KPL 6 Lämpö energiamuotona
Energian säilyminen, muuntuminen ja huononeminen
Energia muuntuu luonnonilmiöissä muodoista toiseen. Esimerkiksi ihminen syö ruokaa, josta hän saa kemiallista energiaa. Kemiallinen energia muuntuu päivän aikana useiksi eri energialajeiksi, kuten liike-, potentiaali-, lämpö-, tai äänienergioiksi. Kaikissa tapahtumissa yksi piirre on sama: energian kokonaismäärä säilyy. Energiaa ei synny eikä häviä tyhjästä. Periaatetta kutsutaan energian säilymislaiksi.
Kuvassa on havainnollistettu juoksemisessa tapahtuvia energian muuntumisia. Energiakaavion tarkoituksena on havainnollistaa yksittäisessä tapahtumassa olevia energian muuntumisia. Tapahtuma jaetaan alku- ja lopputilanteeseen. Näiden energian määrää kuvaa suorakulmiot, jotka ovat keskenään yhtä suuret. Suorakulmioiden välissä on nuoli, joka kertoo, mistä tapahtumasta on kyse tai minkä välityksellä energia muuntuu.
Esimerkkinä energiakaavion käytöstä sähköenergian muuntuminen eri energiamuodoiksi pelikoneella pelaamisessa:
Pleikkari tarvitsee sähköä toimiakseen. Sähköenergia muuntuu pelatessa lämpö-, valo- ja ääni-energiaksi.
Vaikka energia säilyy kaikissa tapahtumissa, aina eivät kaikki energiamuodot ole muuntumisen jälkeen hyödynnettävissä tai muunnettavissa toisiksi energiamuodoiksi. Esimerkiksi useissa tapahtumissa kitkan vaikutuksesta syntyy lämpöenergiaa, jonka hyödyntäminen on vaikeampaa kuin esimerkiksi sähköenergian. Siksi lämpöenergiaa sanotaan “huonoimmaksi” energiamuodoksi.Katso myös applet energiakaavion tekemisestä.
Lämpökoneet
Lämpöenergia siirtyy luonnollisesti korkeammasta lämpötilasta matalampaan. Tätä tapahtumaa hyödynnetään lämpökoneissa. Lämpökone muuttaa työksi korkeammasta lämpötilasta matalampaan siirtyvän lämpöenergian. Mitä suurempi ero koneessa on kylmän ja kuuman säiliön välillä sitä paremmin kone pystyy tekemään työtä. Jos eroa ei ole, kone ei pysty tekemään työtä. Lämpökoneita ovat esimerkiksi höyrykone, painekattila, polttomoottori sekä kahvinkeitin. Esimerkiksi kahvinkeittimessä vesi nostetaan lämmön avulla vesisäiliöstä kahvinpurujen sekaan.
Kahvinkeitin tekee työtä, kun vesi nousee vesisäiliöstä.
Jääkaappi, pakastin ja ilmalämpöpumppu ovat esimerkkejä käänteisestä lämpökoneesta. Näissä laitteissa työn avulla siirretään kylmäsäiliöstä lämpöä kuumasäiliöön. Työn tekee sähköenergia.
Lämpökoneen toimintaperiaate: kuuman säiliön lämpöenergiasta osa muuntuu työksi. Ideaalitilanne lämpökoneesta olisi ikiliikkuja, joka muuttaisi kaiken lämpöenergian työksi. Kyseessä olisi kone, jossa ei tapahtuisi lainkaan energiahäviöitä, kuten kitkan aiheuttamaa vastusta tai lämpöhäviöitä.