Soojusõpetus.1.
Mikroparameetrid ,
makroparameetrid.
Soojusliikumine .
Soojusnähtusi
kirjeldatakse parameetrite abil. Parameetriks
nimetatakse ühelaadseid, olekuid või protsesse kirjeldavat suurust,
mille iga väärtus määrab mingi kindla objekti, oleku või
protsessi.
Makroparameetrid
on füüsikalised suurused, mida kasutatakse
ainekoguse kui terviku
kirjeldamisel. Nendeks on näiteks ainekoguse mass, rõhk, ruumala,
temperatuur.
Mikroparameetrid
on füüsikalised suurused, mida kasutatakse aine üksiku molekuli
kirjeldamisel. Nendeks onnäiteks molekuli mass, molekuli kiirus.
Soojusnähtusi
seletatakse molekulaarkineetilise
teooria
või termodünaamika
abil. Esimene kasutab peamiselt mikroparameetreid, teine
makroparameetreid.
Molekulaarkineetilise teooria
põhialused põhinevad kolmel väitel:
Aine koosneb molekulidest.
Osakesed on pidevas liikumises.
Osakesed mõjutavad üksteist tõmbe- ja tõukejõududega. Kauguse suurenedes osakeste vahel saavad õlekaalu tõmbejõud, kauguse üleliigsel vähenemisel aga tõukejõud.
Soojusnähtuste aluseks
olevate mikroosakeste (molekulide, aatomite, elektronide)
korrapäratut liikumist nimetatakse soojusliikumiseks.
Gaasid,
vedelikud ja tahkised koosnevad molekulidest ( või aatomitest,
ioonidest), mis on alalises soojuslikus liikumises. Liikumise
iseloom sõltub aine agregaatolekust. Gaasides on molekulid
ükstesest keskmiselt niivõrd kaugel, et tõmbejõud nende vahel on
tühiselt väikesed. Liikumise vältel molekulid põrkuvad
üksteisega, läbides tee pärast põrget inertsiaalselt. Kõige
iseloomulikumaks mulekulide liikumise omaduseks gaasides on selle
korraldamatus
- kaootilisus.
Tahketes
kehades molekulid võnguvad kindlate tasakaalu- asendite ümber, mille asukoht kehas on muutumata. Vedelikkudes molekulid liiguvad
kaootiliselt nii nagu gaasigi molekulid, kuid suurem tihedus tingib
suurema põrgete arvu ja põrkest põrkeni läbitud tee pikkus on
lühem. Vedelikkude molekulaarne sruktuur ei ole veel täiesti selge.
Nähtavasti see on gaasi ja tahkiste struktuuride vahepealne.
2. Temperatuur.
Temperatuur
iseloomustab kehade soojusastet. Temperatuuri skaalat , mille nullpunktiks on võetud jää (H2O) sulamistemperatuur , nimetatakse Celsiuse
skaalaks.
Ühik 1oC
on saadud jää sulamispunkti ja vee keemispunkti
temperatuurivahemiku jagamisel 100 võrdseks osaks normaalõhurõhul.
Ûks osa on 1oC.
Temperatuur,
mille korral lakkab aatomite ja molekulide kulgev soojusliikumine on
-273,15 oC nimetatakse absoluutseks nulliks.
Temperatuuri
skaalat, mille nullpunktiks on 100
oC 373
K
vôetud
-273 oC
nim. temperatuuri absoluutseks
skaalaks
ehk Kelvini
skaalaks
ning skaala 0
oC 273
K
kraadi
nimi üks kelvin (K) 1K =1 oC.
T=
t + 273 K t =T- 273 OC - 273 oC 0
K
T-
temperatuur absoluutse (Kelvini) skaala järgi
t
–
temperatuur Celsise skaala järgi.
Ülemineku
näited ühelt skaalalt teisele. 20oC
K ; T = 20 + 273 = 293 K
300
K
oC
; t = 300 – 273 = 27 oC
Keha
temperatuur sõltub molekulide liikumise kiirusest. Soojana tunduv
vesi koosneb samasugustest molekulidest kui külmana tunduv vesi.
Vahe seisneb ainult molekulide liikumise kiiruses .
Mõnedes
riikides kasutatase veel Fahrenheiti temperatuuriskaalat.
Fahrenheiti
temperatuur skaala kraadiks ( oF)
on võetud 1/100 lume ja ammoonumkloriidi ( salmiaagi ) temperatuuri (0
0F)
ja inimese normaalse kehatemperatuuri (100 0F)
vahest. Fahrenheiti järgi jää sulamistemperatuur on 32 oF
ja vee keemistemperatuur 212 oF. 1 oF
= 5/9 0C. tc
= ( tF
–32 )/1,8.
3. Rõhk
Rõhk
on suurus, mis iseloomustab keha pinna mingile osale risti môjuvaid
jôude. Rõhu tähis on p
p=F/S
F[N]
- jõud ; S[m2]
–
pindala; Rõhu põhiühikuks on 1 paskal (Pa), mis on võrdne rõhuga, mille tekitab jõud 1N mõjudes
ristsuunas pinnale suurusega 1 m2.
Tehnikas
kasutatakse rõhuühikuks jõukilogramm kgf (ka kgp, vanemas
kirjanduses kG) kgf/cm2
,
mida samastatakse tehnilise atmosfääriga “at” 1at=1kgf/cm2
=98066,5
Pa 105
Pa. Rõhuühikuks kasutatakse veel mmHg. Normaalrõhuks loetakse 760
mmHg,
mis on võrdne ühe loodusliku atmosfääriga (atm).
Kõrvaloleval joonisel on kujutatud kinnine
anum ,
milles on gaasi molekulid. Molekulid
liiguvad anumas kaootiliselt. Võib arvata, et
igas
suunas liigub võrdne arv molekulidest.
Seega
igas suunas liigub 1/3 molekulidest
(kolmemõõtmeline
ruum) saab näidata, et gaasi rõhk:
p
= 1/3 nmv2 ,kus
n –
molekulide arv ruumalaühikus ehk molekulide kontsentratsiion, m (kg
) – ühe molekuli mass, v2
(m/s) molekulide kiiruste ruutude keskmine ehk ruutkeskmine kiirus.
Seda valemit nimetatakse gaasi
molekulaarkinetilise teooria põhivõrrand.
Rõhuühikute
ülemineku tabel.
Pa ehk N / m2
kgf/cm2
mmHg
Pa
1
10 -5
0,0075
kgf/cm2
10 5 (98067)
1
735,6
mmHg
133,3
1,36 10 - 3
1
4. Ideaalse
gaasi olekuvõrrandid
Ideaalne gaas on kujutletav gaas, milles täielikult puudub molekulide vastastikune
mõju. Tugevasti hõrendatud reaalsed gaasid (näiteks
õhk
nornaaltingimustel)
on omadustelt lähedased ideaalsele gaasile.
Olekuvõrrand annab seose
gaaside rõhu, temperatuuri ja ruumala vahel
Tihti vaadeldakse protsesse,
mille puhul üks olekuparameeter jääb konstantseks (ei muutu). Rõhu
jäävuse puhul nimetatakse protsessi isobaarseks. Temperatuuri
jäävuse puhul nimetatakse protsessi isotermiliseks. Ruumala jäävuse
puhul nimetatakse protsessi isohooriliseks. Iso(kreeka
keelest)- sama, võrdne.
4.1. Boyle - Mariotte`i ( boil - marjot ) seadus.
Joonis
1. Joonis 2.
Joonis I . Silindris on gaas. Silinder on suletud kolviga, mille abil on
võimalik gaasi kokku suruda. Kokkusurumata gaasi ruumala V1
( m3),
rõhk p1
(Pa ).
Sama
gaas surutakse kokku ( joonis 2 ) gaasi ruumala V2
,
rõhk p2
.
Kui
protsessi käigus temperatuur
ei muutu T= const . ( seda on võimalik teostada aeglasel gaasi kokkusurumisel ) kehtib
seaduspärasus :
p1
/ V2 = p2 / V1 ehk p1 V1=
p2 V2
p1
- gaasi esialgne rõhk ; p2
- gaasi rõhk
vaatluse lõpul ;
V1
( m3)
-gaasi
ruumala vaatluse algul ; V2
(m3)
-
gaasi
ruumala vaatluse lõpul.
Märkus:
Rõhk
ja ruumala võivad olla teistes mõõtühikutes, kui põhiühikutes,
aga võrrandi mõlemal poolel peavad ühikud olema ühesugused.
Näidisülesanne:
Silindris
olev gaas, mille rõhk on normaalrõhk ( 105
Pa ) ja ruumala 40 cm3,
suruti kokku ruumalale 5 cm3.
Miiliseks kujuneb kokkusurutud gaasi rõhk, kui temperatuur ei muutu
?
p1=
105
Pa p1V1=
p2V2 p2
= (p1V1)/V2
V1=
40 cm3
V2
= 5 cm3 p2
= ( 105
x 40 )/ 5 = 8 x 105
Pa
p2=
?
4.2. Gay
- Lussaci ( ge - lüssak )
seadus .
1 2
Joonisel on kõvera
kaelaga ümarkolb, mis on täidetud gaasiga.
Kolvi
kaelas on kergesti liikuv kolb , mis ei lase gaasi läbi.
Temperatuuri
tõusmisel gaasi ruumala suureneb ja kolb
liigub
asendist - 1 asendisse - 2 . See tagab, et rõhk
ei muutu. p
= const.
Sellist
protsessi nimetatakse isobaarseks.
Protsessi
käigus muutuvad temperatuur T ( K ) ja ruumala V ( m3
), kehtib seos
V1/V2
= T1/T2 ehk V1T1
= V2T2
Temperatuur
peab olema Kelvini skaala järgi.
Ruumala võib olla ka mitte põhiühikutes.
4.3. Charles´i
( šarli ) seadus.
Seadus
käsitleb termodünaamilist protsessi, mille puhul ruumala
ei muutu –
V
= const.
Seda
nimetatakse isohoorseks protsessiks .
p1/T1
= p2/T2 ehk p1T2
= p2T1
p
( Pa ) -gaasi
rõhk ( võib olla ka teistes mõõtühikutes ) T
( K ) -
gaasi temperatuur.
4.4. Clapeyroni võrrand
Clapeyron ´i
( klapero ) võrrand on gaasi olekuvõrrand, kus muutuvad gaasi
rõhk p (Pa), temperatuur T (K) ja ruumala V ( m3
),
kui gaasi mass
ei muutu m
= const. (1V1)/T1
= ( p2V2)/T2 seega (pV)/T =const.
Normaaltingimustel
0C
= 273K, normaalrõhul 760 mmHg s.o. 101325 Pa võtab gaasi 1mool
ruumala 22,4 liitrit ehk 0,0224 m3
(mool, tähis mol, on põhiühikute hulka kuuluv ainehulgaühik).
Seega
suurust pV/ T on sellisel juhul
101325
0.0224 / 273,15 = 8,31 J/mol. K. Seda nimetatakse universaalseks
gaasikonstandiks ja tähistatakse “
R “-ga.
R = 8,31 J/mol.K
Seega
võrrandi ( p1V1)/T1
= ( p2V2)/T2
ühte
poolt võib tähistada R - ga. R=pV/T ehk pV = RT.
See
kehtib gaasi ühe mooli kohta. Kui on suvaline kogus gaasi, siis
tuleb leida mitu mooli on gaasi. Selleks gaasi
mass
m ( kg ) jagatakse
antud gaasi moolmassiga
( kg/mol. ). Võrrandi
lõplik kuju:
pV =
mRT/M
m/M moolide arv gaasis.
Moolmassi M leidmiseks peab teadma gaasi keemilist valemit. Lihtgaasi
molekulis on kaks aatomit O2
, N2
jne.
(välja arvatud väärisgaasid.) Näiteks leiame hapniku molekuli
moolmassi. Hapniku aatommass on 16 s..t. M
= 216
= 32 g/ mol. SI-sûsteemis peab mass olema kilogrammides, siis
hapniku molekulmass on 0,032
kg/mol. Süsihappegaasi
valem – CO2
. Süsiniku
aatomimass - 12
M
=12+216
= 44 g/mol. =
0.044 kg/mol.
Näidisülesanne
Sauna
leiliruumi temperatuur oli 900C
normaalrôhul ( 105
Pa). Palju tuleb veeauru, kui kerisele visati 1 liiter vett ?
Andmed Lahend
T=900C
= 90 + 273 = 363 K M vesi=2 x 1 + 16=18g/ mool = 0,018
kg/mool
p
= 105 Pa pV = mRT/M V = mRT/pM
m
= 1 liiter vett = 1 kg
R
= 8,31 J/mol.K V = ( 1 x 8,31 x 363 )/ 105
x 0,018 = 1,63 m2 V
= ?
5. Siseenergia ja selle muutumine.
Molekulaarkineetilise
teooriast lähtudest on keha siseenergia
tema kõikide molekulide ( ka aatomite, ioonide, vabade elektronide
jt. ) keskmise kineetilise energia
ja
kõikide
molekulide omavahelise mõju ( jõu ) keskmise potentsiaalse energia
summa.
Gaasidel on molekulide keskmine kineetiline energi keskmisest
potentsiaalsest energiast tunduvalt suurem - seetõttu on
agregaatolekuks gaasiline olek.
Vedelikes on molekulide
keskmine kineetiline energia molekulide vastastikuse mõju keskmise
potentsiaalse energia absoluutväärtusest väiksem, tahkistes aga
veelgi väiksem - seetõttu on agregaatolekuks vedel või tahke kuju.
Energiahulka,
mida keha soojusvahetuse teel saab või ära annab, nimetatakse
soojushulgaks,
mille tähis on
Q
ja mõõtühik 1
J.
Kui agregaatoleku muutust ei toimu, siis soojendamisel kuluv või
jahtumisel eralduv soojusehulk on võrdne aine massi
- m ( kg ), erisoojuse - c ( J / kg K ) ning
temperatuuri
muudu t või T
korrutisega.
kuna t
= t2
t1 ,siis
Q
= cmt ; Q =cmT Q = cm ( t2
– t1)
Kui toimub ühest
agregaatoleku muutus, siis üleminekuks kuluv soojushulk või
vastassuunalisel üleminekul eralduv soojushulk võrdub:
Sulamisel
ja tahkestumisel
- keha massi ja sulamissoojuse
korrutisega
Q =
m
Aurumisel
kuluv või kondenseerumisel
eralduv massi ja keemissoojuse
L korrutisega
Q = L m
Põlemisel
eralduv soojusehulk on võrdne massi ja kütuse kütteväärduse q korrutisega Q =q m
Soojuslikud
konstandid:
Erisoojus c
on soojushulk, mis on tarvis anda
ühele
massiühikule, et tõsta selle temperatuuri ühe kraadi võrra .
Ühik 1
J/ kg.K
Sulamissoojus on
soojushulk,mis on tarvis anda ühele massiühikule tahkele ainele
sulamistemperatuuril tema sulatamiseks. Ühik 1
J/
kg
Auramissoojus L
on soojushulk, mis on vajalik ühe vedeliku massiühiku aurustamiseks
selle vedeliku keemistemperatuuril. Ühik
1J/ kg
Kütuse
kütteväärtus q on
soojushulk, mis eraldub ühe
massiühiku
kütuse täielikul põlemisel. Ühik 1
J/ kg
Soojushulk
nii nagu töögi on süsteemi energia muutumise mõõduks. Soojuse mehaaniline ekvivalent J näitab,
kui palju saab teha mehaanilist tööd ühe soojushulga ühiku arvel.
J
= A/ Q kus, A ( J ) -
töö ; Q ( cal )
soojushulk . 1
J = 4,2 J/cal ehk 1 cal = 4.2 J Kalor (tähis cal) on mittesüsteemne soojushulga mõõtühik ja on
kasutuses veel mitmes eluvaldkonnas. 1
cal on soojushulk, mida on vaja 1 g puhta vee temperatuuti tõstmiseks
1 kraadi võrra)
Soojuse
tasakaalu võrrand väljendab
energia jäävuse seadust soojuslikes protsessides. Soojuse
üleminekul ühelt kehalt või kehade süsteemilt teisele kehale või
kehade süsteemile on ühe süsteemi poolt antud soojushulk võrdne
teise süsteemi poolt vastu võetud soojushulgaga.
Q
antud =
Q saadud
6. Termodünaamika esimene
printsiip.
Olgu
meil anum (silinder), milles asuv kolb võib õhutihedalt, kuid
hõõrdumiseta üles-alla liikuda . Anuma kolvialuse osa ruumala olgu
V, anuma ristlõike
pindala
S ja gaasi
rõhk p. Anumas oleva gaasi p
h soojendamisel see paisub ja
kolb liigub üles.
Olgu
kolvi tõus
h. Leiame gaasi poolt
paisumisel
tehtud töö. Töö avaldub valemiga
A = F
s.
Käesoleva juhul ja jõu suurus
Gaasi
töö paisumisel konstantse rõhu puhul on võrdne rõhu (p) ja
ruumala suurenemise (V)
korrutisega. Sama seos kehtib ka gaasi kokkusurumisel. Kokkusurumisel
teeb gaas negatiivset tööd, st. saab väliskeskonnast energiat.
Siseenergia
muutus keha üleminekul ühest soojuslikust olekust teise võrdub
välisjõudude töö ja kehale antud soojushulga summaga .
U =
A + Q ,kus U
( J ) - siseenergia
muutus.
A
( J ) -välisjõudude
poolt tehtud töö. Q
( J ) - kehale
antud ( ära antud )soojusehulk.
Seda
nimetatakse termodünaamika
I printsiibiks ehk energia jäävuse seaduseks termodüünaamikas.
7. Termodünaamika
teine printsiip.
Pööratav
protsess
(pöörduv protsess ) on süsteemi niisugune üleminek ühest olekust
teise, mille puhul on reaalselt võimalik esialgsele vastupidises
suunas toimuv protsess, s.t. süsteem saab läbida kõik esialgse
protsessi vaheastmed vastupidises järjekorras. Protsess on pöörduv
siis ja ainult siis , kui ta on kvaasistaatiline protsess.
Kvaasistaatiline protsess on väga aeglane protsess, mille jooksul
süsteem läbib rea natukene erinevaid tasakaalulisi olekuid.
Mittepööratav
protsess
(pöördumatu protess) on selline protsess, mis ei saa toimuda
esialgsele vastupidises suunas nii, et süsteem läbiks kõik
esialgsed protsessi vaheastmed vastupidises järjekorras. Pärast
pöördumatut protsessi ei ole süsteemil võimalik siirduda tagasi
lähteolekusse, ilma et toimuks kompenseerimatuid muutusi süsteemi
ümbritsevate ja temaga vastastikuses mõjutuses olevate kehade
olekus.
Kõik
reaalsed protsessid on põhimõtteliselt pöördumatud
ja ainult mõningaid neist saab ideaalsetel tingimustel vaadelda
pöörduva protsessina.
Termodünaamika
teine printsiip
on termodünaamika põhiseadus, mille kohaselt teist liiki igiliikur on võimatu.
Igiliikur (ladina keeles
perpetuum mobile ) on kujutletev masin, mis kord käima panduna töötab
lõpmata kaua, saamata väljaspoolt energiat (esimest liiki
igiliikur), või kujutletav perioodiliselt töötav masin, mis muudab
tööks kogu soojusallikalt saadava soojuse (teist liiki igiliikur).
Termodünaamika
II printsiibil on mitu võrdväärset sõnastust, näiteks
: protsess,
mille ainsaks tulemuseks on soojuse muundumine tööks, ei ole
võimalik;
protsess,
mille ainsaks tulemuseks on energia üleminek külmemalt kehalt soojemale
soojusvahetuse teel, ei ole võimalik.
Entroopia S
on
suurus ,mis iseloomustab süsteemi ja väliskeskkonna vahelise
soojusvahetuse kulgemise suunda ning isoleeritud süsteemi
iseeneslike protsesside kulgemise suunda.
Küsimused:
1.
Mispärast on märgade puude kütteväärtus väiksem kui sama liiki
kuivadel puudel ?
2. Miks õhu pumpamisel
jalgratta kummidesse jalgrattapump soojeneb?
3.
Kahes ühesuguses ämbris on ühepalju vett temperatuuril 10 0C.
Esimesse ämbrisse asetati maakivi temperatuuril 80 0C
ja teise sama massiga terasetükk temperatuuril 80 0C.
Kuidas soojeneb vesi mõlemas ämbris ?
4.
Kasepuude kütteväärtus on 1,5% vôrra väiksem männipuu
kütteväärtusest. Millega
seletub aga, et kasepuid peetakse paremaks ?
5.
Miks
puude saagimisel kuumeneb saag, aga saetav puu ei soojene
märkimisväärselt?
6. Miks vesivoodi täidetakse
kuuma veega, võiks aga kuuma ôhuga - õhuvoodi ?
7. Millistel juhtudel on
üleantud soojushulk negatiivne. Siis kui …….
8. Erisoojus on soojusehulk,
mis on tarvis anda ühele massiühikule, ….. .
9. Kui agregaatolekus
üleminekut ei toimu, siis soojendamisel kuluv või jahtumisel
eralduv soojushulk ühe kraadi kohta ……. .
10. Mingi aine aurumisel kuluv
ja kondenseerumisel eralduv soojushulk on ….. .
11.
Molekulaarkineetilisest
teooriast lähtudest on keha siseenergia tema kõikide molekulide ……
.
12. Vedelikes on molekulide
keskmine kineetiline energia molekulide vastastikuse mõju keskmise
potentsiaalse energia absoluutväärtusest …….
13. Termodünaamika teine
printsiip seadus väidab, et …..
14. Kõik reaalsed protsessid
terodünaamikas on põhimõtteliselt …… .
15. Mittepööratav protsess ( pöördumatu protess ) on selline protsess, mis …… .
16. Termodünaamika teine
printsiip väidab, et …..
17. Kuidas on gaasides molekulide keskmise potentsiaalse energia ja keskmise kineetilise
energia suhe ?
8. Soojusmasin
Kõiki
masinaid, kus põletatakse kütust nimetatakse
soojusmasinateks
(auto -, laeva -, lennukimootord, keskkütteahi , jt. ). Seega,
masinat, mis muudab kütuse siseenergia mehaaniliseks energaiks nimetatakse soojusmasinaks.
Soojusmasina
koostisosad on soojendi ,
töötav keha ja jahuti .
Soojendis põletatakse kütust
ja temperatuur võib tõusta mitme tuhande kraadini
Soojendi
temperatuur T1
( K )
Saadud
soojusehulk Q1
võrdne põletatud kütuse
Soojendi massi m ( kg )
ja kütuse kütteväärse q
( J/ kg )
korrutisega.
Q1 Q1
= mq
Mõningate
kütuste kütteväärtused - q
( MJ/ kg )
Bensiin .
petroolium, nafta ( ligikaudu ) 46,
diiselkütus
42,
kivisüsi 29.
Töötavaks
kehaks on aur või gaas, mis soojendist saab soojusenergiat
Q1.
Osa soojusenergast muudetakse
kasulikuks tööks
A
( J ), osa
soojusenergiast aga läheb nn. jahutisse (meie jaoks kasutult) Q2
( J )
Seega kasulik töö on võrdne soojendist väljastatud ja jahutisse
läinud soojusenergiate vahega.
Töötav
keha A
= Q1
– Q2
( kasulik töö )
jahutisse
läinud soojushulk Q2
on alati väiksem soojendist saadud soojushulgaga.
jahuti Q2
T2
( K ) jahuti
teperatuur, see on alati madalam soojendi temperatuurist.
Jahutiks võib olla mingi
eriseade, kuid harilikult on jahutiks ümbritsev keskkond.
Soojusmasina
iseloomulikumaks näitajaks on tema kasutegur
( eeta ), mis näitab milline osa kulutatud soojusest Q1
muudeti
kasulikuks tööks A.
= A
/ Q1
= ( Q1
– Q2
) / Q1
= 1 – Q1
/ Q2
Ideaalse
soojusmasina kasuteguri arvutamiseks võib kasutada soojendi ja
jahuti absoluutsete temperatuuride vahet. (Ideaalse soojusmasina
töötavaks kehaks on ideaane gaas.
= ( T1
– T2
) / T1
= 1 – T1
/ T2
Ühegi reaalse soojusmasina
kasutegur ei saa olla suurem sama temperatuurivahemikus töötava
(s.o. samade temperatuuridega soojendi ja jahuti omava) ideaalse
masina kasutegurist.
Kasutegurit
väljendatakse harlikult protsentides ( % ). Kasutegur
on alati alla 100 %, ehk väiksem kui üks. Seega igiliikurit ei saa olla. Näiteks auruseadmete kasutegur on
0,08
- 0,5 ( 8 - 50 % ) sisepõlemismootoritel 0,3 - 0,5 ,
soojuselektrijaamadel - 0,5 , hõõglambil 0,03.
Teiseks
soojusmasina tähtsaks näitajaks on masina võimsus.
Võimsus väljendab töö tegemise kiirust. Võimsus võrdub töö ,
A ( J ) , ja selle tegemiseks kulunud aja t ( s ) suhtega. Võimsuse
mõõtühikuks on 1 vatt ( W )
N = A / t
Võttes
aluseks vati mõiste, saab tööd väljendada vattide kaudu:
1 J = 1 Ws
Sellest
tuleneb ka töö mõõtühik 1 kilovatttund:
1
kWh = 3 600 000 J ehk 1 kWh = 3,6 x 106 J.
Võimsuse
mõõtühikuna on kasutusel veel hobujõud ( hj ehk hp)
1 hj = 735,5 W = 0,7355 kW (
USA - s 1hp = 0,7457 kW )
Näidisülesanne
Milline
on ideaalse soojusmasina kasutegur, kui jahuti temperatuur on 325C
ja soojendi temperatuur 500C
?
T1
= 500C
+ 273 = 773 K
= ( T1
– T2
) / T1
T2
= 325C
+ 273 = 598 K
= ( 773 - 598 ) / 773 = 0,226
=
? ehk 22,6 %
2.9. Aine
agregaatolekud
Agregaatolek on aine olekuvorm , mille määrab molekulide soojusliikumise laad .
Kui välistingimused ( rõhk, temperatuuur, ruumala ) muutuvad,
siirdub aine pidevalt või hüppeliselt ühest agregaatolekust teise.
Tavaliselt eristatakse kolme agregaatolekut: gaasilist, vedelat ja tahket.
Gaaside
tihedus on suhteliselt väike, seepärast on molekulidevahelised jõud
nõrgad, molekulid liiguvad korrapäratult ja peaaegu vabalt ning
täidavad ühtlaselt suvalise ruumi.
Tahkistes
on molekulivaheliste tugevate seosejõudude tõttu võimalik ainult
molekulide väike võnkumine ümber tasakaaluasendi.
Vedelikes,
kus
seosejõud on nõrgemad, lisandub võnkumisele molekulide suhteliselt
aeglane kulgliikumine.
Tahkised
omakorda võivad olla nii erisuguse kristallistruktuuriga vormides (näiteks kristalse süsiniku erikujud on teemant ja grafiit ) kui ka amorfsed . Kristallides paiknevad molekulid korrapäraselt ning
moodustavad kristallvõre.
Amorfsed
ained sarnanevad struktuurilt vedelikega.
Kehi,
mille aatomitel on kindel paigutus ehk ruumvõre nimetatakse
kristallilisteks
kehadeks.
Kindla paigutusega aatomite gruppe nimetatakse kristallideks.
Kristalli aatomite ühendamisel kujuteldavate sirgetega saadud
võretaolist moodustist nimetatakse
Kõik
kristallilised kehad on anisotroopsed .
Nende füüsikalised omadused on piki kristalli erinevad, võrreldes
omadustega risti kristalli. Nagu soojusjuhtivus , elektrijuhtivus .
Erandiks on metallid, mis omades kristallvõre, ei ole anisotroopsed.
Kristallilised
kehad sulavad kindlal temperatuuril, mida nimetatakse. Kogu sulamise jooksul on temperatuur jääv.
Tahkiseid,
millel puudub kindel sulamistemperatuur, kristallvõre (ruumvõre) ja
anisotroopsus, nimetatakse ( klaas, pigi , vaha, või, rasvad jne.).
Faasiks
nimetatakse termodünaamilise süsteemi kõigi ühesuguse keemilise
ja füüsikaliste omadustega osade kogumit, mis on süsteemi teistest
osadest eraldatud piirpinnaga. Näiteks vesi (ka udupiiskadena) ja
veeaur moodustavad kaks eri faasi.
Faasisiire
on aine üleminek ühest faasist teise. Näiteks jää
vesi
aur või jää
aur (jäätanud pesu kuivamine ) või aur
jää (õhuniiskusest tekkinud jäälilled aknal)
Mõnikord
loetakse omaette agregaatolekuks plasma olekut.
Plasma
on osaliselt või täielikult ioniseerunud gaas. Plasma koosneb
ioonidest, neutraalsetest aatomitest, elektronidest ja footonitest
( kiirguste üliväiksed osakesed). Ta tekib väga kõrgel
temperatuuril ja ioniseeruva kiirguse mõjul. Laboratooriumis
tekitatakse plasmat harilikult gaaslahenduse abil (huumlambis ja
gaaslaseris jmt.). Päike ja teised kuumad tähed koosnevad
täielikult ioniseerumud plasmast (aatomitest on lahkunud kõik
elektronid). Plasma uurimine on tänapäeval väga oluline, sest just
kõrgtemperatuurilises plasmas (üle 10 miljoni kraadi) saab
põhimõtteliselt teostada juhitavat termotuumareaktsiooni (siiani
pole see märkimisväärses koguses veel saavutatud). Plasmat püütaks
rakendada ka plasmamootoris. Seni ehitatud plasmamootorite võimsus
on alles väga väike.
Vedeliku
muutumist gaasiks nimetatakse auramiseks, auru muutumist vedelikuks –
kondenseerumiseks.
Vedeliku molekulid on alalises
liikumises. Nende kineetiline energia keskmine suurus vastab vedeliku
temperatuurile. Korrapäratult liikudes põrkuvad molekulid
üksteisega kokku, selle tagajärjel osa neist omab keskmiselt
suurema kineetilise energia. Saades energiat juurde ja olles vedeliku
pinna läheduses, võivad niisugused molekulid vedelikust lahkuda.
Vedelikust lahkunud molekulide nimetatakse antud vedeliku auruks.
Protsessi ennast, mille jooksul aine läheb vedelast olekust
gaasilisse nimetatakse auru tekkimiseks, ehk aurumiseks .
Esimesel
joonisel on kujutatud lahtine anum, mis on täidetud vedelikuga ja
millest toimub pidev auramine ümbritsevasse ruumi. Auramine jätkub
seni, kuni kogu vedelik on ära auranud.
Teisel joonisel on vedelik ja
aur suletud anumas. Vedeliku auramisel tekkib aururuumis olukord, kus
auru molekule ei mahu rohkem ruumi. Uute aurumolekulide tungimisel
aururuumi osa sealseid molekule, millised on osa oma energiast ära
andnud põrkumistega vastu anuma seina, surutakse vedelikku tagasi.
Auru, mis antud temeratuuril ja rõhul on tasakaalus sama aine vedela
või tahke faasiga, nimetatakse küllastunud
auruks.
Aur on küllastunud, kui kondenseerumis - ja aurumisprotsessid on
võrdsed. S.t. sama aja jooksul vedelikust lahkunud molekulide (auru)
arv on võrdne aurust vedelikku tagasipöörduvate molekulide arvuga.
Küllalt
madalal
rõhul ja kõrgel temperatuuril on auru omandused lähedased ideaalse
gaasi omadustele.Temperatuuri tõstmisel muutub küllastanud aur
mitteküllastunuks, temperatuuri langemisel muutus on vastupidine.
Kondenseerumine (
tõlge ladina keelest - tihendamine ) on
aine üleminek gaasilisest olekust vedelasse või tahkesse olekusse.
Kondenseerumisel vabaneb niisama suur soojushulk, kui pöördprotsessi
aurustamise või sublimatsiooni korral neeldub. Sublimatsioon on
soojendatava tahke aine otsene üleminek gaasilisse olekusse .
Keemine
on vedeliku intensiivne aurustumine kogu tema ruuumala ulatuses.
Keemisel tekivad vedeliku sees aurumullikesed, mis üha kasvades
tõusevad pinnale ja paiskavad auru vedeliku kohal olevasse ruumi.
Keemine on võimalik teperatuuril , kus aur ja vedelik on tasakaalus.
Vedelik keeb temperatuuril, mis oleneb
vedeliku
omadustest
ja
välisrõhust. Välisrõhu
suurenemisega tõuseb ka vedeliku keemistemperatuur. Keemise
kestmiseks on vaja soojuse pidevat juurdevoolu .
Veeaumumat
soojendatakse alt. Näiteks anum on pandud kumale pliidileKui
vedeliku temperatuur on madalam keemistemperatuurist, siis aurumull,
mis tekkib harilikult anuma põhjal, liikudes ülespoole väheneb.
Seda põhjustab jahedam vedelik mulli ümber. ( vasakpoolne joonis )
Kui
vedelik on keemistemperatuuril, siis ülesepoole liikuv aurumull
suureneb, sest temaga liituvad väiksemad aurumullid ja rõhk temas
kasvab. Kui rõhk aurumullis ületab välisrõhu, siis mull lahkub
vedelikust - vedelik
keeb.
( parempoolne joonis )
Vedeliku
temperatuur on väiksem
keemistemperatuurist.
Vedeliku
temperatuur on keemis -
tempertuuril.
Veeauru
sisaldust õhus nimetatakse õhuniiskuseks.
Õhuniiskust iseloomustatakse absoluutse
niiskusega,
mis võib väljendada õhus oleva veeauru massiga. Ûhes kuupmeetris
õhus oleva veeauru massi grammides nimetatakse absoluutseks
niiskuseks.
Igapäevases
elus kasutatakse suhtelise õhuniiskuse mõistet. Suhteline
ehk relatiivne niiskus
näitab, kui ,,kaugel’’ on veeaur antud tingimustel
küllastusolekust.
Suhtelise
õhuniiskuse määramiseks kasutatakse seadet ,mida nimetatakse
psühromeetriks.
Psühromeeter koosneb kahest
termomeetrist, millest üks on katud märja esemega (harilikult on
selleks riie ) ja see termomeeter näitab üldiselt vähem, kui on
ruumi temperatuur (mida näitab teine termomeeter -kuiv termomeeter)
Kuiva termomeetri ja kuiva ja märja termomeetrite näitude vahe
kaudu määratakse psühromeetrilistest tabelitest õhu suhteline
niiskus. Inimesele on kõige sootsam parasvööndis suhteline
õhuniiskus 40 -65 %.
Sulamine
on aine siirdumine tahkest olekust vedelasse. Kristalne aine sulab
jääva rõhu korral kindlal temperatuuril, nn. sulamistemperatuuril,
mis ühtib tahkumis - temperatuuriga. Agregaatoleku muutmiseks kuluv
energia saab sulav aine übritsevast keskkonnast soojusena.
Korrapäratu ehitusega ehk amorfseil ainetel (näiteks klaasil , pigil ja vaigul) kindlat
sulamistemperatuuri ei ole, need pehmenevad ja veelduvad järk -
järgult.
Kristalliseerumine on aine siirdumine mittekristallilisest olekust kristallilisse
olekusse. Kristallid võivad tekkida vedeliku jahtudes allapoole
tahkumistemperatuuri, küllastunud lahuse jahtudes või aurustudes,
auru kondenseerudes (näiteks veeauru kondenseerudes tekivad lume -
ja jääkristallid ja korrapäratu ehitus) amorfsete ainete kauase
seismise tagajärjel näiteks klaas kristalliseerub pika aja jooksul
).
Agregaatolekute
muutumisel neelduva või vabaneva soojushulga kohta vt. 2.5.
2.10. Vedelike omadused.
Vedelik
on aine, millel on kindel ruumala, kuid puudub kindel kuju. Erinevalt gaasidest on vedelikus molekulaarjõud tugevamad ja väikestes
piirkondades ilmneb kristallitaoline korrapärane struktuur, nn.
lähiskorrastus,
mis avaldub selles, et teatava , nii vedelikust kui ka selle
temperatuurist sõltuva aja jooksul võngub vedeliku molekul kindla
keskme ümber ning seda ümbritsevad ühed ja samad korrapäraselt
paiknevad naabermolekulid. Seejärel toimub spontaanne ja kiire
üleminek mingi teise võnkekeskme juurde ning seetõttu ka
naabermolekulide osaline vahetumine . Nii kaasneb vedelikus molekulide
võnkliikumisega aeglasem korrapäratu kulgliikumine.
Pindpinevus on
vedeliku pinnanähtus, mis avaldub vedeliku pinnakihi püüdes kokku
tõmbuda (pinnakiht käitub pinguli tõmmatud kummikelme taoliselt).
Vedeliku
sees olevaid molekule ümbritsevad samasugused molekulid ja
nendevahelised jõud on igas suunas ühesugused. Selle tulemusena
resultantjõud ,,R’’ on null. (joon. 1).Vedeliku pinna molekuli
ümbritsevad osaliselt gaasimoekulid .
Gaasi
ja vedeliku molekulide tõmbejõud on palju väiksemad, kui vedeliku
molekulide vahel. See põhjutab asjaolu,et pinnakihi molekulidele
mõjub vedeliku sisse suunatud resultantjõud
,,R’’,
mistõttu uute molekulide viimiseks pinnakihti (pinnakihi pindala
suurendmiseks) tuleb teha tööd. Pindpinevust iseloomustab pindpinevustegur ,,σ’’
( sigma ), mis näitab kui palju tööd tuleb teha pinnakihi pindala
suurendamiseks ühe ühiku võrra või kui suur jõud hoiab koos
ühikulise pikkusega piirjoont. Pindpinevuseteguri mõõtühik 1
N/m .
Pindpinevustegur sõltub
vedeliku omadustest ja temperatuurist ning sellest, missuguse gaasilise keskkonnaga on pinnakiht kokkupuutes.
R
h
Joon. 1. Joon. 2. Joon.
3.
Märgamine
on vedeliku laialivalgumine tahke keha pinnal .Märgava vedeliku tilk
valgub keha pinnal õhukese kihina laiali, aga märgamatu vedeliku
tilk (näiteks elavhõbedatilk klaasil, veetilk rasvasel paberil )
püüab omandada kera kuju. Märgamine toimub siis , kui vedeliku ja
tahkise molekulide vahelised tõmbejõud on suuremad kui vedeliku
molekulide omavahelised tõmbejõud. Märgava vedeliku pind on anumas
nõgus, mittemärgava vedeliku pind kumer . Vedeliku pind lõikub
tahke aine pinnaga mööda teatavat joont. Nende pindade vahelist
nurka
(teeta) nimetatakse äärenurgaks.
Märgamist
ja mittemärgamist saab määrata ka äärenurga kaudu.
Kui ,
siis vedelik ei märga ja kui
siis vedelik märgab (joon.2.).
Märgamisega
on seotud kapillaarsus . Kapillaarsus
on
vedeliku taseme muutumine peenikestes torudes ( läbimõõduga 2 mm
ja vähem ) - kapillaarides ja poorides. (Joon. 3). Toru seina
märgava vedeliku tase tõuseb ja mittemärgava vedelikutase
langeb.Vedeliku tõusu ja langust väljendab valem:
h
= 2
σ
/gr kus
h
( m ) - vedeliku
tõusu või languse ulatus, σ
( N/ m ) - vedeliku
pindpinevustegur,
(
kg/ m3
) vedeliku
tihedus, r
( m ) - kapillaartoru raadius,
g
( m / s2 /
- vabalangemise
kiirendus. g
= 9,8 m/s2
Näidisülesanne:
Kui
kõrgele tõuseb vesi kapillaartorus, mille lõbimõõt on 1 mm ?
d
= 1 mm
r
= d/2 = 0,5 mm =
0,0005 m = 5 x 10
-4
m h
= 2 σ /gr
=
1000 kg/ m3 = 10 3 kg/ m3
g
= 10 m/s2 h = 2 x 7,2 x 10 –2/ 103x
10 x 5 x 10 –4 =
σ
= 7,2 x 10 -2 ( N/ m ) 14,4 x 10 –2/
5 = 2,88 x10-2m = 0,0288 m
h
= ?
Küsimused
:
Kuidas seletada küünlatahi ja marlisideme toimet ?
2. Kuival ajal tekib
maapinnale kõva koorik. Kas tuleb seda säilitada või pinnast
kobestada, et takistada alumiste kihtide kuivamist ?
Pesemisvahendid
ehk pesemisained on
ainesegud, mille vesilahustega kõrvaldatakse esemetelt,
materjalidelt ja elusolendeilt mustust. Eristatakse seepe
ja sünteetilisipesemisaineid. Pesemisainete
koostisosad on pindaktiivsed ained.
Need vähendavad pindpinevust ( seepides on nendeks näiteks
rasvhappesoolad, sünteetilistes pesemisainetes näiteks sulfonoolid)
Sünteetilised pesemisained sisaldavadka pleegiteid ja pindaktiivsete
ainete toimet suurendavaid aineid. Sünteetiliste pesemisainetega
saab hästi pesta ka karedas vees. Bioaktiivsed pesemisained
sisaldavad aineid( ensüüme ) ,mis lagundavad valguplekke.
Pesemisaineid toodetakse pulbritena, pastadena ja vedelikena.
Vedelaid soodavabu pesemisaineid ,mida kasutatakse peamiselt pea
pesemiseks nimetatakse sampoonideks.
Loodushoidlikud on pesupulbrid , mis on fosfaadivabad, sisaldavad
looduses bioloogiliselt lagunevaid ja keskonnale ohutuid aineid ja
tugevaid pleegitajaid.
2.11. Ülekandenähtused.
Difusioon on ainete segunemine molekulide soojusliikumise tagajärjel.
Difusioon on kiire gaasides, aeglasem vedelikes ja väga aeglane
tahkistes. Aine levib alati selles suunas, kus tema kontsentratsioon
on väiksem. Difusioon põhjustab näiteks lõhna levimist õhus ja
atmosfääri koostise ühlustamist.
Soojusjuhtivus
on soojuse levimine aines. Gaasides ja vedelikes soojusjuhtivus
seletub molekulide korrapäratute kokkupõrgetega, mille tagajärjel
soojusliikumise energia kandub kõrgema temperatuuriga piirkonnast madalama temperatuuriga piirkonda. Kristalsetes ainetes levib
soojusliikumise energia nii omavahel seostatud võresõlmede
võnkumise kui ka vabade elektronide kaudu. Metallide
hea soojusjuhtivus seletubgi peamiselt vabade elektronide olemasoluga
nendes.
Ainete soojusjuhtivus ( vee soojusjuhtivuse suhtes )
vesi 1
raud 118
puit 0,2 - 0,7
hõbe 755
jää 3,7
kohev lumi 0,17
vask 677
telliskivi 1,05
õhk 0,043
alumiinium 370
klaas 0,98
viilane riie 0,04
Soojusisolatsioon
on soojustehnilisest seadmest, torustikust hoonest vm. väliskeskkonda
või väliskeskkonnast soojusvoo tõkestamine. Soojusisolatsiooni
tõhusus sõltub kasutatava isoleermaterjali omadusest ja
materjalikihi paksusest. Soojusisolatsiooniks sobivad üldselt
materjalid, mille soojusjuhtivus on väike. Poorsus suurendab
materjali soojusisolatsiooni omadusi, niiskus aga halvendab.
Sisehõõre
on
nähtus, mis avaldub vedelike ja gaaside võimest takistada oma
osakeste liikumist üksteise suhtes. Vedelike sisehõõre seletub
molekulaarjõududega . Nende toimel tõmbavad kiiremini liikuvad
vedelikukihid kaasa aeglasemalt liikuvaid kihte ja kaotavad niiviisi
oma liikumisenergiat. Gaaside sisehõõre seletub asjaoluga, et
molekulide soojusliikumine põhjustab erisuguse kiirusega liikuvate
gaasikihtide vahel molekulide vahetust, mistõttu kiiremini liikuvast kihist aeglasemalt liikuvasse kihti siirduvad molekulid suurendavad
selle molekulide keskmist kiirust ( õigemini -liikumissuunalist
impulssi ).
Küsimused:
1. Tahkistes, vedelikes ja
gaasides on aineosakesed pidevas liikimises. Millistes
agregaatolekutes on osakeste liikumistee pikkus suurem (väiksem) ?
2. Difusiooni põhjutab
molekulide ……… .
3. Difusioon on kõige aeglase (kiirem) …… (gaasides, vedelikes, tahkistes)
4. Temperatuuri tõstmisel
küllastanud aur ……… .
5. Aur on küllastunud, kui
…….. .
6. Küllastanud auru olukorras
sama aja jooksul vedelikust lahkunud ja sinna tagasi pöörduvate
molekulide hulk on ……… .
7. Igal vedelikul on oma
keemistemperatuur. Välisrõhk tõuseb. Vedelik keeb nüüd
………temperatuuril.
8. Kondenseerumine on aine
üleminek ……..olekusse .
9. Kristallilistel kehadel sulamistemperatuur on…….. .
10. Amorfsetel kehadel
sulamistemperatuur ………. .
11. Anisotroopia on aine
füüsikaline omadus, kus aine omadused …….
12. Tuua näiteid
sublimatsioon nähtuse kohta.
13. Gaasides ja vedelikes
soojusjuhtivus seletub ………. .
50 punkti
Autor soovib selle materjali allalaadimise eest saada 50 punkti.
~ 15 lehte
Lehekülgede arv dokumendis
2009-10-17
Kuupäev, millal dokument üles laeti
180 laadimist
Kokku alla laetud
4 arvamust
Teiste kasutajate poolt lisatud kommentaarid
triinu Veber
Õppematerjali autor
annaabi.ee 
Kõik kommentaarid