Lämpöistä oppia

1. Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012 Lämpöistä oppia

2. Alkudemonstraatio • Käsi lämpömittarina • Laittakaa kolmeen eri altaaseen kylmää, haaleaa ja lämmintä vettä. 1) Pitäkää toista kättä kylmässä ja toista lämpimässä vedessä noin puoli minuuttia. 2) Siirtäkää molemmat kädet yhtä aikaa haaleaan veteen. • Miltä haalea vesi tuntuu käsissä? • Mitkä seikat vaikuttavat lämpöaistimukseen?Tottumus ympäristön lämpötilaan • Mitä mieltä olette kädestä lämpömittarina? • Ei, koska se mukautuu ympäristön lämpötilaan

3. Lämpöoppi eli termodynamiikka tutkii lämpöön, energiaan ja lämpötilaan liittyviä ilmiöitä • Käsitteitä • Lämpöenergia (energiamuoto) • Lämpö/lämpömäärä (esimerkiksi 50 oC:n lämpötilassa oleva neste sisältää lämpöä tietyn määrän; esimerkiksi vesien sekoittamisessa erilämpöisillä vesillä on erilainen lämpömäärä) • Lämpötila (kuvaa itse asiassa aineen rakenneosasten liikkeen nopeutta) • (lämpömolekyylien liike) lämpöliike

4. Oppilaiden ennakkokäsityksiä energiasta • Oppilaat ajattelevat, että energia liittyy eläviin olentoihin; sellaisilla kappaleilla kuin auto, kivi, jne. ei voi olla energiaa. Energia liittyy ihmisen ”energisyyteen”. • Elävillä olioilla voi olla energiaa, mutta sillä on varsin tekninen merkitys eikä se tarkoita ihmisen aktiivisuutta. • Energia liittyy liikkumiseen. Oppilaiden mielestä energiaa tarvitaan liikkumiseen, ilman energiaa kappaleet ovat elottomia. • Energia liittyy liikkumiseen, mutta fysiikan mukaan liikkuvalla kappaleella on energiaa, mutta kappale ei liiku energian vaikutuksesta. • Energiaa pidetään aineen, polttoaineen kaltaisena. Kun oppilaat kuvaavat auton polttoainetta, he puhuvat polttoaineesta energiana eikä että polttoaineesta saadaan energiaa. • Energia ei ole ainetta. Energia on abstrakti käsite, jonka lukuarvo voidaan joissakin tapauksissa laskea esimerkiksi kappaleen nopeudesta ja massasta. • Oppilaat ajattelevat, että energia kuluu. • Fysiikan teorian mukaan energia ei kulu. Energian säilymislaki on luonnontieteen peruslakeja.

5. Aineenolomuodot • Aine koostuu rakenneosista (atomeista tai molekyyleistä). Rakenneosaset ovat jatkuvassa liikkeessä, ja liike lisääntyy lämpötilan kasvaessa ja aineen olomuodon muuttuessa • Kiinteä aine (lämpötila alhainen) • Aineen rakenneosaset on tietyilläpaikoilla ja järjestäytyneet “hilarakenteeksi”. Rakenneosastenliike on hyvin pientä. • Jos rakenneosasten liike pysähtyisi, olisi kyseessä absoluuttinen nollapiste (ei voida saavuttaa).

6. Nestemäinen aine (lämpötila kohonnut) • Rakenneosaset ovat edelleen kiinni toisissaan, mutta niillä on enemmän liikkumavapautta. • Kaasu (lämpötila kohonnut) • Kaasussa rakenneosaseteivät ole sidottu toisiinsa vaan liikkuvat vapaasti toisiinsatörmäillen. • Ainetta lämmittäessä rakenneosasten liike kasvaa ja hiukkaset pyrkivät ottamaan suuremman tilan. Tästä syystä aineet laajenevat lämmetessään. • Poikkeus: vesi ei laajene sulaessaan ja tästä syystä jää kelluu vedessä (ρjää < ρvesi) ->p=tiheys

7. Esimerkki lämpölaajenemisesta • Pekkalan vanhempi silta on teräsrakenteinen betonikantinen palkkisilta. Sen pituus on 453 metriä. • Pekkalan sillan lämpölaajeneminen pituussuunnassa voidaan laskea seuraavasti: ΔL = α· ΔT· Lo, missä ΔL = pitenemä, α = aineelle ominainen pituuden lämpölaajenemiskerroin, ΔT = lämpötilan muutos, Lo = alkuperäinen pituus • Teräksen α = 12·10-6 1/ºC. Oletetaan, että silta on talvella (-25 ºC) 453,0 m pitkä. Kesällä (+25 ºC) silta on siis pitempi, pidentymä on ΔL = 12·10-6 1/ºC·50ºC·463,0m = 0,2778m eli n. 28 cm. • Sillan toinen pää lepää rullien päällä, jotka mahdollistavat sillan venymisen kesällä ja supistumisen talvella. 

8. Olomuotojen muutoksista • Aineen lämpötilan nostamiseen tarvitaan energiaa. Lämpö/lämpömäärä kuvaa siirtyvän lämpöenergian määrää • Aineen sulamispisteessä lämmön tuominen muuttaa aineen kiinteästä nesteeksi, eikä lämpötila tällöin kohoa • Vastaavasti aineen jäätyessä siitä vapautuu lämpöä • Myös nesteen muuttaminen kaasuksi kiehumispisteessä vaatii energiaa eikä aineen lämpötila tällöin nouse.

9. Aine voi muuttua myös suoraan kiinteästä kaasuksi (sublimoituminen) tai toisinpäin (härmistyminen) • Esim. pyykit kuivavat pakkasella (sublimoituminen) ja ikkunoissa talvipakkasella näkyvät kuurankukat (härmistyminen)

10. Lämpöenergian siirtyminen • Lämpöenergian siirtymisen suunta on aina lämpimämmästä kylmempään päin • Jos ovea avataan talvipakkasella, niin ulkoa ei tule ”kylmää” vaan lämpöenergia siirtyy ulos. • Lämpöenergia voi siirtyä kolmella tavalla • Johtumalla: Lämpöenergia siirtyy, mutta ainetta ei siirry. • Virtaamalla/kulkeutumalla: Lämpöenergia siirtyy aineen mukana. • Säteilemällä: Lämpöenergia siirtyy ilman väliainetta.

11. Pohdittavaa! • Minkä vuoksi lämmitetyssä saunassa oleva rautanaula polttaa ihoa, mutta lauteet eivät? • Rautanaulan lämpötila on korkeampi kuin lauteiden • Naula johtaa paremmin lämpöä • Naulan pinta-ala on pienempi kuin lauteiden Pitäisi olla selvä juttu, kun ajattelet lämmön johtumista (vrt. lusikka-työ harjoituksissa). • Mitä tapahtuu ja miksi kun kuuma rautakappale (lämpötila 100 °C) pudotetaan veteen (lämpötila 20 °C)? • Lämpötilat tasoittuvat koska vesi luovuttaa kylmää raudalle • Molempien lämpötilat tasoittuvat 60 °C:een, koska molemmat luovuttavat saman määrän energiaa toisilleen • Lämpötilat tasoittuvat koska rauta luovuttaa lämpöä veteen Miksi ei voi olla a-vaihtoehto? (ks. edellä olevista dioista) Miksi ei voilla b-vaihtoehto? (ei voida päätellä kuten vesien sekoittumisessa, koska eri aineita ja niillä vielä eri olomuoto) Miksi on c-vaihtoehto? (ks. edellä olevista dioista) • Minkä vuoksi kylmissä maissa talojen seiniin laitetaan rakennusvaiheessa lasivillaa? • Saadaan kevyellä rakenteella paksummat seinät • Huokoisessa materiaalissa oleva ilma toimii hyvänä lämmöneristeenä • Paksumpi seinä estää kylmän virtaamisen sisään Ja tämähän on ihan selvä (vrt. harjoituksissa veden jäähtyminen lasipurkissa ilman eristettä ja solumuovi eristeenä).