Soojus õpetus (0)

Soojusõpetus
Füüsikaline suurus Tähis
Ühiku nimi
Ühik
Temperatuur

T

kraad, Kelvin
; K
Rõhk
P
paskal
Pa
Ruumala
V
kuupmeeter
m3
Mass
m
kilogramm
kg
Molaarmass

kg/mol
Soojushulk
Q
džaul
J
Konstandid:
Universaalne gaasikonstant :
Boltzmanni konstant:
Avogadro arv (molekulide arv ühes moolis ):
Konstantide vaheline seos:
Soojusõpetus on füüsika osa, mis hõlmab molekulaarfüüsikat, termodünaamikat, aine ehituse aluseid ja faasisiirdeid. Molekulaarfüüsika kirjeldab ainete omadusi, tuginedes kolmele eeldusele: a) kõik ained koosnevad molekulidest b) molekulid on pidevas kaootilises liikumises c) molekulide vahel on vastastikmõju (tõmbe ja tõukejõud). Aine omadusi kirjeldatakse parameetrite abil. Parameeter on mingi füüsikaline suurus, mis kirjeldab aine olekut või omadusi (nt vedeliku ruumala, molekuli mass). Makroparameetrid on füüsikalised suurused, mida kasutatakse ainekoguse kui terviku soojusliku oleku kirjeldamisel (nt ainekoguse mass, rõhk, ruumala, temperatuur). Suurusi rõhk, ruumala ja temperatuur nim ka oleku­parameetriteks. Olek on ainekoguse seisund, mis on määratud olekuparameetrite konkreetsete väärtuste kogumiga. Kui ühte olekuparameetrit muuta, muutub ka vähemalt üks teine olekuparameeter. Mikroparameetrid on füüsikalised suurused, mida kasutatakse aine üksiku molekuli kirjeldamisel (nt molekuli mass, molekuli kiirus, molekulide keskmine kiirus, molekulide keskmine kineetiline energia ja kontsentratsioon (molekulide arv ruumalaühikus). Temperatuur on füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha soojuslikku seisundit ja on määratud keha molekulide soojusliikumise kineetilise energiaga. Temperatuuriskaalad : Celsiuse skaala, Fahrenheiti skaala ja absoluutne temperatuuriskaala (Kelvini skaala). Absoluutse skaala nullpunktiks on nn absoluutne nulltemperatuur, so madalaim võimalik temperatuur (mille korral lakkab aatomite ja molekulide liikumine). Celsiuse skaalal vastab sellele –273,15 C. Rõhk on füüsikaline suurus, mis näitab ühikulisele pinnale mõjuvat jõudu: , kus p on rõhk (Pa), S on pindala (m2) ja F on sellele pindalale (S) mõjuv jõud (N). Rõhuühikuid: Paskal (Pa); tehniline atmosfäär (1 at = 1 kgf/cm2 = 98066,5 Pa); elavhõbedasamba kõrgus (1 mmHg = 133 Pa); looduslik atmosfäär (normaalrõhk) (1 atm = 760 mmHg = 101325 Pa); baar (1 bar = 100000 Pa).
Ideaalse gaasi olekuvõrrand ja isoprotsessid. Ideaalne gaas on tegeliku (reaalse) gaasi mudel, kus: a) molekulid loetakse punktmassideks; b) molekulide põrgetel anuma seinaga nende kiiruste väärtus ei muutu, muutub ainult kiiruse suund; c) molekulide vahelist vastastikmõju ei arvestata. Ideaalse gaasi olekuvõrrand (Clapeyron’i võrrand)
seob omavahel gaasi ruumala V (m3), rõhu p (Pa) ja temperatuuri T (K) kui gaasi mass m (kg) ei muutu (m= const );  on gaasi molaarmass (kg/mol) ja R on universaalne gaasikonstant (R = 8,31 J/(molK). Isoprotsess on gaasi üleminek ühest olekust teise nii, et üks kolmest olekuparameetrist (p, V, T) ei muutu. Isobaariline protsess, kui gaasi rõhk ei muutu (Gay-Lussaci seadus): ; kahe oleku võrdlemisel saame
ehk . Isokooriline protsess, kui gaasi ruumala ei muutu (Charles’i seadus): ; kahe oleku võrdlemisel saame
ehk . Isotermiline protsess, kui gaasi temperatuur ei muutu (Boyle’i - Mariotte ’i seadus: ; kahe oleku võrdlemisel saame . Keha siseenergiaks nim keha molekulide kineetilise ja potentsiaalse energia summat. Siseenergia levimist ühelt kehalt teisele nim soojusülekandeks. Soojusülekandes levib siseenergia alati soojemalt kehalt külmemale. Soojusülekande liigid on: 1) soojusjuhtivus, kus energia levib ühelt aineosakeselt teisele molekulidevaheliste põrgete tõttu, ilma et aine ümber paikneks; 2) konvektsioon , kus energia levib gaasi- või vedeliku liikumise tõttu; 3) soojuskiirgus , kus energia levib elektromagnetlainete kiirgamise ja neelamise tõttu. Energiahulka, mida keha soojusvahetuse teel saab või ära annab, nim soojushulgaks (tähistatakse Q, mõõtühikuks on džaul (J)). Soojushulga arvutamiseks kasutatakse valemit: , kus Q on ülekantud soojushulk (J), c on erisoojus () ja T on temperatuuri muut (lõpp- ja algtemperatuuri vahe). Aine võib olla kolmes olekus nn agregaatolekus: gaasiline, vedel või tahke. Soojushulkade arvutamine aine üleminekul ühest agregaatolekust teise (faasisiirdel): 1) sulamine ja tahkestumine – aine muutub tahkest olekust vedelasse ja vastupidi: , kus Q on vastavalt kas sulamiseks vajaminev või tahkestumisel eralduv soojushulk (J),  on sulamissoojus (J/kg) ja m on ainekoguse mass (kg).; 2) aurustumine ja kondenseerumine – aine muutub vedelast gaasiliseks ja vastupidi: , kus Q on vastavalt kas aurustumiseks kulunud või kondenseerumisel eralduv soojushulk (J), L on aurustumissoojus (J/kg) ja m on ainekoguse mass (kg). Põlemisel eralduv soojushulk on võrdne kütuse massi ja kütteväärtuse korrutisega: , kus Q on põlemisel eralduv soojushulk (J), m on kütuse mass (kg) ja q on kütuse kütteväärtus (J/kg). Aine erisoojus on soojushulk, mis tõstab ühikulise massiga keha temperatuuri ühe kraadi võrra (ühik on ). Sulamissoojus  on soojushulk, mis on tarvis anda ühele massiühikule tahkele ainele sulamistemperatuuril tema sulatamiseks (ühik on J/kg). Aurustumissoojus on soojushulk, mis on vajalik ühe vedeliku massiühiku aurustamiseks jääval temperatuuril (ühik on J/kg). Kütuse kütteväärtus on soojushulk, mis eraldub ühe massiühiku kütuse täielikul põlemisel (ühik on J/kg). Soojusliku tasakaalu võrrand väljendab energia jäävuse seadust soojuslikes protsessides. Soojuse üleminekul ühelt kehalt teisele on ühe keha poolt antud soojushulk võrdne teise keha poolt vastu võetud soojushulgaga: (Qantud = Qvõetud). Sulamine on aine siirdumine tahkest olekust vedelasse. Tahkestumine e kristalliseerumine on aine vedelast olekust tahkesse. Aurustumine on üleminek vedelast olekust gaasilisse. Kondenseerumine e veeldumine on aine üleminek gaasilisest olekust vedelasse. Sublimatsioon on soojendatava tahke aine üleminek gaasilisse olekusse. Gaasilisest olekust tahkesse üleminekut nim härmatumiseks. Keemine on vedeliku intensiivne aurustumine kogu tema ruumala ulatuses (vedeliku küllastunud auru rõhk saab võrdseks välisõhu rõhuga. Termodünaamika printsiibid. Termodünaamika I printsiip: suletud süsteemis süsteemile juurdeantav soojushulk kulub süsteemi siseenergia suurendamiseks ja mehaaniliseks tööks mida tehakse välisjõudude vastu: , kus Q on juurdeantav soojushulk, U on siseenergia muut ja A on välisjõudude vastu tehtud töö ( paisumise töö). Suletud süsteem (soojuslikult isoleeritud) on kehade kogum, mis on soojusvahetuses ainult omavahel, mitte aga väljaspool kogumit asuvate kehadega. Siseenergiat mehaaniliseks energiaks muutvat seadet nim soojusmasinaks. Pööratav protsess on süsteemi üleminek ühest olekust teise, mille puhul on reaalselt võimalik esialgsele vastupidises suunas toimuv protsess, st süsteem läbib kõikesialgse protsessi vaheastmed vastupidises järjekorras. Pöördumatu protsessi korral pole olekute vastupidises järjekorras läbimine võimalik. Kõik reaalsed protsessid on mittepööratavad. Termodünaamika II printsiip: soojusülekanne ei saa iseenesest toimuda külmemalt kehalt soojemale; suletud süsteem püüab üle minna korrastatud olekust korrastamata olekusse; protsess, mille ainsaks tulemuseks on soojuse muundumine tööks, ei ole võimalik.
Ülesanded:

Kolmetoalise korteri õhus on molekuli. Mitu mooli see on?

Hõbesõrmuse ainehulk on 0,06 mooli. Mitu aatomit on sõrmuses.

Arvuta looduses esinevate saasteainete CO, SO2, NO3 ja PbSO4 molaarmassid.

Vannis on 5 kilomooli vett. Leia vee molaarmass ja arvuta vannis oleva vee ruumala.

Arvuta veemolekuli ruumala ja hinda mõõtmeid. Ühes kuupsentimeetris vees on molekuli.

Kiirkeedupoti ventiil avaneb , kui rõhk potis on Pa. Arvuta ventiili pindala, kui klapi kaal on 0,8 N.

Gaasiballoonis on rõhk 12 MPa. Kui suure jõuga mõjub gaas ballooni seinale, mille pindala on 0,8 m2.

Arvuta õpilaste keskmine kontsentratsioon klassis füüsikatunni ajal.

Hapniku tihedus rõhul Pa on 1,4 kg/m3. Arvuta hapnikumolekulide ruutkeskmine kiirus.

Anumas ruumalaga 0,83 m3 on 0,85 kg ammoniaaki (NH3) temperatuuril 280 K. Arvuta gaasi molaarmass ja rõhk anumas.

Millise minimaalse ruumalaga võib valmistada ballooni, millesse peab mahtuma 400 g neooni ? Ümbritseva keskkonna temperatuur võib küündida kuni 37 C ja balloon talub maksimaalselt 8,3 MPa rõhku.

Auto sisekummi pumbati 50 g õhku. Pärast pumpamist oli õhu rõhk Pa, temperatuur 20C ja ruumala 12 liitrit. Arvuta nende andmete põhjal õhu molaarmass.

Aerostaadis ruumalaga 350 m3 on 30 kg vesinikku rõhul Pa. Leia gaasi temperatuur Celsiuse kraadides .

Rõhk õhupallis on Pa. Arvuta rõhk õhupallis, kui temperatuur alanes 300 K kuni 270 K ja ruumala vähenes 12 dm3 kuni 9 dm3.