8 Lämpö
Lämmöllä
Alustava koealue 2024
Lämpöoppi - kpl 1-5 ja +osio , sivut 10-33 + 16 energianmuunnokset
Tällä sivulla on teoria tiivistetysti
Tehtäväsivulla on joitakin kertaustehtäviä ja ratkaisusivulla ratkaisuita.
Kokeeseen monistetaan kirjan sivujen 180-182 taulukot aineiden ominaisuuksista.
Monta pistettä voi saada sillä, että löytää taulukoista etsimänsä.
Koe sisältää laskutehtäviä, joissa käytetään laskinta.
Kokeeseen annetaan tarvittavat kaavat.
Laskuissa on merkittävä käytetty kaava.
Suure- ja ominaisuustaulukko on syytä opetella, jotta osaisit käyttää laskutehtävissä oikeata kaavaa.
| Suure | Tunnus | Yksikkö |
| Pituus | l | 1 m |
| Lämpötila | T | °C |
| Energia | E | 1 kJ |
| Massa | m | 1 kg |
| Lämpölaajenemiskerroin | α | 1 / °C |
| Ominaislämpökapasiteetti | c | 1kJ/kg·°C |
| Ominaissulamislämpö | s | 1 kJ/kg |
| Ominaishöyrystymislämpö | r | 1 kJ/kg |
Lämpötila ja laajeneminen - muistiinpanot
Lämpötila, T
- Lämpötila ja paine ovat olosuhteiden suureita
- Aineen lämpötila kuvaa aineen rakenneosien lämpöliikettä ja -värähtelyä
- Pienin mahdollinen lämpötila on absoluuttinen nollapiste, jossa lämpöliikettä ei ole ollenkaan
- Lämpötila-asteikon peruspisteet ovat veden sulamispiste ja veden kiehumispiste
| Asteikot | Celsius | Kelvin |
| Yksikkö (aste) | 1°C | 1 K |
| Absoluuttinen nollapiste | -273 °C | 0 K |
| Veden sulaminen | 0 °C | 273 K |
| Veden kiehuminen | 100 °C | 374 K |
Lämpölaajeneminen, Δl
- Lämpötilan nousu laajentaa ja lasku kutistaa ainetta
- Kaasut laajenevat eniten
- Nesteet laajenevat mutta vähäisesti
- Poikkeus: 4 °C tiheintä veden tapauksessa
- Kiinteä aine laajenee suhteessa
- Lämpölaajenemiskertoimeen α
tämä tieto etsitään taulukoista!
- Alkuperäiseen pituuteen l
- Lämpötilan muutokseen ΔT
- Lämpölaajenemiskertoimeen α
Laskukaava: Δl = α · l · ΔT Eli:
Pituuden muutos = lämpölaajenemiskerroin · alkuperäinen pituus · lämpötilan muutos
Ⓔ Lipputanko on valmistettu alumiinista. Sen pituus on 15,00 m, kun lämpötila on -20 °C. Laske, kuinka pitkä lipputanko on kesällä lämpötilassa +30 °C. Etsitään alumiinin lämpölaajenemiskerroin α taulukosta ja lasketaan ensin lämpölaajeneminen. Laskussa lämpötilan yksikkö supistuu pois ja vastaukseen jää pituuden yksikkö.
Kaksoismetalliliuska
- Ohuen metalliliuskan ala- ja yläpinta ovat eri metalleja, jotka on liitetty saumattomasti yhteen.
- Jos metalleilla on eri lämpölaajenemiskerroin eli α, liuska taipuu lämpötilan muuttuessa
- Kuparin α = 0,000 0168 1/°C
- Sinkin α = 0,000 0297 1/°C
- Koska sinkillä on suurempi, se laajenee lämmetessään enemmän
- Jos liuskaa jäähdytetään, sinkki kutistuu enemmän
- Kaksoismetalliliuskaa käytetään saunan lämpömittareissa ja termostaateissa.
Lämpölaajeneminen voi aiheuttaa vahinkoa
- Siltojen päätyihin pitää jättää varaa lämpölaajenemiselle. Tämän lisäksi silta pitää asenta molemmista päistään pyörivien telojen päälle, jotta liikekitka ei murenna sillan ja perustusten välisiä kosketuspintoja.
- Rautatiekiskojen lämpölaajeneminen on perintesisesti huomioitu jättämällä kiskojen väliin raot. Tämän vuoksi junan pyörät kolkottavat. Moderneilla rataosuuksilla kiskot kuitenkin hitsataan yhteen. Tämä on mahdollista, kun ratapölkyt ja kiskojen kiinnitykset ovat niin lujat, että kiskot eivät pääse taipumaan mutkalle. Teräkseen vain kehittyy puristuksen (kesällä) tai venytyksen (talvella) aiheuttama jännitystila.
- Talojen keskuslämmityksestä voi joskus kuulua naksahduksia, kun lämmitys voimistuu tai vaimentuu. Seiniin kiinitetyt lämpöputket sillöin liikkuvat hieman kiinnikkeissään.
- Liian nopeat lämpötilan vaihtelut voivat rikkoa esineitä (alla viinilasi)
Kuva: Juomalasin hajoaminen kuuman veden vaikutuksesta. Lasi kestää hyvin erilaisia lämpötiloja mutta äkillinen muutos voi hajottaa sen. Kun lasiin kaadetaan kiehuvan kuumaa vettä, sen sisäpinta laajenee ensin. Lasin ulkopinta joutuu silloin venymään, mitä hauras materiaali ei kestä. Hajoamisen voi mahdollisesti välttää upottamalla lasin tiskiveteen niin, että se kuumenee samalla myös ulkopuolelta. Borosilikaattilasi kuten Pyrex® kestää lämmönvaihteluita hyvin, koska sen lämpölaajeneminen on vähäistä. Tavallisen ikkunalasin lämpölaajenemiskerroin on noin 0,000 008 1/°C (Lähde: FYKE) ja Pyrex® -lasin noin 0,000 0033 1/°C (Lähde: Thermal and mechanical characterization of borosilicate glass, N. Bouras et al. Proceedings of the JMSM 2008 Conference).
Lämpö on energiaa - muistiinpanot
Johdanto: Mistä lämpöä kuumaan teekuppiin:
| Vaihe | Energiamuoto | Paikka |
| 1 Auringossa vety fuusioituu heliumiksi | Ydinenergia | Aurinko |
| 2 Puu kasvaa valon avulla | Säteilyenergia | Metsä |
| 3 Puun kuorta haketetaan biopolttoaineeksi | Kemiallinen energia | Voimalaitos |
| 4 Palaminen lämpökattilassa höyrystää vettä | Lämpöenergia | Voimalaitos |
| 5 Lämpö nostaa vesihöyryn painetta | Potentiaalienergia | Voimalaitos |
| 6 Höyry pyörittää turbiinia voimalaitoksessa | Liike-energia | Voimalaitos |
| 7 Turbiini pyörittää generaattoria | Sähköenergia | Voimalaitos |
| 8 Vedenkeitin on kiinni pistorasiassa | Lämpöenergia | Koti |
| 9 Teejuoma luovuttaa lämpöä elimistöön | Lämpöenergia | Keho |
Lämpö = lämpöenergia, yksi energian lajeista, E
Energian yksikkö 1 kJ- Kun aineen lämpötila nousee, se vastaanottaa (varastoi) lämpöä
- Kun aineen lämpötila laskee, se luovuttaa lämpöä
- Kaksi eri lämpötilaista ainetta tai kappaletta kosketuksissa:
- Lämpöä siirtyy korkeammasta lämpötilasta matalampaan
- Toisen lämpötila laskee, toisen nousee
- Lämpö ei häviä, se vain tasaantuu
- Kylmän tunne on sitä, että lämpöä on liian vähän
- Kylmä ei tule luokse, vaan lämpö siirtyy ympäristöön.
Laskeminen
Kuinka paljon lämpöenergiaa lämmittäminen vaatii, riippuu:- Mitä ainetta - ominaislämpökapasiteetti c (yksikkö kJ / kg °C)
tämä tieto etsitään taulukoista!
- Kuinka paljon - massa m (yksikkö kg)
- Miten lämpimäksi - lämpötilan muutos ΔT (yksikkö °C)
- Kaava: E=cmΔT
Ⓔ Kuumennetaan 2,0 litraa huoneenlämpötilassa eli +20 °C lämpöistä vettä kiehumispisteeseen eli +100 °C lämpötilaan. Kuinka suuri lämpöenergia tarvitaan? Huom: Veden tiheys on 1,00 kg/dm3, joten yhdellä litralla vettä on yhden kilogramman massa. Laskussa massan ja lämpötilan yksiköt supistuvat pois ja vastaukseen jää energian yksikkö.
Vesi
Veden lämpökapasiteetti on korkea, 4,19 kJ / kg °C.
Näin ollen 1 kg vettä sitoo 4,19 kJ energiaa lämmetessään yhden celsius-asteen.
Vesi on sen takia työläs lämmittää - perunakattilaa liedellä joutuu odottamaan.
Levyn ollessa päällä ehtii kulua paljon sähköenergiaa, mikä kasvattaa sähkölaskua.
Vastaavasti kuuma vesi myös luovuttaa paljon lämpöä. Siksi tomaatti pitsassa polttaa suuta.
Sekoitukset
Kuva: Sekoitetaan vatiin kauhallinen kylmää ja kauhallinen kuumaa vettä. Sekoituksen lämpötila on keskiarvo sekoitettavista vesistä. Kuuma vesi jäähtyy yhtä paljon kuin kylmä vesi lämpenee. Sekoittettaessa kylmä vesi vastaanottaa lämpöenergian, jonka kuuma vesi luovuttaa.
Kauhallinen kylmää 10 °C vettä ja kauhallinen kuumaa 80 °C vettä
Keskiarvo: (10 °C + 80 °C) : 2 = (90 °C) : 2 = 45 °C
Viisi kauhallista kylmää 10 °C vettä ja kaksi kauhallista kuumaa 80 °C vettä
Keskiarvo painotettuna: (5 · 10 °C + 2 · 80 °C) : 7 = (210 °C) : 7 = 30 °C
Lämpö ja olomuodot - muistiinpanot
Olomuodot ja energia
Aineen eri olomuodoilla on energiajärjestys, joka perustuu rakenneosien liikehdintään.
Enemmän energiaa: enemmän rakenneosien liikettä, rakenneosat vapaampia liikkumaan
Ⓔ Vesimolekyylit:
- Kaasussa: liikkuvat nopeasti ja törmäilevät. (paljon energiaa)
- Nesteessä: liikkuvat toistensa ohitse (kohtalaisesti energiaa)
- Kiinteässä: värisevät paikoillaan (vähän energiaa)
Olomuodon muutokset
-
Olomuodon muutoksissa aine joko vastaanottaa ja varastoi energiaa tai aine luovuttaa eli siitä vapautuu ympäristöön energiaa.
-
Jos uusi olomuoto on korkeammassa energiassa (kuvassa ylempänä), aine varastoi energiaa olomuodonmuutoksessa. Silloin olomuodon muutos vaatii, että ainetta lämmitetään muutoksen ajan.
-
Jos uusi olomuoto on matalammassa energiassa (kuvassa alempana), aine luovuttaa energiaa olomuodonmuutoksessa.
-
Olomuodon muutoksen aikana aineen lämpötila ei muutu. Olomuoto muuttuu joko sulamispisteen tai kiehumispisteen lämpötilassa. Tiedot löytyvät ainekohtaisesti taulukoista.
Sulamislämpö (jähmettymislämpö), E
- Kaava: E = s · m
- E = sulamiseen tarvittava lämpö, joka varastoituu aineeseen
- s = ominaissulamislämpö (kJ/kg) - tämä tieto etsitään taulukoista!
- m = massa (kg)
Ⓔ Sulatetaan 2,0 kg 0 °C jäätä vedeksi. Paljonko energiaa varastoituu tai vapautuu?
Vastaus: Neste on korkeamman energian olomuoto kuin kiinteä. Energiaa varastoituu veteen noin 670 kJ
Höyrystymislämpö (tiivistymislämpö), E
- Kaava: E = r · m
- E = höyrystymiseen tarvittava lämpö, joka varastoituu aineeseen
- r = ominaishöyrystymislämpö (kJ/kg) - tämä tieto etsitään taulukoista!
- m = massa (kg)
Ⓔ Keitetään 2,0 kg 100 °C vettä vesihöyryksi. Paljonko energiaa varastoituu tai vapautuu?
Vastaus: Kaasu on korkeamman energian olomuoto kuin neste. Energiaa varastoituu vesihöyryyn noin 4500 kJ
Yhteenveto energialaskuista: Lämpöopin portaat
Kun ainetta lämmitetään riittävän paljon, tapahtuu vuorotellen lämpötilan ja olomuodon muutoksia. Tätä kokonaisuutta voidaan havainnollistaa kuvaajalla eli diagrammilla nimeltä lämpöopin portaat. Alla on esitetty lämpöopin portaat vedelle alkaen noin - 50 °C lämpöisestä kiinteästä vedestä eli jäästä. Energia-akseli on hahmoteltu melko karkeasti mutta kuitenkin korostaen sitä, että veden höyrystäminen eli vaihe 4 vaatii aivan erityisen paljon energiaa (Kuva alla).
Tehtävä:
100 g kauhassa sulatettua tinaa kaadetaan vesiämpäriin, jonka lämpötila on 20 °C.
Laske kuinka paljon lämpöenergiaa tinaan varastoituu / tina luovuttaa? (valitse oikea)
*Extra: Jos vettä on 5 litraa, miten suuri on vaikutus veden lämpötilaan?
Lämmönsiirtymistavat - muistiinpanot
Jos haluat varastoida huolellisesti lämpöä,
sinun pitää pyrkiä estämään kaikkia kolmea lämmönsiirtymistapaa.
- Johtuminen
- Ainetta ei siirry
- Aineen rakenneosien lämpövärähtely siirtyy rakenneosasta toiseen
- Metallit hyviä lämmönjohteita
- Huokoiset materiaalit kuten vaahtomuovi hyviä eristeitä
- Esimerkit
- Naula polttaa takapuolta lauteilla
- Makkaratikku tarvitsee puisen kahvan
- Kalorimetri on valmistettu styroksista
- Villasukat eristävät lämpöä, koska punosten välissä on ilmaa
- Säteileminen
- Ainetta ei siirry
- Väliainetta ei tarvita
- Kaikki pinnat lähettävät ja vastaanottavat jatkuvasti lämpösäteilyä
- Tumma pinta tehokkaimmin
- Kiiltävät pinnat heikoimmin
- Esimerkit
- Nuotio loimottaa otsaan
- Aurinko lämmittää
- Terassin säteilylämmitin
- Kulkeutuminen
- Virtaava väliaine kuljettaa mukanaan lämpöenergiaa
- Nesteet - esim:
- Golf-virta
- Kiertovesilämmitys
- Kaasut - esim:
- Hiustenkuivain
- Lämmin ilma vaihtuu kylmään avoimesta ikkunasta
- Kiertoilmauunissa lämpö siirtyy ruokaan nopeammin
- Yhteenveto: Hyvässä termospullossa on
- korkki estämässä kulkeutuminen,
- kaksoiskuoren ilmakerros estämässä johtuminen ja
- säiliössä kiiltävä pinta estämässä lämmön säteileminen.
Energian muuntuminen muodosta toiseen - muistiinpanot
| Sidottu eli varastoituva energia | Vapaa energia |
|
|
Energian muunnokset ja säilymislaki
Energiaa ei häviä eikä synny tyhjästä. Energiamuunnoksissa energian määrä säilyy.
Hyödynnettävä energialaji siis vähenee yhtä paljon toinen energialaji kasvaa.
Todellisuudessa energia ei siis kulu ilmiöissä tai maailmassa - se vain muuttaa muotoaan.
Energiamuunnoksia kuvataan energiakaaviolla, joka koostuu kahdesta yhtä suuresta laatikosta ja niiden välisestä tapahtumanuolesta. Jos energia muuntuu useammaksi energialajiksi, oikeanpuoleinen laatikko jaetaan osiin.
Nuoli laatikoiden välissä kuvaa tapahtumaa, jonka yhteydessä energialajien muutos tapahtuu.
ⒺNuotion palaminen. Halkoihin sitoutunut kemiallinen energia vapautuu palamisessa lämpönä, valona ja äänenä. Tärkein muuntuva muoto on lämpö. Valoenergiaa voidaan kutsua myös säteilyenergiaksi. Suuri osa lämpöenergiastakin siirtyy säteilynä, joten rajanveto lämmön ja säteilyn välillä ei ole aivan tarkkaa. Valosta voidaan silti olla varmoja.
Huom1: On harhauttavaa puhua varastoituneesta lämmöstä, koska lämpö on vapaata eikä sidottua eli oikeasti varastoitua energiaa. Lämpö pyrkii aina siirtymään kohti matalampia lämpötiloja. Hetkellisesti lämpöä kuitenkin voidaan varastoida, jos sen siirtyminen estetään.
Johtopäätös: me varastoimme harjoituksissamme lämpöä mutta muistamme sen olevan vapaata energialajia.
Huom2: Energian huononemisella (vanha kirja) tarkoitetaan jonkin muun energialajin muuttumista lämmöksi. Tämä on huononemista siksi, että lämpöä on helppo tuottaa mutta ihmisen on vaikeampi muuttaa lämpöä tehokkaasti takaisin muiksi energiamuodoiksi. Fysiikan kannalta energialajien hyvyydestä on vaikea puhua. Käyttötarkoitus ratkaisee, mikä on käyttäjälle kulloinkin paras energialaji.
Johtopäätös: En kysy kokeessa energian huononemisesta. Käyttökelpoisuudesta kyllä.
Lämpötasapaino - muistiinpanot
- Fysiikassa tasapainotila tarkoittaa sitä, että jokin tutkittava suure pysyy vakaana.
- Silloin suureeseen vaikuttavat tulo- ja lähtövirrat ovat yhtä suuret.
- Systeemit hakeutuvat yleensä tasapainoon mutta tasapaino voi myös muuttua.
Ⓔ Talvella ulkoileva ihminen luovuttaa lämpöä ympäristöönsä. Elimistön täytyy siis tuottaa lämpöä samalla nopeudella kuin lämpöä poistuu, jotta kehon lämpötasapaino säilyy. Muuten kehon lämpöenergia laskee ja samalla lämpötila raajoista alkaen laskee. Seuraa kylmän tunne ja tilanteen jatkuessa toimintakyvyn alentuminen.
Alla on kolme tasapainotilaa, joissa pinnankorkeus on vakaa.
- Vasen esittää alkuperäistä tasapainotilaa. Tuleva ja lähtevä virtaus ovat yhtä suuret, joten pinnankorkeus pysyy vakiona.
- Keskimmäisessä hanasta tulee enemmän vettä, joten pinta nousee, kunnes seuraava reikä saavutetaan ja lähtevä virta on jälleen yhtä suuri kuin tuleva.
- Oikeanpuolimmaisessa yksi reikä on tukittu, jolloin ulosvirtaus pienenee. Silloin pinta nousee, kunnes seuraava reikä saavutetaan ja virrat sisään ja ulos ovat yhtä suuret.
Lämpötasapaino
- Tarkastellaan systeemiä kuten ihminen, talo tai maapallo
- Systeemin lämpötila pysyy tasaisena
- Tämä vaatii, että lämpöenergiaa eli lämpöä tuotetaan tai vastaanotetaan yhtä paljon kuin luovutetaan
- Ihminen tuottaa aina lämpöä ja sitä on pakko luovuttaa, jotta keho ei ylikuumene. Ympäristön johdosta lämmönhukka voi kasvaa myös liian suureksi, jolloin tasapainomme on taas uhattuna ja ruumiinlämpö voi laskea.
- Jos yllä oleva kuvasarja esittää ilmastoa, niin vasen kuva on 1800-luvun tilanne
- Ilmastonmuutoksen myötä maapallon keskilämpötila uhkaa nousta. Syy ei ole niinkään lämmön tuotannossa (aurinko), vaan kasvihuonekaasuissa, jotka estävät entistä paremmin lämmön poistumista.
- Näin ollen oikean puoleinen kuva esittää ilmastonmuutoksen vaikutusta maapallon keskilämpötilaan
- Opettele kirjan avulla käsitteet kasvihuoneilmiö ja ilmastonmuutos perusteellisemmin.