LÄMPÖOPPI Lämpöppi käsittelee lämpöön liittyviä keskeisiä asiita kuten lämpölaajenemista, minaislämpökapasiteettia, lämpöenergiaa ja lämmön siirtymistä. Mitä lämpö n? Lämpö n aineen värähtelyä, jssa aineen atmit tai mlekyylit vat jatkuvassa npeassa liikkeessä. Aineen liike n hyvin npeaa, mutta liikesuunnat vaihtuvat jatkuvasti, jten sitä ei vi havaita. Esim. ilmassa levien happimlekyylien lämpöliike n nin 500 m/s huneen lämpötilassa. Värähtelyä santaan lämpöliikkeeksi. Mitä krkeampi lämpötila n, sitä vimakkaampaa värähtely ja lämpöliike n. Kuva 1. Aine värähtelee lämmön vaikutuksesta Lämpötilalla ei tiedetä levan tarkkaa ylärajaa. Suurimpia lämpötilja saavutetaan ydinreaktiissa ja tähtien räjähdyksissä. Lämpötilat vivat lla miljnia C-asteita tai enemmän. Tässä mielessä ihmisen elinympäristö n hyvin kylmä; hyvin lähellä kylmintä mahdllista lämpötilaa. Lämpötila-asteikt Yleisin käytettävä lämpötila-asteikk n Celsius- asteikk ( C), jssa 0 C-asteeksi n valittu veden jäätymislämpötila ja 100 C- asteeksi n valittu veden kiehumislämpötila. Tinen yleinen lämpötila-asteikk n Kelvin asteikk ( K ), missä 0 K-asteeksi n valittu absluuttinen nllapiste. Absluuttisen nllapisteen lämpötila C-asteiklla n 273,15 C. Kemian, fysiikan ja niihin liittyvien teknisen laskennan yhteydessä n yleensä parempi käyttää Kelvin-asteikka. Celsius- ja Kelvin asteikkjen muuntaminen tisiinsa ei le vaikeaa, kska mlemmissa asteikissa yhden asteen muuts vastaa samaa lämpötilamuutsta. Lämpötila-asteikn nllakhta vain n valittu eri paikkaan. Kuva 2. Lämpötila-asteikkjen vertailua Lämpötilan ala- ja ylärajat Lämpötilalla n alaraja jta alemmas lämpötila ei vi laskea. Tätä lämpötilaa kutsutaan absluuttiseksi nllapisteeksi. Absluuttisessa nllapisteessä aineen värähtely lppuisi, kaikki aine lisi kiinteässä mudssa. Absluuttista nllapistettä n nykykäsityksen mukaan kuitenkin mahdtnta saavuttaa. Hyvin lähelle sitä n kuitenkin päästy. Sumalaisilla n llut hallussaan ennätys jka li alle 1/1000 C asteen päässä absluuttisesta nllapisteestä.
Esim 1. Mikä n lämpötila Kelvin asteiklla kun lämpötila n C-asteiklla a) + 25 Lämpötila n: 273,15+25 K =298,15 K b) 30 C Lämpötila n 273,15 30 K =243,15 K Esim 2. Mikä n lämpötila C -asteiklla kun lämpötila n Kelvin asteiklla a) 312 K 312 K 273,15 C =38,85 C b) 260 K 260 K 273,15 C =-13,15 C Lämpölaajeneminen Lämpötilan nusu laajentaa aineita ja vastaavasti lämpötilan lasku supistaa niitä. Lämpölaajeneminen n eri materiaaleilla eri suurta. Metallien lämpölaajeneminen n suurempaa kuin esim. lasin ja puun, mutta pienempää kuin muvien. Lämpötilan aiheuttama pituuden muuts vidaan laskea kaavalla: missä, l = tl l =pituuden muuts ( m ) =pituuden lämpötilakerrin ( 1/ C) t=lämpötilan muuts ( C ) l=kappaleen pituus alussa ( m ) Esim 3. Miten paljn 200 m pitkän teräsputken pituus kasvaa kun lämpötila nusee 20 C? Teräksen lämpötilakerrin n 0,000012 0,000012 20C 200m l 0,048m 4, 8cm C 2.2.1 Pituuden lämpölaajenemiskertimia Aine Lämpölaajenemiskerrin ( 1/ C) Muvi ( PVC ) 0,00008 Alumiini 0,000024 Betni 0,000012 Teräs 0,000012 Puu 0,000004 Edellisestä havaitaan, että muvin lämpölaajenemiskerrin n nin seitsemän kertainen teräkseen nähden. Puun lämpölaajeneminen n yllättävän vähäistä. Puun laajeneekin ja kutistuu runsaasti ksteuden vaikutuksesta. Myös nesteet laajenevat ja kutistuvat lämpötiljen vaihteluista. Esim bensiinin tilavuus kasvaa10 C asteen lämpötilan nusussa 0,096 %:ia. Liutinaineiden lämpölaajeminen n suuruudeltaan samaa lukkaa bensiinin kanssa. Esim 4: 50 bensiinilitran lämpötila nusee 30 C-astetta. Paljnk bensiinin tilavuus kasvaa? v 50l 0,000096 1 30C 0, 144l C Lämpöenergia Lämpöenergia n aineeseen situtunutta energiaa jka n tutu aineeseen jllakin tavalla. Näitä tapja vivat lla mm: - Aurink lämmittää merivettä - Palavat puut lämmittävät takkaa - Sähkövastus kuumentaa vettä - Kitka kuumentaa autn jarruja - Palava bensiini lämmittää autn mttria
Lämpöenergian yksikkö n Jule ( J ), kuten muidenkin energiamutjen. Puhuttaessa lämpömäärästä n kyseessä itse asiassa lämpöenergia. Myös lämpömäärän yksikkö n Jule. Lämpömäärän tunnus n Q. Energian yksikkönä käytetään hyvin usein yksikköä kwh. Näin mm. sähkölaskuissa. Juleyksiköt ja kwh-yksiköt vidaan muuttaa tisikseen seuraavilla muuntkertimilla. J kj MJ kwh 1000 1 0,001 0,000277 1000000 1000 1 0,277 3600000 3600 3,6 1 Esim 5:Veden lämmittämiseen kuluu energiaa 250 kj. Paljnk energiaa kuluu yksikössä kwh? E 2500kJ 0,000277 kwh 0, 6925kWh kj Aineeseen vidaan sita lämpöenergiaa lämmittämällä sitä jllakin keinlla. Tällöin situtunutta lämpöenergiaa vidaan käyttää hyödyksi esim. rakennusten lämmityksessä. Lunt pyrkii aina tasittamaan lämpötilaerja. Lämpöä siirtyy aina lämpimämmästä aineesta kylmempään. Js aineen lämpötila n absluuttisessa nllapisteessä ei siihen enää le situtunut lämpöenergiaa. Aineessa jnka kemme kylmäksi n situtunutta lämpöenergiaa. Aineen kkeminen kylmänä jhtuu siitä että kun aine n ihmistä kylmempää siirtyy ihmisestä lämpöenergiaa kylmempään aineeseen. Aineeseen situtuvan lämpöenergian määrä riippuu: a) Aineen massasta ( määrästä ) b) Aineen minaislämpökapasiteetista Ominaislämpökapasiteetti Ominaislämpökapasiteetti n lukuarv jka ilmaisee paljnk yhden kiln painiseen aineeseen n tutava lämpöenergiaa, jtta sen lämpötila nusee yhden Kelvin- (tai C ) asteen. Vastaavasti minaislämpökapasiteetti ilmaisee paljnk yhden kiln paininen aine luvuttaa lämpöä jäähtyessään yhden Kelvin- ( tai C ) asteen. Mitä suurempi minaislämpökapasiteetin arv n, sitä enemmän aine kykenee sitmaan itseensä lämpöenergiaa lämmetessään ja luvuttamaan lämpöenergiaa jäähtyessään. Ominaislämpökapasiteetin tunnus n c p ja sen yksikkö n: C p = kj / K kg ( kj / Ckg ) Eri aineiden minaislämpökapasiteetteja Aine Cp ( kj ( Kkg) Vesi 4,19 Jää 2,09 Teräs 0,47 Kupari 0,39 Alumiini 0,9 Lasi 0,83 Ilma 1,0 Edellisestä tauluksta vidaan havaita, että vedellä n varsin suuri minaislämpökapasiteetin arv verrattuna mm. metalleihin. Tästä jhtuen veteen vi situtua humattavan paljn lämpöenergiaa. Tätä käytetäänkin hyväksi käyttämällä kuumaa vettä mm. rakennusten lämpöjärjestelmissä. Kun veden minaislämpökapasiteetti n suuri vaatii se lämmitysvaiheessa paljn lämpöenergiaa. Jäähtyessään se vastaavasti luvuttaa vastaavan energiamäärän.
Kska C ja K-asteikkjen astevälit vat samat, vidaan tehtävässä muuttaa C asteet K-asteiksi tai päinvastin sillin kun kyseessä n lämpötilan muuts. Esim. lämpötilan nustessa 10 K-astetta se samalla nusee myös 10 C-astetta. Esim 5. Paljnk tarvitaan energiaa lämmittämään 200 kg vettä 30 C astetta? E 4,19kJ/ C kg30 25140kJ 25,14MJ C 200kg Esim.6: Paljnk tarvitaan energiaa lämmittämään 5000 m 3 ilmaa 20 C-asteesta + 20 C-asteeseen? Ilman tiheys n 1,3 kg/m 3. E 1,0kJ/ 1,3kg/ m 3 C kg 40 C 5000m 260000kJ 260MJ Esim. 7. Paljnk tarvitaan energiaa lämmittämään 200 litraa vettä + 20 Casteesta + 65 C-asteeseen? 0,47kJ15kg(220 20 C) E 1410kJ C kg Esim. 8. Paljnk tarvitaan energiaa lämmittämään 15 kg rautaa +20 C- asteesta + 220 C-asteeseen? Vastaus 0,47kJ15kg(220 20 C) E 1410kJ C kg 3 Olmutjen muutkset Aineiden lmudt vat yleensä jk kiinteä, neste tai kaasu. Hyvin krkeissa lämpötilissa aine vi lla myös plasman mudssa. Plasmassa aineen lämpötila n hyvin krkea; tuhansia C- asteita. Plasmamudssa aineen lämpöliike n niin suurta, että aineen elektrnit liikkuvat vapaasti. Kaikki aineet vivat lla kaikissa lmudissa. Se missä lmudissa ne vat riippuu lämpötilasta. Esim. nrmaalissa huneen lämpötilassa happi n kaasua. Js happea jäähdytetään tarpeeksi se nesteytyy. Js jäähdytystä jatketaan lisää se muuttuu lpulta kiinteäksi aineeksi. Metallit vat elhpeaa lukuun ttamatta huneen- lämpötilassa kiinteitä. Js lämpötilaa nstetaan tarpeeksi krkeaksi ne sulavat ja muuttuvat nestemäiseen mutn. Hyvin krkeissa lämpötilissa metallitkin kaasuuntuvat. Mnilla aineilla kuten metalleilla n tarkka sulamislämpötila. Amrfisilla aineilla kuten lasilla ei le selkeää sulamispistettä. Kun aineen lmut muuttuu niin muuts jk kuluttaa tai luvuttaa lämpöä. Olmutjen muutksia vat: - Sulaminen - Jähmettyminen - Höyrystyminen - Tiivistyminen Aineiden lmutjen muutksissa kuluu tai luvutetaan runsaasti energiaa. Kun kiinteä aine nesteytyy tai nestemäinen aine höyrystyy tarvitaan lmutjen muutksiin runsaasti energiaa.
Veden sulaminen ja jäätyminen Veden sulamislämmön arv n 333 kj / kg. Kun yksi kilgramma 0 C- asteista jäätä sulaa 0 C- asteiseksi vedeksi kuluttaa sulaminen energiaa 333 kj. Vertailun vuksi yhden kiln 0 C- asteisen veden lämmittäminen 79 C- asteiseksi vedeksi kuluttaa saman verran energiaa. Sulamiseen tarvittavan energian määrä n siis suuri mikä n helpp havaita mm. lumen ja jään hitaana sulamisena keväisin. Kun vesi jäätyy luvuttaa se ympäristöön saman 333 kj / kg energiamäärän. Kuva 3.Vesi eri mudissaan Veden höyrystymislämpö 100 C- asteen lämpötilassa n 2260 kj/kg, eli höyrystymiseen tarvitaan energiaa tdella paljn verrattuna veden lämmittämiseen. Vesi vi höyrystyä myös alhaisissa lämpötilissa. Tällöin energiaa kuluu vielä enemmän. Vertailun vuksi veden höyrystyminen kuluttaa energiaa yli viisinkertaisesti verrattuna veden lämmittämiseen 0 C-asteesta + 100 C- asteeseen. Kun vesihöyry tiivistyy, luvuttaa se saman määrän energiaa kuin mitä höyrystyminen kulutti. Esim.9. Paljnk tarvitaan energiaa sulattamaan 10 kg 0C-asteista jäätä 0C.asteiseksi vedeksi? E 333kJ / kg10kg 3330kJ Esim. 10. Paljnk tarvitaan energiaa sulattamaan 500 m3 0C-asteista lunta 0C.asteiseksi vedeksi? Lumen tiheys n 150 kg/m3. E 500m 3 150kg/ m 24975000kJ 25GJ 333kJ / kg Esim. 11. Paljnk tarvitaan energiaa höyrystämään 10 kg 110C-asteista vettä 100C.asteiseksi vesihöyryksi? 3 Pilvet sisältävät vesihöyryä, mutta näkyvät pilvet vat tiivistynyttä vettä. E 2260kJ / kg10kg 22, 6MJ Esim. 12. Paljnk 50 g vesihöyryä luvuttaa energiaa tiivistyessään vedeksi?. Veden höyrystyminen ja tiivistyminen Veden höyrystymislämmön arv n 2260 kj/kg E 2260kJ / kg0,05kg 113kJ
Lämmön siirtyminen Lämpöä vi siirtyä seuraavilla tavilla: a) Jhtumalla b) Säteilynä c) Knvektin kautta Lämmön jhtuminen Lämmön jhtumisessa lämpö siirtyy ainetta pitkin paikasta tiseen tai aineesta tiseen kun aineet vat kiinni tisissaan. Eri aineiden välillä n suuria erja lämmönjhtavuuksissa. Aineita, jtka jhtavat hyvin lämpöä kutsutaan lämpöjhteiksi ja aineita jtka jhtavat hunsti lämpöä kutsutaan lämpöeristeiksi. Lämmönjhtavuuden tunnus n ja yksikkö n W/m C. Eräiden aineiden lämmönjhtavuuksia Aine Lämmönjhtavuus ( W / m C ) Kupari 375 Teräs 60 Lasi 0,85 Tiili 0,55 Ilma 0,026 Eristevilla 0,052 Lämpöenergian jhtumisen määrä riippuu: - Lämpötilaersta - Aineen lämmönjhtavuudesta - Aineen paksuudesta - Pinta-alasta jnka läpi lämpöä vi jhtua Esim. 13. Paljnk lämpöenergiaa jhtuu tiiliseinän läpi kun sisälämpötila n +23 C ja ulklämpötila 15 C?. Seinän pinta-ala n 12 m 2 ja sen paksuus n 35 cm. W 0,55 12m m C 0,35m 2 38C 717W Lämpösäteily Kaikki aineet, jiden lämpötila n krkeampi kuin absluuttinen nllapiste säteilevät lämpöä. Kun aineen lämpötila nusee sen lähettämä lämpösäteily lisääntyy. Lisääntyminen n lineaarista. Js lämpötila kaksinkertaistuu myös lämpösäteily kaksinkertaistuu. Kuva 4. Lämpötilan vaikutus lämpösäteilyn määrään Lämpösäteily ei tarvitse välittäjäainetta vaan se vi edetä tyhjiössäkin. Tämän vuksi mm. aurink lämmittää avaruuden kautta maata. Lämpösäteilyä ja siitä jhtuvaa lämmön siirtymistä tapahtuu kkajan ympärillämme. Lunt pyrkii tasapainttamaan lämpötilaerja lämpösäteilyn avulla. Kun kappaleeseen suu lämpösäteilyä sa lämpösäteistä absrbituu ( imeytyy ) kappaleeseen ja sa kimpaa pis. Läpinäkyvistä aineista kuten lasista lämpösäteily vi mennä läpi. Lämpösäteilyä lähettävän ja vastaanttaman aineen pinnan laadulla n merkitystä lämpösäteilyn vastaanttamisessa ja pinnan itsensä säteilemän lämpömäärän suhteen. Musta ja himmeä pinta kykenee vastaanttamaan ja myös itse säteilemään paremmin lämpöä kuin kiiltävä ja vaalea. Aurink lämmittää maata lämpösäteilyllä. Säteilyn teh n 1,4 kw/m2 sillin kun säteily tulee surassa kulmassa maan pintaan. Sumessa säteilyteh n kesäisin yli 1 kw/m2 päiväaikaan. Talvisin säteilyteh n vähäinen. Maapalln lämmöstä n. 99% n
peräisin auringsta. Ihmiskunnan energian käyttö n nin 1 %:ia. Kuva 5. Aurink lämmittää maata. Mitä khtisurempana aurink n maata päin. sitä suuremmalla tehlla se lämmittää maan pintaa. Kuva 8. IR-säteilijälämmittimessä n laite jka mittaa lämmitettävän pinnan lämpötilaa. ja sammuttaa lämmityksen kun pinta n lämmennyt haluttuun lämpötilaan. Lämmitin n humattavasti turvallisempi käyttää kuin kuvan 7. lämmitin. Säteilylämmittimiä käytetään tiljen lämmittämiseen ja usein maalipintjen kuivaamiseen. Säteilylämmittimen pintaa lämmittävään tehn vaikuttavat säteilijän teh ja säteilijän etäisyys. Säteilijän lämmitysteh kasvaa etäisyyden neliössä, eli kun etäisyys pulittuu lämmitysteh nelinkertaistuu. Kuva 6. Säteilylämmitin lämmittää mökkiä. Lämmittimessä leva sähkövastus kuumennetaan sähkövirran avulla. Lämmittimen teh n 1 kw. Lämpösäteily lämmittää vain sitä pintaa, jhn lämpösäteily suu suraan. Tästä syystä säteilylämmitin ei le hyvä maalien kuivauksessa js maalattu kappale n mnimutinen. Knvekti Knvektissa lämmön siirt tapahtuu välittäjä aineen avulla. Esim. hiusten kuivaajassa leva sähkövastus lämmittää ilmaa jka lämmettyään kuivaa hiuksia.välittäjäaineena timii ilma. Kuva 9. Knvektin timintaperiaate Kuva 7. IR-säteilylämmitin lämmittää maalipintaa. Lämmitin kuumentaa maalipiian npeasti + 60 Casteen lämpötilaan. Liian lähelle vietynä lämmitin vi plttaa maalipinnan. Lämmittimen kknaisteh n 6 kw mikä vastaa sähkökiuasta. Knvekti vi lla itsestään tapahtuvaa tai paktettua.
Itsestään timiva knvekti Tyypillinen itsestään tapahtuva knvekti n ilman liike sen lämmönnusun vuksi. Ilman tiheys pienenee kun sen lämpötila nusee. Tästä jhtuen lämmin ilma nusee ylöspäin. Ylös nusseen ilman tilalle virtaa uutta kylmempää ilmaa ja tilassa leva ilma n näin liikkeessä. Kuva 10. Itsestään tapahtuva knvekti. Lämmin ilma nusee ilmakehän yläsiin kun aurink lämmittää maan pintaa. Maalausten kuivaamiseen käytetään hyvin yleisesti knvektinaalisia uuneja, jissa lämmönlähde n jk sähkövastukset tai kaasupltin. Knvektinaalisessa uunissa ilmaa liikutetaan vimakkaasti puhaltimien avulla. Kuva 12. Knvektinaalinen uuni. Liikkuva ilma yhdessä lämpösäteilijöiden kanssa n sulattanut npeasti jauhemaalin, jnka jälkeen maalin kvettuminen alkaa kun lämpötila nusee edelleen. Paktettu knvekti Paktetussa knvektissa välittäjäainetta liikutetaan esim. pumpun tai puhaltimen avulla. Kuva 11. Ilmapuhallus hellan uunissa siirtää lämpöä uunin sisällä levaan rukaan kuumista uunin lämpöpinnista. Js kiertilmapuhallus ei lisi päällä siirtyisi lämpö yksistään säteilemällä lämpöpinnista rukaan. Lämpövirta Lämpöä virtaa aina lämpimämmästä kylmempään. Kska energia n katamatnta, lämmön siirtymisessä siirtynyt lämpömäärä tilasta tiseen n jäähdyttänyt saman energiamäärän verran myötä tista tilaa. Lämpövirta kuvaa lämpömäärän siirtymistä paikasta tiseen tietyssä ajassa. Lämpövirran tunnus n ja sen yksikkö n W ( J/s).. Lämpö vi virrata tilasta tiseen kaikilla lämmönsiirttavilla. Esim. 14. Miten suuri n lämpövirta kun 4800 kiljulea lämpöä siirtyy seinän läpi tunnissa. 4800kJ 3600s 1,33kW
Lämpövirran määrän halutaan levan suuri mm. lämmönvaihtimissa jilla lämpöä tetaan talteen ja jäähdyttimillä jilla halutaan jäähdyttää lämpenevää kappaletta kuten tietkneen prsessria Lämpövirran määrää pyritään vähentämään eristämällä lämmin tila tai neste lämpöeristeiden avulla. Esimerkiksi vanha tal jssa n heikk lämmöneristys jäähtyy npeasti js sitä ei kk ajan lämmitetä. Lämpövirta talsta uls n suurta.erittäin hyvin lämpöeristetty tal taas ei tarvitse kuin hieman lämmitystä eikä se jäähdy npeasti vaikka lämmitys katkaistaisiinkin. Lämpövirta talsta uls n pientä. Esim. 15. Mikä n lämpövirran määrä kun tal kuluttaa vurkaudessa lämmityssähköä 80 kwh? J 1kWh 1000 3600s 3600kJ s 803600kJ 33,3kW 3600s 24 h vrk Lämpövirran tiheys Lämpövirran tiheys kuvaa lämpövirran suhdetta pinta-alaan jnka läpi lämpövirta kulkee. q A W m 2 Kun lämpövirran tiheys n suuri, jhtaa aine hyvin lämpöä. Kun lämpövirran tiheys n pieni n aine hunsti lämpöä jhtavaa. Lämpövastus Lämpövastus kuvaa aineen kykyä vastustaa lämpövirtaa. Mitä suurempi n lämpövastus. sitä pienempi n lämpövirta. Lämpöenergia pintakäsittelyalalla Rakennusmaalauksessa lämpöenergian kulutus ei le erityisen suurta, kska työt eivät edellytä runsasta lämmittämistä ja ilmanvaihta. Pikkeuksena vat talviaikaan tehtävät julkisivukrjaukset jissa huputettuja julkisivuja judutaan lämmittämään. Tellisessa pintakäsittelyssä energian kulutus n suurta jhtuen mm. seuraavista seikista: - Kemialliset metallien esi- ja pintakäsittelyt vaativat runsasta lämmitystä ja niistä haihtuu paljn vettä vesihöyrynä. Esikäsittelyt vaativat runsaan ilmanvaihdn, jllin etenkin talviaikaan tuleva krvausilma vaatii lämmityksen. - Maalaamtilissa jissa käytetään liutinphjaisia maaleja tarvitaan runsas ilmanvaiht, jllin tilaan tulevan krvausilman lämmitys kuluttaa runsaasti energiaa etenkin talviaikaan. - Jauhemaalausuunien energiankulutus n suurta, jhtuen uunien krkeista lämpötilista. - Paineilman tutt ja käyttö kuluttaa runsaasti energiaa. Nykyaikaisessa auttehtaassa maalaussastn energian kulutus vi lla nin pulet kk tehtaan energian kulutuksesta.