1.2 Lämpö ja termodynamiikka
Lämpötilan mikromalli ja termodynamiikka
Kun huoneenlämpöiseen teekuppiin kaadetaan kuumaa vettä, kuppi lämpenee ja teevesi jäähtyy. Lämpötilaerot tasoittuvat, kun lämpimämmästä aineesta siirtyy energiaa kylmempään. Lämpötila kytkeytyy energiaan ja lämpötilan muutokset energian siirtymiseen. Teevesi luovuttaa energiaa lämpönä kuppiin. Ajan kuluessa teekuppi ja teevesi jäähtyvät huoneen lämpötilaan, koska energiaa siirtyy kupista ja teevedestä niitä alhaisemmassa lämpötilassa olevaan ympäristöön.
Aineeseen siirtynyt energia varastoituu rakenneosasten liikkeen energiaksi. Rakenneosaset ovat aineesta riippuen atomeja tai molekyylejä. Kupin atomit ovat sitoutuneina toisiinsa, eivätkä voi liikkua vapaasti. Sen sijaan ne värähtelevät tasapainoasemiensa ympärillä ja värähtely on sitä voimakkaampaa ja nopeampaa, mitä kuumempi teekuppi on. Liikettä kutsutaan lämpöliikkeeksi. Animaatiossa on malli kiinteän aineen rakenteesta ja rakenneosien lämpöliikkeestä.
Animaatio on muokattu lähteestä The Concord Consortium (http://concord.org).
Aineen lämmetessä siihen varastoituu energiaa. Aineeseen varastoitunut energia ilmenee rakenneosasten liike-energian kasvuna. Tällaista hiukkasten liikettä kutsutaan lämpöliikkeeksi.
Nesteissä aineen rakenneosaset eivät ole sitoutuneina toisiinsa, vaan ne voivat värähtelyn lisäksi siirtyä toistensa lomitse ja vaihtaa paikkaa. Kaasuissa rakenneosasten väliset sidokset katkeavat ja osaset liikkuvat vapaasti.
Aineen kaikki rakenneosaset eivät liiku tai värähtele yhtä nopeasti, vaan liikkeessä on satunnaisuutta. Lämpötila ei pyri kuvaamaan yksittäisen rakenneosasen liikkeen energiaa, eikä lämpötilaa voida määritellä yksittäiselle atomille. Lämpötila on tilastollinen suure, joka kuvaa, kuinka voimakasta lämpöliike aineessa keskimäärin on. Se on verrannollinen aineen rakenneosasen keskimääräiseen liike-energiaan.
Kun ainetta tarkastellaan kokonaisuutena, ei olla kiinnostuneita yksittäisten rakenneosasten liikkeistä tai edes paikoista. Kiinnostavia ovat ainetta kokonaisuutena kuvaavat suureet, kuten lämpötila, tiheys ja tilavuus. Tällä tasolla ainetta tutkivaa fysiikan osa-aluetta kutsutaan termodynamiikaksi ja aineen tilaa kuvaavia suureita tilanmuuttujiksi.
Mikro- ja makrotason vertailua
Termodynamiikassa luodaan malleja, jotka ennustavat tilanmuuttujien muutoksia. Tilanmuuttujien taustalla ovat hiukkasten liike ja vuorovaikutukset. Tarkasteltaessa yksittäisten hiukkasten ominaisuuksia puhutaan mikrotasosta. Vaikka termodynamiikka pyrkii makrotason malleihin, ilmiöiden ymmärtämisen kannalta on tärkeää selvittää, mikä mikrotason ilmiö on niiden taustalla. Aistein havaittavat makrotason ilmiöt pyritään selittämään mikrotason tapahtumien avulla.
Makro- ja mikrotasossa on kyse näkökulmaerosta. Puhallettaessa ilmapalloa sen tilavuus kasvaa. Laajenevaa ilmapalloa voidaan tarkastella sekä makro- että mikrotasolla, kuten videolla tehdään.
Animaatio on muokattu lähteestä The Concord Consortium (http://concord.org).
Myös lämpölaajenemista voidaan tarkastella makro- ja mikrotasolla. Makrotasolla aineet laajenevat tasaisesti niiden lämpötilan noustessa. Mikrotasolla lämpölaajeneminen selitetään lisääntyvän lämpöliikkeen kautta. Kiinteän aineen rakenneosaset värähtelevät jatkuvasti paikallaan. Lämpötilan noustessa värähtely voimistuu, ja hiukkaset vievät siten hieman aiempaa enemmän tilaa ja laajentavat kappaletta.
Tasaisen lämpölaajenemisen malli on yksinkertaistus. Todellisuudessa useimpien aineiden lämpölaajenemiskerroin riippuu lämpötilasta, eli laajeneminen ei välttämättä pysy samanlaisena lämpötilan noustessa. Ilmiö perustuu aineen rakenneosasten ominaisuuksiin ja niiden välisiin sidoksiin. Animaatiossa kiinteä kappale lämpenee, jolloin sen rakenneosasten lämpöliike voimistuu. Voimistunut värähtely vaatii hieman aiempaa enemmän tilaa.
Animaatio on muokattu lähteestä The Concord Consortium (http://concord.org)
Termodynaaminen systeemi
Termodynamiikassa tarkasteltavasta kohteesta käytetään nimitystä systeemi. Systeemi on ympäristöstä rajattu kokonaisuus ainetta, esimerkiksi luokkahuone, juomapullo tai jääkimpale. Systeemit jaetaan kolmeen tyyppiin sen mukaan, miten ne on rajattu ympäristöstä. Ympäristöstä rajaamisella tarkoitetaan, miten aine tai energia pääsevät siirtymän systeemin ja ympäristön välillä.
Vedellä täytetty lasi on avoin systeemi. Se lämpenee (tai jäähtyy) ennen pitkää huoneenlämpöiseksi. Veden ja ympäristön välillä siirtyy energiaa. Energian siirtyminen havaitaan lämpötilan muutoksena. Myös ainetta siirtyy, kun nestettä haihtuu lasista tai kun sitä kaadetaan lasiin lisää. Avoimen systeemin ja ympäristön välillä siirtyy sekä energiaa että ainetta.
Avaamaton vesipullo on suljettu systeemi. Energiaa pääsee siirtymään seinämien läpi, kun pullon ja ympäristön lämpötilaerot tasoittuvat. Pullon seinien läpi ei kuitenkaan siirry ainetta. Suljetun systeemin ja ympäristön välillä siirtyy energiaa, mutta ei ainetta.
Termospulloon kaadettu vesi muodostaa eristetyn systeemin. Termospullon seinämät eristävät hyvin lämpöä, joten energiaa ei juurikaan siirry seinämien läpi. Koska energian siirtyminen ympäristön ja systeemin välillä on vähäistä, systeemin lämpötila ei juuri muutu. Suljettu termospullo on eristetty systeemi, kun tarkasteluaika on minuutteja tai pari tuntia. Tässä ajassa energiaa siirtyy niin vähän, että pullon sisällön lämpötila pysyy samana. Täydellistä eristettyä systeemiä ei kuitenkaan ole olemassa. Eristetyn systeemin ja ympäristön välillä ei siirry energiaa eikä ainetta.
Avoin, suljettu ja eristetty systeemi
- Avoimen systeemin ja ympäristön välillä siirtyy sekä energiaa että ainetta.
- Suljetun systeemin ja ympäristön välillä siirtyy energiaa, mutta ei ainetta.
- Eristetyn systeemin ja ympäristön välillä ei siirry energiaa eikä ainetta.
Lämmön siirtyminen
Kuumasta teevedestä siirtyy energiaa teekuppiin ja ympäristöön, kunnes lämpötilaerot ovat tasoittuneet. Lopputilaa, jossa lämpötila ei enää muutu, kutsutaan termodynaamiseksi tasapainoksi. Kaikki systeemit pyrkivät kohti termodynaamista tasapainoa. Termodynaaminen tasapaino saavutetaan ensin teeveden ja teekupin välillä. Lämpötilaerojen tasoittuminen jatkuu, ja ennen pitkään teevesi ja kuppi ovat termodynaamisessa tasapainossa ympäristön kanssa.
Siirtyvästä lämpöenergiasta käytetään nimeä lämpö. Lämpö voi siirtyä kolmella tavalla: kuljettumalla, johtumalla tai säteilemällä.
Säteily
Lämpö voi siirtyä kuumasta kappaleesta kylmään, vaikka kappaleet eivät olisi kosketuksissa toisiinsa. Viemällä käsi kuuman lämpöpatterin lähelle voi tuntea sen lämmön. Tässä tilanteessa lämpö siirtyy säteilemällä. Kaikki kappaleet lähettävät ympäristöönsä lämpösäteilyä ja vastaanottavat muilta kappaleilta tulevaa säteilyä. Ympäristöään kuumempi kappale säteilee enemmän energiaa itsestään pois kuin vastaanottaa energiaa ympäristöstä. Tämän johdosta kappaleen lämpötila laskee. Lämpöä siirtyy säteilemällä sitä paremmin, mitä helpommin lämpösäteily pääsee siirtymään pois kappaleesta. Ilman läpi lämpösäteily kulkee hyvin, mutta ohut metallifolio heijastaa sen takaisin.
Lämpösäteily on valon kaltaista sähkömagneettista säteilyä. Sen aallonpituus on pidempi kuin valolla, eivätkä silmät aisti sitä. Lämpökamera muuttaa mittaamansa lämpösäteilyn värikuvaksi, jossa eri värit edustavat eri lämpötiloja.
Jos kappale on riittävän kuuma, sen lähettämä säteily on näkyvän valon aallonpituudella, esimerkkejä tästä ovat lamppu ja Aurinko. Lämpökameran kuva paljastaa puutteelliset eristeet seinissä. Hyvin eristetty seinä on ulkoa kylmä, ja huonosti eristetyn seinän läpi pääsee vuotamaan merkittävästi lämpöä sisältä ulos. Tässä kuvassa talojen katot on heikosti eristetty räystäiden kohdalta.
Kuljettuminen
Kun lämpö siirtyy aineen liikkeen mukana, kutsutaan siirtymistapaa kuljettumiseksi. Vesikiertoisissa pattereissa kuuma vesi kuljettaa lämpöä voimalaitoksesta huoneistoihin. Kuljettumisessa kuuma aine siirtyy konkreettisesti paikasta toiseen. Kuljettumisen tehokkuuteen vaikuttaa, miten helposti lämmin aine pääsee etenemään. Simulaatiossa näkyy, kuinka tilan pohjalla oleva kuuma ilmakerros alkaa nousta ylöspäin. Tällöin lämpöä kuljettuu ylös, ja lämpömittarien lukema alkaa ennen pitkää kasvaa. Ilmavirtaus on tyypillisesti kaoottista, ja nouseva ilmavirtaus pyörteilee voimakkaasti.
Animaatio on muokattu lähteestä The Concord Consortium (http://concord.org).
Johtuminen
Lämpöä voi siirtyä aineen sisällä ilman, että aine liikkuu. Jos kuuma ja kylmä kappale ovat kosketuksissa toisiinsa, lämpö siirtyy liitoskohdassa johtumalla. Kuuman kappaleen rakenneosien lämpöliike on voimakkaampaa kuin kylmän. Kappaleiden koskettaessa toisiaan kuumemman kappaleen hiukkaset törmäilevät rajapinnalla kylmemmän kappaleen hiukkasiin. Törmäyksissä hiukkasten liike samankaltaistuu, mikä tarkoittaa lämpötilaerojen tasoittumista. Törmäilevät hiukkaset voivat olla elektroneja, atomeja tai molekyylejä. Patterista lämpö johtuu kaikkeen sitä koskettavaan aineeseen, kuten ilmaan.
Eri aineet johtavat lämpöä eri tavoin. Metallit ovat hyviä lämmönjohteita ja ilma on hyvä lämmöneriste. Erot lämmönjohtavuudessa johtuvat eroista rakenneosien välisissä vuorovaikutuksissa. Molemmissa animaatioissa on vasemmalla puolella kuuma ja oikealla puolella viileä kappale. Vasemmanpuoleisessa animaatiossa kappaleet ovat erillään, kun taas oikeanpuoleisessa ne on yhdistetty ohuella palkilla. Siksi oikeanpuoleisessa animaatiossa lämpöliike pääsee leviämään palkkia pitkin, eli lämpö johtuu.
Animaatio on muokattu lähteestä The Concord Consortium (http://concord.org).
Pysähdy pohtimaan
Esimerkkejä
Esimerkki 1
Miten seuraavat asiat ilmenevät kappaleessa mikrotasolla?- kappaleen lämpötila
- kappaleen lämpötila laskee
- kiinteän kappaleen lämpötila nousee ja kappale laajenee.
Esimerkki 2
Pöydällä on kuuma kattila, jossa on puuroa.
- Millaisena systeeminä kuuman kattilan voi mallintaa?
- Miten eri lämmönsiirtymistavat näkyvät tilanteessa?