Mar 21, 2016
Lämpötila• Suure lämpötila kuvaa kappaleen/systeemin lämpimyyttä
(huono ilmaisu). Ihmisen aisteilla on hankala tuntea lämpötilaa, silti tiedämme miltä kuuma ja kylmä tuntuvat.
• Lämpötilaa voidaan mitata esim. lämpölaajenemiseen perustuvilla mittareilla, jolloin lämpötila voidaan määritellä sillä ominaisuudella, jota lämpömittari mittaa (esim. lämpölaajenemisella).
• Lämpötila liittyy jokaiseen kappaleen pisteeseen, eristetyssä systeemissä ajan myötä koko systeemi on samassa lämpötilassa, näin lämpötilan mittaaminen yhdessä kohdassa mahdollistaa koko systeemin lämpötilan mittaamisen
T• Lämpötilan yksikkö SI-järjestelmässä on
kelvin = K. Kelvin on SI järjestelmän perusyksikkö• Kelvin, termodynaamisen lämpötilan yksikkö, on
1/273,16 veden kolmoispisteen termodynaamisesta lämpötilasta. (1967, 13. CGPM)
• Celciusasteikon ja kelvinasteikon muunnos:• 0 °C = 273,15 K.• Esim. 25°C = (25 + 273,15) K = 298,15 K ≈ 298 K
04/24/23 [email protected] 4
Lämpölaajenemiskerroin
• Kuvailee kappaleen kykyä laajeta, kun sen lämpötila kasvaa.
• Jos teräskappaleen pituus on 1000 m ja sen lämpötila kasvaa 20 K, niin venymä on
04/24/23 [email protected] 5
Paine
• Kappaleen/systeemin kohdan ominaisuus, joka kuvailee kyseiseen kohtaan kohdistuvaa puristusvoimakkuutta.
• Paineella ei ole suuntaa. Voimalla on.
04/24/23 [email protected] 6
Paine-esimerkki
• Oppikirjan massa on 0,35 kg ja sen sivujen pituudet ovat 17 cm x 22 cm. Kun kirja lepää pöydällä sen aiheuttama paine pöytää vastaan on
04/24/23 [email protected] 7
Hydrostaattinen paine
• Nesteen tai kaasun omasta painosta aiheutuva paine.
• Normaali ilmanpaine Maan pinnalla p0 = 101325 Pa ≈ 101,3 kPa
• Hydrostaattinen paine syvyydellä h
04/24/23 [email protected] 8
paine-esimerkki
• 10 metrin syvyydellä hydrostaattinen paine on
• Kokonaispaine
Kaasu
• Kaasu koostuu nopeasti liikkuvista toisiinsa ja säiliön seinämiin törmäilevistä atomeista/molekyyleistä.
• Molekyylien koko on hyvin pieni verrattuna niiden keskimääräiseen matkaan.
• Todellista kaasua mallinnetaan/kuvataan matemaattisella kuvitelmalla/yksinkertaisuksella; ideaalikaasu
Ideaalikaasun tilayhtälö
• Toimii harvalle kaasulle riittävän kuumassa eli ”kaukana” tiivistymisestä (Tp-faasiavaruudessa).
04/24/23 [email protected] 11
Lämpöenergia eli lämpö Q• Kappaleeseen tuodun tai siitä siirretyn energian määrää
merkitään yleensä Q:lla• Energian tuominen systeemiin lämmittää sitä (T kasvaa tai
olomuoto muuttuu).• Systeemiin tuotu energia muuttuu kappaleen sisäenergiaksi
(lämpeneminen) ja systeemin tekemäksi työksi (esim. kaasu laajenee). (T1)
• Lämpö siirtyy johtumalla, aineen mukana kulkeutumalla tai säteilynä.
• MR:lle lämpöenergia ja lämpö ovat sama asia, Physicassa eri! Onko Auringosta siirtyvä energia lämpöenergiaa silloin kun se kiitää avaruudessa valon nopeudella?
04/24/23 [email protected] 12
Lämpö on energiaa
• Systeemillä, kappaleella on sisäenergiaa.• Kun energiaa tuodaan systeemiin, sen
sisäenergia kasvaa.• Jos systeemi pysyy samassa olomuodossa (esim.
kiinteänä), niin sen lämpötila kasvaa sisäenergian kasvaessa.
• Olomuodon muutoksen aikana lämpötila pysyy samana vaikka sisäenergiaa kasvaa tai vähenee.
04/24/23 [email protected] 13
Sisäenergia = U
• Kun kappaletta/systeemiä lämmitetään tai kun se tekee työtä, niin osa energiasta jää kappaleeseen/systeemiin.
• Sisäenergia on kappaleessa/systeemissä olevaa lämpöenergiaa.
• Sisäenergia on kappaleen rakenneosien (atomien, molekyylien) kokonais liike- ja potentiaalienergia.
04/24/23 [email protected] 14
Q on systeemiin tuotu energia
• Kiinteällä aineella ja nesteellä: Q =cm∆T, missä Q on tuotu energia, c aineen ominaislämpökapasiteetti, m massa ja ∆T on lämpötilan muutos
• Kaasuilla Q = cm∆T + W, missä W on kaasun laajenemisesta aiheutuva työ.
04/24/23 [email protected] 15
Lämpökapasiteetti
• Kuvaa kappaleen kykyä lämmetä, kullekin kappaleelle (kalorimetri, kattila, muki, minä jne.) ominainen.
• Mitä suurempi lämpökapasiteetti, niin sitä enemmän tarvitaan energiaa kappaleen lämpötilan kasvattamiseen.
• Olomuoto ei saa muuttua!• Mikä on sinun
lämpökapasiteettisi?
04/24/23 [email protected] 16
Ominaislämpökapasiteetti
• Aineelle (alkuaineet, yhdisteet, metalliseokset jne.) ominainen suure, joka kuvaa kuinka paljon energiaa tarvitaan lämpötilan nostamiseen massayksikköä kohden.
04/24/23 [email protected] 17
Ominaissulamislämpö ja ominaishöyrystymislämpö
• Aineelle ominaisia vakioita, jotka kuvaavat kuinka paljon energiaa tarvitaan tietyn massamäärän sulattamiseen tai höyrystämiseen.
04/24/23 [email protected] 18
Termodynamiikan 1. pääsääntö eli energian säilymislaki
• Energiaa ei voida luoda eikä hävittää. Ainoastaan vain muuttaa muodosta toiseen.
• Systeemiin tuotu lämpö muuttuu systeemin sisäenergiaksi ja systeemin tekemäksi työksi.
• toisissa kirjoissa ∆U = Q + W, näissä ajatellaan että W on systeemin ulkopuolelta vaikuttavan voiman työ, minä ja suuri osa maailmasta (esim. Alonso – Finn, Fundamental University Physics, Young - Freeman, University Physics) ajattelee että W on systeemin tekemä työ. W:n etumerkki on tietysti sopimuskysymys.
04/24/23 [email protected] 19
Entropia
• Systeemin epäjärjestyksen mitta.• T2: Epäjärjestys kasvaa eli luonnossa
lämpö siirtyy itsestään kuumasta kylmään.• Pitkällä aikavälillä systeemissä tapahtuvat
ilmiöt kulkevat todennäköisimpään suuntaan. Epäjärjestys on todennäköisempää kuin järjestys!
• Miten elämä on mahdollista?
04/24/23 [email protected] 20
Termodynamiikaan 2. pääsääntöeli energian huonontumisen laki
• Eristetyn systeemin prosessi etenee kohti suurinta todennäköisyyttä eli suuntaan jossa entropia kasvaa.
• Luonnon prosesseissa osa energiasta muuttuu lämpöenergiaksi (rakenneosien liike-energiaksi).