Keskkonnafüüsika (0)

Keskkonnafüüsika
Taustsüsteem

• Üldisemalt määratletakse taustsüsteem n-mõõtmeliseks.
  
• Igasugused nähtused toimuvad ajas- seega oluline taustsüsteemi osa on aeg.
  
• Liikumise kirjeldamisel moodustavad taustsüsteemi taustkeha, ruumikoordinaadid ja aja koordinaat .
  

Liikumise vormid

• Kulgliikumine
  
• Pöördliikumine
  
• Nende kombinatsioonid
  

Liikumise viisid

• Ühtlane- mitteühtlane liikumine
  
• Kiirendusega- aeglustusega liikumine ( ringliikumine )
  
• Nende kombinatsioonid
  
• Ühtlaselt muutuv pole sama mis ühtlane, näitab vaid et kiirendus ajas on jääv.
  

Liikumine

• Kinemaatika - kirjeldab, ei otsi põhjusi, vanim ja enamlevinud mehaanika osa
  
• Dünaamika- vaatleb põhjusi ja hindab tagajärgi.
  
• Staatika- tasakaalutingimuste määratlemine, spetsiifiline mehaanika osa.
  

Liikumise põhimõisted

• Oluline nii ruumiline kui ajaline asukoht
  
• Asukoha muutuse kirjeldamiseks võetakse kasutusele kiiruse mõiste- asukoha muutus ajas.
  
• Kiirus on teepikkuse muutus ajaühikus
  
• Asukohta mõõdetakse Sis meetrites. Aega sekundites.
  

Liikumise teooria

• Kirjeldamaks mistahes liikumisi suvalisel trajektoril arendati Leibnizi ja Newtoni poolt diferentsiaal - integraalaarvutus.
  

Erinevad kiirused

• Hetkkiirus , matemaatilises mõttes ülilühikese ajavahemiku kiirus
  
• Keskmine kiirus
  
• Maksimaalne-minimaalne kiirus jne
  
• Igaüks tähistab erinevat asja, järelikult ülesannete lahendamisel tasub mõelda millest jutt käib.
  

Võimsus on ajaühikus tehtud töö
Ülesanne
1.Jalgrattur sõitis punktist A punkti B kiirusega 40 km h ja tagasi kiirusega 20 km h . Leida keskmine kiirus. (lahendus on vihikus).
2. Turist sõitis jalgrattaga ühest linnast teise.Pool teed läbis ta kiirusega 14 km h. Pool ülejäänud ajast sõitis ta kiirusega 6 km h ja seejärel läbis ülejäänud vahemaa jalgsi kiirusega 5 km h. Leida keskmine kiirus.(vihikus)
Ülesanne kiiruste liitumisest
3.Kahe samal jõel üksteisest 100 km kaugusel asuva sadama vahel kurseerib kaater . Kaater läbib sadamatevahelise tee pärivoolu 4 tunniga ning vastuvoolu 10 tunniga. Määrata jõe voolu kiirus ning kaatri kiirus vee suhtes.(vihikus)
Töö arvutamine
NB!! Nurk jõu ja liikumissuuna vahel võib olla nii terav - kui nürinurk st jõud võib olla ka negatiivne
Ülesanne nr. 6
Auto pidurdamisel kahaneb tema kiirus 5 sekundiga väärtuselt 100 km/h väärtuseni 10km/h. Leida pidurdusjõu suurus kui auto mass on 500 kg.
ENERGIA

• Kehadel on erinev võime teha tööd, selle võime iseloomustamiseks uus mõiste energia
  
• Mehaanilise energiana teame 2 vormi: Kineetilist ja potentsiaalset energiat
  
• Kineetilise energia saame defineerida impulsi ja kiiruse poolkorrutisena
  
• Potentsiaalne energia on aga võrdeline kehade vastastikuse asendi e kaugusega, keha massi ning jõudu iseloomustava suurusega- Maa raskusväljas selles vaba langemise kiirendus
  

Ek=mv2/2 , Ep= mgh
Ülesanne
8.) 500g massiga kivi visati 50m kõrguselt horisontaalse algkiirusega 20m/s. Leida kivi kineetiline ja potentsiaalne energia 2 sekundit peale liikumis algust(NB! Eri suundades liikumised on sõltumatud)
Energia ühik on J
Gravitatsioon
Kaks punktmassi mõjutavad teineteist tõmbejõududega, mis on võrdeline nende massidega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga.
Ülesanded
111..Veenuse keskmine tihedus on 4900 kg/m3, raadius 622 km. Leida vaba langemise kiirendus Veenuse pinna.
Jõudude liigitamine

• Konservatiivsed - kui väljajõudude töö keha nihutamisel ei sõltu trajektoori kjust, vaid ainult alg- ja lõpppunkti asukohast
  
• Mittekonservatiivsed kui töö sõltub ka trajekstoorist nt hõõrdejõud
  

Kontrolltöö 17 okt
4 ülesannet ja 4 seadust-mõistet, ül punktid jagunevad 2- algandmed, 2-valemid, 2-arvutused, 2-ühikud. 2- teisendused
Eksami tulemus võib koosneda kontrolltöö keskmisest kui mõlemad positiivsed
Kui vaid esimene osa pos. Siis see eksamil ei vabasta sellest osast.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
SOOJUSÕPETUS

• Võrdlus mehaanikaga
  
• Keha- termodünaaliline keha
  
• Kogu keha käitumine ühtemoodi- punktmass , keha oleku muutused
  
• Erinevused – mehaanikas vaatleme asukoha muutust ja seda põhjustavaid tegureid; termodünaamikas olekumuutuseid ja seda põhjustavaid tegureid
  
• Aine molekulide seisukohalt saame kirjeldada molekulide mehaaniliste liikumiste, vastastikuste jõudude, energiate jms kaudu, kuid see liiga keeruline ( Avogadro arv!)
  
• Leitud, et loogilisem kasutada kogumit iseloomustavaid üldisi parameetreid st kogumil tekivad uued omadused, mida üksikul molekulil pole
  

Muutuseid kirjeldavad parameetrid

• Mehaanikas ruumiline ning ajaline asukoht – koordinaadid
  
• TDs ruumiline asukoht tihti pigem sekundaarne , uuritakse olekumuutuseid
  
• Keha olek seotud uute nn koordinaatidega
  
• Oleku kirjeldamiseks võetud kasutusele 3 parameetrit – rõhk, ruumala, temperatuur
  

Mida kirjeldavad prarameetrid

• Rõhk – pindala kohta tulev jõud, tekib molekulide põrgetel keha ümbritseva keskkonnaga
  
• Temperatuur – keha siseeenergiat iseloomustav suurus, (teoreetiliselt muutub 0-ks absoluutse 0 e T = 0 K juures), loogiline uue skaala tekkimine – Kelvini skaala
  
• Ruumala – aine hulka iseloomustav suurus
  

Esimene süsteem

• Termodünaamilisi seoseid hakatakse kirjeldama ideaalse gaasi abil
  
• Ideaalne gaas – 1) molekulidevahelised jõud puuduvad, 2) molekulid on punktmassid
  
• Sellises süsteemis kirjeldatakse termodünaamiliste parameetrite vahelised seosed ja uritakse miks muutused tekivad
  

Keskkonnafüüsika- soojus
Mõisted

• Soojus on ühelt süsteemilt teisele energia ülekandumise mikroskoopiline moodus . Siin kandub üle ainult siseenergia ning see jääb ka uues süsteemis mikroosakeste korrapäratu liikumise energiaks.
  
• Teiseks energia ülekandumise viisiks on töö, millega saab üle kanda mistahes energia vormi mistahes teiseks vormiks.
  

Soojuse ülekande viisid

• 3 viisi
  
• Soojusjuhtivus - vaja kontakti kehade vahel
  
• Konvektsioon - vaja keha osade liikumist
  
• Soojuskiirgus - toimub iga keha korral, mille temp. on kõrgem kui 0 K st reaalselt iga keha korral.
  

Soojusjuhtivus (valem vihikus)
Järeldused seosest
Soojusvoog seda suurem, mida :

Suurem on temperatuuri gradient (N: välis- ja sisetemp vahe)

Suurem pind, mia mööda soojuskadu toimub

Pikem aeg

Õhem pinna paksus (väiksem dx)

Suurem soojusjuhtivustegur
Kirvereegel- mida tihedam on aine, seda suurem soojusjuhtivustegur.
Mida poorsem (palju õhku), seda väiksem.
Soojusjuhtivuse ülesanne:

Seina paksus on 20 cm ja materjali soojusjuhtivus on 0,1 W/m K. Kui suur on soojuskao võimsus läbi 100 ruutmeetri kui temperatuuride vahe on 30 K ?
Soojuse muutus
Erisoojuseks nimetatakse soojushulka, mis tõstab antud aine ühe massiühiku temperatuuri ühe kraadi võrra : (valem vihikus)
Ülesanne
2)Vesikeskkütte radiaatoriga ühendatud toru ristlõikepindala on 600 ruut- millimeetrit ja selles liigub kiirusega 2 cm/s vesi, mille temperatuur on 80 C. Radiaatorist väljumisel on vee temperatuur 25 C. Kui suure soojushulga saab ruum ühe tunni jooksul?
Teisendused: pindala S= 6*10-4m 2, v=2*10-2 m/s, AT = 55 K, c = 4200 J/kg K (vee erisoojus ), p(tihedus)=1000 kg / m3, t= 3600s
Soojuse ülekande seos eri ainete juhtivusega ( tajumine )
Ainete soojusjuhtivusomadused mõjutavad nende kontaktpinnal tekkivat temperatuuri (st tekkiv temperatuur võib olla oluliselt kõrgem kontaktis oleva keha temperatuurist)
Kasutatakse teisendusi tuletatakse soojusjuhtivusest kontakttemperatuuri mõiste :
.... (vaatan õpetaja failist)
Kontakttemperatuur1 (vihikus)

• Paljale inimjalale on mugavaks kontakttemperatuuriks 25,4 Celsiust ja paljale käele maksimum 45 Celsiust.
  
• Mõnede ainete kontaktkoefitsiendid b (J m-2 K -1 s-1/2)
  
• Kork- 92; Betoon - 1680 ; Inimese nahk- 1120; Tammepuit- 499
  
• Arvutused näitasid, et inimene tunneb palja jalaga mugavalt veel -59 Celsiuse juures oleval korgil.
  

Kontakttemperatuur2

• Inimese keele temp on 37 C ja b väärtus 1400 ((J m-2 K -1 s-1/2)
  
• Võrdle raudrelsi ja pehme puu kontakttemperatuure kui mõlemate temperatuur on -5 C
  
• Raua b on 17000 ja pehmel puidul 290
  

Konvektsioon
Konvektsiooniks on vajalik keha osade liikumine st võimalik vaid vedelikes ja gaasides
dQ= h (Tp-Tv)

• Kuh h- konvektsiooni soojusvahetustegur
  
• Tp- jahutatava materjali pinna temperatuur.
  
• Tv- vedeliku temperatuur
  

Konvektsiooni soojusvahetustegur

• Tüüpilised tegurid varieeruvad suurtes piirides
  
• Vedelike korral väärtused suurjärkudes suuremad
  
• Erinevad vaba ja sunnitud konvektsiooni korral
  
• Vedelikes alates 50-1000(vaba) ja -20000 (sunnitud)
  
• Gaasides alates 2-25 (vaba) ja 25-250 (sunnitud)
  

Soojuskiirgus
Stefan – Boltzmanni seadus !!!!!
Absoluutselt musta keha integraalne kiirgamisvõime on võrdeline keha absoluutse temperatuuri neljanda astmega: (vihikus valem)
Soojusülekanne kiirgusega
Kiirgusega energiaülekanne toimub alati suvaliste kehade vahel, sest kõik kehad kiirgavad (T on suurem kui 0)
(Edasi vihikus )
Soojuskiirguse mõju
Ülesanne
3. Oletame, et meil ühikuline kuup, mis täidetud veega ja mille ülatahule langeb kiirusvoog 1 W ruutmeetrile . Leida kui kiiresti kasvab kuubi temperatuur 1 kraadi võrra. Vee erisoojus on 2300 J/kg K .
Soojuskiirguse mõju 2

• Arvutame näite põhjal sama maakera jaoks,
  
• Lihtsustame, jagades maakera ruutmeetrise pindalaga sammasteks, mille kõrguseks hindame 4 km õhku normaalntingimustel ja aluseks 100m vett
  
• Kui kiiresti soojeneb, kui kiirgusvoog 1 W ruutmeetrile?
  

Kokkuvõte

• Soojuse ülekanne on oluline energia ülekande viis
  
• Kliimamuutused on sisuliselt soojuse ülekande toimimine
  

Siseenergia- süsteemi kuuluvate molekulide ja aatomite kulg- ja pöördliikumise ning võnkliikuvuse kineetiline energia+ vastasmõju potentsiaalne energia + elektronide energia aatomis jne.
Energia ülekanne
Üks keha võib teisele energiat üle kanda kahel viisil- kas töö või soojuse kaudu.
Töö on ühelt kehalt teisele makrokoopiliselt kanduv energia. Töö tegemine kujutab endast korrapärase liikumise energia ülekannet ning selle tulemusena võivad vahetult muutuda kõik meile seni tuntud energialiigid.
Ülesanne:
11. Viit kg õhku sisaldav anum liigub teatud kiirusega 100 m / s. Kui palju tõuseb õhu temperatuur anumas, kui see äkki seisma jääb? Soojuse kadu seinte kaudu lugeda võrdseks nulliga. Õhu erisoojus on 1000 J/Kg K. (vihikus)
12. Kui kõrge peaks olema hüdroelektrijaama tamm, et toodetava energiaga keema ajada 1% läbivoolavast veest, kui selle algtemperatuur on 10 C ? Energiakadudega keskkonda mitte arvestada.
Kiirusega 1000 m/s liikuv vaskkuul tabab metallseina. Kui palju kerkib kuuli temperatuur, kui kogu kineetiline energia läheb vase soojendamiseks? Vase erisoojus on 390 J/Kg k ning kuuli mass on 5 g.
Termotünaamika 1 printsiip
Süsteemile antud soojushulk kulutatakse süsteemi siseenergia suurendamiseks ning välisjõudude vastu tehtavaks tööks. Valem dQ=dU+dA
Energiaringluse erijuhud
Erijuhud TD-s isoprotsessid
Isoprotsesse on 4: isotermiline, isobaariline , isohooriline, adiabaatiline
Esimese 3 puhul selge, mis püsib muutumatu- vastavalt temperatuur, rõhk, ruumala
4nda puhul selgub hiljem, mis jääb konstantseks, iseloomustab soojusvahetuse puudumine väliskeskkonnaga.
Isotermiline protsess (dQ=dU+ dA)
Kuna T on const , siis temperatuur ja seega ka siseenergia ei muutu
Kogu juurdekantav soojus muundatakse kasulikuks tööks (dQ=dA)
Töö avaldub (NB ! pV= const)
Valemm..
Isobaariline protsess
(dQ = dU + dA)
• Konstantseks jääb rõhk, muutuvad T ja V
• Olekuvõrrandist leiame 2 muutuja vahelise seose ...
Isohooriline protsess (dQ = dU + dA)
• Konstantne on ruumala V
• Olekuvõrrandist ...
Adiabaatiline isoprotsess
dA = - dU ,
Gaas teeb tööd oma siseenergia arvel.
Kuna....
Soojusmasina ringprotsess

• Kuna meil vaja energiat pidevalt toota, siis peab protsess ajas korduma st saavutame korduvalt algoleku
  
• Ringprotsess koosneb kahest osast – gaasi paisumisest ja kokkusurumisest.
  
• Eristatakse otsest ja pöörd-ringprotsessi. Esimesel juhul on gaasi töö paisumisel suurem kui kokkusurumisel, teisel juhul aga vastupidi.
  

Carnot ' ringprotsess toimub ideaalse gaasiga ideaalses soojusmasinas (puuduvad kiirguskaod ja hõõrdejõud). Ringprotsess koosneb neljast etapist, kusjuures eeldame, et kõik etapid on pööratavad
Carnot teoreem – kõik pööratavad soojusjõumasinad, mis töötavad kahe ühesuguse temperatuuriväärtuse (T1 ja T2 ) vahel, omavad ühte ja sama kasutegurit; ükski pööramatu soojus-jõumasin, töötades samade temperatuuride vahel, ei saa omada kõrgemat kasutegurit.
Pööratav protsess- matemaatilise pendli harmooniline võnkumine. Selle puhul liigub pendlikeha ühest äärmisest seisust teise ja sealt tagasi, mille tulemusena taastub süsteemi algolek. Võnkumine toimub sisejõudude toimel.
Pööramatu protsessi puhul ...
TD I printsiibi kohaselt kehtib energia jäävus st süsteemile antud soojushulk kulutatakse süsteeemi siseenergia suurendamiseks ning välisjõudude vastu tehtavaks tööks. Ei ütle midagi protsesside suuna kohta.
Kui meil on 2 erineva temp keha, siis iseeneslikult hakkab soojus liikuma soojemalt jahedamale
T1----)T2
Termodünaamika II printsiip
Pole võimalik sooritada perioodilist protsessi, kus ühelt süsteemilt antud temperatuuril võetakse (kindel) soojushulk ning antakse samas koguses madalama temperatuuriga süsteemile.
Järeldused:
Teist liiki igiliikuri ( soojusmootor , mis muundaks kogu temale antava soojushulga otseselt mehaaniliseks tööks) loomis võimalus.
Kas saame Carnot tsüklist midagi rohkemat järeldada?
Lähtume ideaalse gaasi olekuvõrrandist ning adiabaadi võrrandist
pVy=const
Valem ....
Viies liikmed ühele poole ja arvestades juurdetuleva ja äratuntava energia erimärgilisust saame seose - .....
Jagades pööratava tsükli lõpmata hulgaks Carnot tsükliks, saame summa üldistusena integraali e ...
Järeldused:

• Tegemist on ringintegraaliga
  
• Väärtus ei sõltu sellest millisest punktist alustame.
  
• Väärtus ei sõltu ka suunast , sest ühtepidi liikudes on positiivne ja teistpidi negatiivne.
  
• Järelikult integraali alune avaldis ei sõltu protsessi teest ja onigal juhul konstantne.
  

Entroopia - on olekuparameeter, mis ei sõltu üleminekuteest süsteemi kahe tasakaalulise oleku vahel, vaid ainult süsteemi olekust.
dS= dQ/T
Kui süsteemi enda entroopia väheneb, siis ümbruse entoopia kasvab st entroopia on jääv.
TD II printsiibi uus sõnastus (üldine)- Mistahes looduslikus protsessis suvalise süsteemi ja tema ümbruskonna koguentroopia suureneb = AS:on suurem kui 0
Entroopia tõlgendused:

• Molekulide liikumine korrapäratu- korrapäratuse mõõduks termodünaamiline tõenäosus W
  
• Planck näitas, et kehtib seos : S= k ln W.
  
• Seega entroopia on teisiti öeldes korrapäratuse mõõt.
  
• Igapäevaelust- kui ei korista siis korter läheb segamini st entroopia kasvab
  

TD I : T dS= dU+dA

Isotermiline-

Isobaariline-

Isohooriline-

Adiabaatiline-
Impulss = liikumise hulk