3. Mekaaninen energia (Toni käynyt läpi viime perjantaina) 4. Työ, teho ja hyötysuhde Työ W kuvaa energiaa, jonka käytät tietyn voiman tekemiseen. Work is energy, that you use in applying a force. Esim. Nostamalla kynän lattialta, teet työtä maapallon painovoimaa vastaan. Mitä korkeammalle nostat kynän, sitä enemmän työtä teet. Kun vakiovoima F liikuttaa kappaletta samaan suuntaan matkan s, tekee voima työn W = F s Työn yksikkö on sama kuin energialla, joule J.
Esim. Kynä painaa 10 g. Nostat sen lattialta pöydälle, 75 senttimetrin korkeuteen. Paljonko teet työtä? How much work is done when lifting a 10 g pen 75 cm? F=m a = 0,01kg 9,81 m/s^2 = 0,0981 N 0,10 N W= F s = 0,0981N 0,75m = 0,073575 J 74 mj Työ muuttaa energian yhdestä muodosta toiseen. Ihmisen kehoon varastoitunut kemiallinen energia mahdollistaa kynän nostamisen pöydälle. Kynän nostaminen lisää kynän potentiaalienergiaa. Work transfers our chemical energy from our body to the mechanical energy of the pen.
Jos kynä pudotetaan lattialle, muuttuu potentiaalienergia ensin kynän liike-energiaksi, ja lopulta energia "kuluu" kynän hajottamiseen (lyijy katkeaa), äänen muodostamiseen (kolahdus lattialla), ja lattian ja kynän lämpöenergiaksi. When the pen drops, its energy is transferred into speed and then as it hits the floor to sound, heat and reshaping of the pen. Huomaa, että energian säilymislaki toteutuu! Note that the energy is conserved! Esim. Risu-ukko nostelee risuja pakettiautoon ja purkaa ne virkistysalueelle. Risujen massa on 17 kg ja pakettiauton lattia on 38 cm korkeudella maasta. Paljonko töitä risu-ukko tekee (painovoimaa vastaan) a) lastatessaan kuorman? b) purkaessaan kuorman? How much work does the man do (against the gravity), when lifting the sticks a) in the van b) out of the van?
a) Risujen nostaminen tekee työtä painovoimaa vastaan, joten siinä tehty työ lasketaan vastaavalla tavalla kuin äsken: F = m a = 17 kg 9,81 m/s^2 = 166,77 N 170 N W = F s = 166,77 N 0,38 m =63,3726 J 63 J Eli risu-ukko tekee 63 J työtä. b) Koska vain painovoiman suuntaa vastaan tehty työ lasketaan, ei risujen siirtäminen sivusuunnassa tai laskeminen maahan tee työtä (painovoimaa vastaan). Man does no work, because the sticks are not moved against the gravity field. Todellisuudessa on muitakin voimia kuin painovoima, jota vastaan tehdään työtä, kuten ilmanvastus, kitka yms. Kts. s.35 kuva! There are other types of work than just against the gravity, such as friction!
Huomaa, että 63 J on hyvin pieni energia. Esim. yhdessä aakkoskarkissa (4g) on 56000 J. One candy has about 56000 J. Ihmiskeho käyttää energiaa moneen muuhun asiaan kuin pelkään nostelutyöhön. Teho P kuvaa kuinka nopeasti työtä tehdään. Power tells how quickly work is done. Keskimääräinen teho lasketaan jakamalla tehty työ siihen kuluneella ajalla, eli Tehon yksikkö on watti W. Esim. Antti ja Ari juoksevat rappusia ylös 3 metrin korkeudelle. Antilla kuluu juoksemiseen 7 sekuntia, Arilla 9 sekuntia. Kummalla on suurempi teho, kun Antin massa on 90 kg ja Arin massa on 110 kg? Antti (90kg) and Ari (110kg) run 3 m high stairs in 7 and 9 seconds. Which has bigger power?
Antti nousee ylös voimalla F=m a = 90 kg 9,81m/s^2 = 882,9 N Vastaavasti Ari: F=110 9,81m/s^2 = 1079,1 N Antin tekee noustessaan työn W=F s = 882,9 N 3 m = 2648,7 J Vastaavasti Ari: W=1079,1N 3m = 3237,3 J Antin keskimääräinen nousemisteho P = W/t = 2648,7 J / 7 s = 378,3857 W 380 W Vastaavasti Ari: P = 3237,3 / 9s = 359,7 W 360 W Eli Antti on hieman tehokkaampi.
Kone on systeemi, joka välittää/muuttaa energiaa. Machine is a system that tranfers energy from one form to another. Hyötysuhde kuvaa sitä, kuinka monta prosenttia koneen ottamasta energiasta saadaan tuotettua haluttuna energiana. Efficiency tells which percentage of energy can be transferred. Hyötysuhde (eeta) saadaan laskettua jakamalla tuotettu energia ottoenergialla. Koska kaikkea energiaa ei saada muutettua haluttuun muotoon, vaan osa menee hukkaan, ovat kaikki hyötysuhteet aina alle 1=100%. Mikäli koneen hyötysuhde on 100%, on kyseessä ikiliikkuja, joka ei koskaan pysähdy. Mikäli koneen hyötysuhde on yli 100%, tekee kone energiaa tyhjästä, mikä on ristiriidassa energian säilymislain kanssa!
Efficiency is always less than 100%! Perpetual motion machine is impossible to build because it has 100% or more efficiency. Esim. Vedenkeittimen ottoteho on 2200 W ja se tuottaa 1900 W tehon. Mikä on vedenkeittimen hyötysuhde? Eli vedenkeittimen hyötysuhde on n. 86%.
5. Lämpö ja energian siirtyminen Kaksi kappaletta, joilla on eri lämpötila, vaihtavat energiaa keskenään. Siirtyvän energian määrä on lämpömäärä Q (yksikkö J). Kylmemmän kappaleen sisäenergia kasvaa ja kuumemman kappaleen sisäenergia laskee lämpömäärän Q verran. 2 objects in different temperatures will exchange energy, until their temperatures are the same. This thermal energy Q is the amount of energy that goes from warmer to the colder. Lämpöopin nollas pääsääntö: Zeroth Law of Thermodynamics: Eristetyssä systeemissä olevien kappaleiden lämpötilaerot tasaantuvat itsestään, päätyen termiseen tasapainoon. In an isolated system the temperatures will spontaneously go to equilibrium.
Energia voi siirtyä termodynaamisten systeemien välillä kolmella tavalla 3 ways of heat transferring: 1. Kuljettumalla väliaineen mukana (Convection= heat tranfers with a fluid/gas) 2. Johtumalla aineen sisällä (Conduction= heat transfers through object) 3. Sähkömagneettisena säteilynä (Electromagnetic Radiation) Lämpöenergian kuljettuminen Convection merivirrat ocean currents lämmin vesi kiertää pattereissa hot water flowing in a radiator tuuli kuljettaa lämpimiä ilmamassoja wind pushes warm bodies of air energia kulkee aineen mukana liquid/gas transfers heat in itself
Lämpöenergian johtuminen Conduction kahvikupissa oleva lusikka lämpiää ylhäältä a spoon in a coffee cup get warm at the top mikrotasolla aineen osaset värähtelevät, pakottaen niiden viereisetkin osaset värähtelemään, jolloin lämpöenergia johtuu on micro level the molecules vibrate, causing their neughbouring molecules to vibrate too tarvitsee aina aineen, mitä pitkin johtua needs a substance in which to conduct Sähkömagneettinen Säteileminen Electromagnetic Radiation ei tarvitse väliainetta doesn't need matter aurinko lämmittää sun radiates kuuma metalli säteilee näkyvää valoa kun se hehkuu punaisena metal is radiating red/ yellow light when it is very hot kiiltävä pinta heijastaa säteilyä, musta mattapinta imee parhaiten säteilyä shiny metal reflects radiation, matt black absorbs it lämpösäteily ei yleensä näkyvää valoa heat radiation is usually not visible light
PROJEKTITYÖ 1. Tutkimusuunnitelma (max 5p) Lue kirjan ohjeistus työhön sivulta 49 Päätä, millaisen koejärjestelyn teet, ja millälailla suoritat mittaukset Mieti, millaisia välineitä/kuppeja/eristeitä/ vedenlämmitystapoja/ajamittausvälineitä sinulla on saatavilla kotona Mieti, mitä asiaa tutkit, ja miten tutkimuksesi vastaa siihen! Mieti, miten mittaat, ja miten saat tarkan ja toistettavan tuloksen Opettaja jakaa lämpömittarin jokaiselle lainaan, kun tutkimussuunnitelma on hyväksytty (Lauri antaa Siikalatvalla) Kysy opettajalta tarvittaessa apua ja neuvoja suunnittelussa, vasta kun suunnitelma on molempien mielestä tarpeeksi hyvä, niin se hyväksytään Palauta mieluiten sähköisenä sähköpostiin a.pekkala@gmail.com
2. Mittausten tekeminen Tee Mittauspöytäkirja, johon merkitset mittausten tulokset tee mittaukset mahdollisimman luotettavasti, tarvittaessa pari kertaa toistaen Käytä tarpeeksi aikaa! Astian ja siinä olevan veden jäähtyminen vie aikaa Ota välineistöstä kuvia, tarvittaessa video 3. Työselostuksen kirjoittaminen (max 15p) Noudata kirjan ohjeistusta, mitä työselostukseen kirjoitat Kysy opettajalta ohjeita ja vinkkejä omaan työselostukseen Palauta mieluiten sähköisenä sähköpostiin a.pekkala@gmail.com
PROJECT In English 1. Research plan (max 5 points) Read the instructions of the project from p.49 (Antti will translate them) Decide what kind of set up will you make for your research
6. Lämpöopin I ja II pääsääntö Kappaleen sisäenergia kuvasi siihen varastoitunutta energiaa. Sitä ei voi suoraan mitata, mutta sen muutokset voidaan mitata. Internal energy is energy that is stored inside the object/system. It can't be measured, but changes in internal energy can be measured. Sisäenergiaa voidaan muuttaa joko Internal energy can be changed by tekemällä kappaleeseen työtä esim. nostamalla sitä painovoimaa vastaan ja antaen sille potentiaalienergiaa doing work to an object, for example lifting it against the gravity, giving it potential energy tai antamalla sille lämpöä esim. lämmittämällä kappaletta or giving it thermal energy by heating Tämä on lämpöopin I pääsääntö! This is the 1st law of Thermodynamics.
Sama kaavan avulla: U = sisäenergia internal energy U = sisäenergian muutos change in the internal energy Q = systeemiin tuotu lämpöenergia thermal energy transferred into the system W = systeemiin tehty työ work Lämpöopin I pääsääntö U = Q + W Eli sisäenergian muutos ei ole ainoastaan työtä (kuten kynän nostaminen pöydälle) vaan myös aineeseen siirtynyttä (tai poistunutta) lämpöä. Mitä tapahtuu kaasulle, kun sitä lämmitetään? What happens to the gas when you heat it?
Lämmitetty kaasu laajenee. Gas expands when it's heated. Laajeneva kaasu tekee työtä, kun se työntää sylinteriä ja sen päällä olevaa painoa. Expanding gas does work, when it pushes the weight up. Jos paine on vakio, tekee kaasu laajetessaan työn In constant pressure expanding gas does work W = -p V Esim. Kaasua lämmitetään, jolloin se laajenee vakiopaineessa 101325 Pa tilavuudesta 10 l tilavuuteen 12 l. Kaasun sisäenergia ei muutu. Paljonko kaasu saa lämpöenergiaa? Gas is heated in constant pressure, expanding from 10 l to 12 l. How much thermal energy does the gas get, when the internal energy doesnt change?
Lasketaan kaasun tekemä työ: W =-p V=-101325 Pa 0,002 m^3 =-202,65 J -203 J Sisäenergian muutos U=0, eli Q + W = 0 Silloin kaasuun tulee lämpöenergiaa Q 203 J Yleensä lämpötilan kasvaessa kasvaa myös kaasun paine, jolloin laskeminen on haastavampaa (ei lukiotason laskuja). Mutta kaavion tarkastelu vastaavissa tilanteissa on lukion oppimäärää: Missä kaasu tekee työtä? Missä kaasua lämmitetään?
Mitä tapahtuu, kun What happens when tiputat lautasen lattialle? you drop a plate on the floor? laitat kahviin maitoa? you put milk in the coffee? laitat kuumaan teeveteen jääpalan? you put ice cube in a hot tea water? Tapahtuuko koskaan sama tapahtuma toiseen suuntaan? Does the opposite ever happen? Jääpala sulaa kuumaan veteen automaattisesti, mutta jääpala ei koskaan muodostu erilleen muusta vedestä. Tätä epäjärjestyksen lisääntymistä kutsutaan entropiaksi. Luonnossa epäjärjestys eli entropia aina kasvaa. Ice cubes can melt into water, but they never form out of the water. This is called entropy, growing disorder. Tämä ilmiö on lämpöopin II pääsääntö. This is the second law of thermodynamics.
Lämpöopin II pääsääntö: Kaikki termodynaamiset prosessit suuntautuvat kohti tasapainoa. All thermodynamic processes head towards an equilibrium (balance). Eristetyn termodynaamisen systeemin entropia kasvaa, kunnes systeemi saavuttaa tasapainotilan. The entropy of an isolated thermodynamic system increases until it reaches an equilibrium. järjestys epäjärjestys erilaisuutta kaikki samaa order disorder seperate all same (Maxwellin demoni Maxwells demon:)
Vaikka kaikki eristetyt systeemit menevätkin kohti epäjärjestystä, voidaan silti tekemällä työtä saamaan aikaan järjestystä. Esim. maapallolle tulee enemmän energiaa kuin sieltä lähtee (auringosta), joten maapallolla on mahdollista kasvattaa järjestystä. Order can be achieved in nature by doing work. This is possible, because sun gives us energy more than leaves the earth. Energian huononeminen tarkoittaa sitä, että energia muuttuu muotoon, jota ei saada hyödynnettyä tehokkaasti. Lämpöenergia on yleensä tällaista energiaa. Transferring energy from one form into another, some of the energy gets "wasted" as a heat. Waste heat is energy, which we cannot use effectively. Esim. moottori lämpiää sen tehdessä työtä, jolloin osa energiasta menee "hukkaan". Engine wastes some of its energy by heating up, and producing heat waste.
7 Lämpökone Lämpökone on kone, joka luovuttaa tai vastaanottaa energiaa lämmön ja työn välityksellä. Lämpökoneita on kahdenlaisia: lämpövoimakone, joka muuttaa lämpöä (mekaaniseksi) työksi, esim auton moottori heat engine, transfers thermal energy into (mechanical) work, for example car engine lämmönsiirtokone, joka siirtää lämpöä kylmemmästä kuumempaan tekemällä työtä heat pump, tranfers thermal energy from colder to warmer by doing work Työ on tässä yhteydessä koko koneen tekemä työ, ei yksittäisen voiman. Work in this instance means the work done by the whole machine, not by a single force.
Lämpövoimakone perustuu siihen, että energia siirtyy spontaanisti koneen läpi, jolloin osa siitä voidaan ottaa talteen työnä. Energy flows spontaneously through a heat engine, and some of this energy can be transformed into work. Lämpövoimakoneen energiavirtojen kaavio Heat engine diagram Lämpösäiliöiden lämpötilaero tekee energian virtaamisesta spontaanin, ja osa tästä energiasta voidaan hyödyntää.
Lämpövoimakoneen hyötysuhde: Efficiency of a heat engine: Lämpövoimakoneen lämpö ja kylmäsäiliöiden lämpötilat määräävät, kuinka suuri hyötysuhde voi olla enintään. Maksimihyötysuhdetta kutsutaan Carnot-hyötysuhteeksi: Esim. Lämpövoimakoneen energiavirtojen kaavio on annettu. Määritä sen hyötysuhde ja Carnot-hyötysuhde. Calculate the efficiency and maximum efficiency.
Nyt Q1=340 MJ ja Q2=210 MJ eli hyötysuhde on n. 38% Lämpötilat kelvineinä: T1 = 273,15 + 340 = 613,15 K T2 = 273,15 + 60 = 333,15 K Silloin Carnot hyötysuhde on eli maksimhyötysuhde on n. 46%
Lämmönsiirtokone siirtää (ulkopuolisen) työn avulla lämpöä kylmemmästä kuumempaan, eli ei-spontaaniin suuntaan. Heat pump transfers heat from colder to warmer (the non-spontaneous way) with work. Tämä luo järjestystä, mutta koska tähän käytetään energiaa työnä, entropia silti kasvaa. This creates order, but because it takes work, it still makes entropy grow. Lämmönsiirtokoneen energiavirtojen kaavio Heat pump diagram Esim. Jääkaappi, ilmalämpöpumppu ja maalämpöpumppu ovat lämmönsiirtokoneita. A fridge, an air source heat pump and a ground source heat pump are examples of heat pumps.
Jääkaapin jäähdytysaineen kiertokaavio: Fridge: Kylmäaine kiertää höyrystimessä, jäähdyttäen jääkaappia lämpenemällä itse Cold liquid gets warmer in "höyrystin" Kompressori nostaa kiertävän kylmäaineen painetta, jolloin sen lämpötila kasvaa "Kompressori" uses work to rise the pressure and temperature of the liquid Lämpötila alenee lauhduttimessa extra heat goes away in "lauhdutin" Kuristusventtiili laskee paineen, jolloin päästään kylmempään lämpötilaan kuin mitä kompressorille tulee "kuristusventtiili" lowers the pressure, making the liquid colder than what it was when going to the "kompressori"
Ilmalämpöpumppu toimii vastaavasti, kun se on jäähdyttämisasennossa. Kun se lämmittää taloa, ottaa se lämpöä talon ulkopuolelta, ja tuoden sen sisälle. Air source heat pump works the same way when it's cooling inside air, but it's reversed when it is used for heating up. Then it takes heat from outside and brings it inside. Maalämpöpumppu ottaa lämmön syvältä maasta, mutta toimii muuten samoin. Ground source heat pump takes the heat from deep underground, but is principally the same.