Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka 2006

Termodynamiikan suureitaja vähän muutakinmikko rahikka 2006 m@hyl.fi

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 m@hyl.fi

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 mrahikka@hyl.edu.hel.fi

Lämpölaajenemiskerroin • Kuvailee kappaleen kykyä laajeta, kun sen lämpötila kasvaa. • Jos teräskappaleen pituus on 1000 m ja sen lämpötila kasvaa 20 K, niin venymä on mrahikka@hyl.edu.hel.fi

Paine • Kappaleen/systeemin kohdan ominaisuus, joka kuvailee kyseiseen kohtaan kohdistuvaa puristusvoimakkuutta. • Paineella ei ole suuntaa. Voimalla on. mrahikka@hyl.edu.hel.fi

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 mrahikka@hyl.edu.hel.fi

Hydrostaattinen paine • Nesteen tai kaasun omasta painosta aiheutuva paine. • Normaali ilmanpaine Maan pinnalla p0 = 101325 Pa ≈ 101,3 kPa • Hydrostaattinen paine syvyydellä h mrahikka@hyl.edu.hel.fi

paine-esimerkki • 10 metrin syvyydellä hydrostaattinen paine on • Kokonaispaine mrahikka@hyl.edu.hel.fi

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).

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? mrahikka@hyl.edu.hel.fi

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. mrahikka@hyl.edu.hel.fi

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. mrahikka@hyl.edu.hel.fi

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. mrahikka@hyl.edu.hel.fi

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? mrahikka@hyl.edu.hel.fi

Ominaislämpökapasiteetti • Aineelle (alkuaineet, yhdisteet, metalliseokset jne.) ominainen suure, joka kuvaa kuinka paljon energiaa tarvitaan lämpötilan nostamiseen massayksikköä kohden. mrahikka@hyl.edu.hel.fi

Ominaissulamislämpö ja ominaishöyrystymislämpö • Aineelle ominaisia vakioita, jotka kuvaavat kuinka paljon energiaa tarvitaan tietyn massamäärän sulattamiseen tai höyrystämiseen. mrahikka@hyl.edu.hel.fi

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. mrahikka@hyl.edu.hel.fi

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? mrahikka@hyl.edu.hel.fi

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). mrahikka@hyl.edu.hel.fi

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka 2006