Soojusfüüsika (0)

4. Soojusfüüsika

Soojusfüüsika on füüsika osa, mis käsitleb nähtusi, mis seletuvad aine osakeste liikumisega. Aine osakesi nimetatakse siin alati molekulideks, olenemata aatomite arvust. Seega on soojusfüüsikas kasutatav ka mõiste üheaatomiline molekul. Soojusfüüsika on füüsika osa, mis hõlmab molekulaarfüüsikat, termodünaamikat ja aine ehituse aluseid. Jaotuse aluseks on see, kuidas ja milliseid soojusnähtusi kirjeldatakse. Selleks võib kasutada molekule iseloomustavaid suurusi nagu molekuli kiirus, impulss , mass jne. Sellist käsitlust nimetatakse molekulaarfüüsikaks. Soojusnähtusi saab kirjeldada ka kasutades kogu ainehulka iseloomustavaid suurusi nagu temperatuur, rõhk, ruumala. Sellist käsitlust nimetatakse termodünaamikaks.
Soojusfüüsika osa, mis käsitleb erinevusi gaaside, vedelike ja tahkete kehade vahel, nimetatakse aine ehituseks.
Soojusfüüsika kasutab mitmeid mõisteid, mida mehaanikas ei kasutatud.
Parameeter on mingi füüsikaline suurus, mis kirjeldab aine olekut või omadusi, näiteks vedeliku ruumala või molekuli mass. Parameeter erineb muutujast sellepoolest, et muutuja võib omada suvalisi väärtusi, aga parameetril on kindel arvuline väärtus, mis on määratud oleku või protsessiga. Parameetreid jaotatakse makro- ja mikroparameetriteks.
Termodünaamika käsitleb kehade kogumeid, mis on soojuslikus kontaktis, st saab toimuda soojusvahetus . Neid kogumeid nimetatakse termodünaamilisteks süsteemideks. Kui süsteemi parameetrid muutuvad, siis süsteem läheb ühest olekust teise, st süsteemi parameetrid muutuvad. Sellist üleminekut nimetatakse protsessiks .
Ajalooliselt on vanimtermodünaamika ja sellepärast alustamegi sellest.

4.1. Termodünaamika

Termodünaamika kasutab nähtuste kirjeldamiseks makroparameetreid, milleks on füüsikalised suurused, mida kasutatakse ainekoguse kui terviku soojusliku oleku kirjeldamisel. Nendeks on suurused, mida on võimalik hõlpsasti mõõta, näiteks ainekoguse mass, rõhk, ruumala, temperatuur . Suurusi rõhk, ruumala ja temperatuur nimetatakse ka olekuparameetriteks. Olek ei tähenda siin mitte agregaatolekut, vaid ainekoguse seisundit , mis on määratud olekuparameetrite p, V ja T konkreetsete väärtuste kogumiga. Kui ühte olekuparameetrit muuta, muutub ka vähemalt üks teine olekuparameeter.

4.1.1. Temperatuur, soojus ja siseenergia

Soojusõpetuse üheks põhimõisteks on temperatuur. Temperatuuril ei ole lühikest ja kõikehõlmavat definitsiooni. Sageli öeldakse , et temperatuur on füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha soojuslikku seisundit ja on määratud keha molekulide soojusliikumise kineetilise energiaga.
Molekulide soojusliikumine esineb mitmel kujul. Tahkistes molekulid võnguvad kindlate tasakaaluasendite ümber, vedelikes toimub lisaks võnkumisele veel hüppeline edasiliikumine ja põrkumine naabermolekulidega, gaasides aga liiguvad molekulid pidevalt ja kaootiliselt, põrkudes teiste molekulidega. Kõigil mainitud juhtudel on molekulide liikumiskiirused tavamõistes suured, suurusjärgus 102... 103 m/s. Õhus toatemperatuuril ja normaalrõhul toimub ühe molekuliga ca 1010 põrget ja ilma põrkumata saab molekul liikuda keskmiselt 0,1 ... 0,01 mikromeetrit (10-7 m).
Temperatuurist olenevad paljud füüsikalised suurused: ruumala, rõhk, tihedus, pindpinevustegur , sisehõõrdetegur , eritakistus jne.
Temperatuuride summal pole füüsikalist mõtet , aga temperatuuride vahel ehk temperatuuri muudul on, see määrab ära näiteks soojusvahetusel üleantava soojushulga. Temperatuuri muut t näitab, kui palju on keha temperatuur muutunud ja see leitakse seosest t = tl – ta , kus tl on keha lõpptemperatuur ja ta keha algtemperatuur.
Temperatuuri mõõtmiseks kasutatakse enamasti Celsiuse skaalat ( 1742 .a. alates), mille aluseks on jää sulamistemperatuurile ja vee keemistemperatuurile vastavate püsipunktide vahe jagamine 100-ks võrdseks osaks. Selliselt saadud suurust nimetatakse 1 C (1 kraad Celsiuse järgi). Kasutatakse ka nimetust sentikraad. On kokku lepitud, et jää sulamisele vastab 0C ja vee keemisele 100C. Temperatuuri tähis Celsiuse kraadides on t.
Suurbrittannias ja Ameerikas kasutatakse ka Fahrenheiti skaalat (1724.a.alates), mille püsipunktideks on jää ja salmiaagi segu temperatuur ning inimkeha temperatuur. Temperatuuri tähis Fahrenheiti kraadides on tF ja kehtib seos
1 F = 5/9 C
Füüsikateaduses kasutatakse rahvusvaheliselt tunnustatud, nn. absoluutset temperatuuriskaalat, mille kehtestas 1848.a. lord Kelvin . Selle skaala nullpunktiks on valitud nn. absoluutne nulltemperatuur, so. madalaim võimalik temperatuur, millega võrdset või madalamat pole põhimõtteliselt võimalik saavutada. Sellele temperatuurile Celsiuse skaalas vastab – 273,15 C. Temperatuuri ühikut Kelvini skaalal nimetatakse kelviniks (K). Absoluutse temperatuuri tähis on T ja skaala jaotise väärtus 1K = 1C.
T = t + 273,15 C ehk t = T - 273,15 C
tF = 32 F + 9/5 t .
Siseenergiaks nimetatakse keha molekulide kineetilise ja potentsiaalse energia summat. Siseenergia levimist ühelt kehalt teisele nimetatakse soojusülekandeks. Soojusülekandes levib siseenergia soojemalt kehalt või kehaosalt külmemale. Seejuures soojema keha siseenergia väheneb ja külmema keha siseenergia suureneb. Soojusülekanne kestab seni, kuni kehade temperatuurid saavad võrdseks. Sel juhul öeldakse, et on saabunud termodünaamiline tasakaal.
Soojusülekannet liigitatakse siseenergia ülekande viiside alusel soojusjuhtivuseks, konvektsiooniks ja soojuskiirguseks.

• Soojusjuhtivuseks nimetatakse soojusülekannet, kus energia levib ühelt aine osalt teisele molekulidevaheliste põrgete tõttu, ilma et aine ümber paikneks.
  
• Konvektsiooniks nimetatakse soojusülekannet, kus energia levib gaasi- või vedeliku liikumise tõttu.
  
• Soojuskiirguseks nimetatakse soojusülekannet, kus energia levib elektromagnetlainete kiirgamise ja neelamise tõttu.
  

Tegelikkuses esinevad soojusülekande liigid korraga.
Soojusülekandel üleantavat energiahulka iseloomustab soojushulk . Soojushulka mõõdetakse energiaühikutes, seega džaulides.
Soojushulga arvutamiseks kasutatakse valemit:
Q = cmt. ,
kus c on aine erisoojus , m keha mass ja t keha temperatuuri muut (lõpp- ja algtemperatuuride vahe).
Aine erisoojus on füüsikaline suurus, mis näitab, kui suur soojushulk tõstab ühikulise massiga keha temperatuuri ühe kraadi võrra. Aine erisoojuse ühik on
1
Tavaelus kasutatakse laialt mõistet soojus . Selle all mõistetakse siseenergia hulka, mida soojem keha annab külmemale üle soojusvahetuse käigus.

4.1.2. Termodünaamika I printsiip

Termodünaamikas vaadeldakse protsesse tavaliselt suletud ehk soojuslikult isoleeritud süsteemis (näiteks suletud termospudel). Selliseks süsteemiks on kehade kogum, mis on soojusvahetuses ainult omavahel, mitte aga väljaspool kogumit asuvate kehadega. Suletud süsteemis kehtib termodünaamika esimene printsiip: süsteemile juurdeantav soojushulk kulub süsteemi siseenergia suurendamiseks ja mehaaniliseks tööks, mida tehakse välisjõudude vastu:
Q = U + A,
kus Q on juurdeantav soojushulk, U siseenergia suurenemine ja A välisjõudude vastu tehtud töö ( paisumise töö).
Kuna soojus ja töö on ekvivalentsed energiaga, võib ka öelda, et energia ei teki ega kao, vaid läheb ühest liigist teise. Sellist sõnastust tuntakse energia jäävuse seadusena.
Printsiibi rakendamisel tuleb silmas pidada, et siseenergia ei pruugi ainult suureneda, st. U võib olla ka negatiivne, sest nii Q kui A on antud avaldises algebralised suurused. Kui Q on negatiivne, siis tähendab see, et süsteem annab ära vastava soojushulga ja kui A on negatiivne, siis teevad välisjõud süsteemiga tööd, näiteks suruvad seda kokku.
Siseenergiat mehaaniliseks energiaks muutvat seadet nimetatakse soojusmasinaks. Soojusmasinas iseloomustab energia muundumist mehaaniline töö.
Soojusmasin koosneb soojendist (süsteemile siseenergiat andev keha), jahutist (süsteemilt siseenergiat saav keha) ja töökehast (siseenergiat mehaaniliseks energiaks muutev keha). Pärast töö sooritamist viiakse töökeha esialgsesse olekusse ja alustatakse kogu protsessi uuesti. Töökeha sooritab protsesside tsükli ehk ringprotsessi.
Soojusmasina kasutegur  näitab, kui suure osa juurdeantavast soojusenergiast Q1 muudab masin kasulikuks tööks Akas . Kasulikuks tööks muutub süsteemile juurdeantava ja jahutile äraantava soojushulga Q2 vahe: Akas = Q1 – Q2 . Kasuteguri väärtus antakse tavaliselt protsentides ja selle saab leida järgmisest valemist :
.
Ideaalne soojusmasin on selline, mis tagab isoleeritud süsteemis parima soojuse ärakasutamise, st suurima kasuteguri.
Ideaalse soojusmasina kasutegur  , kus T1 on soojendi temperatuur ja T2 jahuti temperatuur .

4.1.3. Protsesside pööratavus ja termodünaamika II printsiip

Termodünaamikas käsitletakse kahesuguseid protsesse: ühed on pööratavad, teised mittepööratavad.
Pööratavaks protsessiks nimetatakse niisugust protsessi, mis saab kulgeda ka vastupidises järjekorras, nii et süsteem läbib kõik olekud mis pärisuunaski, ainult vastupidises järjekorras ja jõuab algolekusse tagasi. Näiteks sisse- ja väljahingamine.
Mittepööratava protsessi korral pole olekute vastupidises järjekorras läbimine võimalik. Näiteks nihutame keha laual ühest kohast teise. Osa tehtud tööst läheb hõõrdesoojuseks. Kui protsess oleks pööratav, siis hakkaks keha neelama hõõrdesoojust ja liiguks algasendisse tagasi.
Kõik reaalsed protsessid on mittepööratavad, sest need esinevad avatud süsteemides, kus esineb soojusülekanne süsteemi ja sinna mitte kuuluvate kehade vahel. Selliste protsesside kirjeldamine on keerukas ja seetõttu kasutatakse tihti nende asemel pööratavaid protsesse. See on lubatav juhtudel kui süsteemist väljuvat soojushulka võib lugeda väga väikeseks.
Kuid ka suletud süsteemis on võimalikud mittepööratavad protsessid, näiteks sooja ja külma vee segunemine . Mitte kunagi ei eraldu leigest veest iseenesest uuesti soe ja külm vesi. On kindlaks tehtud, et soojusülekandel on alati kindel suund, mida kirjeldab termodünaamika II printsiip:
soojusülekanne ei saa iseenesest toimuda külmemalt kehalt soojemale.
Termodünaamika II printsiipi ei saa tuletada, see kirjeldab paljukordselt katselist kinnitust leidnud looduse omapära nagu termodünaamika I printsiipki. Termodünaamika II printsiibil on mitmeid erinevaid sõnastusi, mis oleneb sellest, milliseid protsesse vaadeldakse. Näiteks, kui vaadeldakse süsteemi olekuid , siis võib termodünaamika teist printsiipi sõnastada nii: suletud süsteem püüab üle minna korrastatud olekust korrastamata olekusse. Korra all mõistetakse siin seda, et süsteemi ühes osas on temperatuur (molekulide liikumise keskmine kiirus) suurem kui teises osas. Korrastamata olekus ei ole enam mingit erinevust süsteemi osade vahel, süsteem on siis tasakaalulises olekus.
Süsteemi korrastatust iseloomustatakse entroopia mõiste abil. Mida korrastatum süsteem on, seda väiksem on entroopia ja vastupidi, mida väiksem on süsteemi korrastatus (mida lähemal on süsteem tasakaalu olekule), seda suurem on entroopia.
Entroopia S = k ln W, kus k on Boltzmanni koefitsient ja W süsteemi oleku termodünaamiline tõenäosus. See näitab antud oleku realiseerimisviiside arvu. Mida tõenäosem on olek, seda suurem on W. Näiteks vaatame gaasi olekuid . Kõige tõenäosem on, et gaasi molekulid täidavad kogu ruumi ja liiguvad korrapäratult. Väga väike on aga sellise oleku tõenäosus, kus gaasi molekulid on iseenesest kogunenud ühte ruumi nurka ja liiguvad kõik ühesuguse kiirusega. See ei tähenda, et selline olek oleks võimatu. Võimalik on ka see, et maas lamavas kivis ühel hetkel kõik molekulid liiguvad ühes suunas, näiteks üles ja kivi kerkib iseenesest õhku, aga sellise protsessi tõenäosus on kaduvväike. Kõikides isoleeritud süsteemides kasvab korrapäratus ja sellega koos ka oleku tõenäosus. See viib aga entroopia kasvule.
Entroopiat kasutatakse ka termodünaamika II seaduse sõnastamisel: entroopia kasvab suletud süsteemis toimuvate soojuslike protsesside käigus. Seda võib matemaatiliselt kirjeldada järgmiselt:  S  0.

4.2. Molekulaarfüüsika

Molekulaarfüüsika kirjeldab ainete omadusi tuginedes kolmele eeldusele:

• kõik ained koosnevad molekulidest;
  
• molekulid on pidevas kaootilises liikumises (soojusliikumises);
  
• molekulide vahel on vastastikmõju.
  

Molekulaarfüüsikas kasutatakse mikroparameetrid , mis on füüsikalised suurused, mida saab kasutada aine üksiku molekuli kirjeldamisel. Nendeks on näiteks molekuli mass m0, molekuli kiirus v või nende keskmine kiirus , molekulide keskmine kineetiline energia
ja kontsentratsioon n (molekulide arv ruumalaühikus: n = N/V, kus N on molekulide arv ruumalas V ) .
Molekulide keskmine kiirus on võrdne ainekoguses olevate kõikide molekulide kiiruste absoluutväärtuste summaga , mis on jagatud molekulide arvuga. Tihti kasutatakse ka ruutkeskmise kiiruse mõistet: liidetakse kokku kõikide molekulide kiiruste ruudud, ja jagatakse saadud summa molekulide arvuga ning leitakse tulemusest ruutjuur . Kuigi ruutkeskmine kiirus erineb keskmisest kiirusest (on sellest ca 9% suurem), ei hakka me nende vahel vahet tegema.
Mikroparameetreid on keeruline määrata, sellepärast kasutatakse nende leidmiseks seoseid mikro - ja makroparameetrite vahel. Vaatleme neid seoseid ideaalse gaasi näitel.

4.2.1. Seos makro- ja mikroparameetrite vahel ideaalses gaasis

Ideaalne gaas on tegeliku (reaalse) gaasi mudel, kus:

• molekule loetakse punktmassideks;
  
• molekulide põrgetel anuma seinaga nende kiiruse väärtus ei muutu, muutub ainult kiiruse suund;
  
• molekulide vahelist vastastikmõju (tõmbumine või tõukumine) ei arvestata.
  

Ideaalse gaasi mudelit võib kasutada sellepärast, et molekulide mõõtmed on väikesed võrreldes molekulidevaheliste kaugustega gaasis. Niisugustel tingimustel võib molekule lugeda punkmassideks ja nendevahelisi tõmbe- ja tõukejõudusid ignoreerida. Ka on anuma mass palju suurem molekuli massist, seega põrkel seinaga muutub molekuli kiirus vähe.
On kindlaks tehtud, et gaasikoguse temperatuur on võrdeline molekulide keskmise kineetilise energiaga . Seepärast öeldaksegi, et temperatuur on molekulide liikumisenergia mõõduks.
Täpsemalt , kus
on molekulide keskmine kineetiline energia
ja k on Boltzmanni konstant.
Boltzmanni konstant k = 1,3810-23 J/K ja see näitab, kui palju suureneb molekuli kineetiline energia gaasi temperatuuri tõusul 1 K võrra.
Gaasikoguse rõhk on samuti võrdeline molekulide keskmise kineetilise energiaga. Täpsemalt
, kus n on molekulide kontsentratsioon, m0 molekuli mass, molekulide keskmine kiirus ja keskmine kineetiline energia.
Gaasikoguse ruumala
, kus  on gaasi hulk ja Vmol on gaasi molaarruumala (võrdub arvuliselt 1 mooli gaasi ruumalaga). Ühikuks on
1 m3/mol.
Ainehulka mõõdetakse moolides , kusjuures 1 mool on ainehulk , milles molekulide arv võrdub 0,012 kg süsiniku aatomite arvuga. Seega on iga aine
1 moolis ühepalju molekule. Seda arvu nimetatakse Avogadro arvuks NA = 6,021023 mool-1.
Ainehulk , kus N on molekulide arv ainekoguses.
Molaarmass M = NAm0 ja molaarruumala normaaltingimustel (t = 0C ja p = 101325 Pa) VM = 0,0224 m3/mol. Igas kuupmeetris gaasis on normaaltingimustel 2,691025 molekuli. Seda arvu nimetatakse Loschmidti arvuks NL.

4.2.2. Ideaalse gaasi isoprotsessid

Ideaalse gaasi korral on . Konstanti nimetatakse ühe mooli gaasi korral universaalseks gaasikonstandiks R , mille arvuline väärtus on 8,31 J /mol.K.
Suvalise gaasikoguse korral
pV = (m/M)RT , kus m on gaasikoguse mass, M molaarmass, R universaalne gaasikonstant , T gaasi absoluutne temperatuur ja
ainehulk moolides.
Kui ideaalse gaasi parameetrid muutuvad, siis gaas läheb ühest olekust teise. Sellist üleminekut nimetatakse protsessiks. Kui mingi protsessi käigus gaasikoguse mass on jääv ja kolmest olekuparameetrist (p, V, T) muutub ainult kaks, st üks parameeter ei muutu, siis nimetatakse protsessi isoprotsessiks.
Kui jääv suurus on rõhk, nimetatakse protsessi isobaarseks, jääva ruumala korral isokoorseks ja jääva temperatuuri korral isotermseks.
Neid protsesse kirjeldavaid võrrandeid saab tuletada ideaalse gaasi olekuvõrrandist, võttes ühe muutuja konstantseks.
Isobaarset protsessi kirjeldab seos V/T = const . Kahe oleku võrdlemisel antakse see seos kujul
. Sellise protsessi esmakirjeldaja auks nimetatakse vastavat seost ka Gay - Lussac ’i seaduseks (avastatud 1802.a.).
V
p1
p2 p2  p1
T
Isokoorset protsessi kirjeldab seos p/T = const ehk analoogselt eelmise juhuga
. Sellise protsessi esmakirjeldaja auks nimetatakse seost ka Charles’i seaduseks (avastatud 1787.a.).
p V1
V2 V2  V1
T
Isotermset protsessi kirjeldab seos pV = const ehk
. Sellise protsessi esmakirjeldajate auks nimetatakse seda seost ka Boyle 'i ja Mariotte ’i seaduseks. R. Boyle avastas seaduse 1661.a. ja temast sõltumatult E. Mariotte 1676.a.
p
T1
T1  T2
T2
V

4.3. Aine ehitus

Iga aine võib esineda gaasilises, vedelas või tahkes olekus. See on määratud molekulide vahel mõjuvate tõmbe- ja tõukejõududega, mis on elektromagnetilise olemusega. Need jõud põhjustavad molekulidevahelist potentsiaalset energiat, mis koos molekulide kineetilise energiaga moodustavad siseenergia. Gaaside korral on molekulide keskmine kineetiline energia palju suurem molekulidevahelisest potentsiaalsest energiast ja ideaalse gaasi korral loetakse potentsiaalne energia võrdseks nulliga. Vedelike korral on molekulide keskmine kineetiline energia ligikaudu võrdne keskmise potentsiaalse energiaga, aga tahkiste korral sellest palju väiksem.

Erinevates olekutes kulgevad erinevalt ka ülekandenähtused. Ülekandenähtused seisnevad mingi füüsikalise suuruse ülekandumises ühest süsteemi osast teise (näiteks mass, energia, impulss). Ülekandenähtused toimuvad molekulide soojusliikumise ja molekulidevaheliste põrgete tõttu.

• Difusioon seisneb ühe aine molekulide tungimises teise aine molekulide vahele. Difusioon esineb siis, kui molekulide kontsentratsioon ruumi eri piirkondades on erinev. Difusioon toimub alati kontsentratsiooni
  

vähenemise suunas.
Edasikandunud gaasi massi saab leida seosest
, kus m on aine
mass, mis kandub aja t jooksul risti läbi pinna suurusega S, kusjuures l on
molekulide alg- ja lõppasendite vaheline kaugus ning n1 ja n2 on molekulide
kontsentratsioonid alg - ja lõppasukohas. Suurus D on difusioonitegur, mille
väärtus on erinevatel ainetel erinev.

• Soojusjuhtivus seisneb soojusenergia levikus kõrgema temperatuuriga süsteemi osast madalama temperatuuriga ossa . Soojusjuhtivus esineb siis, kui ruumi eri osades on ainel erinev temperatuur.
  

Edasikandunud soojushulka saab leida seosest
, kus Q on
soojushulk, mis kandub aja t jooksul risti läbi pinna suurusega S, kusjuures l on
ainekihi paksus ning T1 ja T2 on temperatuurid ainekihi erinevates otstes .
Suurus  on soojusjuhtivustegur , mille väärtus on erinevatel ainetel erinev.

• Sisehõõre seisneb molekulide impulsside ülekandumises , mille tulemusena aeglasemad ainekihid pidurdavad kiiremate liikumist ja vastupidi, kiiremad sunnivad aeglasemaid kiiremini liikuma. Sisehõõre esineb siis, kui aine voolab kihiti ja kihtide liikumiskiirused muutuvad kihist kihti.
  

Ülekantud impulssi saab leida seosest , kus p on impulss, mis kandub aja t jooksul läbi pinna S, mis eraldab kahte teineteisest kaugusel l olevat ja kiirustega v1 ja v2 liikuvat ainekihti. Suurus  on sisehõõrdetegur, mille väärtus on erinevail ainetel erinev.
Kihtide vahel mõjuvat jõudu (sisehõõrdejõudu) saab leida seosest
4.3.1. Gaasid
Siin räägime reaalsetest gaasidest, millega igapäevaelus kokku puutume. Need erinevad ideaalsest gaasist selle poolest, et nende molekule ei käsitleta punktmassidena (molekuli läbimõõt on ca 10-10 m) ja arvestatakse molekulide vahel mõjuvat tõmbejõudu.
Reaalse gaasi käitumist kirjeldab reaalse gaasi võrrand, nn van der Waalsi võrrand:
,
kus p on gaasi rõhk, m – mass, M –molaarmass, V – ruumala,
T – temperatuur , R – universaalne gaasikonstant, a ja b – katseliselt määratavad konstandid, mis olenevad gaasist. Konstant a iseloomustab molekulidevahelisi tõmbejõude ja b molekulide ruumala.
Kui reaalne gaas on toatemperatuuril või sellest kõrgemal temperatuuril ja rõhk ei ole väga palju suurem normaalrõhust, siis saab võib reaalse gaasi kirjeldamiseks kasutada lihtsamat ideaalse gaasi olekuvõrrandit, sest tulemuste erinevus on alla
0,5 %.
Ülekandenähtsutest avaldub gaaside korral kõige tugevamalt difusioon, mis on ka arusaadav, sest gaasimolekulid saavad vabalt liikuda. Esineb ka sisehõõre, sest gaasi molekulid segavad põrkumistega üksteise liikumist. Temperatuuri tõustes sisehõõre gaasides kasvab (molekulide liikumiskiirused suurenevad). Gaasid on halvad soojusjuhid, kuna nende soojusjuhtivustegurid on väikesed (soojusjuhtivustegur on võrdeline aine tihedusega).

4.3.2. Vedelikud

Vedelikus on molekulidevahelised kaugused umbes 10 korda väiksemad kui gaasis ja seetõttu on sama ainehulga ruumala vedelikus umbes 1000 korda väiksem kui gaasis. Sellepärast on molekulide soojusliikumine vedelikus teistsugune kui gaasis: molekulid võbelevad ja põrkuvad korrapäratult naabermolekulidega.
Suurema kontsentratsiooni ja sagedaste põrgete tõttu on molekulide ümberpaiknemine vedelikus hoopis raskem kui gaasis. Vedelik on raskesti kokkusurutav, kuid hästi voolav. Vedelikule on omased pindpinevus ja märgamine. Vedelikus esinevad ka ülekandenähtused nagu gaasiski. Soojusjuhtivustegur ja sisehõõrdetegur on vedelikul suurem kui gaasil, aga difusioonitegur väiksem.
4.3.2.1. Pindpinevus ja märgamine Vedelik omab erinevalt gaasist pinda. Vedeliku pinnamolekulid mõjustavad üksteist tõmbejõududega, mis on suunatud piki pinda ja püüavad pinna suurust vähendada. Seda nähtust nimetatakse pindpinevuseks. Nähtuse põhjuseks on molekulide erinev kontsentratsioon vedelikus ja selle kohal olevas gaasis, mis põhjustab vedeliku pinnakihis ja sisemuses olevale molekulile mõjuva resultantjõu erinevuse.
Jõudu, mida kokkutõmbuv vedelikupind avaldab temaga piirnevatele kehadele, nimetatakse pindpinevusjõuks. See jõud mõjub alati vedeliku pinna tasandis. Pindpinevusjõud Fp on seotud pinna piirjoone pikkusega l järgmiselt: Fp = . l , kus  on pindpinevustegur, mis on arvuliselt võrdne jõuga, millega vedeliku pind tõmbab 1 m pikkust pinnapiirjoont. Pindpinevusteguri ühikuks on 1 N/m = 1 J/m2 .
Pindpinevustegur sõltub ka vedeliku temperatuurist : mida kõrgem on temperatuur, seda väiksem on pindpinevustegur. Samuti sõltub pindpinevustegur vedelikus olevatest lisanditest. Näiteks mõned ained (pesuvahendid, piiritus ) vähendavad pindpinevustegurit. Selliseid aineid nimetatakse pindaktiivseteks aineteks.
Kui vedelik satub kokkupuutesse tahke keha pinnaga, tuleb arvestada tõmbejõude vedeliku pinna ja tahke keha molekulide vahel. Kui vedeliku molekulide omavahelised tõmbejõud on väiksemad kui vedeliku ja tahke keha molekulide vahel, siis valgub vedelik keha pinnal laiali ja öeldakse, et on tegemist märgamisega. Kui vedeliku molekulide omavahelised tõmbejõud on suuremad , siis on tegemist mittemärgamisega. Sel juhul võtavad väikesed vedelikutilgad horisontaalsel pinnal kera kuju.
Kui vedelikku asetada sellisest materjalist peenike toru ( kapillaar ), mida vedelik märgab, siis tõuseb vedelik torus kõrgemale vedeliku pinnast anumas. Sellist nähtust nimetatakse kapillaarsuseks. Vedeliku kapillaari tungimise ulatus on seda suurem, mida peenem on kapillaar. Mittemärgamise korral aga kapillaarsus takistab vedeliku tungimist kapillaari.
Vedelikutasemete kõrguste vahet kapillaaris ja anumas saab arvutada valemist
h = 2/gr,
kus  on vedeliku pindpinevustegur,  vedeliku tihedus, g raskuskiirendus ja r kapillaari raadius. Valem kehtib nii märgamise kui mittemärgamise korral.

4.3.3. Tahked ained

Tahkeid aineid jaotatakse kaheks: amorfsed ained ja tahkised ehk kristallid . Tahkises paiknevad molekulid korrapäraselt, amorfses aines aga mitte. Tahkes aines paiknevad molekulid reeglina veel tihedamalt kui vedelikus. Tahkises ei saa molekulid ümber paikneda, küll aga võnguvad nad kindlate tasakaaluasendite ümber. Amorfses aines võib toimuda väga aeglane molekulide ümberpaiknemine (voolamine), kuid ka seal on põhiliseks liikumisvormiks võnkumine. Ka tahketes ainetes leiavad aset ülekandenähtused. Soojusjuhtivustegur on veel suurem kui vedelikul, difusioonitegur aga palju väiksem kui vedelikus. Sisehõõre puudub tahkises täielikult, amorfse aine korral esineb , kuid sisehõõrdetegur on palju suurem kui vedelikul.
Tahkises paiknevad molekulid kindla korra järgi. Kui see süsteem säilib üle terve ainekoguse, on tegemist monokristalliga. Kui aine koosneb paljudest liitunud monokristallikestest, on tegemist polükristalliga. Kõik metallid ja mineraalid on tahkised.
Tahkiseid liigitatakse molekulidevahelise vastastikmõju järgi.
Tahkiste tüüpe
Tahkise tüüp
Vastastikmõju põhjus
Ioonkristall (NaCl, MgO, LiF, jne.)
Erinimeliste naaberioonide tõmbumine
Aatomkristall ( teemant , Ge, Si, jne.)
Naaberaatomite ühised elektronpaarid
Molekulkristall (jää, O2, CO2, jne.)
Polaarsete naaberaatomite tõmbumine
Metall (Cu, Al, Zn, jne.)
Positiivsete ioonide vaheline elektrongaas
Tahkiseid jaotatakse ka osakeste paiknemise korra järgi. Sellise klassifikatsiooni aluseks on väikseima iseseisvalt eksisteerida võiva kristalli struktuur. Niisugust kristallikest nimetatakse elementaarrakuks. Kui elementaarrakke paigutada üksteise kõrvale kõigis kolmes ruumisuunas , tekib kristallivõre.
Elementaarraku kuju järgi jaotatakse kristalle 7 rühma, kusjuures lihtsaim elementaarrakk on kuup . Kuubilissse rühma kuulub näit NaCl.
Tahkises, kus osakesed paiknevad kindla korra järgi, sõltuvad mitmed aine omadused suunast . Näiteks tahkise tugevus oleneb sellest, millises suunas teda kokku suruda. Samuti on tahkise soojusjuhtivus erinevates suundades erinev. Sellist aine omaduste sõltuvust mõjumissuunast nimetatakse anisotroopiaks.
Tahkeid aineid, millel kristallstruktuur puudub, nimetatakse amorfseteks aineteks. Neil on vedelikele sarnane omadus voolata. Voolamiskiirus on aga nii väike, et seda palja silmaga ei märka. Amorfsetel ainetel puudub kindel sulamistemperatuur , nad muutuvad järkjärgult voolavamateks ja pole võimalik eristada vedelat olekut tahkest. Samuti ei olene amorfse aine omadused suunast - nad on isotroopsed. Amorfsed ained on näiteks klaas, orgaaniline klaas (pleksiklaas), enamik plastmasse, kummi, bituumen jms.

4.3.4. Agregaatolekud ja faasid

Iga aine võib olla kolmes olekus: gaasilises, vedelas või tahkes. Neid nimetatakse ka aine agregaatolekuteks. Aine omadused eri agregaatolekutes on erinevad.
Erinevate agregaatolekute omadused
Tahke olek
Vedel olek
Gaasiline olek
Kristallvõre
On
Ei ole
Ei ole
Kindel kuju
On
Ei ole
Ei ole
Kindel ruumala
On
On
Ei ole
Osakestevaheline vastastikmõju
On
On
On
Tundub, et on lihtne vahet teha tahke oleku ja vedela oleku vahel. Aga kas jahu on vedelik või tahke aine? Tal on kõik vedeliku omadused.
Üks ja sama aine võib olla ühes agregaatolekus ka erinevate omadustega. See tuleneb osakeste paigutuse ja soojusliikumise erinevustest. Sel juhul räägitakse aine faasist, milleks nimetatakse ühesuguse keemilise koosseisu ja füüsikaliste omadustega aine olekut. Aine võib olla tahkes olekus näiteks juht või ülijuht, ferromagneetik või paramagneetik; vedelas olekus näiteks voolav või ülivoolav jne. Ainult gaasilises olekus ei eksisteeri ainel erinevaid faase .
Protsessi, kus aine läheb ühest faasist teise, nimetatakse faasisiirdeks. Faasisiirde tunnuseks on aine omaduste oluline muutus. Meie piirdume selliste faasisiirete käsitlemisega, mida nimetatakse agregaatolekute muutusteks. Nende käigus muutub aine osakeste paigutus ja liikumise liik (võnkumine kristallvõres, võbelemine vedelikus, kaootiline liikumine gaasis). Selliste protsessidega võib kaasneda nii soojuse neeldumine kui vabanemine . Soojushulka, mis neeldub või eraldub aine massiühiku kohta nimetatakse siirdesoojuseks.
Kui aine läheb tahkest agregaatolekust vedelasse, siis sellist üleminekut nimetatakse sulamiseks. Üleminekut vedelast olekust tahkesse nimetatakse tahkestumiseks ehk kristalliseerumiseks. Üleminekut vedelast olekust gaasilisse nimetatakse aurustumiseks. Üleminekut gaasilisest olekust vedelasse nimetatakse kondenseeru­miseks ehk veeldumiseks . Üleminekut tahkest olekust gaasilisse nimetatakse sublimeerumiseks ja gaasilisest olekust tahkesse härmatumiseks.
Teatavatel temperatuuri ja rõhu väärtustel võivad aine erinevad olekud olla tasakaalus, st. et ei toimu olekute muutusi. Näiteks normaalrõhul ja 0C juures vesi ei külmu ega jää sula. On võimalik ka kolme oleku tasakaal, sellist rõhu ja temperatuuri väärtust nimetatakse aine kolmikpunktiks.
Sulamine ja tahkestumine
Tahkised sulavad kindlal temperatuuril - sulamistemperatuuril. Aine sulatami­seks tuleb sellele pidevalt soojust juurde anda. Siirdesoojuse ehk sulamiseks vajaliku soojushulga saab leida valemist
Qs =  . m,
kus m on keha mass ja  sulamissoojus , mis näitab soojushulka, mida on vaja , et muuta 1 kg tahkist vedelikuks sulamistemperatuuril. Sulamissoojuse ühikuks on 1 J/kg. Sulamisel kristallvõre laguneb, aine osakesed eemalduvad üksteisest ja nendevaheline keskmine kaugus suureneb. See aga tähendab osakestevahelise potentsiaalse energia suurenemist , mis tähendab omakorda keha siseenergia suurenemist. Siseenergia suurendamiseks tuleb kehale üle anda vajalik soojushulk.
Tahkestumine on sulamise pöördprotsess, mille käigus vedelik muutub tahkiseks. Ka see toimub kindlal temperatuuril – tahkestumistemperatuuril, mis on võrdne selle aine sulamistemperatuuriga. Tahkestumisel aine annab pidevalt soojust ära, kusjuures ühesuguse ainehulga korral on eralduv soojushulk Qt võrdne sulamisel neelduva soojushulgaga : Qt = -  m. Kokkuleppeliselt loetakse keha poolt saadud soojushulka positiivseks ja äraantud soojushulka negatiivseks.
Tahkestumisel tekib kristallvõre, aine osakesed lähenevad üksteisele ja nendevaheline keskmine kaugus väheneb. Seega väheneb osakestevaheliste tõmbejõudude potentsiaalne energia ja ka keha siseenergia. Siseenergia vähenemisel ülejääva soojushulga annab keha ära.
Aurustumine ja kondenseerumine
Aurumine toimub igasugusel temperatuuril, kui ainele antakse juurde mingi soojushulk. Selleks vajalikku soojushulka saab arvutada seosest
Qa = r . m,
kus r on aurustumissoojus ja m vedeliku mass.
Aurustumissoojus on võrdne soojushulgaga, mida on tarvis, et muuta 1 kg vedelikku auruks antud temperatuuril. Mõõtühikuks on 1 J/kg.
Aurustumise pöördprotsess on kondenseerumine. Ka see toimub igasugusel temperatuuril. Kondenseerumise käigus vabaneb soojushulk, mis on võrdne aurustumiseks vajaliku soojushulgaga. Kondenseerumisel eralduv soojushulk Qk on arvuliselt võrdne aurustumisel juurdeantava soojushulgaga: Qk = - Qa.
Aurustumisel ja kondenseerumisel toimuvad protsessid on sarnased sulamisel ja tahkestumisel asetleidvate protsessidega. Kuna aurustumisel ja kondenseerumisel muutuvad osakestevahelised kaugused ligemale 10 korda rohkem kui sulamisel või tahkestumisel, siis on ainete aurustumissoojused oluliselt suuremad kui sulamis­soojused.
Õhus leiduvat gaasilist ainet nimetatakse selle aine auruks, kui aurustuv aine on antud temperatuuril vedelas olekus.
Vedeliku vaba pinna korral toimuvad korraga mõlemad protsessid, nii aurustumine kui kondenseerumine. Kui õhus on vähe aurustuva aine molekule, siis on ülekaal aurustumisel. Kui aga aurustuva aine molekule on õhus väga palju, saab ülekaalu kondenseerumine. Teatud tingimustel on aurustumine ja kondenseerumine tasakaalus, st. et ajaühikus vedeliku pinnaühikult lahkunud molekulide arv on võrdne ajaühikus pinnaühikule langenud molekulide arvuga. Sellisel juhul nimetatakse auru küllastunud auruks.
Molekulide kontsentratsiooni saab kirjeldada ka auru rõhu abil. Sel juhul räägitakse auru rõhust, mis näitab kui suur oleks gaasi rõhk siis, kui kogu ruumi täidaksid ainult aurustuva aine molekulid. Küllastunud aurule vastab maksimaalne võimalik aurustuva aine rõhk, mida nimetatakse küllastunud auru rõhuks. See suureneb temperatuuri tõustes.
Keemine
Keemine on aurumise erijuht , mille korral saab vedeliku küllastunud auru rõhk võrdseks välisõhu rõhuga. Sel juhul tekivad vedelikus aurumullid, mis on täidetud küllastunud auruga. Teisiti öelduna, keemisel saab vedelik auruda üle kogu oma ruumala. Keemisele vastab kindel temperatuur - keemistemperatuur. Vedeliku keemisel tema temperatuur ei muutu nagu ka tahkise sulamisel.
Keemiseks nimetatakse vedeliku aurumist keemistemperatuuril. Keemisel nimetatakse aurumissoojust keemissoojuseks.
Õhuniiskus
Õhus leidub alati veeauru. Selle hulka määratakse kahel viisil. Võib mõõta, kui suur on veeauru mass õhu ruumalaühikus. Sel juhul on tegemist absoluutse niiskusega , mis näitab veeauru massi õhu ruumalaühikus. Seda suurust mõõdetakse tavaliselt ühikus 1 g/m3.
Õhuniiskust saab väljendada ka küllastunud auru mõistet kasutades. Sel juhul hinnatakse, kui suure osa maksimaalselt võimalikust veeauru kogusest moodustab tegelikult õhus olev veeaur. Selleks mõõduks võib kasutada antud temperatuuril õhus oleva veeauru rõhu pt ja samale temperatuurile iseloo­muliku küllastunud veeauru rõhu ptk suhet, mis on väljendatud protsentides. Nii on määratud õhu relatiivne ehk suhteline niiskus Srel:
Srel = pt / ptk . 100% .
Relatiivset niiskust saab väljendada ka absoluutse niiskuse kaudu:
Srel = t / tk . 100%,
kus t on õhu absoluutne niiskus antud temperatuuril ja tk küllastunud veeaurule vastav absoluutne niiskus samal temperatuuril.
Õhuniiskuse määramiseks kasutatakse asjaolu, et vedeliku aurumisel lahkuvad vedelikust eelkõige kiiremini liikuvad molekulid. Selle tulemusel vedeliku molekulide keskmine kiirus väheneb ja temperatuur langeb. Kuid vedelikust lahkuvate molekulide arv oleneb auru rõhust ehk õhu niiskusest.
Õhuniiskuse määramiseks kasutatakse märja ja kuiva termomeetri näitusid. Märjaks termomeetriks nimetatakse termomeetrit, mille balloon on mähitud niiske materjali, näiteks vati sisse. Vee aurumisel vatist võetakse vajalikku energiat termomeetrilt ja seetõttu näitab see vähem kui kuiv termomeeter, kus puudub niiske vatt . Mida suurem on õhuniiskus, seda vähem erinevad märja ja kuiva termomeetri näidud.
Suhtelist õhuniiskust saab leida vastavate nomogrammide alusel, mida esitatakse graafiku või tabelina.
Kui õhus on küllastav kogus veeauru, siis märja ja kuiva termomeetri näidud on ühesugused ja suhteline niiskus on 100 %.
13