Fysiikka ja kemia

1. Fysiikka ja kemia Fysiikka ja kemia 1

2. Sisältö • Mekaniikka • Lämpöoppi • Aalto-oppi • Sähköoppi • Ydinfysiikka Ari Rannisto

3. 1. Yleistä • Suure on ilmiön tai olion mitattava ominaisuus • Suure = mittaluku x mittayksikkö • Käytössä SI-mittayksikköjärjestelmä • SI-järjestelmän perussuureet: • Pituus • Massa • Aika • Sähkövirta • Valovoima • Ainemäärä Ari Rannisto

4. SI-järjestelmän perussuureet ja perusyksiköt Ari Rannisto

5. SI-järjestelmän etuliitteet Ari Rannisto

6. 2. Mekaniikka • Keskinopeus v = siirtymä/ siirtymään kulunut aika = ∆s/∆t, s = matka ja t = aika, ∆ =muutos (velocity = v)) • Keskivauhti v = kokonaismatka/ siihen kulutettu aika, v = s/t, [v] = m/s • Kiihtyvyys a = nopeuden muutos/siihen kulunut aika, a = ∆v/∆t , [a] = m/s2 (acceleration = a) • Voima F = ma, [F] = kg x m/s2 = N (Newton) (force = f) • Maan vetovoima G = mg, g= putoamiskiihtyvyys =gravitaatiovakio = 9,81 m/s2, [G] = N Ari Rannisto

7. Työ, energia, teho ja hyötysuhde • Työ W = voiman ja matkan tulo = Fs, [W] = Nm = J (Joule) • Potentiaalienergia Ep = mgh, [Ep] = J • Liike-energia Ek = ⅟₂mv2 , [Ek] = J • Liikemäärä p = mv, [p] = kgm/s • Teho P = tehty työ/työhön käytetty aika = W/t, [P] = J/s = W (Watti) • Hyötysuhde η = Panto /Potto, on aina alle 1! Ari Rannisto

8. 3. Lämpö • Lämpö on energiaa • Lämpötilaa mitataan Kelvinasteina, yleisesti käytössä on myös celsiusasteikko • Fysiikassa lämpötilaeroissa (∆t, ∆T)voidaan käyttää kumpaa tahansa, mutta kaavoissa, joissa käytetään lämpötilaa (T), se on laitettava Kelvineinä (T(K) = t(°C) + 273,15) • Tuotteiden varastoinnissa ja kuljetuksessa lämpötiloilla on suuri merkitys • Lämpö siirtyy sekä säteilemällä, johtumalla että kulkeutumalla (lämpöpatterista 5 %-20 % säteilemällä, loppu johtumalla) Ari Rannisto

9. Lämpö 2 • Lämmönjohtavuus λ ilmaisee kappaleen lämmönjohtavuuskyvyn • Kappaleesta siirtyvä lämpövirta Φ = λA∆T/d, jossa A = kappaleen pinta-ala, d = ainekerroksen paksuus • Kappaleen luovuttama lämpöenergia Q = cm∆t, [Q] = kJ, jossa c = ominaislämpökapasiteetti • Liike-energia muuttuu myös lämmöksi • Aine voi muuttua olomuodosta toiseen lämpötilojen mukaan, esim. vesi Ari Rannisto

10. Lämpö 3 • Absoluuttinen kosteus ilmaisee, kuinka paljon vettä on ilmassa vesihöyrynä • Suhteellinen kosteus ilmaisee, kuinka monta % abs. kosteus on kyseisen lämpötilan abs. kosteuden ylärajasta eli kyllästyskosteudesta • Kastepiste on lämpötila, jossa ilman suhteellinen kosteus on 100 % (vesihöyry muuttuu vedeksi), tämä huomioitava varastoinnissa ja rakentamisessa (eristämällä) • Lämpövoimakoneilla voidaan lämpöenergia muuttaa mekaaniseksi energiaksi (höyryturbiinit, polttomoottorit) Ari Rannisto

11. Lämpö 4 • Lämpölaajeneminen on otettava myös tuotteiden varastoinnissa huomioon (pakastus) • Kylmä kutistaa ja lämpö laajentaa! • Pituuden muutos ∆l = αl0∆t, jossa α = pituuden lämpötilakerroin • Lämpölaajeneminen ∆V = ζV0∆t, jossa ζ = tilavuuden lämpötilakerroin, kiinteille aineille ζ = 3α • Myös kaasujen tilavuuksiin lämpötila vaikuttaa mutta myös paine: p1V1/T1 =p2V2/T2 (kaasujen yleinen tilanyhtälö) Ari Rannisto

12. Lämpö 5 • www.autowiki.fi/index.php/Polttomoottori • Edellisestä linkistä löytyy hyvä toimintakuva polttomoottorin toiminnasta • Polttomoottoreissa on tätä kaasujen käyttäytymistä hyödynnetty tehokkaasti • Samaa ideaa hyödynnetään myös energiantuotannossa, jossa käytetään uusiutumattomia energialähteitä (hiili, maakaasu, öljy, turve ja ydinenergia) • Välikoe 1 30.3. 1A ja 1C: s. 8-17, 22-38, 50-51, 56-79, 87-89 (1-17,1-18,2-1,2-3,2-10,2-29,3-13) Ari Rannisto

13. 4. Aaltoliike • Ääni (pitkittäinen) ja valo(poikittainen) ovat aaltoliikettä, joka heijastuu ja taittuu 2 alueen tai aineen rajapinnassa • Ääni ei etene tyhjiössä, mutta valo etenee • Valo taas ei etene kaikissa kiinteissä aineissa, esim. metallit • Äänen nopeus ilmassa on 340 m/s, valon nopeus tyhjiössä on 300 000 000 m/s • Ihmisen korva kuulee taajuudet noin 20 Hz - 20 kHz, vanhentuessa alue pienenee, eläimillä kuuloalue on huomattavasti laajempi Ari Rannisto

14. Ääni • Äänen voimakkuus ilmaistaan intensiteetti- eli melutasolla, yksikkö desibeli (dB) • Korva erottaa erilaiset äänenvoimakkuudet toisistaan, jos äänen melutason ero on vähintään 3 dB • Kun melunaiheuttajien määrä kaksinkertaistuu, melutaso lisääntyy 3 dB • KUULO VAURIOITUU, JOS ON JATKUVASSA YLI 85 DB:N MELUSSA!!! • Ultraääni on ihmiskorvalle kuulematonta ääntä, käytetään rakenteiden tutkimisessa ja sikiötutkimuksissa Ari Rannisto

15. Valo • Ihminen näkee vain näkyvän valon aallonpituusalueella 380 nm – 760 nm, eläimet näkevät laajemman alueen • Prismassa saadaan keltainen valo hajoitettua eri aallonpituuksiin -> näkyviin eri värejä • Turvallinen työskentely edellyttää riittävän hyvää valaistusta ( 500 luksia) • Näkökyky heikkenee myös iän myötä, ja pimeässä lukeminen myös heikentää sitä • Likinäkö, pitkänäkö ja ikänäkö voidaan korvata koverilla ja kuperilla linsseillä Ari Rannisto

16. 5. Sähkö • Koko nykyisen maailman toiminta perustuu sähköön, sitä on myös ympäristössämme • Sähkövirta on varausten liikettä • Sen suunta on sovittu + -navasta –-napaan, vaikka todellisuudessa varausten kuljettajat elektronit liikkuvat päinvastaiseen suuntaan • Sähkövirta saa aikaiseksi Valovaikutusta Lämpövaikutusta Magneettista vaikutusta Kemiallista vaikutusta Ari Rannisto

17. Sähkö 2 • Tasavirran (DC) suunta pysyy samana • Vaihtovirta (AC) vaihtaa suuntaa säännöllisesti • Suomessa käytössä taajuus 50 Hz (1/s) • USA:ssa 60 Hz, siksi sieltä ostetut laitteet eivät toimi Suomessa • Sähkövirran yksikkönä on ampeeri A ja jännitteen yksikkönä on voltti V • Kun kytketään pariston + ja – napa toisiinsa kuparijohdoilla siten, että välissä on lamppu, saadaan aikaiseksi virtapiiri, joka on suljettu • Virtapiiri tulee avoimeksi, kun jompikumpi napa irrotetaan virtapiiristä • Digitaalisilla yleismittareilla voidaan mitata sekä virran että jännitteen suuruutta, usein muutakin Ari Rannisto

18. Sähkö 3 (Ohmin laki) • Resistanssi R kuvaa vastuksen kykyä vastustaa virran kulkua • Resistanssi saadaan laskettua: R = U/I, [R] = V/A = Ω (ohmi) • Resistanssit voidaan laskea yhteen kun ne ovat sarjassa (peräkkäin) R = R1 + R2 + R3 + … • Resistanssit lasketaan käänteisarvoina yhteen, jos ne ovat rinnakkain (vierekkäin) ja lopputuloksesta otetaan vielä käänteisarvo 1/R = 1/ R1 + 1/ R2 + 1/ R3 + … Ari Rannisto

19. Sähkö 4 (Työ ja teho) • Teho P = UI, [P] = VA = W • Sähköenergia E = Pt, [E] = = Ws = J • Sähkönkulutus mitataan kilowattitunteina kWh, poikkeus SI-järjestelmän yksiköiden käytössä • Sähkölaitteiden kylteissä on kyseisen laitteen energiankulutusluokka (A paras ja G heikoin), mitä vähemmän laite kuluttaa, sitä parempi luokka Ari Rannisto

20. Sähkö 5 (Kirchoffin lait) • Sarjakytkentöjen Kirchoffin laki: • Sarjapiirin jännitehäviöiden summa on sama kuin piiriin vaikuttava kokonaisjännite • Ukok = U1 + U2 + U3 + …, kaikkien vastusten läpi kulkee sama virta I •  Rinnankytkentöjen Kirchoffin laki: • Osavirtojen summa rinnakkaispiirissä on yhtä suuri kuin kokonaisvirta, kaikkiin vastuksiin vaikuttaa sama jännite U • I= I1+ I2 + …, virtoja voi olla huomattavan paljon enemmänkin, aina äärettömään asti. Ari Rannisto

21. Sähkö 6 (vastusten kytkennät) Vastukset sarjassa Vastukset rinnan Ari Rannisto

22. Sähkö 7(Kondensaattori) • Kondensaattori on komponentti, joka varastoi sähköenergiaa lyhyeksi aikaa • Sen varauskykyä kuvaa kapasitanssi (C) • Kapasitanssin yksikkö on faradi ja kondensaattorien suuruudet ovat piko- ja nanofaradin luokkaa • Näitä löytyy esim. TV:n piirilevyiltä ja siksi sen takalevyä ei saa mennä aukaisemaan ja koskettelemaan siellä olevia osia vaikka virta olisi katkaistu ja pistotulppa olisi irti pistorasiasta • Kondensaattoreissa on vielä jännitettä ja voit saada sieltä sellaisen tällin että henki lähtee! Ari Rannisto

23. Sähkö 8 (Sähkön turvallinen käyttö) • Sähkö on vaarallista, koska sitä ei pysty näkemään • Sähköturvallisuusmääräykset koskevat yli 48 V jännitteitä • Vaarallisempaa sähkössä on virran suuruus kuin jännitteen suuruus • Vaihtosähkö on kaikkein vaarallisinta (löytyy joka kodin pistorasioista), koska se pitää siihen joutuneen kiinni virtapiirissään • Vaihtosähkö sekoittaa sydämen lyöntirytmin, seurauksena kammiovärinä ja hengen lähtö • Tasasähkö tappaa myös suurina määrinä (ihminen palaa sisältäpäin (grillausominaisuus)) Ari Rannisto

24. Sähkö 9 • 1 mA = 0,001 A: ihminen aistii kipua • 10 mA = 0,01 A: ihminen jää kiinni virtapiiriin ja saa kouristuksia • 30 mA = 0,03 A: ihminen menettää tajuntansa • ryhdyttäessä sähköasennuksiin on aina varmistettava, että työskentely-ympäristö on jännitteetön ja ettei kukaan ulkopuolinen pääse kytkemään jännitettä päälle • herkät elektroniset laitteet voivat rikkoontua jo pelkästään ihmisestä tulevasta staattisen sähkön purkauksesta, siksi niiden parissa työskennellään erillisissä suojatuissa tiloissa ja suojajalkinein varustettuina Ari Rannisto

25. Sähkö 10 • Älä ryhdy sähköasentajaksi, jos et hallitse alaa • Älä käytä rikkinäisiä sähkölaitteita • Älä käytä sähkölaitteita, kun olet tekemisessä veden tai kosteuden kanssa • Älä kiipeä lähelle voimajännitelinjoja (myös rautateiden johtimet) • Älä yritä laittaa suojaamatonta pistotulppaa suojamaadoitettuun pistorasiaan (esim. vuolemalla pistotulppaa) • Vältä ukonilmalla korkeita paikkoja, uimista , puun alle menemistä avoimilla paikoilla ja polkupyörällä ajoa Ari Rannisto

26. Koe 19.5. 1C ja 18.5. 1A • Koealue: 1L ja 1R • S.8-17, 22-31, 38-39, 50-51,56-79, 87-89, 97, 109-161. • 2 välikoe s. 109 – s. 161 1A, 1B, 1C • Kaavat + vakiot annetaan ilman selityksiä • Laskutehtävät samantyyppisiä kuin kotitehtävät. Ari Rannisto