59 Ila 0,026 Ikkunalasi 0,8 Havupuu 0,14 Polyuretaani 0,03
Läpövirta voidaan kirjoittaa uotoon Φ AΘ d Jos tasokerroksia on useita, niin saadaan läpövirraksi AΘ AΘ Φ d R i i i i issä R i käytetään niityksiä tasokerroksen läöneristyskerroin, läpövastus tai läöneristävyys i
Usein käytetään rakenteelle U-arvoa, joka on nieltään yös läönläpäisykerroin 1 U i R i Siten läpövirta voidaan kirjoittaa Φ UAΘ issä on läpötilaero koko rakenteen läpi
Läpöenergian siirtyinen aineiden rajapinnassa Läpöenergian siirtyisen nopeus aineiden rajapinnan yli riippuu pinnan laadusta, asennosta, virtaavasta aineesta ja virtauksen nopeudesta.
Esierkki Asunnon läpötila on 20 C ja ulkoilan läpötila -20 C. Talon sisä- ja ulkoseinä on 12 paksua kuusilautaa ja niiden välissä on 18 c polyuretaania. Kuinka suuri läpövirta johtuu pinta-alaltaan 1,0 2 olevan seinän osan läpi. d d p u p 0,024 0,18 0,14 W/ C 0,03 W/ C u Θ 40 C Φ AΘ d p du p u 6,5 W A 2 1,0
Säteily Kaikki kappaleet säteilevät Kappaleen säteileisvoiakkuus M P on kokonaissäteilyteho A on pinta-ala P A yksikkö W 2
Säteileisvoiakkuus voidaan esittää uodossa M T 4 jossa T on absoluuttinen läpötila, on Stefan-Boltzannin vakio 5,6705110-8 W 2 K 4 on kappaleen pinnan eissiivisyys (01) Ideaalisen ustan kappaleen eissiivisyys on 1 Eissiivisyys riippuu kappaleen ateriaalista, läpötilasta ja säteilyn aallonpituudesta
Kappaleen säteileä teho P AT Vastaavasti kappale absorboi ypäristöstä säteilyä teholla P issä T 0 on ypäristön läpötila, on absorptiosuhde (01) (vrt. ) Kappaleen nettosäteilyteho (usein ) 4 4 0 AT 0 P netto 4 A( T T 4 0 )
Esierkki Kirkkaina öinä auton tuulilasi havaitsee ypäröivää ilaa kyleän taivaan, jolloin tuulilasi säteilee taivaalle eneän energiaa kuin se saa sitä ypäristöstään Tuulilasin läpötila voi tällöin olla n. 4 C ypäristöään kylepi Tällöin ilan aksiikosteus tuulilasin pinnan lähellä laskee ja vesihöyry saattaa tiivistyä tuulilasin pintaan. Jos tuulilasin pinta on riittävän kylä, niin vesihöyry jäätyy sen pinnalle.