KPL 5 Lämmön siirtyminen
Johdanto
Mikä videon aineista (alumiini, messinki, teräs, puu) johtaa parhaiten ja mikä huonoiten lämpöä?
Eri aineet johtavat lämpöä eri tavalla
Tarkastellaan tilannetta, jossa sauna on ollut tunnin verran 80 °C lämpöisenä. Oletko koskaan nostanut kuumassa saunassa ollutta tyhjää metallista löylykiulua? Tunnet välittömästi metallin kuuman poltteen. Pystyt kuitenkin istumaan lauteilla, jotka ovat lämmenneet yhtä kauan. Kiulu tuntuu kuumemmalta kuin lauteiden puu, vaikka niiden lämpötila on sama.
Metallinen kiulu johtaa paremmin lämpöä kuin puinen saunan laude. Metallit ovat siis hyviä lämmönjohteita. Kun iho koskettaa metallia, lämpöä johtuu nopeasti metallista ihoon. Tämä saa metallin tuntumaan kuumalta. Kun taas iho koskettaa puista laudetta, lämpöä johtuu hitaammin ihoon. Tämä saa puun tuntumaan viileämmältä kuin metallisen naulan. Muita hyviä lämmönjohteita ovat esimerkiksi timantti ja graniitti.
Oletko koskaan jättänyt polkupyörääsi yöksi pakkaseen? Satut koskemaan paljaalla kädellä sekä ohjaustangon päähän muoviseen osaan että paljaaseen metalliin. Kun iho kosketti ohjaustangon metallia, johtui kädestä lämpöä nopeasti tankoon. Tämä sai tangon tuntumaan kylmältä. Kun käsi kosketti ohjaustangon muoviosaa, lämpöä johtui hitaammin ihosta muoviin. Tämä saa muoviosan tuntumaan vähemmän kylmältä kuin metallisen tangon. Muovi onkin esimerkki huonosta lämmönjohteesta eli eristeestä. Muita huonoja lämmönjohteita ovat esimerkiksi polystyreeni ja puu.Lämpöenergian siirtymistavat
Lämpöenergiaa voi siirtyä monella eri tavalla. Aurinko lämmittää Maata säteilemällä energiaa. Säteily etenee avaruudessa tyhjiön läpi. Maahan saapuessaan säteily lämmittää maanpintaa. Leivänpaahtimessa oleva leipä paahtuu, koska kuumana hehkuvat sähkövastukset säteilevät lämpöenergiaa leipään.
Leivänpaahtimessa vastuslangat hehkuvat punaisena, kun se on toiminnassa. Vastuksista säteilee lämpöenergiaa leipään.
Lämpöenergiaa johtuu maanpintaan ja vesistöihin. Ilma puolestaan lämpenee, kun lämmennyt maa luovuttaa lämpöenergiaa ilmaan. Leivänpaahtimen runko lämpenee leivän paahtumisen aikana, koska sähkövastuksista johtuu lämpöenergiaa paahtimen runkoon.
Hopea johtaa hyvin lämpöä. Siksi hopeinen kahvilusikka lämpenee nopeasti kuumassa kahvissa.
Ilma ja vesi virtaavat ja kuljettavat lämpöenergiaa paikasta toiseen. Golfvirta kuljettaa lämpöenergiaa Pohjolaan. Leivänpaahtimen vieressä oleva pöytätuuletin saa ilman virtaamaan, minkä välityksellä leivänpaahtimen synnyttämä lämpöenergia leviää ympäri keittiötä.
Golfvirta tuo lämpöenergiaa Pohjolaan Meksikonlahdelta.
Lämmönsiirtymistavoissa on eroja. Johtumisessa ja virtaamisessa lämmön siirtymiseen tarvitaan väliaine, kuten maa, vesi, ilma tai metalli. Vain säteily ei tarvitse väliainetta. Johtumisen ja virtauksen erona on se, että virtauksessa aine kuljettaa lämpöenergian. Johtumisessa ainetta ei siirry.Ihminen hyödyntää lämpöenergian siirtymistä
Useissa rivi- ja kerrostaloissa käytetään vesikiertoista lämmitysjärjestelmää. Lämmitysjärjestelmän lämpöenergia on peräisin kaukolämmöstä tai taloyhtiön omasta lämpökeskuksesta. Lämpövoimalaitoksessa lämmitetty vesi tai höyry virtaa putkia pitkin rakennuksen lämmönjakokeskukseen, jossa lämmönsiirtimien avulla osa kaukolämpöverkon lämpöenergiasta siirretään kiinteistön lämmitysverkoston veteen. Tämä tapahtuu johtumalla. Kun lämmitetty vesi saapuu huoneiston viileämpään lämpöpatteriin, veden lämpöenergiaa johtuu lämpöpatterin metalliin. Metallin lämmetessä se säteilee lämpöenergiaa viileämpään huoneeseen. Lämpöpatterin yläpuolella oleva verho heiluu. Tämä johtuu lämmenneen ilman virtauksesta kohti huoneen kattoa. Lämpöpattereissa oleva termostaatti pitää lämpötilan mahdollisimman tasaisena.
Monissa tilanteissa lämpöenergiaa halutaan myös kuljettaa pois kohteesta eli siirtää lämpöenergiaa kylmästä kohti lämmintä. Tällöin energian siirtämiseksi tarvitsee tehdä työtä. Kaikissa kylmäkoneissa, kuten jääkaapissa ja pakastimessa, työtä tehdään sähköenergian avulla. Kylmäkoneissa on yleensä kylmäainetta, joka siirtää lämpöenergiaa sisäpuolelta kohti ulkopuolta. Kylmäaineen kiertoa pidetään yllä kompressorin avulla.
Lämmöneristys
Joskus halutaan estää lämpöenergian siirtyminen. Esimerkiksi termospullon on tarkoitus pitää sen sisälle laitettu aine alkuperäisessä lämpötilassaan.
Termospullon rakenne on suunniteltu siten, että se estäisi mahdollisimman hyvin kaikki kolme lämpöenergian siirtymistapaa. Termospullossa on sisäkkäin kaksi pulloa, joiden välissä on tyhjiö. Tämän tarkoituksena on estää johtumista ja virtausta sillä ne tarvitsevat väliainetta siirtymiseen. Pullot ovat lisäksi kosketuksissa toisiinsa vain pienen kohdan kautta. Uloimman pullon sisäpinta ja sisemmän ulkopinta on päällystetty heijastavalla aineella. Näin sisemmästä pullosta säteilevä lämpöenergia heijastuu takaisin. Eristys ei ole täydellinen, joten lämpöä pääsee siirtymään hitaasti. Lämmön siirtymiseen vaikuttaa lisäksi se, että tyhjiötä ei ole suuaukon kohdalla.
Talojen seinät eristetään erilaisilla lämpöä eristävillä aineilla, kuten mineraalivilloilla ja polystyreenillä eli styroxilla. Linnun höyhenten pörhistelyn tarkoituksena on lisätä ilmatilaa höyhenten välissä. Höyhenpeitteen lämmöneristyskyky kasvaa, koska ilma on hyvä eriste. Leivänpaahtimen uloin kuori on erotettu sisemmästä. Kuorien välissä on ilmaa. Näin uloin pinta ei lämpene niin voimakkaasti ja laitetta on turvallista käyttää.
Metallit ovat hyviä lämmönjohteita
Aineet voidaan jakaa lämmönjohtavuuden perusteella lämmön johteisiin ja eristeisiin. Lämmönjohteet ovat aineita, jotka johtavat hyvin lämpöä. Hyviä lämmönjohteita ovat esimerkiksi metallit ja timantti.
Sääilmiöt johtuvat lämmön kulkeutumisesta
Luonto pyrkii ilmiöissään aina tasapainoon ja myös lämpötilat pyrkivät tasoittumaan. Luonnon kannalta tämä tarkoittaa sitä, että kaikki sääilmiöt aiheutuvat lämpöenergian siirtymisestä. Lämpötilaerot saavat aikaan myös paine-eroja luonnossa. Kun ilmanpaine on korkea, kyseessä on korkeapaine. Vastaavasti matalammassa ilmanpaineessa on kyse matalapaineesta. Korkeapaineessa ilmaa virtaa alaspäin kohti maanpintaa ja puolestaan matalapaineessa ylöspäin maanpinnasta. Tämän vuoksi maan pinnalla tuuli puhaltaa aina korkeapaineesta kohti matalapainetta. Nämä aiheuttavat kulloinkin erilaisia sääilmiötä. Meteorologia on yksi fysiikan haaroista, jossa tutkitaan ilmakehää ja sen käyttäytymistä.
Meteorologi työssään. Päivän sääennuste vaatii useiden eri asioiden läpikäyntiä ennen kuin varsinainen ennuste on valmis esitettäväksi säätiedotteessa.
Kun maanpinta lämpenee Auringon säteilyn vaikutuksesta, myös ilma lämpenee. Tämä johtuu siitä, että lämpöenergian luonnollinen siirtymissuunta on lämpimästä kohti kylmää. Päiväntasaajalta siirtyy lämpöenergiaa kohti pohjoista tuulien ja merivirtojen mukana. Saman periaatteen johdosta talon sisällä oleva ulkoilmaa lämpimämpi ilma pyrkii pakenemaan ulos talosta.
Eläimillä
Eläimillä on useita keinoja ylläpitää lämpötilaa kovalla pakkasella. Linnut pörhistelevät höyheniään kylmällä säällä. Höyhenten välissä oleva ilma toimii hyvänä eristeenä, joten lämmön haihtuminen hidastuu. Jääkarhun turkki eristää hyvin lämpöä. Valkean turkin alla on musta iho, joka imee hyvin lämpöenergiaa. Sen pienet korvat vähentävät lämmön haihtumista. Ihonalainen rasvakerros toimii puolestaan energiavarastona.
Tiivistelmä - lämpöenergian siirtymistavat ja niiden hyödyntäminen
Lämpöenergia voi siirtyä kolmella eri tavalla. Säteily ei tarvitse väliainetta edetäkseen. Johtuminen ja virtaus puolestaan tarvitsevat väliaineen, joka siirtää lämpöenergiaa. Johtumisessa ainetta ei siirry, vaan lämpöenergia etenee aineen rakenneosasissa.
Jääkaappi on esimerkki laitteesta, joka pyrkii estämään lämpöenergian siirtymisen kaapin sisälle. Jääkappi on rakennettu lämpöä eristävästä materiaalista. Eriste on aine, joka johtaa lämpöenergiaa huonosti. Lämmöneristeen tarkoituksena on estää lämpöenergian siirtyminen lämpimämmästä huoneilmasta kohti viileämpää jääkaappia. Lämpöenergian luontainen siirtyminen tapahtuu aina lämpimästä kohti viileämpää. Lisäksi jääkaapin pitää tehdä työtä lämpöenergian siirtämiseksi pois jääkaapin sisältä. Työn tekemiseen tarvitaan sähköenergiaa.
Termospullo on esimerkki esineestä, joka pyrkii estämään lämpöenergian siirtymisen. Termospullon tarkoituksena on pitää pulloon laitettu kuuma neste kuumana tai kylmä neste kylmänä. Sen rakenne on suunniteltu siten, että se pyrkii estämään kaikki kolme lämpöenergian siirtymistapaa mahdollisimman hyvin.
Energia voi muuntua tapahtumassa eri muotoon, mutta sen määrä säilyy. Kyseessä on energian säilymislaki. Esimerkiksi auton ajaessa polttoaineen kemiallinen energia muuntuu pääasiallisesti liike- ja lämpöenergioiksi. Auton jarruttaessa auton liike-energiasta suurin osa muuntuu lämpöenergiaksi.