10 klassi füüsika kokkuvõte (11)

Mehaanika .
Mehaaniline liikumine – keha asukoha muutumine ruumis mingi ajaühiku jooksul.
Liikumise pidevus ruumis tähendab, et oma liikumisel peab keha läbima kõik trajektoori punktid. Liikumise on pidev ajas tähendab seda, et keha ei saa olla ühel ja samal ajahetkel kahes erinevas kohas.
Punktmass – ühe punktina ettekujutatav keha, mille mõõtmed jäetakse lihtsuse mõttes arvestamata. Punktmass on mudel. Punktmassina võime keha vaadelda siis, kui nihe on tunduvalt suurem keha mõõtmetest.
Trajektoor – joon, mida mööda keha liigub
Liikumise liigid :

Trajektoori järgi
a) Sirgjooneline
b) Kõverjooneline
c) Ringjooneline

Kiiruse järgi
d) Ühtlane liikumine – mistahes ajavahemikes läbitakse võrdsed teepikkused .
e) Mitteühtlane liikumine
Liikumise suhtelisus – erinevate taustkehade suhtes võib liikumine olla erinev.
Teepikkus – iseloomustab keha liikumist, mõõdetakse mööda trajektoori. Kui keha liigub, siis ei saa teepikkus olla 0. Tähis
Nihe – kaugus keha algus – ja lõppasukohast, mis mõõdetakse mööda sirgjoont. Nihe on keha algasukohast lõppasukohta suunatud vektor. Tähis:
Taustsüsteem koosneb:

Taustkeha,

Taustkehaga seotud koordinaadistik , mõõtühikud ja mõõtesuunad

Aja mõõtmise süsteem(ühikud, alghetk)
Kehade vastastikmõju tulemusena muutub kas keha kiirus, liikumise suund või keha kuju. Vastastikmõjus peavad osalema alati kaks keha.
Gravitatsiooniline vastastikmõju – avaldub massi omavate kehade vastastikuses tõmbumises. Raskusjõud on gravitatsiooni üks ilming. Ta on universaalne ja talle alluvad kõik kehad, isegi valguskiirde ja raadiolained . Gravitatsioon on seotud keha massiga ja avaldub suurte vahemaade tagant ainult tõmbumises. On märgatav siis, kui ühe keha mass on suur.
Vaba langemine – kehade kukkumine , kui õhutakistus puudub või on väga väike. Kõik kehad kukuvad ühtemoodi, kiirusega g=9,8m/s2
Kinemaatika
Kinemaatika uurib liikumist ruumis ilma, et vaatleks liikumist esile kutsuvaid põhjuseid.
Ühtlane sirgjooneline liikumine – mistahes võrdsetes ajavahemikes läbitakse võrdsed teepikkused, kusjuures trajektooriks on sirgjoon .
Füüsikaline mudel – idealiseeritud kehad või nähtused.
Kiirus – näitab kui suure teepikkuse läbib keha ühes ajaühikus.
Ühtlaselt muutuv liikumine – keha kiirus muutub mistahes võrdsetes ajavahemikes võrdsete suuruste võrra.
Keskmine kiirus – näitab, kui pika tee läbib keha keskmiselt ajaühikus. Iseloomustab liikumist kui tervikut .
Hetkkiirus – keha kiirus konkreetsel ajahetkel. Igast trajektoori punktis puutuja.
Kiirendus - näitab, kui palju muutub kiirus ajaühikus.
Hetkkiirus ühtlaselt muutuval liikumisel:
Teepikkus ühtlaselt muutuval sirgjoonelisel liikumisel:
Nihe ühtlaselt muutval sirgjoonelisel liikumisel:
Liikumine maa külgetõmbe mõjul:
ehk
Kiiruse võrrand:
Liikumise võrrand:
h0=20m
v0=35m/s
Üle jõe ujumise ülesanne.
Ujuja kiirus vee suhtes on 5 km/h. Ta ujub üle jõe risti voolusuunaga. Jõe laius on 120 meetrit ja voolukiirus on 3,24km/h. Milline on ujuja nihe ja kiirus kalda suhtes, ning kui palju aega kulub tal jõe ületamiseks?
v= 5km/h
v= 3.24 km/h
l=120m
Jõud ja impulss
Newtoni esimene seadus ehk inertsiseadus – vastastikmõju puudumisel või vastastikmõjude kompenseerumisel on keha kas paigal või liigub ühtlaselt ja sirgjooneliselt.
Inerts – nähtus, kus kõik kehad püüavad oma liikumise kiirust säilitada. Inertsus, keha omadus säilitada oma kiirust. Mida raskem on keha kiirust muuta, seda inertsem keha on.
Inertsiaalne taustsüsteem – süsteemid, kus kehtib Newtoni esimene seadus. (näiteks Maa ja kõik Maa suhtes kiirenduseta liikuvad tasusüsteemid.)
Inertsus on keha omadus, mis seisneb selles, et keha kiiruse muutmiseks mingi suuruse võrra, peab teise keha mõju kestma teatud aja. Mida suurem on see aeg, seda inertsem keha on. Mida suurem on keha mass, seda väiksem on kiirendus, mida ta vastastikmõjust saab.
Jõud – vastastikmõju mõõt. Jõuks nimetatakse ühe keha mõju teisele kehale. Tähis F, ühik N
Newtoni teine seadus – keha kiirendus on võrdeline temale mõjuva jõu ja pöördvõrdeline massiga.
Üks njuuton on jõud, mis annab kehale massiga 1 kg kiirenduse 1m/s2
Ülemaailmne gravitatsiooniseadus – kaks punktmassi tõmbavad teineteist jõuga, ,mis on võrdeline nende masside korrutisena ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga.
Gravitatsioonijõud – kahe keha vaheline tõmbejõud.
Gravitatsioonijõu konstant (G) on arvuliselt võrde jõuga, millega tõmbavad kaks teineteisest ühe meetri kaugusel olevat 1kg keha.
Raskusjõud on gravitatsioonijõu üks vorme. Raskusjõud on jõud, millega maa või mõni teine taevakeha tõmbab enda poole tema lähedal olevaid kehi.
Kui keha ei asu maapinnal, siis raskusjõud leitakse valemiga:
Keha kaal – jõud, millega keha maa külgetõmbe tõttu rõhub alusele või venitab riputusvahendit. Tähis: P, ühik N
Kui keha on paigal või liigub ühtlaselt on kaal võrdne raskusjõuga. Kiirendusega liikuva keha kaal on raskusjõust erinev. P=mg – kehtib, kui keha on horisontaalsel pinnal. Keha kaal on olemuselt raskusjõud. Raskusjõud omakorda aga gravitatsioonijõud.
Kui keha liigub kiirendusega, saame leida keha kaalu valemiga P=m(g-a)
Hõõrdejõud tekib kehade kokkupuutel ning takistab nende liikumist või liikuma hakkamist. Mõjub maapealsetes tingimustes kõigile seisvatele kehadele . Mõjub piki kokkupuutepinda. Hõõrdejõud on alati vastupidine liikumisele või suunab kuhu keha peaks liikuma.
Hõõrdejõul on kaks võimalust:

Keha seisab paigal, Mingi jõud F püüab keha paigalt nihutada, kuid hõõrdumise tõttu jääb keha paigale. Tegemist on seisuhõõrdejõuga. F=-F

Keha liigub ning libiseb mööda teise keha pinda. Hõõrdejõud on võrdeline pindu kokkusuruva jõuga – rõhumisjõuga. Rõhumisjõud on sama suur aga vastassuunaline toereaktsioonile. . Tegemist on liughõõrdumisega. Kui keha on horisontaalsel pinnal ja talle ei rakendata lisajõudu, siis N=mg
Hõõrdetegur () sõltub mõlema kokkupuutuva pinna karedusest ja materjalist.
Hõõrdumise 2 põhjust:

pindade ebatasasus. Pinnakonarused jäävad üksteise taha kinni ja takistavad libisemist.

Aineosakeste vahelised tõmbejõud
Veerev hõõrdejõud – esineb ühe keha veeremisel mööda teise keha pinda. Kehale mõjuvad jõud lähevad hõõrdejõu ületamiseks ja kiirenduse tekitamiseks.
Elastsusjõud
Elastsusjõud – keha kuju muutmisel ehk deformeerumisel tekkivat jõudu nimetatakse elastsusjõuks. Elastsusjõud on alati deformatsioonile vastassuunaline ja tema tagajärjel püüab leha säilitada oma esialgset kuju.
Erinevad elastsusjõu liigid:

Tõmbe – ja survedeformatsioon

Väändedeformatsioon

Nihkedeformatsioon

Paindedeformatsioon
Väikestel deformatsioonidel on elastsusjõud võrdeline deformatsiooni suurusega.
Tõmbe ja surve korral saab elastsusjõudu arvutada valemiga:
Seda valemit nimetatakse ka Hooke’i seaduseks. Jäikus sõltub keha materjalist ja kujust .
Newtoni III seadus
Newtoni III seaduse ehk vastastikmõju seadus – jõud tekivad kahe keha vastastikmõjus alati paarikaupa. Need kummalegi kehale mõjuvad jõud on absoluutväärtustelt võrdsed ja vastassuunalised. F1=-F2 Kehtib nii seisvatele kui liikuvatele kehade jaoks. Need mõjuvad jõud on sama liiki, kuid ei tasakaalusta teineteist mõjuvad eri kehadele.
Keha impulss
Impulss ehk liikumishulk on füüsikaline suurus, mis iseloomustab kehade vastastikmõju.
Keha impulsiks nimetatakse keha massi ja kiiruse korrutist, tähis: p, tegemist on vektoriaalse suurusega: , ühikuks: . Impulss on suurus, mis määrab ära põrke ’’hävitustöö’’
Jõu impulss
Impulsi jäävuse seadus
Impulsi jaoks kehtib jäävuse seadus – suletud süsteemi koguimpulss on sinna kuuluvate kehade igasugusel vastastikmõjul jääv. Seadus näeb valemi kujul välja järgmiselt:
Impulsi jäävuse seadus kehtib suletud süsteemis (sinna kuuluvad kehad on vastastikmõjus vaid omavahel ja süsteem väliste kehade mõju võib jätta arvestamata) Suletud süsteemi koguimpulss on sinna kuuluvate kehade igasugusel vastastikmõjul jääv.
Reaktiivliikumine – liikumine kehast väljapaiskuvate osakeste arvelt.
Kiirendusega liikuva keha kaal:
Positiivne suund on g suund. Kui a ja g on samas suunas, siis keha kaal väheneb, kui aga a on vastassuunaline g-le, siis keha kaal suureneb. Kui aga a=g, siis keha kaal on 0, ja kui a on suurem g-st siis on negatiivne ülekoormus. (Ülekoormus näitab, kui palju erineb antud kaal tavalisest ). Kiirendusega liikuva keha kaalu saab arvutada valemiga:
Ringjooneline liikumine
Ringliikumisel muutub kiiruse suund pidevalt. Kiirus on trajektoori erinevates punktides suunatud erinevalt, kuid alati piki trajektoori puutujat(s.o. mööda sirget, mis on antud punktis raadiusega risti) Mõjub kesktõmbekiirendus – suunamuutusest tingitud kiirendus, mis on suunatud alati keha trajektoori kõveruskeskpunkti poole, seega kiirusvektoriga risti.
Keha liikumine mitme jõu mõjul
Lähtudes Newtoni II seadusest: F=ma. F on resultantjõud.
Ühe keha puhul:

valitakse sobivad koordinaatteljed

kujutatakse joonisel kõik jõu vektorid ja kiiruse, kiirenduse vektorid

tuleb leida kõigi vektorite projektsioonid telgedel

tuleb kirjutada Newtoni II seadus iga telje kohta

tuleb lahendada saadud võrrandisüsteem.
Liigub mitu omavahel seotud keha, seda nimetatakse kehade süsteemiks. Eelnevad meetodid rakendatakse igale kehadele eraldi, kusjuures neid kehasid saab omavahel kopeerida. Kui kehale mõjuvate jõudude resultant on 0, siis kiirendus on 0 ja kiirus on konstantne või keha seisab. Öeldakse et keha on tasakaaluolekus .
Keha on tasakaalus siis, kui temale mõjuvate jõudude projektsioonide summa mistahes teljel võrdub 0-ga.
Töö ja energia
Mehaaniline töö
Mehaanilist tööd tehakse siis, kui kehale mõjub jõud ja keha selle jõu mõjul liigub.
Liikumisega risti mõjuv jõud tööd ei tee.
Kui keha asub horisontaalsel pinnal, talle mõjub jõud mingi nurga all, siis saab tööd leida valemist :
Nurk alfa on nurk nihke ja jõu mõjumissuuna vahel, ühikuks on 1J
Tööd teeb jõu nihkesuunaline komponent. Töö ei ole vektoriaalne suurus, küll võib ta olla positiivne ja negatiivne. Töö suuna määrab ära jõu suund võrreldes nihke suunaga. Töö on positiivne, kui jõud mõjub nihkega samas suunas ja negatiivne, kui vastassuunas .
Töö muutuva jõu korra
Muutuva jõu korral on tehtav töö võrdne jõu graafiku ja teepikkuse telje vahele jääva pindalaga. Elastsusjõu tööd on võimalik leida valemiga:
Võimsus ja kiirus
Võimsus näitab kui palju tööd tehakse ajaühikus.
Energia
Energia – keha või kehade süsteemi võime teha tööd. Igasugune energia muutus tähendab, et tehakse tööd. Üldisemas plaanis saab energiat muuta ka soojushulga lisamise või ära võtmise teel
Mehaanikas eristatakse kahte liiki energiat:

kineetiline energia – omavad liikuvad kehad, skalaarne suurus, ei saa olla negatiivne. Ei ole seotud jõu liigiga.

Potentsiaalne energia – kehade või keha osade vastastikmõju energiat. Potentsiaalset energiat omav keha võib aga ei pruugi tööd teha. Sõltub kehade või keha osade vastastikusest asendist, võib olla nii positiivne kui negatiivne, tavaliselt 0 nivoo võime ise määrata. Raskusjõu potentsiaalne energia ja töö: Kui kõrgus väheneb, siis teeb raskusjõud positiivset tööd. Elastsusjõu potentsiaalne energia:
Mehaaniliseks koguenergiaks nimetatakse keha kineetilise ja potentsiaalse energia summat .
Mehaanilise energia jäävuse seadus
Keha langemisel teeb tööd raskusjõud, mille tulemusena muutub potentsiaalne energia kineetiliseks . Kui õhutakistust mitte arvestada, siis on esialgu kineetiline ja potentsiaalne energia vahetult enne maapinda võrdsed. Töö tulemusena on muutunud energia liik.
Energia jäävuse seadus: Energia ei saa tekkida ega kaduda. Ta võib vaid muunduda ühest liigist teise või kanduda ühelt kehalt teisele.
Energia jäävuse seadus(massi ja energia jäävuse seadus) on üks tähtsamatest loodusseadustest. Ei ole täheldatud ühtegi protsessi, mis oleks sellega vastuolus .
Igiliikur – perpetuum mobile – seadmed , mis teevad tööd energiat kasutamata.
Perioodilised liikumised
Ringjooneline liikumine
Ringjoonelise liikumise puhul on keha punktide trajektooriks ringjoon või selle osad. Ringjoonelist liikumist iseloomustab kõverusraadius (R).
Kõverus keskpunkt on väljaspool keha tiirlemisel ning keha sees pöörlemisel. Pöörlemise puhul ei liigu keha kõik punktid mööda ühesuguse kõverusraadiusega trajektoore.
Pöördenurk() – nurk, mille võrra pöördub ringjooneliselt liikuva keha ja trajektoori kõveruskeskpunkti ühendav raadius.
1 radiaan on kesknurk, mis toetub kaarele, mille pikkus on võrdne raadiuse pikkusega. Kui kasutame mõõtühikuna radiaani, siis kehtib valem:
Nurkkiirus – pöördenurga ja selle sooritamiseks kulunud ajavahemiku suhe; tähis oomega, valem:
Joonkiirus – kiirus, millega punkt liigub ringjoonel
Ringliikumise periood – aeg , millega läbitakse täisring. Tähis T, valem:
Sagedus – täisringide arv ajaühikus. Tähis ja ühik: f- 1Hz, valem:
Kiirendus ringliikumisel
Ringjoonelisel liikumisel muutub pidevalt kiiruse suund st. et ringjooneline liikumine on alati kiirendusega liikumine.
Ringjoonelise liikumise juures võib rääkida kolmest erinevast kiirendusest:

normaalkiirendus:

nurkkiirendus :

v= const
Ringjoonelist liikumist iseloomustab alati suuna muutusest tingitud kiirendus. Kiirendus on suunatud alati keskpunkti poole ja teda nimetatakse kesktõmbekiirenduseks ehk tangensiaalkiirenduseks:
Jõumoment ja impulsimoment
Jõumoment iseloomustab jõu pööravat mõju.
Jõu mõju sõltub 3 asjast:

Arvväärtus

Suunast

Rakenduspunkt
Jõumoment – jõu ja jõu õla korrutis.
Jõu õlg() – jõu mõjusirge kaugus pöörlemisteljest.
Jõumoment – loetakse positiivseks siis, kui keha pööratakse kellaosuti suunas.
Impulsimoment – pöörleva liikumise jaoks kasutusele võetud impulsiga analoogne suurus.
L=mvr – impulsimoment ehk pöörlemishulk iseloomustab pöörlevalt liikuvat keha ja on seotud pöörleva keha energiaga. Kui keha omab konkreetseid mõõtmeid, siis on keha impulsimoment võrdne keha üksikute osade impulsimomentide summaga .
Impulsimomendi jäävuse seadus:
Võnkumine
Võnkumine – liikumine, mis kordub võrdsete ajavahemike tagant, kusjuures esialgsesse asendisse läheb keha sama teedmööda tagasi. Liikumine kordub kas täpselt või peaaegu täpselt.
Võnkumist võib liigitada kaheks:

Vabavõnkumine – toimub süsteemisiseste jõudude mõjul. Süsteem ei saa väljastpoolt energiat juurde. Näiteks: kiikumisel lõpetame hoo andmise, siis edasine on vaba võnkumine. Vabavõnkumine on sumbuv võnkumine (võnkumise energia väheneb, võnkumiste amplituud väheneb) Tekkimise tingimused:
· Süsteemil peab olema püsiv tasakaaluasend (süsteemi väljaviimisel tasakaaluasendist tekivad jõud, mis viivad ta tagasi tasakaaluasendisse.)
· Tuleb tekitada hälve – keha tuleb viia tasakaaluasendist välja.
· Süsteemissisesed jõud peavad olema väikesed

Sundvõnkumine – toimub välise perioodilise jõu mõjul. Näiteks: haamriga löömine, kiikumine, õmblusnõel. Reeglina sumbumatu võnkumine (süsteem peab kogu aeg perioodiliselt energiat juurde saama - hõõrdejõud)
Võnkumisi iseloomustavad suurused

Võnkeperiood – ühe täisvõnke sooritamise aeg:

Võnkesagedus – täisvõngete arv ajaühikus:

Hälve(X) – kaugus tasakaaluasendist. Võnkumisel see suurus pidevalt muutub

Võnkeamplituud(X0) – maksimaalne hälve. Amplituudi mõõdetakse tasakaaluasendist ja võetakse positiivsena.
Resonants – võnkeamplituudi järsku kasvamist perioodilise välismõju sageduse kokkulangemisel süsteemi vabavõnkumise sagedusega.
Igal võnkuda saaval süsteemil on oma vabavõnkumise sagedus, seda nimetatakse ka omavõnkesageduseks. Näiteks: kiikumisel hoo juurde andmine, august auto väljalükkamine, majade purunemine maavärinal, pilli kõlakast, ja esineb sildadel ning merejääl.
Harmooniline võnkumine
Harmooniliseks võnkumiseks nimetatakse võnkumist, mida saab kirjeldada siinus või koosinus funktsiooni abil.
- võnkumiste ringsagedus
- võnkumiste faas – määrab ära võnkuva süsteemi oleku.
Võnkumine kordub faasi intervalliga
(täisring, )
Võnkumiste graafikud antakse nii, et aja teljel on aeg või Faas.
Näidisülesanne: (võnkeamplituud, aja graafik )
Algfaas () - määrab ära võnkumiste faasi võnkumiste alghetkel.
Faas() - nurk, millest võnkumise võrrandis võetakse siinus
Faasivahe – kahe võnkumise faasi erinevus
Matemaatiline pendel
Matemaatiline pendel – võnkumine toimub raskusjõu ja elastsusjõu. Resultantjõu algväärtus muutub, järelikult muutub ka kiirendus. Tegemist on harmoonilise võnkumisega.
Vedrupendel
Kujutab vedru külge kinnitatud keha võnkumist.
Lained
Lained jagunevad kaheks suureks rühmaks:

Mehaanilised lained

Merelaine

Maavärina laine

Helilaine

Elektromagnet lained:

Raadiolained, valguslaine, soojuskiirgus
Lainete juures on alati tegemist mingisuguste liikumiste ja muutumistega.
Tunnus: tekib tasakaalu häirimisel ja laine levimisel ei kandu endas aine vaid häiritus ehk liikumisenergia .
Laine – võnkumise edasikandumine ruumis
Levik ja tekkimine
Tekkimiseks o n vajalik viia süsteem välja tasakaaluasendist ning peab olemas olema vastastikmõju aineosakeste vahel.
Tänu inertsile hilineb naaberosakeste liikumine. Mida kaugemale on võnkumise tekitanud osakesest, seda rohkem tema võnkumine hilineb võrreldes võnkeallikaga.
Lainefront – piir, kuhu häiritus on jõudnud.
Lained saavad tekkida keskkonnas, kus tasakaalu häirimisel tekivad jõud, mis taastavad tasakaalu. Sellised keskkondi nimetatakse elastseteks. Elastsed: vesi, õhk. Mitteelastsed: liiv
Lainete liigid
1. Ristilaine – võnkumine toimub laine levimissuunaga risti(merelaine, elektromagnetlaine)
2. Pikilaine – võnkumine toimub piki laine levimise sihti(helilaine, vedrus tekkivad lained)
Laineid saab jagada ka lainefrondi kuju järgi. Tehakse vahet laine levimisel tasandil ja ruumis.
Tasandil levivaid laineid nimetatakse pinnalaineks ja kui frondiks on ringjoon on tegemist ringlainega.
Ruumis leviv laine on ruumilaine. Laine frondiks on tasand – tasalaine. Laine forndiks on kera pind – keralaine .
Laineid iseloomustavad suurused
Laineperiood – laineosake sooritab ühe võnke. Laine levib ühe lainepikkuse võrra.
Tegemist on kahe perioodilise protsessiga:
1. Üles-alla võnkuv laineosake
2. Häiritus levib edasi
Lainepikkus ()– piki levimissihti mõõdetud lähim kaugus kahe samas taktis võnkuva punkti vahel.
Laine levimiskiirus(v) – lainefrondi edasi levimise kiirus.
Lainetega seotud nähtused
1. Lainete interferents – mitme laine liitumine üheks resultant laineks. Avaldub selles, et mõnes punktis lained võimendavad teineteist, teises aga nõrgendavad.(amplituud suureneb või väheneb). Interferentsi korral tekib ruumis võnkumiste püsiv jaotus amplituudi järgi.
Interferentsi tekkimiseks peavad lained olema koherentsed st. et:

Võnkeperioodid peavad olema ühesugused

Üks võnkumine ei tohi teise suhtes muutuda.(pausid peavad olema ühepikkused) Amplituudid ei pea olema ühesugused.
Käiguvahe – lainete pikkuste erinevus jõudmisel mingisse puntki. Käiguvahe määrab ära maksimumi või miinimumi tekkimise mingis punktis.
Maksimumi tekkimise tingimus: tekib, kui kokku saavad laineharjad.(Samas faasis võnkuvad lained), käiguvahe peab olema täisarv laine pikkust.
Miinimumi tekkimise tingimus: tekib, kui kokku saavad ühe laine hari ja teise põhi( vastand faasides võnkuvad lained). Tekib, kui käiguvahe on paaritu arv pool lainepikkust.
Punktides, kus maksimumi või miinimumi nõue pole täidetud, toimuvad võnkumised vahepealse amplituudiga.
2. Lainete difraktsioon – lainete paindumine tõkete taha. On vaadeldav siis, kui tõkke mõõtmeed on lainepikkusest väiksemad või lainepikkusega samas suurusjärgus.
Hygensi printsiip – iga punkt, milleni on laine jõudnud, on ise uue elementaarlaine allikaks. Uue laine front on elementaarlainete mähispind. Elementaarlainete liitumine põhjustab minimaalse ja maksimaalse tingimuse tekkimist mingis punktis
Soojusõpetus
· Soojusõpetus tegeleb mateeria liikumise soojusliku vormiga. Soojusõpetus tugineb energia jäävuse seadusele.
· Molekulaarfüüsikas nimetatakse molekuliks sellist aine osakest, mis osaleb molekulaarliikumises ehk soojusliikumises.
· Molekuli massi suurusjärk: 10-23kg; Molekuli läbimõõt: 10-10m. Kõige lihtsama ehitusega aine on gaas .
· Gaaside molekulaarkineetilise teooria kolm põhieeldust:

Gaas koosneb molekulidest ( osakestest )

Molekulid on pidevas kaootilises liikumises

Molekulide vahel on vastastikmõju

Makrokäsitlus – vaadeldakse gaasi kui tervikut. Suurusi, mis ei eelda aine koosnemist osakestest, nimetatakse makroparameetriteks: (m, p, V, T, r, t.) p, V, T – olekuparameetrid , mis määravad gaasi oleku. Kui üks parameeter muutub, peavad ka teised muutuma . Olek ei tähenda mitte vedel, gaasiline, tahke, vaid p, V, T kindlaid väärtusi. Olulisem praktiliste ülesannete lahendamise juures.

Mikrokäsitlus – eeldab aine koosnemist osakestest. Mikroparameetrid ei ole vahetult mõõdetavad vaid määratakse makroparameetrite kaudu. Mikroparameetrid on: mo, v, n, po, E. Olulisem aine ehituse ja aines asetleidvate protsesside mõistmise seisukohalt.

Ideaalne gaas :

molekulid on punktmassid

molekulide põrked anuma seintega on elastsed

molekulide vahel ei ole vastastikmõjusid, puuduvad tõmbe ja tõukejõud.
· Gaasi rõhk tekib molekulide põrgetest vastu anuma seina. Gaasi rõhk anuma seinale sõltub ajaühikus seinale üleantavast impulsi muudust .
· Üleantav impulss sõltub:

üksikute impulsside suurusest

põrgete arvust ühes ajaühikus vastu anuma seina
· Põrgete arv ajaühikus sõltub:

Kontsentratsioonist (n)

Kiirusest (v)

Gaasi molekulaarkineetilise teooria põhivõrrand:

Normaalrõhk:
· Temperatuur – iseloomustab keha soojuslikku seisundit . Soojushulga juurdeandmine mingile kehale tähendab selle keha molekulide kineetilise energia suurendamist.
· Soojushulk on siseenergia , mille keha soojusvahetusel saab või annab ära. (Tähis Q, ühik J).
· Temperatuur on molekulide keskmise kineetilise energia mõõt. Võime temperatuuri mõõta energia ühikutes.
· Temperatuur on nii mikro – kui ka makroparameeter.
· Termodünaamika – uurib soojusnähtusi eeldamata aine molekulaarset ehitust.
· Kehade soojusvahetus sõltub kehade temperatuuridest ja kehade massidest.
· Soojusvahetus – protsess, kus üks keha annab soojust ja teine keha saab soojust juurde.
· Termodünaamiline süsteem – kehade süsteem, mis vahetab soojust.
· Suletud termodünaamiline süsteem – süsteemiväliste kehadega soojusvahtust ei toimu.
· Suletud süsteemis on kõikide kehade poolt ära antud soojushulk võrdne saadud soojushulkadega.
· Ideaalse gaasi molekulvõrrand:
· Võrrand, mida võib kasutada siis, kui gaas läheb ühest olekust teise ja tema kogus EI MUUTU:
· Valem, mida võib kasutada, kui gaasikogus muutub:
Isoprotsessid
Protsess, kus üks olekuparameeter jääb muutumatuks.
1. Isobaariline – muutumatuks jääb rõhk, p=const
Näiteks: gaasi kuumutamine liikuva kolbiga anumas . (p, T teljestikus)
2. Isokoorne protsess – ruumala jääb muutumatuks, V=const
Näiteks: kinnises anumas toimuvad protsessid
3. Isotermiline protsess – muutumatuks jääb temperatuur. T=const (p,V, teljestik)
· Tasakaaluolek on tõenäosuslik. Alati on olemas tõenäosus tasakaaluoleku iseeneslikuks muutumiseks mittetasakaaluliseks. See tõenäosus on aga seda väiksem, mida rohkem on osakesi on süsteemis, Makrotasandil on üleminek mittearvestatava tõenäosusega.
· Browni liikumine – üliväikeste tehke aine osakeste liikumine veelikus või gaasis. Tegemist on korrapäratu liikumisega ja on põhjustatud molekulide soojusliikumisest.
· Molekulid põrkavad vastu osakesi. Kui osake on suur, siis põrked kompenseeruvad . Kui osake on väike, siis põrge ei kompenseeru ja osake hakkab liikuma.
· Ühesugustel temperatuuridel ja rõhkudel on kõikide gaaside kontsentratsioon ühesugune. Tuleneb see, et normaaltingimustes on 1 mooli gaasi ruumala 22,5 l.
· Molekulide soojusliikumise kiirus toatemperatuuril on 100 m/s
Termodünaamika alused

Soojusmasin – muudab siseenergia mehhaaniliseks tööks.

Termodünaamika tugineb kahele printsiibile:

sisuliselt energia jäävuse seadus

määrab ära protsesside toimumise suuna
Keha siseenergiaks nimetatakse keha molekulide kineetilise ja potentsiaalse energia summat.
Siseenergia makrokästilusest lähtudes:
Keha erisoojuse ja massi korrutist nimetatakse soojusmahtuvuseks. C=cm. Soojusmahtuvus on seotud kehaga ja näitab, kui suur soojushulk on vaja kehale anda, et tõsta selle temperatuuri 1 Celsiuse võrra. Kui keha ei paisu läheb kogu soojushulk keha siseenergia suurendamiseks . Valem:
Valem on enamvähem õige ka vedelike ja tahkete ainete kohta.
Termodünaamika esimese printsiibi matemaatiline väljendus: Q= U+A
Termodünaamika esimene printsiip: Termodünaamilisele süsteemile juurde antav soojushulk läheb süsteemi siseenergia suurendamiseks ja süsteemi poolt välisjõudude vastu tehtavaks tööks. Kui Q on 0, siis teeb gaas tööd oma siseenergia arvelt: A=-U
Termodünaamika esimene printsiip erinevate protsesside korral:

Isokooriline protsess: V=const, A=0 ja Q=U Kogu soojushulk läheb keha siseenergia suurendamiseks ehk temperatuuri tõstmiseks. Gaasi töö:

Isobaariline protsess: p=const, Absoluutne temperatuur on võrdeline ruumalaga. Soojushulk kulub töö tegemiseks ja siseenergia suurendamiseks

Isotermiline: Q=A, U=0, T=const. Kogu soojushulk kulub töö tegemiseks.
SOOJUSMASIN
Soojuse muutmine tööks on võimalik tsüklilistes protsessides. Järelikult pideva töö saamiseks on vaja gaasi kokku suruda. Niipalju energiat, kui annab kaas paisumisel , kasutame ka gaasi kokkusurumiseks. Ideaalse soojusmasina töötavaks kehaks on ideaalne gaas, juurdeandvat soojushulka kasutatakse maksimaalse efektiivsusega.
Soojusmasina ehitus:
Q1 Q2
Akas=Q1-Q2 Gaasi põlemisel saadakse Q1, töötavaks kehaks on gaas, jahutiks väliskeskkond.
Soojusmasina kasutegur – näitab kasuliku töö ja kulutatud energia kulu:
(Ideaalne soojusmasin)
Termodünaamika teine printsiip paneb paika protsesside suuna, mis looduses toimuvad.

Soojus ei saa iseenesest üle minna külmemalt kehalt kuumemale.

Suletud süsteem püüab üle minna korrastatud olekult mittekorrastatule.

Loodus püüab üle minna vähem tõenäoliselt olekult tõenäolisemale.
Iseeneslik protsess tähendab suletud süsteemi lähtudes makrokäsitlusest. Kui ained on segamata on tegemist korraga ja kui segatud siis korratusega. Korratus väheneb osakeste soojusliku liikumise tõttu.
Entroopia
Soojusmasinast tuleb alati anda mingi soojushulk jahutile. Sama soojusmasin seda soojushulk enam tööks kasutada ei saa. Mida kõrgem on töötava keha temperatuur, seda kergem on siseenergiat tööks muuta. Mida kõrgem on temperatuur, seda kvaliteetsem on energia
Entroopia(S)– suurus, mis iseloomustab energia kvaliteeti. Mida kõrgem on kvaliteet seda madalam on entroopia.

Entroopia muutus iseloomustab kvaliteedi muutust.

Entroopia iseloomustab termodünaamilise süsteemi langust tasakaaluasendist.

Mida tasakaalulisem on süsteem, seda suurem on entroopia.

Suletud süsteemides entroopia kasvab.

Mida ühtlasem on jaotus seda suurem on entroopia.

Termodünaamika II printsiip: suletud süsteemis soojusliku protsessi tulemusena kasvab entroopia.

Suletud süsteemis nt. isotermilises protsessis võib entroopia jääda samaks aga süsteemi entroopia vähenemine on võimalik ainult avatud süsteemides.

Entroopia muudu arvutamise valem:

Ühe aatomilise ideaalse gaasi siseenergia:

Kahe aatomilise ideaalse gaasi siseenergia:

Siseenergia sõltub üldjuhul peale temperatuuri ka ruumalast.

Gaasi töö ja välisjõudude töö on seotud omavahel: A=-A’.

Termodünaamika esimene printsiip: U=Q+A.

Adiabaatiline protsess: süsteem ei ole väliskeskkonnaga soojusvahetuses Q=0 ja süsteem teeb tööd oma siseenergia arvelt U=-A. Kui pV teljestikus p suunas toimub liikumine, siis gaas teeb tööd. Reaalselt on adiabaatilised protsessid kiiresti toimuvad protsessid. Näiteks küttesegu kokkusurumine diiselmootoris. (kokkusurumisel küttesegu temperatuur tõuseb kuni süttimistemperatuurini.) Adiabaatilises protsessis väheneb siseenergia ja gaas teeb tööd.

k- kütteväärtus ehk ühe kg kütuse täielikul põlemisel vabanev soojushulk J/kg
Aine ehitus
Kõik ained:

koosnevad osakestest

on pidevas liikumises

osakesed omavad energiat
Aine puhul eristatakse agregaatolekuid : tahke, vedel ja gaas. ( erijuht : plasma, ioniseeritud gaas.). Erinevates olekutes on molekulide liikumine ja vahemaad erinevad.
Gaas:

molekulide vahekaugus hästi suur

osakestevahelised vastastikmõjud peaaegu puuduvad st. väga väikesed.

molekulid liiguvad korrapäratult

ei säilita kuju ega ruumala
Vedelik:

molekulid paiknevad tihedalt

molekulid võnguvad oma tasakaaluasendi ümber ja vahetavad asukohti

säilitab ruumala, ei säilita kuju

keskmine vastastikmõju
Tahkis :

osakesed paiknevad korrapäraselt ja tihedalt

osakesed võnguvad oma tasakaaluasendi ümber

tugev vastastikmõju osakeste vahel

säilitab ruumala ja kuju
Reaalsed gaasid
Probleemid, kus ideaalse gaasi mudel ei tööta:

gaasi kokkusurumine balloonis

lõhnade levik ruumis
Reaalse gaasi erinevus ideaalsest:

tuleb arvestada molekulide ruumala (toob kaasa omavahelised põrked)

tuleb arvestada molekulide vahelist vastastikmõju
Reaalset gaasi kirjendab Van der Waalsi võrrand:
a ja b on konstandid, mis määratakse katseliselt. a iseloomustab molekulide vahelisi tõmbejõude ja b ruumala.
Kõigis kolmes agregaatolekus võib vaadelda kolme erinevat ülekande nähtust:

difusioon (ainete segunemine) – kantakse edasi ainet

soojusjuhtivus – kantakse edasi energiat

sisehõõre – kantakse edasi impulssi
Difusioon gaasis
Võrreldes teiste olekutega suhteliselt kiire. Väga olulist mõju avaldavad lisategurid- Sõltub vaba tee pikkusest ja temperatuurist. Ühe ja sama temperatuuri juures segunevad väiksema molaarmassiga gaasid kiiremini.
Soojusjuhtivus gaasis
Gaasi soojusjuhtivus on väga halb ja kergesti mõjutatav välistegurite poolt. Soojusjuhtivuse puhul levib soojusenergia molekulide omavahelise põrgete tulemusena. Gaaside halba soojusjuhtivust kasutatakse soojus isolatsiooniks. Tuleb takistada gaasi liikumist.
Sisehõõre gaasides
Gaasis liikuvale kehale mõjuvad alati takistusjõud, mis sõltuvad:

keha kujust

gaasist

gaasi tihedusest

gaasi temperatuurist

teistest teguritest
Takistusjõud tekivad tänu sellele, et gaasi molekulid põrkavad vastu keha pinda ja annavad osa impulsist. Impulss muutub, järelikult mõjuvad jõud. Aerodünaamika uurib kehade liikumist gaasis.
Vedelikud
Vedelikel on ühiseid jooni nii gaaside kui tahkistega.
Põhiomadus on voolamine – vedelik püüab võtta sellist asendit, et tema potentsiaalne energia on minimaalne.
Voolamine on võimalik tänu sellele, et vedeliku molekulid vahetavad võnketasandeid.
Vedelikes püüavad molekulidevahelised tõmbejõud tekitada kristallilist struktuuri – seda segab aga molekulide soojusliikumine. Püsivad molekulide paiknemise korrapära ei teki.
Korrapära tekkimine on osades vedelikes võimalik suures ulatuses. Neid aineid nimetatakse vedelkristallideks(Orgaanilised ained, mille molekulid on pikad ja peenikesed, nende orientatsiooni on suhteliselt kerge muuta).
Pindpinevus
Vedelike pinnal on alati omadus kokku tõmbuda ja seega püüab ta omandada võimalikult väikest pinda. Seda omadust nimetatakse pindpinevuseks.
Sama ruumala juures minimaalne pindala on keral . Seega vedeliku pind üritab võtta kera kuju.
Vedeliku koguse tegelik kuju kujuneb välja pindpinevusjõudude ja teiste jõudude koosmõjust.
Pindpinevusjõudude tekkimise mehhanism
Vedeliku vahel mõjuvad tõmbejõud. Kui molekul on vedeliku sees, siis tõmbejõud mõjuvad igas suunas ja resultantjõud on 0. Kui vedeliku molekul on vedeliku pinnal, siis tõmbejõud igast suunast ei mõju ja resultantjõud on suunatud sitsi vedeliku pinnaga.
Kuna molekuli viimiseks vedelikust pinnale tuleb teha tööd jõu vastu, mis molekulidele pinnakihis mõjuma hakkan, siis võib öelda, et vedeliku pinnakihis on potentsiaalne energia suurem kui vedelikus sees.
Kuna vedeliku kogus püüab võtta minimaalset pinda, siis ütleme, et vedeliku pinnal tekib pinnasihiline jõud – pindpinevusjõud. Seda jõudu avaldab vedeliku pind pinnaga piirnevatele kehadele.
Pindpinevusjõuks nimetatakse jõudu, mida kokkutõmbav vedeliku pind avaldab temaga piirnevatele kehadele.
Pindpinevusega on seotud pindade märgamine.
Märgamine – vedelik valgub pinnal laiali. Esineb kui vedeliku molekulide ja pinna molekulide vahel mõjuvad tõmbejõud on suuremad kui vedeliku molekulide vahelised pindpinevusjõud.
Kui vedelik püüdleb antud pinnal kera kuju poole on tegemist mittemärgamistega.
Mittemärgamine – kui vedeliku ja pinnaosakeste vahel mõjuvad tõmbejõud on väiksemad kui vedeliku molekulide vahel mõjuvad pindpinevusjõud.
Pindpinevusjõudude arvutamise valmid :
Pindpinevustegur alfa on arvuliselt võrdne jõuga, millega pind tõmbab ühikulise pikkusega kontuuri.
Kapillaarsus
Kapillaarsus – vedelike tõstmine ja laskumine peenikestes torudes.
Vedelikusamba kõrgus.
Ülekandenähtused vedelikes
Difusioon – sõltub temperatuurist. Vedelikes aeglasem kui gaasides, kuna molekulid paiknevad tihedamalt vedelikus kui gaasis.
Soojusjuhtivus – tunduvalt suurem kui gaasides. Vedeliku molekulil on lihtsam leida naabermolekuli, kellele oma energiat üle anda. Soojusjuhtivuse erinevus on gaasiga võrreldes kümnekordne.
Sisehõõre – vedelikes tunduvalt suurem kui gaasis (gaasis määravad selle molekulide põrked, vedelikes tõmbejõud.) Temperatuuri tõustes vedelikes väheneb.
Hüdrodünaamika – uurib kehade liikumist vedelikes ja vedelike voolamist .
Tahkised
Tahketeks aineteks nimetatakse aineid, mille voolamist me pealiskaudsel vaatlemisel ei märka.
Tahked ained jagunevad:

Tahkised
a) Kindel kristallstruktuur
b) Saab jagada:
1. Monokristallideks – struktuur säilib kogu aine ulatuses ( teemant )
2. Polükristallid – metallid; tähendab, et aine koosneb paljudest üksikutest monokristallidest, mis on erinevalt orienteeritud

Amorfsed ained
c) temperatuuri tõustes mehhaanilised omadused muutuvad, voolavus suureneb.
d) Kristallstruktuur puudub
e) Omadus voolata
f) Puudub kindel sulamistemperatuur
g) Näiteks: klaas, rasv , või, pigi, kautsuk .

Segud: näiteks nahk, puit, riie.
Anisotroopia – aine omadus sõltub suunast. Eriti omane monokristallidele. Suunast võivad sõltuda kõvadus, soojusjuhtivus, optilised omadused. Näiteks: vilgukivi mehaanilised omadused, puusüsi.
Isotroopia – aine omadused ei sõltu suunast. Näiteks: gaasid, vedelikud, amorfsed ained. Polükristallid on keskmiselt isotroopsed.
Faasisiirded
Faas – aine erinevate omadustega olekud
Faasisiire – protsess, kus aine läheb ühest olekust teise.
Soojushulka mis eraldub või neeldub faasisiirdel aine ühe massiühiku kohta nim siirdesoojuseks. Kõige suurem on siis kui muutuvad agregaatolekud . Kui agregaatolek ei muutu võib olla kadu väike.
Kondenseerumine - gaas muutub vedelaks
Aurumine - vedelik muutub gaasiks
Tahkumine ehk kristallisatsioon vedelalt olekult tahkeks
Sulamine tahkest vedelikuks
Sublimatsioon tahke gaasiliseks
Härmatumine gaas tahkeks
Rekristallisatsioon tahkis tahkiseks
Igale faasisiirdele vastab siirdetemperatuur. Siirdetemperatuur sõltub rõhust
Kolmikpunkt kolme faasi tasakaal. On võimalik ainult kindlal rõhul ja temperatuuril. Vee jaoks rõhk on 6mmHg ja temp 0.01oC. Kolmikpunkt ei pea olema ainult tahke, vedela ja gaasilise vahel. Nelikpunkti pole olemas.
Sulamine ja tahkumine
Sulamissoojus :
Sulamissoojus – (lambda) Soojushulk, mis on vajalik 1 kg aine sulatamiseks või mis eraldub 1 kg aine tahkumisel.
Sulamine mikrokäsitlusest lähtudes – kui tahkist soojendada suureneb osakeste võnkeamplituud. Kui võnkeamplituud ületab teatud väärtuse, siis rebib ta naaberosakeste mõjusfäärist lahti. Sel hetkel on kineetiline 0. Tuleb kulutada energiat osakese liikumisenergia taastamiseks. Sulamisoojus kulub osakeste vabastamiseks tahkises valitsevate osakeste vahelistes seostes ja osakesele täiendava kineetilise energia andmiseks , et viia ta kiirus antud temperatuuril osakeste keskmise kiiruseni
Aurumine ja kondenseerumine
Aurumine toimub igal vedeliku temperatuuril. Kuna aurumisele lahkuvad vedelikust kiiremad molekulid, siis vedelik jahtub.
aurustumisel vabanenud soojus. Aurustumisoojus on soojushulk, mis kulub 1 massiühiku vedeliku muutmiseks auruks antud rõhul. Aurustumissoojus sõltub rõhust ja temperatuurist. Aurustumissoojus kulub esiteks molekulide omavahelise vastastikmõju ületamiseks, teiseks vedeliku pindpinevuse ületamiseks, kolmandaks gaasi paisumistööks vedeliku kohalt.
Kriitiline temperatuur- temperatuur millest kõrgemal väärtusel ei ole võimalik gaasi kokku surudes enam vedelikuks muuta.
Vesi +373C
CO2 + 31C
N2 -147C
Gaasiks nim ainet, kui tema temp on kriitilisest temp kõrgem ja auruks kui temperatuur on kriitilisest madalam
Küllastunud aur – aur, kus aurumine ja kondenseerumine on tasakaalus. Piltlikult võb öelda, et sinna auru rohkem enam molekule ei mahu. Auru kontsentratsiooni mõõdetakse kas tiheduse või osarõhuga. Erinevatele temperatuuritele vastab erinev küllastunud aururõhk või siis kontsentratsioon.
Keemine
Aurumise üks eriliike. Keemistemperatuur – temperatuur, millest alates vedelik hakkab keema , muutub aurustumise iseloom. Keemistemperatuur sõltub rõhust. Mida kõrgem rõhk seda kõrgem keemistemp.
Vedlik hakkab keema temperatuuril, mil selle aine küllastunud auru rõhk saab võrdseks ümbritseva keskkonna rõhuga. Küllastunud veeauru rõhk 100oC 760mmHg. Keemine tähendab intensiivset aurumist, kusjuures aurumine toimub kogu vedeliku ruumala ulatuses.
Õhus leidub alati veeauru.
Õhuniiskus
Õhus leidub alati veeauru
Õhu absoluutne niiskus – veeauru hulk ühes m3 õhus. On võimalik mõõta ka osarõhuauru. 1mmHg = 1Pa
Osarõhk – veeauru osarõhk – rõhk mida avaldaks veeaur kui teised gaasid puuduksid
Veeauru hulk õhus määrab ära ilma/kliima
Relatiivne õhuniiskus:
Relatiivne õhuniiskus – näitab, kui kaugel on õhu veeauru sisaldus küllastunud olekust.
Keskküttega toa õhuniiskus on talvel 20% või 30%
Eestis on suvel 60% -70%
Sublimatsioon – tahkise aurustumine
Härmatumine – gaasi või auru muutumine tahkiseks
Rekristallisatsioon – kristalli struktuuri muutumine teiseks kristalliliseks struktuuriks,
Valem
Kirjeldus
Teema
Kiirus ühtlasel sirgjoonelisel liikumisel
Kinemaatika
Kiirendus
Kinemaatika
Hetkkiirus ühtlaselt muutuval sirgjoonelisel liikumisel
Kinemaatika
Teepikkus ühtlaselt muutuval sirgjoonelisel liikumisel
Kinemaatika
Nihe ühtlaselt muutuval sirgjoonelisel liikumisel
Kinemaatika
Aeg, kui algkiirus on 0
Kinemaatika
Liikumise võrrand
Kinemaatika
Kiiruse võrrand
Kinemaatika
Newtoni II seadus
Jõud ja impulss
Gravitatsiooniseadus
Jõud ja impulss
Gravitatsioonjõud, kui keha ei asu maal
Jõud ja impulss
Keha kaal horisontaalsel pinnal
Jõud ja impulss
Keha kaal kiirendusega liikumisel
Jõud ja impulss
Hõõrdejõud
Jõud ja impulss
Elastsusjõud
Jõud ja impulss
Liikumishulk ehk keha impulss
Jõud ja impulss
Impulsi jäävuse seadus
Jõud ja impulss
Raskusjõud
Jõud ja impulss
Mehaaniline töö
Töö ja energia
Töö muutuva jõu korral(vedru)
Töö ja energia
Võimsus
Töö ja energia
Kineetiline energia
Töö ja energia
Raskuskjõu potentsiaalne energia
Töö ja energia
Jõu impulss
Töö ja energia
Kasutegur
Töö ja energia
Jõumoment
Töö ja energia
Impulsimomendi muut
Töö ja energia
Perioodiline liikumine