Tehtävät
Tehtävät
L2. Lämpölaajeneminen
L3. Pituuden lämpölaajenemiskerroin
L3. Pituuden lämpölaajenemiskerroin: teoriaa
L4. Kaksoismetalli
L5. Pultinkatkaisija
L6. Nesteen lämpölaajeneminen
L7. Kaasun lämpölaajeneminen
L8b. Lämpötilaerojen tasoittuminen (laskut)
L10. Lämpötilaerojen tasoittuminen
L9. Ominaislämpökapasiteetti
L9. Ominaislämpökapasiteetti: laskut
L10. Lämmön siirtyminen 1
L11. Lämmön siirtyminen 2
L12. Sulamislämpö
L13. Sulamispiste
Palaa pääsivulle: Fysiikka 8
Luonnon rakenteet 1
Luonnon rakenteet 2
L1. Lämpötila
Lämpö
Lämpöenergia tarkoittaa aineen rakenneosien liike-energiaa.
Lämpötila on mitta liike-energian keskiarvolle.
Lämpötila-asteikot
Lämmön mittaaminen perustuu lämpötilaerojen tasoittumiseen.
Celsius-asteikon peruspisteet ovat
- 0 ℃ = veden sulamispiste
- 100 ℃ = veden kiehumispiste
1 K = 1 kelvin on SI-järjestelmän mittayksikkö lämpötilalle.
- 0 K on alin mahdollinen lämpötila
- asteväli on sama kuin Celsius-asteikolla
- 0 K = −273,15 ℃
- 0 ℃ = 273,15 K
- 20 ℃ ≈ 273 K + 20 K = 293 K
- 100 ℃ ≈ 373 K
Koska kelvin-asteikon jakoväli on sama kuin Celsius-asteikon, yhden kelvinin lämpötilan muutos on yhtä suuri kuin yhden Celsius-asteen muutos. Lyhyesti:
[[$ \Delta T = T_1-T_0=1 \,\rm{K}=1 \,{}^\circ\rm{C} $]]
Alin mahdollinen lämpötila eli absoluuttinen nollapiste, 0 K, on lämpötila, jossa kaikki lämpöliike loppuu. Käytännössä sitä ei voi koskaan saavuttaa, mutta laboratoriossa on päästy 100 pK lämpötilaan. (Etuliite p = piko = 10-12=0,000 000 000 001.)
Tehtävät
- Etsi kotoasi kuumelämpömittari. Mittaa ruumiinlämpösi kainalosta ja muunna se kelvin-asteikolle.
- Katso ulkolämpötila aamupäivällä ja iltapäivällä joko ulkolämpömittarista tai paikallissäätiedotuksesta. Muunna lukemat kelvin-asteikolle.
L2. Lämpölaajeneminen
L3. Pituuden lämpölaajenemiskerroin
L3. Pituuden lämpölaajenemiskerroin: teoriaa
Pituuden lämpölaajenemiskerroin [[$ \alpha $]] kertoo, kuinka paljon kiinteän kappaleen pituus muuttuu, kun lämpötila muuttuu yhden kelvinin (tai yhden Celsius-asteen) verran.
[[$$ \alpha=\frac{\Delta l}{l_0 \cdot \Delta T} $$]]
[[$ l_0 $]] = kappaleen pituus ennen muutosta
[[$ \Delta l =l_1-l_0 $]] = pituuden muutos
[[$ \Delta T = T_1 -T_0 $]] = lämpötilan muutos
Kiinteiden aineiden kertoimia on oppikirjan taulukossa sivulla 180–181.
kupari | [[$ 0,000 017 \frac{1}{\rm{K}} $]] |
rauta | [[$ 0,000 012 \frac{1}{\rm{K}} $]] |
alumiini | [[$ 0,000 023 \frac{1}{\rm{K}} $]] |
Meidän mittauksemme ei ollut kovin tarkka, mutta metallit saatiin ainakin oikeaan järjestykseen.
L4. Kaksoismetalli
L5. Pultinkatkaisija
L6. Nesteen lämpölaajeneminen
L10. Lämpötilaerojen tasoittuminen
L7. Kaasun lämpölaajeneminen
L8b. Lämpötilaerojen tasoittuminen (laskut)
L9. Ominaislämpökapasiteetti
L9. Ominaislämpökapasiteetti: laskut
Veden lämpötila ennen sekoittamista: [[$ T_1= 15{,}4\,{}^\circ\rm{C} $]]
Veden lämpötila erojen tasoittumisen jälkeen: [[$ T_2= 36{,}9\,{}^\circ\rm{C} $]]
Kappaleen luovuttaman lämpöenergian määrä on sama kuin veden saama energia.
Laske veden lämpötilan muutos:
[[$ \Delta T = T_2-T_1 = (36{,}9 - 15{,}4 ) \,{}^\circ\rm{C}= 21{,}5\,{}^\circ\rm{C}=21{,}5\,\rm{K} $]]
Muista: lämpötilan muutos on celsius-asteina ja kelvineinä yhtä suuri. Älä silloin lisää tai vähennä 273:a.
Veden ominaislämpökapasiteetti [[$ c=4{,}19 \,\rm{kJ/kg· K} $]], veden massa [[$ m=0{,}4\,\rm{kg} $]] ja äsken laskettu lämpötilan muutos [[$ \Delta T =21{,}5\,\rm{K} $]].
Siirtyneen energian määrä:
[[$ \begin{split}E&=cm\Delta T \\&=4{,}19 \,\rm{kJ/(kg· K)} \cdot 0{,}4\,\rm{kg} \cdot 21{,}5\,\rm{K}\\&=36{,}034 \,\rm{kJ} \approx 36 \,\rm{kJ} \end{split} $]]
Rauta on luovuttanut saman määrän energiaa.
Rautakappaleen massa [[$ m= 666 \,\rm{g} = 0{,}666\,\rm{kg} $]]
Kappaleen lämpötila ennen sekoittamista: [[$ T_1=89{,}4\,{}^\circ\rm{C} $]]
Kappaleen lämpötila erojen tasoittumisen jälkeen: [[$ T_2=36{,}9\,{}^\circ\rm{C} $]]
Laske kappaleen lämpötilan muutos:
[[$ \Delta T = T_2-T_1 =(89{,}4-36{,}9)\,{}^\circ\rm{C}=52{,}5\,{}^\circ\rm{C}=52{,}5\,\rm{K} $]]
Tästä voidaan laskea kappaleen ominaislämpökapasiteetti:
[[$ E=c\cdot m\cdot \Delta T \Leftrightarrow{} \\ \begin{split} c&=E : (m\cdot \Delta T)= 36{,}034 \,\rm{kJ} : (0{,}666\,\rm{kg}\cdot 52{,}5\,\rm{K})\approx 1 \,\rm{kJ/kg· K}\end{split}$]]
Esimerkissä kappale on rautaa. Taulukko ilmoittaa raudan ominaislämpökapasiteetiksi [[$ 0{,}449 \,\rm{kJ/(kg· K)} $]]. Kokeessa saatu tulos on siis noin kaksinkertainen. Kokeessa on useita virhelähteitä: tilavuuden ja massojen mittaus, lämpötilojen mittaus sekä kalorimetrin huono tiiviys ja eristyskyky.
L10. Lämmön siirtyminen 1
L11. Lämmön siirtyminen 2
L12. Sulamislämpö
Jään ominaissulamislämpö on [[$ 333 \frac{\rm{kJ}}{\rm{kg}} $]].
- Ota kalorimetriin vettä. Veden määrän ja lämpötilan saat itse päättää.
- Punnitse vesi keitinlasissa ennen kaatamista. (Esim. 200 g = 0,2 kg)
- Mittaa veden lämpötila kalorimetrissä.
- Punnitse jääpala keitinlasissa ja lisää se kalorimetriin.
- Mittaa veden lämpötila, kun kaikki jää on sulanut.
- Laske, kuinka paljon vesi on jäähtynyt.
- Laske ominaislämpökapasiteetista, kuinka paljon vesi on luovuttanut energiaa jääpalalle.
- Laske ominaissulamislämmöstä, kuinka paljon jääpalan sulaminen vaatii energiaa.
- Selitä ero kohtien 5. ja 6. tuloksessa.
L13. Sulamispiste
Steariinin sulamispiste
- Ota keitinlasiin kuumaa vettä.
- Sulata steariini vesihauteessa.
- Laita lämpömittari steariiniin. Varmista, että näet yli 40 °C lukemat.
- Mittaa steariinin lämpötila.
- Nosta koeputki lämpömittareineen pois hauteesta.
- Tarkista lämpötila minuutin välein.
Älä nosta lämpömittaria pois steariinista!
Kirjaa lämpötilat taulukkoon (aika minuutteina sekä lämpötila Celsius-asteina). - Voit lopettaa mittaamisen, kun steariini on kokonaan jähmettynyt ja lämpötila laskee nopeasti.
- Sulata steariini uudelleen.
Nosta lämpömittari pois ja pyyhi varovasti puhtaaksi kuivalla paperilla.
Pese sitten mittari lämpimällä vedellä. - Piirrä taulukon perusteella kuvaaja:
vaaka-akselille aika minuutteina,
pystyakselille lämpötila (esim. välillä 40–60 °C).