Yhteenveto ja itsearviointi

Yhteenveto

Lämpö lämpötilan muutoksessa

  • Kappaleen lämpötilan kasvaessa siihen siirtyy energiaa (lämpöä). Lämpötilan laskiessa kappaleesta siirtyy lämpöä pois.
  • Kappaleeseen / kappaleesta siirtyvä lämpö ([[$ Q $]]​) lasketaan lämpökapasiteetin ([[$ C $]]​) ja lämpötilan muutoksen ([[$ \Delta T $]]​) tulona: [[$ Q=C \Delta T $]].​
  • Tiettyä ainetta olevan kappaleen lämpökapasiteetti on kappaleen massan (m) ja aineelle ominaisen ominaislämpökapasiteetin ([[$c$]]) tulo: [[$ C=cm $]]​.

Olomuodon muutokset

  • Olomuodon muutos tapahtuu vakiolämpötilassa, jolloin aineen rakenneosien väliset sidokset muuttuvat.
  • Aineen sulaminen ja höyrystyminen vaativat energiaa, kun taas tiivistyminen ja jähmettyminen vapauttavat energiaa ympäristöön.
  • Aineen sulaessa tai jähmettyessä siirtyy siihen tai siitä pois kaavan [[$ Q=sm $]]​ mukainen lämpö ([[$Q$]]). Kaavassa [[$s$]] on aineen ominaissulamislämpö ja [[$m$]] massa.
  • Aineen höyrystyessä tai tiivistyessä siirtyy siihen tai siitä pois kaavan [[$ Q=rm $]]​ mukainen lämpö ([[$Q$]]). Kaavassa [[$r$]] on aineen ominaishöyrystymislämpö ja [[$m$]] massa. 
  • Aineen olomuoto riippuu lämpötilan lisäksi paineesta. Olomuodon riippuvuutta näistä suureista voidaan esittää faasikaaviolla.

Lämpölaskujen yleisiä periaatteita

Systeemin tyypin merkitys

  • Eristetyssä systeemissä lämpötilaerojen tasoittuminen tapahtuu siten, että systeemin osat ottavat vastaan yhtä suuren määrän lämpöä kuin toiset osat luovuttavat.
  • Suljetussa tai avoimessa systeemissä lämpöä siirtyy systeemiin lisää tai lämpöä siirtyy systeemistä pois.
    • Vedenkeittimessä oleva vesi on esimerkki suljetusta systeemistä. Veteen siirtyy lämpöä systeemin ulkopuolelta, kun keitin laitetaan päälle.

Lämpölaskujen ratkaisuperiaatteita

  1. Selitä kaikki systeemissä tapahtuvat prosessit, joissa lämpöä siirtyy.
  2. Merkitse prosesseissa siirtyvät energiat omina lausekkeinaan.
  3. Muodosta yhtälö, jossa esiintyvät lämpöä vastaanottavat ja lämpöä luovuttavat osat.
  4. Ratkaise kysytty suure suureyhtälönä. 
  5. Ilmoita tunnettujen suureiden arvot tilanteeseen sopivissa yksiköissä ja ratkaise tuntematon suure.
  6. Pyöristä vastaus sopivaan tarkkuuteen.

Huomioita

  • Homogeenisen aineen vastaanottama tai luovuttama lämpö lasketaan kaavalla [[$ Q=cm \Delta T $]]​.
  • Kappaleen luovuttama tai vastaanottama lämpö lasketaan kaavalla [[$ Q=C \Delta T $]]​.
  • Teholla P siirtyvä energia on tehon määritelmän nojalla [[$ Q=Pt $]]​.
  • Olomuodon muutoksissa vapautuva tai aineen vastaanottama lämpö on [[$ Q=sm $]]​ tai [[$ Q=rm $]]​.

Lämpölaskuihin liittyvien yhtälöiden muoto

  • Vaihtoehto 1
    • Toisella puolella ovat systeemin vastaanotetut lämmöt ja toisella puolella luovutetut lämmöt.
    • Yhtälö on muotoa [[$Q_\text{vastaanotetut}=Q_\text{luovutetut}$]].
    • Lämpötilan muutos on aina positiivinen riippumatta siitä, nouseeko vai laskeeko systeemin osan lämpötila.
  • Vaihtoehto 2
    • Toiselle puolelle laitetaan systeemin osien vastaanottamat ja luovuttavat lämmöt. Vastaanotettu lämpö on positiivista ja luovutettu negatiivista. Toisella puolella on systeemiin siirtyvä tai systeemistä pois siirtyvä energia.
    • Yhtälö on muotoa [[$Q_\text{systeemi}=E_\text{ympäristö}$]].
    • Jos systeemi on eristetty, on [[$E_\text{ympäristö}=0$]].
    • Lämpötilan muutos lasketaan aina [[$\Delta T = T_{\text{loppu}}-T_{\text{alku}}$]]. Tällöin lämpötilan muutos ja lämpö ovat negatiivisia, jos systeemin osa luovuttaa lämpöä. Jos systeemin osa vastaanottaa lämpöä, systeemin osan lämpötilan muutos ja lämpö ovat positiivisia.

4. Testaa osaamisesi! (Maks. 15 p.)

Kirjaudu sisään lähettääksesi tämän lomakkeen

Tehtävä 1.Alla on taulukoitu lämpöominaisuuksia kolmelle aineelle: (A) asetoni, B (etanoli) ja C (metanoli). Valitse taulukon perusteella seuraaviin kysymyksiin vastaus A, B tai C. (2 p.)

 A (asetoni)
B (etanoli)
C (metanoli)
Sulamispiste
[[$-\text{95,2} \,^\circ \text{C}$]]
[[$ -117\,^\circ \text{C}$]]
[[$ -\text{97,8}\,^\circ \text{C}$]]
Ominaissulamislämpö
[[$98 \,\dfrac {\text{kJ}} {\text{kg} } $]]
[[$102 \,\dfrac {\text{kJ}} {\text{kg} } $]]
[[$\text{91,8} \,\dfrac {\text{kJ}} {\text{kg} } $]]
Ominaislämpökapasiteetti
(nesteenä)

[[$\text{2,20} \,\dfrac {\text{kJ}} {\text{kg}\cdot \, ^\circ\text{C} } $]]
[[$\text{2,43} \,\dfrac {\text{kJ}} {\text{kg}\cdot \, ^\circ\text{C} } $]]
[[$\text{2,50} \,\dfrac {\text{kJ}} {\text{kg}\cdot \, ^\circ \text{C} } $]]
Höyrystymispiste
[[$ \text{56,5} \, ^\circ \text{C}$]]
[[$ \text{78,5} \, ^\circ \text{C}$]]
[[$ \text{64,7} \, ^\circ \text{C}$]]
Ominaishöyrystymislämpö
[[$509\, \dfrac {\text{kJ}} {\text{kg}} $]]
[[$841\, \dfrac {\text{kJ}} {\text{kg}} $]]
[[$301\, \dfrac {\text{kJ}} {\text{kg}} $]]

a. Kaikkia aineita on kaasuna kuumassa säiliössä, jota aletaan jäähdyttää. Mikä aineista tiivistyy ensin?


b. Kaikkia aineita on 1 kg omassa sulamispisteessään. Minkä aineen sulaminen vaatii tällöin eniten energiaa?


Tehtävä 2.Suljetussa astiassa on ainetta kiinteässä olomuodossa. Aineeseen aletaan tuoda lämpöä vakioteholla, jolloin sen lämpötila muuttuu ajan suhteen oheisen kuvaajan mukaan. Missä olomuodossa aineen ominaislämpökapasiteetti on pienin? (1 p.)





Tehtävä 3.Ohessa on hahmotelma veden faasikaaviosta. Vastaa kysymyksiin. (2 p.)


Mikä olomuodon muutos tapahtuu siirryttäessä pisteestä A pisteeseen B?







Mitä tapahtuu, jos pisteestä C kasvatetaan painetta?





Tehtävä 4.Ratkaise tehtävä perustellen ja vaiheittain. Pisteytä sitten ratkaisusi malliratkaisun perusteella.
Eristetyssä astiassa on 0,80 kg vettä 15 °C:n lämpötilassa. Vettä aletaan lämmittää 850 W:n teholla.
  1. Kuinka pitkän ajan kuluttua vesi alkaa kiehua?
  2. Kiehuvan veden lämmitystä jatketaan astian kansi auki. Paljonko vettä on jäljellä 3,0 minuutin kuluttua?

Näytä ratkaisu

Oman ratkaisun pistemäärä:


Tehtävä 5.Ratkaise tehtävä perustellen ja vaiheittain. Pisteytä sitten ratkaisusi malliratkaisun perusteella.
Kalorimetrissä on 680 g vettä 23 °C:n lämpötilassa. Kalorimetriin lisätään sulamispisteessä olevaa jäätä. Hetken kuluttua kaikki jää on sulanut ja kalorimetrin vesi on lämpötilassa 13 °C. Kuinka suuri oli lisätyn jään massa?

Näytä ratkaisu

Oman ratkaisun pistemäärä:


Tallenna vastauksesi. Testin maksimipistemäärä on 15 p.

Kirjaudu sisään lähettääksesi tämän lomakkeen