Aine ehituse alused (1)

Kõik ained koosnevad molekulidest, mis on pidevas liikumises. Aineid saab võrrelda neis sisalduvate molekulide keskmise energia järgi. Agregaatolekuteks nimetatakse tahket, vedelat ja gaasilist. Uurides aine ehitust, peame uurima, kuidas molekulid üksteise suhtes paiknevad. Gaasi reaalsed molekulid ei ole punktmassid. Molekulidevahelised põrked on elastsed ning ei mõjuta gaasi temperatuuri ega ka ideaalse gaasi olekuvõrrandi kehtivust, muutub vaid liikumise suund. Molekulide vahel on tõmbejõud, kuid nende paiknemises puudub korrapärasus. Tihedus on väike, sõltub ainest ja rõhust. Ülekandenähtuste puhul kandub alati midagi üle. Difusioon on ühe aine molekulide tungimine teise aine molekulide vahele (kirjeldamiseks kontsentratsioon). Soojusjuhtivus on kindla suunaline soojuse levik keskkonnas kõrgema temperatuuriga piirkonnast madalama temperatuuriga piirkonda omavaheliste põrgete tulemusena (kirjeldamiseks soojushulk ja temperatuur). Sisehõõre on keskkonnas (vedelikus ja gaasis) liikuvale kehale mõjuv takistusjõud. See võimaldab ühe keha teise abil liikuma panna nende vahetu kontaktita (kirjeldamiseks impulss ). Gaasides leiavad ülekandenähtused aset tänu soojusliikumisele ja molekulivahelistele põrgetele. Mida hõredam on gaas, seda harvemad on ka molekulidevahelised põrked ja seda kiirem on ka difusioon. Difusiooni kiirus on võrdeline keskmise teepikkusega, mille molekul kahe põrke vahel läbib, sõltudes ka temperatuurist ning mehhaanilisest liikumisest (tuul). Ühesugustel tingimustel segunevad kiiremini need gaasid, mille molekulmass on väiksem. Soojusjuhtivust mõjutab gaasi mehhaaniline liikumine (tuul). Eksperimentaalselt väga raske uurida, temperatuuride erinevuse tõttu tekivad mitmesugused gaasivoolud. Kõige puhtamal kujul avaldub poorsetes materjalides. Gaasidel on üsna halb soojusjuhtivus. Toimub molekulide kineetilise energia ühtlustumine. Mida suurem on soojus , seda parem on soojusjuhtivus. Soojusisolatsioon on keskkond, mille soojusjuhtivus on üsna väike. Gaasis liikuvale kehale mõjub alati takistusjõud, mis sõltub keha kiirusest ja kujust. Kehaga põrkuvad gaasi molekulid hakkavad liikuma kehaga samas suunas, põrgates naabermolekulidele ning andes neile edasi mingi osa oma suunatud liikumise impulsist jne… Selle tulemusena väheneb ka liikuva keha enda impulss. Mida kõrgem on gaasi temperatuur, seda suurem on sisehõõre. Aerodünaamikaks nimetatakse teadusharu , mis tegeleb kehade liikumisega gaasides. Vedel olek on midagi tahke ja gaasilise vahepealset. Ta on raskesti kokkusurutav, kuid sellega saab täita mistahes kujuga anumaid. Tiheduse poolest meenutavad pigem tahkiseid, sõltub ainest. Üheks põhiomaduseks on omadus voolata. Molekulidevahelised tõmbejõud on palju tugevamad kui gaasides, molekulid paiknevad tihedalt. Molekulid liiguvad vaid molekuli mõõtmetega võrreldavas ulatuses. Molekulide paigutuses on korrapärasuse alged. Vedelkristallides on molekulide korrapära olulise ulatusega, leiavad laialdast rakendust. Õhus langev tilk on kas ligikaudu kerakujuline või õhutakistuse tõttu kergelt deformeerunud, püüdes omandada kuju, mille puhul oleks õhutakistus minimaalne. Pindpinevuseks nimetatakse vedeliku omadust kokku tõmbuda ning omandada võimalikult minimaalset pindala. Jõud deformeerivad vedelikukogust seda enam, mida suurem see kogus on. Pinal on molekulil suurem potentsiaalne energia. Vedeliku pinnal asuvale molekulile mõjub vedeliku sisse suunatud jõud. Pindpinevusjõuks nimetatakse jõudu, mida kokkutõmbuv vedelikupind avaldab temaga piirnevatele kehadele. Märgamisega on tegu kui vedelik tõkestamatult mööda pinda laiali voolab. Mittemärgamisega on tegu kui mingil alusel asuvad vedelikutilgad püüdlevad kera kuju poole. Piirnurk on nurk tasapinnalise aluse ja tasapinnaga piirneva vedelikukoguse vahel. Täieliku mittemärgamise puhul on veetilgad peaaegu kerakujulised , nurk on 180˚. Osalise mittemärgamise puhul püüdlevad tilgad kera kuju poole, kuid täiuslikust ei saavuta, nurk on nürinurk. Osalise märgamise puhul tahab vedelik laiali valguda, kuid täielikult see ei õnnestu, nurk on teravnurk . Täieliku märgamise puhul püüab vedelik mööda alust takistamatult laiali voolata, nurk on 0˚. Pindpinevustegurit α kasutatakse erinevate vedelike pindpinevuse iseloomustamiseks (1 N/m; F = αl). Pesemisvahendite üheks omaduseks ongi see, et nad vähendavad vee pindpinevustegurit ja suurendavad märgamisvõimet. Kapillaarnähtusteks nimetatakse märgamisega seotud nähtusi peentes torudes (märgav aine tõuseb, mittemärgav langeb). Kapillaarideks nimetatakse peeni torusid, milles tuleb arvestada kapillaarnähtustega (ka taimede vartes). Mida peenem toru on, seda enam püüab vedelik saada toru seintega kokkupuudet ja seda suurem on kapillaarsus. Difusioon leiab aset tunduvalt aeglasemalt kui gaasides, sõltub temperatuurist, tihedusest ja põrgete vahelisest teepikkusest. Soojusjuhtivus on vedelikel tänu tihedusele ja erisoojusele suurem kui gaasidel. Sisehõõre on vedelikes tänu molekulivahelistele tõmbejõududele tunduvalt suurem kui gaasides, temperatuuri tõustes soojuspaisumise tõttu väheneb. Sõltub keha kujust. Hüdrodünaamikaks nimetatakse teadust, mis tegeleb kehade liikumise uurimisega vedelikes ja voolamise uurimisega. Tahkisteks nimetatakse aineid, millel on kristallstruktuur. Molekulid paiknevad tihedalt, kindla korra järgi. Molekulide vahel on tugev vastastikmõju, soojusliikumine toimub vaid osakeste võnkumise näol. Jaotatakse ioon -, aatom-, molekul - ja metallilisteks kristallideks. Klassifitseeritakse ka osakeste paiknemise korra järgi. Monokristalliga on tegu, kui molekulid paiknevad üle kogu aine kindla korra järgi, omadused sõltuvad suunast . Polükristalli puhul koosneb ainekogus paljudest eraldi orienteeritud ainekogustest. Amorfseteks nimetatakse tahkeid aineid, millel kristallstruktuur puudub, neil on omadus voolata ning sulamistemperatuur puudub. Anisotroopia on üks tahkiste põhiomadusi ning selle puhul sõltuvad aine omadused suunast. Isotroopia puhul aine omadused suunast ei sõltu (gaasid, vedelikud ja amorfsed ained). Difusioon esineb ka tahkistes, kuid vähesel määral (aatomite ja molekulide paigutusel on kindel kord). Soojusjuhtivus on kõigi tahkiste tavaline omadus, juhivad soojust paremini kui vedelikud ning amorfsed ained. Metallide hea soojusjuhtivus on tingitud metalli kristallis vabalt paiknevatest elektronidest. Tahkistel sisehõõrdejõud puudub, kuna puudub omadus voolata. Metallide voolamisel on tegu monokristallide nihkega üksteise suhtes väliste jõudude mõjul. Faasideks nimetatakse aine erinevate omadustega olekuid. Metastabiilse olekuga on tegu, kui aine esineb ühes faasis sellise rõhu ja temperatuuri väärtuses, kus ta tegelikult peaks olema teises faasis. Faasisiirdeks nimetatakse protsessi, kus aine läheb ühest faasist teise. Siirdesoojuseks nimetatakse soojushulka, mis neeldub või eraldub faasisiirdel aine ühe massioleku kohta, on vastupidiste protsesside puhul vastupidine. Kondensatsiooniks e. veeldumiseks nimetatakse aine üleminekut gaasilisest olekust vedelaks. Aurumiseks nimetatakse üleminekut aine vedelast olekust gaasilisse. Tahkestumiseks e. kristallisatsiooniks nimetatakse üleminekut vedelast faasist tahkesse. Sulamine on üleminek tahkest faasist vedelasse. Sublimatsiooniks nimetatakse üleminekut tahkest faasist gaasilisse. Härmatumiseks nimetatakse üleminekut gaasilisest faasist tahkesse. Rekristallisatsiooniks nimetatakse faasisiirdeid, mille käigus muutub tahke aine kristallstruktuur. Siirdetemperatuuriks nimetatakse faasisiirde puhul antud aine temperatuuri, sõltub rõhust. Atmosfääris leidub tänu veekogudele alati veeauru. Õhu absoluutseks niiskuseks nimetatakse veeauru massi ühes kuupmeetris õhus (ρ, g/m³). Sõltub nii klimaatilistest kui tehnilistest tingimustest. Õhu relatiivseks niiskuseks (Srel) nimetatakse protsentides väljendatud suhet, kus veeauru osarõhk antud temperatuuril on jagatud küllastusele vastava veeauru osarõhuga samal temperatuuril või õhu absoluutsete niiskuste suhtega (keskküttega toas ja kõrbes 20-30%, suvel Eestis 60-70%, vihmaga 100%, udus ja pilvedes üle 100%). Mõõdetakse psühhomeetriga, juushügromeetriga, metallhügromeetriga, kuiva ja märja termomeetri suhtega jne…
Soojendamine , jahtumine
Q = cm(t2-t1)
Sulamine, tahkumine
Q = λm
Aurumine , kondenseerumine
Q = rm
Kütuste põlemine
Q = ηkm
Q1 = Q2, Q3 = Q1+Q2
m = m1+m2
C = cV
Q = C(t2-t1)
Srel = ρt/ρtk * 100%
Q – soojushulk (J)
c – erisoojus (J/kg˚C)
m – mass (kg)
t2-t1 – temperatuuri vahe (˚C)
λ – sulamissoojus (J/kg)
r – aurustumissoojus (J/kg)
k – kütuse kütteväärtus (J/kg)
C – soojusmahtuvus
Srel – relatiivne õhuniiskus (%)
ρt – veeauru rõhk; abs. niiskus
ρtk – küllastunud rõhk; küll. abs. niiskus