Aineen rakenne the structure of matter

Samankaltaiset tiedostot
Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Luvun 12 laskuesimerkit

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Lämpöopin pääsäännöt

Länsiharjun koulu 4a

Aineen olomuodot ja olomuodon muutokset

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Liike ja voima. Kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia ja niistä aiheutuvia liikeilmiöitä

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Kemiallinen reaktio

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

Lämpöistä oppia Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

FYSIIKKA. Mekaniikan perusteita pintakäsittelijöille. Copyright Isto Jokinen; Käyttöoikeus opetuksessa tekijän luvalla. - Laskutehtävien ratkaiseminen

4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

Pituuden lämpötilalaajeneminen ja -kutistuminen

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

SMG-4500 Tuulivoima. Ensimmäisen luennon aihepiirit. Ilmavirtojen liikkeisiin vaikuttavat voimat TUULEN LUONNONTIETEELLISET PERUSTEET

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Kaasu Neste Kiinteä aine Plasma

Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

Kun voima F on painovoimasta eli, missä m on massa ja g on putoamiskiihtyvyys 9.81 m/s 2, voidaan paineelle p kirjoittaa:

Energian varastointi ja uudet energialähteet

Tehtävä 2. Selvitä, ovatko seuraavat kovalenttiset sidokset poolisia vai poolittomia. Jos sidos on poolinen, merkitse osittaisvaraukset näkyviin.

Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa.

NESTEIDEN ja ja KAASUJEN MEKANIIKKA

Aurinko. Tähtitieteen peruskurssi

Lämpöistä oppia ja energiaa Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka

Fysiikan kurssit. MAOL OPS-koulutus Naantali Jukka Hatakka

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

Kpl 2: Vuorovaikutus ja voima

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

Elastisuus: Siirtymä

PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2016

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

Kertausta 1.kurssista. KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Atomin rakenne ja jaksollinen järjestelmä. Hiilen isotoopit

elektroni = -varautunut tosi pieni hiukkanen nukleoni = protoni/neutroni

a) Kuinka pitkän matkan punnus putoaa, ennen kuin sen liikkeen suunta kääntyy ylöspäin?

LYTH-CONS CONSISTENCY TRANSMITTER

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

1. Kumpi painaa enemmän normaalipaineessa: 1m2 80 C ilmaa vai 1m2 0 C ilmaa?

Valomylly. (tunnetaan myös Crookesin radiometrinä) Pieni välipala nykyisin lähinnä leluksi jääneen laitteen historiasta.

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

3.4 Liike-energiasta ja potentiaalienergiasta

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

VASTAUKSIA YO-KYSYMYKSIIN KURSSISTA FY2: Lämpö

f) p, v -piirros 2. V3likoe klo

FYSIIKAN HARJOITUSTEHTÄVIÄ

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Aine ja maailmankaikkeus. Kari Enqvist Helsingin yliopisto ja Fysiikan tutkimuslaitos

782630S Pintakemia I, 3 op

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Tämän päivän ohjelma: ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Exercise 1. (session: )

Copyright 2008 Pearson Education, Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley.

On instrument costs in decentralized macroeconomic decision making (Helsingin Kauppakorkeakoulun julkaisuja ; D-31)

Muunnokset ja mittayksiköt

1 Eksergia ja termodynaamiset potentiaalit

Esim: Mikä on tarvittava sylinterin halkaisija, jolla voidaan kannattaa 10 KN kuorma (F), kun käytettävissä on 100 bar paine (p).

Kryogeniikan termodynamiikkaa DEE Kryogeniikka Risto Mikkonen 1

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

On instrument costs in decentralized macroeconomic decision making (Helsingin Kauppakorkeakoulun julkaisuja ; D-31)

Vedetään kiekkoa erisuuruisilla voimilla! havaitaan kiekon saaman kiihtyvyyden olevan suoraan verrannollinen käytetyn voiman suuruuteen

Luento Entrooppiset voimat Vapaan energian muunoksen hyötysuhde Kahden tilan systeemit

Teoreetikon kuva. maailmankaikkeudesta

Mustan kappaleen säteily

Perusvuorovaikutukset. Tapio Hansson

Ydinfysiikkaa. Tapio Hansson

Käsitteet: ilmanpaine, ilmakehä, lappo, kaasu, neste

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA


- Termodynamiikka kuvaa energian siirtoa ( dynamiikkaa ) systeemin sisällä tai systeemien kesken (vrt. klassinen dynamiikka: kappaleiden liike)

1. SIT. The handler and dog stop with the dog sitting at heel. When the dog is sitting, the handler cues the dog to heel forward.

VUOROVAIKUTUKSESTA VOIMAAN JA EDELLEEN LIIKKEESEEN. Fysiikan ja kemian pedagogiikan perusteet (mat/fys/kem suunt.), luento 1 Kari Sormunen

Uusi Ajatus Löytyy Luonnosta 4 (käsikirja) (Finnish Edition)

REAKTIOT JA TASAPAINO, KE5 KERTAUSTA

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

6. helmikuuta Syventävien opintojen seminaari Joulupukin fysiikka. Juho Arjoranta

HSC-ohje laskuharjoituksen 1 tehtävälle 2

6. Yhteenvetoa kurssista

Suhteellinen nopeus. Matkustaja P kävelee nopeudella 1.0 m/s pitkin 3.0 m/s nopeudella etenevän junan B käytävää

Fluidi virtaa vaakasuoran pinnan yli. Pinnan lähelle muodostuvan rajakerroksen nopeusjakaumaa voidaan approksimoida funktiolla

(Toni käynyt läpi viime perjantaina) Työ W kuvaa energiaa, jonka käytät tietyn voiman tekemiseen. Work is energy, that you use in applying a force.

VUOROVAIKUTUKSESTA VOIMAAN JA EDELLEEN LIIKKEESEEN. Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka, luento Kari Sormunen

Aineen olemuksesta. Jukka Maalampi Fysiikan laitos Jyväskylän yliopisto

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 VESI

Transkriptio:

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.

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.

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.

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.

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?

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?

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 0,0000005 K (MIT 2015)

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

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 =7030500 Pa 7,0 MPa

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!

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 101325 Pa = normaali ilmanpaine normal air pressure Air pressure is higher closer to the earth. 1 bar = 100 000 Pa normaali ilmanpaine 760 mmhg = 101 325 Pa Korkeilla vuorilla ilmanpaine on paljon alhaisempi, jopa puolet normaalista. In mountains the air pressure is much lower.

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