Energia ja työ
Energia ja työ
Energian säilymislain mukaan energia voi siirtyä tai muuntua muodosta toiseen, mutta sen kokonaismäärä kuitenkin säilyy. Energian yksikkö on Joule J. Mekaanisia energioita on kineettinen- ja potentiaalienergia. Muita energioita on kemiallinen energia, sähköenergia, magneettikentän energia, lämpöenergia, säteilyenergia ja ydinenergia.
Jos systeemillä on mekaanista energiaa, se voi tehdä työtä. Voima F vaikuttaa tiettyyn suuntaan kulkevaan kappaleeseen ja tällöin työ on voima kertaa kappaleen siirtymä.
Mikäli voima muodostaa siirtotyössä, jonkun kulman, eli sen vektroi ei ole kohti kappaletta vaan se on vähän vinossa oleva voima, niin sitten vaan kerrotaan se trigonometrisellä funktiolla esim:
Graafisessa integroinnissa voiman tekemä työ voidaan laskea pinta-alalla Fs-koordinaatistossa.
Kitkatyö on yleensä negatiivinen, kun se on liikesuunnan vastaista.
Nostotyö p Nostossa työ varastoituu pot.energ.
Kiihdytystyö kun kappale kiihtyy levosta s:n paikalle sijoitetaan
Jousityö
Mekaaninen energia
Mekaanisen energian säilymislaki eli kineettinen ja potentiaali alussa = lopussa maistettuna työ
jossa työ W on pos tai neg riippuen sen vaikutussuunntasta, eli negatiivinen on yleensä kitkatyö.
Teho saadaan kun voiman tekemä työ jaetaan siihen kuluneella ajalla, eli voima per sekuntia kohden. Tai jos työtä tehdään tasaisella nopeudella v.
Graafisesti teho on kulmakerroin
Tehoa on myös käytetty energia per aikayksikössä. Sähköopissa teho lasketaan P=UI kaavalla, mutta se voidaan laskea myös energian kulutuksena.
Hyötysuhde
Kertoo kuinka hyvin energiaa voidaan käyttää hyödyksi, eli muuttaa työksi. Ilmoitetaan usein prosentteina. Esim. ihmisen sydän käyttää energiaa tietynverran eli OTTO ja se antaa ulos mekaanisena työnä ANTO.
Paine
Kuvaa voiman vaikutusta johonkin pinta-alaan. Kohtisuora voima F vaikuttaa pintaan A, eli P = voima F per pinta-ala A. Elikkäs yksikkönä olisi newtonia per neliömetri . Löytyy myös atm joka on 101325Pa joka on 760mmHg. Lisäksi 1bar = 100 000Pa.
Hydrostaattinen paine
Hydrostaattinen paine aiheutuu taas nesteen tai kaasun omasta painosta johon vaikuttaa tiheys ja massa ominaisuudet. Lisäksi jos nesteeseen tai kaasuun kohdistuu ulkoinen paine, niin lisätään atm eli ilmakehän paine.p0=atm. Eli kokonaispaine on näinden summa Pkok = p0 + phydro
Hydrostaattinen paine ei riipuu nesteen tai kaasun asettumisesta, eikä sen muodoista, vaan se vaikuttaa samalla voimalla kaikkialle esimerkiksi asiassa seinämiä kohtaan. Ainoastaan nestepatsaan korkeus vaikuttaa. Jos muunnetaan elohopeamillimetrejä pascaleiksi, niin ihan roogeehoo kaavalla suoraan, elohopean tiheydellä.
Manometri (video)
Manometri
Suljettu U-putkimanometri mittaa herkästi kaasun painetta. Jota verrataan tyhjiön paineeseen, eli nolla paineeseen. Korkeusero ilmaisee suoraan mittauskohteen paineen. Kuva alla vertaa suljettua ja avointa putkimanometriä.
Hydraulisten laitteiden toiminta perustuu siihen että sama paine systeemissä vaikuttaa kaikkialla, koska neste on kokoonpuristumatonta. Voima F pientä pinta-alaa kohti vaikutaa toiseen päähän suuremmalla paineella koska siellä on suurempi pinta-ala. Näin tarvitaan suurempi voima, jotta saadaan paine pysymään vakiona systeemissä.
Noste
Nesteeseen (tai kaasun) upotettu kappale kohtaa nostevoimia, jotka kohdistuvat ylöspäin, koska paine syvemmällä nesteessä on suurempi. Eli kappaleen yläosaan vaikuttava paine on pienempi ja alaosaan suurempi, niin erotus saa aikaan nosteen ylöspäin. Arkhimedeen laki sanoo että ”Nesteessä (tai kaasussa) kappaleeseen vaikuttaa noste, joka on yhtäsuuri kuin sen syrjäyttämä nestemäärä”.
Esim metallikappale punnittiin ilmassa, vedessä ja eräässä toisessa nesteessä. Painot olivat:
Ilma: (mg) = 4.0N Vesi: = 3.5N ja Neste: 3.6N, Lasketaan nesteen tiheys???
Etsitään aina ensimmäisenä mistä saadaan kappaleen tilavuus laskettua. Lasketaan paljonko kappaleella on nostetta vedessä Nvesi ja nostetta nesteessä Nneste. Sitten kun tiedetään tilavuus, niin voidaan laskea kappaleen syrjäyttämän nesteen tilavuuksien myötä niiden tiheydet.
Jos kappale kelluttelee vaikka vedessä, niin pitää laskea kuinka syvällä se kelluu. Tähän päästään seuraavasti:
Eli laita ensin että voimien summa on nolla ja jaa muunna voimat nosteiksi:
N – G = 0
N = mg (muista että m=pV)
pVg (vesi) = pVg (jää) , jaetaan g pois ja muutetaan tilavuudet
pAh (vesi) = pAd (kokojää)
h= lasketaan siis ed. h.
Noste video
Kaasujen tilanyhtälöt
Isoterminen (T-puuttuu), lämpötila vakio (Boyle) p1V1=p2V2
Isobaarinen (p-puuttuu), paine vakio (Gay-Lussac) V1/T1 = V2/T2
Isokoorinen (V-puuttuu), tilavuus vakio (Charles) p1/T1 = p2/T2
(Tilayhtälö laskuissa voit käyttää tilavuutena suorana litrojakin)
Kaasuyhtälöt kuvaajasta video
Yleinen kaasuvakio on pV=nRT (MUISTA laskuissa V=m3 eli tilavuus kuutiometreinä)
(video tehtävä 69.)
Ideaalikaasut
Jos kaasun ainemäärä on n, niin sen kaasumolekyylien lukumäärä on N = n * NA eli sama kuin yleensä ainemäärissä, sekä tämä esim 1 mooli kaasua vaatii NTP-olosuhteissa V0 = 22,41dm3 tilavuuden. Eli jos kaasun ainemäärä on n, niin sen tilavuus on tällä ainemäärällä V = n * Vm. Kuinka monta moolia on yhdessä litrassa ideaalikaasua? n = V / Vm
Daltonin laki sanoo, että samassa tilassa olevat kaasut sekoittuvat homogeeniseksi kaasuseokseksi ja kokonaispaine muodostuu eri kaasujen osapaineiden summasta pkok = p1 + p2 + p3… Daltonin osapainelaki sanoo myös että P1 = ( n1 RT) / V ; P2 = ( n2 RT) / V , eli eri osapaineet voidaan laskea soveltamalla kullekkin paineelle pV=nRT kaavaa. Toisaalta kaasujen osapaineet ovat kaasujen mooliosuuksia PX = P total · (nx / ntotal), eli p*n/nkok.
Boylen lain mukainen prosessi jossa pV on vakio. Kun kaasu siirtyy 1 tilasta -> 2 tilaan, kaasun paine pienenee ja tilavuus kasvaa. Kun tilavuus kasvaa, niin kaasu tekee laajetessaan työtä.
Gay-Lussacin prosessi jossa V/T on vakio. Kun kaasu siirtyy 1 tilasta -> 2 tilaan, niin kaasun tilavuus kasvaa lämpötilan kasvun myötä. Kaasu tekee laajetessaan työtä.
Laajenevan kaasun tekemä työ
Kun kaasu laajenee, se tekee työtä. Kaasun laajenemisen isobaarisessa prosessissa voi aiheuttaa lämpötila, jolloin myös systeemin sisäenergia kasvaa. Kaasun tekemä työ voidaan laskea W = p(muutos)V eli paineen ja tilavuuden muutoksen tulo.
Charlesin lain mukainen prosessi jossa p/T on vakio. Kun kaasu siirtyy tilasta 1 -> tilaan 2, niin kaasun paine kasvaa lämpötilan kasvun myötä. Kaasun sisäenergia kasvaa ja kaasu vastaanottaa lämpöä.
Kaasumolekyylien liikkeet aiheuttavat astian seinään törmäyksiä josta aiheutuu voima F ja tämän suhde pintaa kohden aiheuttaa paineen P = F / A. Yksikkönä Pa(scal) = N/m2.
Yleisesti käytetään myös bar:ia joka on 100 000 Pa. Myös ilmakehän atm = 101325Pa tai mmHg- eli elohopeamillimetri.
Kaasutilojen käyrien tulkinta video
Kaasulasku esimerkki
Kaasun tekemä työ
Lämpölaajeneminen
Pituuden lämpötilakerroin on aineelle ominainen vakio.
Kaavan voi myös esittää:
Pinta-alalle
Tilavuudelle
Nesteillä lämpölaajeneminen on suurempaa kuin kiinteillä aineilla, poikkeuksena vesi joka tilavuus pienenee kun sen lämpötila nousee 0 -> 4 C◦ ja vasta tämän jälkeen se lähtee laajeneen. Tässä pisteessä veden tiheys on suurimmillaan. Laskuissa huomaa onko annettu piduuden, pinta-alan vai tilavuuden lämpölaajenemiskerroin. Eli jos lasketaan vaikka tilavuuksia ja on annettu esim astialle pituuden lämpötilakerroin, niin tämä tarvitsee kertoa 3:lla.
Lämpöoppia
Lämpö Q on energiaa joka noudattaa energian säilymislakia. Lämpömäärän yksikkö on J. Eristetyssä systeemissä lämpötilaerot pyrkivät tasoittumaan. Eristetty systeemi ei vaihda lämpöä eli energiaa ympäristön kanssa, kun taas suljettu systeemi voi vaihtaa lämpöä eli energiaa, mutta ei ainetta. Avoin systeemi vaihtaa sekä lämpöä että energiaa.
Aineet esiintyvät kiinteissä, nesteissä ja kaasuissa. Kiinteästä sulaa ensin nesteeksi ja sitten höyrystyy, kun taas kaasu tiivistyy nesteeksi ja sitten jähmettyy kiinteäksi. Oikotietä onneen eli suoraan kiinteästä kaasuksi (hh-jäät) on sublimoituminen ja kaasusta kiinteäksi (autonlasi) härmistyminen.
Lämpöenergian (entalpian) muutos laskuissa:
sekä sulamis/jähmettymis
että höyrystymis/tiivistymis
Lämmön siirtyminen eristetyssä systeemissä video
Lämpöopin pääsäännöt
Nollas pääsääntö: eristetyssä systeemissä syntyy terminen tasapaino, eli lämpötilaerot pyrkivät tasapainoon. Kylmempi vastaanottaa kuumemaan lämmön.
I – pääsääntö: Systeemin sisäenergia voi muuttua tehdyn työn tai siirtyneen lämmön vuoksi.
Sisäenergiaa U ovat kaikki energiat joita on systeemissä, eli energioiden summa. Arvoja ei voida tarkkaa mitata, mutta muutoksia kyllä deltaU kyllä. Sisäenergia on tilan funktio ja se ei kasva tyhjästä tai häviä minnekkään. Se vain muuttuu systeemin ja ympäristön välillä. S isäenergian muodostaa kaikki kuten; rakenneosien liike, värähtely ja pyöriminen, sekä sidosten välinen potentiaalienergia.
Systeemin sisäenergian muutos on , missä Q systeemiin tuotu lämpö ja W on systeemiin tehty työ. Työ W on positiivinen kun systeemin sisäisiä voimia vastaan tehdään joku työ ja se on negatiivinen jos systeemi tekee itse duuninsa. Lämpömäärän positiivisuus ja negatiivisuus menee samansuuntaisesti ja itse sisäenergian muutos on positiivinen kun se vastaanottaa energiaa ja negatiivinen kun se luovuttaa energiaa.
Esim 1. Tehdään muusi 1kg perunoita (omin.lk 3,0kJ/kg), vatkaamalla 280W:lla 5min ajan. Muusi jäähtyy 70 – 50 ºC. Lasketaan sisäenrgian muutosta?
Ensin lasketaan lämpömäärän joka lähtee Q=cmΔT ja tehty työ W=Pt. Siitä sijoitetaan sisäenergian muutos kaavaan ΔU = Q + W, jossa Q on miinus kun se lähtee prosessista pois, niin saadaan siis vähennyslasku.
II – pääsääntö Eristetyn systeemin entorpia, eli epäjärjestys kasvaa kaikissa prosesseissa. Entropia eli epäjärjestysmäärä joka poikkeaa tasapainoasemasta. Järjestys kuvaa pientä entropiaa ja epäjärjestys suurta entropiaa. Lämpötilaerot pyrkivät tasapainottumaan ja aineet sekoittumaan. Kaikki kulkevat kohti tiettyä määränpäätä. Energia huononee matkalla esim kineettisestä -> lämmöksi, jota ei enää voida muuttaa työksi. III-pääsääntö on että Absoluuttisessa nollapisteessä entropia on nolla ja siihen ei koskaan päästä.
Termodynaamiset koneet
Lämpövoimakone muuttaa lämpöä työksi, joiden voidaan ajatella toimivan kuuman ja kylmän säiliön välissä. Koneita voi olla höyrykone, höyryturbiini, polttomoottori ja suihkumoottori. Yhden jakson aikana kone ottaa lämpösäiliöstä lämpömäärän Q1 josta se muuttaa osan työksi W ja luovuttaa loput Q1-W = Q2:ksi kylmäsäiliöön.
Lämmön siirtyminen
Lämmön siirtymistavat ovat johtuminen, kuljetus, säteily.
Lämmön siirtymisteho
Lämmön kuljetusteho
Lämpösäteily, Stefan Bolzmannin laki
Kappaleen emittoima lämpöteho on suoraan verrannollinen kappaleen absoluuttisen lämpötilan neljänteen potenssiin.
Höyrynpaine
Kemian termodynamiikka
Kemiallisessa reaktiossa ensin sidosten katkeaminen vaatii energiaa joten tämä on sitä endotermistä muutosta. Sitten sidosten muodostuminen vapauttaa energiaa pois, joten tämä on sitä eksotermistä muutosta. Usein nämä eivät ole saman verran vaan toinen niistä onkin isompi. Kun nämä kaksi asiaa summataan yhteen niin päästään joko plussalle tai miinukselle
Energian säilymislain mukaan energia voi siirtyä tai muuntua muodosta toiseen, mutta sen kokonaismäärä kuitenkin säilyy. Energian yksikkö on Joule J. Mekaanisia energioita on kineettinen- ja potentiaalienergia. Muita energioita on kemiallinen energia, sähköenergia, magneettikentän energia, lämpöenergia, säteilyenergia ja ydinenergia.
Jos systeemillä on mekaanista energiaa, se voi tehdä työtä. Voima F vaikuttaa tiettyyn suuntaan kulkevaan kappaleeseen ja tällöin työ on voima kertaa kappaleen siirtymä.
Mikäli voima muodostaa siirtotyössä, jonkun kulman, eli sen vektroi ei ole kohti kappaletta vaan se on vähän vinossa oleva voima, niin sitten vaan kerrotaan se trigonometrisellä funktiolla esim:
Graafisessa integroinnissa voiman tekemä työ voidaan laskea pinta-alalla Fs-koordinaatistossa.
Kitkatyö on yleensä negatiivinen, kun se on liikesuunnan vastaista.
Nostotyö p Nostossa työ varastoituu pot.energ.
Kiihdytystyö kun kappale kiihtyy levosta s:n paikalle sijoitetaan
Jousityö
Mekaaninen energia
Mekaanisen energian säilymislaki eli kineettinen ja potentiaali alussa = lopussa maistettuna työ
jossa työ W on pos tai neg riippuen sen vaikutussuunntasta, eli negatiivinen on yleensä kitkatyö.
Teho saadaan kun voiman tekemä työ jaetaan siihen kuluneella ajalla, eli voima per sekuntia kohden. Tai jos työtä tehdään tasaisella nopeudella v.
Graafisesti teho on kulmakerroin
Tehoa on myös käytetty energia per aikayksikössä. Sähköopissa teho lasketaan P=UI kaavalla, mutta se voidaan laskea myös energian kulutuksena.
Hyötysuhde
Kertoo kuinka hyvin energiaa voidaan käyttää hyödyksi, eli muuttaa työksi. Ilmoitetaan usein prosentteina. Esim. ihmisen sydän käyttää energiaa tietynverran eli OTTO ja se antaa ulos mekaanisena työnä ANTO.
Paine
Kuvaa voiman vaikutusta johonkin pinta-alaan. Kohtisuora voima F vaikuttaa pintaan A, eli P = voima F per pinta-ala A. Elikkäs yksikkönä olisi newtonia per neliömetri . Löytyy myös atm joka on 101325Pa joka on 760mmHg. Lisäksi 1bar = 100 000Pa.
Hydrostaattinen paine
Hydrostaattinen paine aiheutuu taas nesteen tai kaasun omasta painosta johon vaikuttaa tiheys ja massa ominaisuudet. Lisäksi jos nesteeseen tai kaasuun kohdistuu ulkoinen paine, niin lisätään atm eli ilmakehän paine.p0=atm. Eli kokonaispaine on näinden summa Pkok = p0 + phydro
Hydrostaattinen paine ei riipuu nesteen tai kaasun asettumisesta, eikä sen muodoista, vaan se vaikuttaa samalla voimalla kaikkialle esimerkiksi asiassa seinämiä kohtaan. Ainoastaan nestepatsaan korkeus vaikuttaa. Jos muunnetaan elohopeamillimetrejä pascaleiksi, niin ihan roogeehoo kaavalla suoraan, elohopean tiheydellä.
Manometri (video)
Manometri
Suljettu U-putkimanometri mittaa herkästi kaasun painetta. Jota verrataan tyhjiön paineeseen, eli nolla paineeseen. Korkeusero ilmaisee suoraan mittauskohteen paineen. Kuva alla vertaa suljettua ja avointa putkimanometriä.
Hydraulisten laitteiden toiminta perustuu siihen että sama paine systeemissä vaikuttaa kaikkialla, koska neste on kokoonpuristumatonta. Voima F pientä pinta-alaa kohti vaikutaa toiseen päähän suuremmalla paineella koska siellä on suurempi pinta-ala. Näin tarvitaan suurempi voima, jotta saadaan paine pysymään vakiona systeemissä.
Noste
Nesteeseen (tai kaasun) upotettu kappale kohtaa nostevoimia, jotka kohdistuvat ylöspäin, koska paine syvemmällä nesteessä on suurempi. Eli kappaleen yläosaan vaikuttava paine on pienempi ja alaosaan suurempi, niin erotus saa aikaan nosteen ylöspäin. Arkhimedeen laki sanoo että ”Nesteessä (tai kaasussa) kappaleeseen vaikuttaa noste, joka on yhtäsuuri kuin sen syrjäyttämä nestemäärä”.
Esim metallikappale punnittiin ilmassa, vedessä ja eräässä toisessa nesteessä. Painot olivat:
Ilma: (mg) = 4.0N Vesi: = 3.5N ja Neste: 3.6N, Lasketaan nesteen tiheys???
Etsitään aina ensimmäisenä mistä saadaan kappaleen tilavuus laskettua. Lasketaan paljonko kappaleella on nostetta vedessä Nvesi ja nostetta nesteessä Nneste. Sitten kun tiedetään tilavuus, niin voidaan laskea kappaleen syrjäyttämän nesteen tilavuuksien myötä niiden tiheydet.
Jos kappale kelluttelee vaikka vedessä, niin pitää laskea kuinka syvällä se kelluu. Tähän päästään seuraavasti:
Eli laita ensin että voimien summa on nolla ja jaa muunna voimat nosteiksi:
N – G = 0
N = mg (muista että m=pV)
pVg (vesi) = pVg (jää) , jaetaan g pois ja muutetaan tilavuudet
pAh (vesi) = pAd (kokojää)
h= lasketaan siis ed. h.
Noste video
Kaasujen tilanyhtälöt
Isoterminen (T-puuttuu), lämpötila vakio (Boyle) p1V1=p2V2
Isobaarinen (p-puuttuu), paine vakio (Gay-Lussac) V1/T1 = V2/T2
Isokoorinen (V-puuttuu), tilavuus vakio (Charles) p1/T1 = p2/T2
(Tilayhtälö laskuissa voit käyttää tilavuutena suorana litrojakin)
Kaasuyhtälöt kuvaajasta video
Yleinen kaasuvakio on pV=nRT (MUISTA laskuissa V=m3 eli tilavuus kuutiometreinä)
(video tehtävä 69.)
Ideaalikaasut
- Rakenneosat pistemäisiä, ei vaadi tilaa.
- Rakenneosat liikkuvat satunnaisesti ja tasa-arvoisesti joka suuntaan, sekä törmäykset kimmoisia ja noudattaa mekaniikan lakeja.
- Rakenneosat eivät vuorovaikuta itsensä eikä muiden rakenneosien kanssa.
- Kaasun oma tilavuus pieni verrattuna säiliön tilavuuteen.
- Ei nesteydy, vaan sen tilavuus lähestyy nollaa, kun paine kasvaa tai lämpötila laskee.
Jos kaasun ainemäärä on n, niin sen kaasumolekyylien lukumäärä on N = n * NA eli sama kuin yleensä ainemäärissä, sekä tämä esim 1 mooli kaasua vaatii NTP-olosuhteissa V0 = 22,41dm3 tilavuuden. Eli jos kaasun ainemäärä on n, niin sen tilavuus on tällä ainemäärällä V = n * Vm. Kuinka monta moolia on yhdessä litrassa ideaalikaasua? n = V / Vm
Daltonin laki sanoo, että samassa tilassa olevat kaasut sekoittuvat homogeeniseksi kaasuseokseksi ja kokonaispaine muodostuu eri kaasujen osapaineiden summasta pkok = p1 + p2 + p3… Daltonin osapainelaki sanoo myös että P1 = ( n1 RT) / V ; P2 = ( n2 RT) / V , eli eri osapaineet voidaan laskea soveltamalla kullekkin paineelle pV=nRT kaavaa. Toisaalta kaasujen osapaineet ovat kaasujen mooliosuuksia PX = P total · (nx / ntotal), eli p*n/nkok.
Boylen lain mukainen prosessi jossa pV on vakio. Kun kaasu siirtyy 1 tilasta -> 2 tilaan, kaasun paine pienenee ja tilavuus kasvaa. Kun tilavuus kasvaa, niin kaasu tekee laajetessaan työtä.
Gay-Lussacin prosessi jossa V/T on vakio. Kun kaasu siirtyy 1 tilasta -> 2 tilaan, niin kaasun tilavuus kasvaa lämpötilan kasvun myötä. Kaasu tekee laajetessaan työtä.
Laajenevan kaasun tekemä työ
Kun kaasu laajenee, se tekee työtä. Kaasun laajenemisen isobaarisessa prosessissa voi aiheuttaa lämpötila, jolloin myös systeemin sisäenergia kasvaa. Kaasun tekemä työ voidaan laskea W = p(muutos)V eli paineen ja tilavuuden muutoksen tulo.
Charlesin lain mukainen prosessi jossa p/T on vakio. Kun kaasu siirtyy tilasta 1 -> tilaan 2, niin kaasun paine kasvaa lämpötilan kasvun myötä. Kaasun sisäenergia kasvaa ja kaasu vastaanottaa lämpöä.
Kaasumolekyylien liikkeet aiheuttavat astian seinään törmäyksiä josta aiheutuu voima F ja tämän suhde pintaa kohden aiheuttaa paineen P = F / A. Yksikkönä Pa(scal) = N/m2.
Yleisesti käytetään myös bar:ia joka on 100 000 Pa. Myös ilmakehän atm = 101325Pa tai mmHg- eli elohopeamillimetri.
Kaasutilojen käyrien tulkinta video
Kaasulasku esimerkki
Kaasun tekemä työ
Lämpölaajeneminen
Pituuden lämpötilakerroin on aineelle ominainen vakio.
Kaavan voi myös esittää:
Pinta-alalle
Tilavuudelle
Nesteillä lämpölaajeneminen on suurempaa kuin kiinteillä aineilla, poikkeuksena vesi joka tilavuus pienenee kun sen lämpötila nousee 0 -> 4 C◦ ja vasta tämän jälkeen se lähtee laajeneen. Tässä pisteessä veden tiheys on suurimmillaan. Laskuissa huomaa onko annettu piduuden, pinta-alan vai tilavuuden lämpölaajenemiskerroin. Eli jos lasketaan vaikka tilavuuksia ja on annettu esim astialle pituuden lämpötilakerroin, niin tämä tarvitsee kertoa 3:lla.
Lämpöoppia
Lämpö Q on energiaa joka noudattaa energian säilymislakia. Lämpömäärän yksikkö on J. Eristetyssä systeemissä lämpötilaerot pyrkivät tasoittumaan. Eristetty systeemi ei vaihda lämpöä eli energiaa ympäristön kanssa, kun taas suljettu systeemi voi vaihtaa lämpöä eli energiaa, mutta ei ainetta. Avoin systeemi vaihtaa sekä lämpöä että energiaa.
Aineet esiintyvät kiinteissä, nesteissä ja kaasuissa. Kiinteästä sulaa ensin nesteeksi ja sitten höyrystyy, kun taas kaasu tiivistyy nesteeksi ja sitten jähmettyy kiinteäksi. Oikotietä onneen eli suoraan kiinteästä kaasuksi (hh-jäät) on sublimoituminen ja kaasusta kiinteäksi (autonlasi) härmistyminen.
Lämpöenergian (entalpian) muutos laskuissa:
sekä sulamis/jähmettymis
että höyrystymis/tiivistymis
Lämmön siirtyminen eristetyssä systeemissä video
Lämpöopin pääsäännöt
Nollas pääsääntö: eristetyssä systeemissä syntyy terminen tasapaino, eli lämpötilaerot pyrkivät tasapainoon. Kylmempi vastaanottaa kuumemaan lämmön.
I – pääsääntö: Systeemin sisäenergia voi muuttua tehdyn työn tai siirtyneen lämmön vuoksi.
Sisäenergiaa U ovat kaikki energiat joita on systeemissä, eli energioiden summa. Arvoja ei voida tarkkaa mitata, mutta muutoksia kyllä deltaU kyllä. Sisäenergia on tilan funktio ja se ei kasva tyhjästä tai häviä minnekkään. Se vain muuttuu systeemin ja ympäristön välillä. S isäenergian muodostaa kaikki kuten; rakenneosien liike, värähtely ja pyöriminen, sekä sidosten välinen potentiaalienergia.
Systeemin sisäenergian muutos on , missä Q systeemiin tuotu lämpö ja W on systeemiin tehty työ. Työ W on positiivinen kun systeemin sisäisiä voimia vastaan tehdään joku työ ja se on negatiivinen jos systeemi tekee itse duuninsa. Lämpömäärän positiivisuus ja negatiivisuus menee samansuuntaisesti ja itse sisäenergian muutos on positiivinen kun se vastaanottaa energiaa ja negatiivinen kun se luovuttaa energiaa.
Esim 1. Tehdään muusi 1kg perunoita (omin.lk 3,0kJ/kg), vatkaamalla 280W:lla 5min ajan. Muusi jäähtyy 70 – 50 ºC. Lasketaan sisäenrgian muutosta?
Ensin lasketaan lämpömäärän joka lähtee Q=cmΔT ja tehty työ W=Pt. Siitä sijoitetaan sisäenergian muutos kaavaan ΔU = Q + W, jossa Q on miinus kun se lähtee prosessista pois, niin saadaan siis vähennyslasku.
II – pääsääntö Eristetyn systeemin entorpia, eli epäjärjestys kasvaa kaikissa prosesseissa. Entropia eli epäjärjestysmäärä joka poikkeaa tasapainoasemasta. Järjestys kuvaa pientä entropiaa ja epäjärjestys suurta entropiaa. Lämpötilaerot pyrkivät tasapainottumaan ja aineet sekoittumaan. Kaikki kulkevat kohti tiettyä määränpäätä. Energia huononee matkalla esim kineettisestä -> lämmöksi, jota ei enää voida muuttaa työksi. III-pääsääntö on että Absoluuttisessa nollapisteessä entropia on nolla ja siihen ei koskaan päästä.
Termodynaamiset koneet
Lämpövoimakone muuttaa lämpöä työksi, joiden voidaan ajatella toimivan kuuman ja kylmän säiliön välissä. Koneita voi olla höyrykone, höyryturbiini, polttomoottori ja suihkumoottori. Yhden jakson aikana kone ottaa lämpösäiliöstä lämpömäärän Q1 josta se muuttaa osan työksi W ja luovuttaa loput Q1-W = Q2:ksi kylmäsäiliöön.
Lämmön siirtyminen
Lämmön siirtymistavat ovat johtuminen, kuljetus, säteily.
Lämmön siirtymisteho
Lämmön kuljetusteho
Lämpösäteily, Stefan Bolzmannin laki
Kappaleen emittoima lämpöteho on suoraan verrannollinen kappaleen absoluuttisen lämpötilan neljänteen potenssiin.
Höyrynpaine
Kemian termodynamiikka
Kemiallisessa reaktiossa ensin sidosten katkeaminen vaatii energiaa joten tämä on sitä endotermistä muutosta. Sitten sidosten muodostuminen vapauttaa energiaa pois, joten tämä on sitä eksotermistä muutosta. Usein nämä eivät ole saman verran vaan toinen niistä onkin isompi. Kun nämä kaksi asiaa summataan yhteen niin päästään joko plussalle tai miinukselle
