Soojusõpetus (0)

FÜÜSIKA – soojusõpetus
1 ) aine ehitus
Kehad koosnevad ainetest, ainete segudest. Ained koosnevad aatomitest või molekulidest – üliväikesed osakesed, mida silmaga ei näe. Osakeste vahel on tõmbe- ja tõukejõud. Deformeerimata olekus tahkise tõmbe- ja tõukejõud on tasakaalus ( tõmbejõud + tõukejõud = 0 ). Tõmbe- ja tõukejõu suurus sõltub osakeste kaugusest ( kui keha venitada, siis tõmbejõud on tõukejõust suurem, osakesed eemalduvad üksteisest , tekib jõud, mis takistab aineosakeste eemaldumist).
Tõuke- ja tõmbejõudu modelleerimiseks kasutatakse vedru abil ühendatud kerasid.
Deformeerimata olekus ei mõju väljaspoolt jõudusid. Kui kerasid kokku suruda, siis tekib vedrus tõukejõud (püüab kerasid laiali lükata). Kui kerasid üksteisest eemaldada, siis tekib vedrus tõmbejõud. (püüab kerasid kokku suruda ). Aine koosneb osakestest ja need osakesed mõjutavad üksteist ! Vette õli pannes, valgub õli laiali aga ei kata kogu veepinda, sest õli on ainete segu ja koosneb mitme aine molekulidest ning nende vaheline tõmbejõud hoiab õliosakesi koos. Õli ei jää ka kuhjana – aineosakeste ja veemolekulide tõmbumisel ja veele mõjuva raskusjõu tulemusel valgub see laiali, moodustades ühe aineosakese paksuse kihi. Õliosakeste läbimõõdu määras Robert Reyleigh ( 20.saj ). Mõõtis ruumala ja pindala ning sai paksuse. Lihtainete molekulide läbimõõt : 2*10-10 m .
( mõnede ) vedelike segamisel ilmneb, et segu ruumala on väiksem ainete ruumalast. Suuremate molekulide vahel on rohkem tühja ruumi ja väiksed lähevad sinna vahele.
2 ) soojusliikumine
Robert Brown vaatles läbi mikroskoobi karukolla eoseid ja sai aru, et osakesed liiguvad korrapäratult ( nimetatakse Browni liikumiseks ). Osakesed liiguvad korrapäratult, sest nad saavad tõukeid igalt poolt teistelt aineosakestelt. Osakeste liikumine ei lakka kunagi. Mida kiiremini aineosakesed liiguvad, seda soojem on keha , aine temperatuur on kõrgem ( seetõttu nimetatakse ka soojusliikumiseks ).
3 ) tahke, vedel ja gaasiline aine
Tahke aine ehk tahkis . Tahkis säilitab kuju. Kristallilistes ainetes ( jää, sool, metallid ) paiknevad aineosakesed korrapäraselt ning on tugevalt omavahel seotud. Osakesed võnguvad oma tasakaaluasendi ümbruses. Kristallilisi aineid kujutatakse kristallvõrena ( aine osakesed on kerad, jooned toovad esile ruumilisuse ).
Vedelik. Voolavad ja ei säilita kuju. Aineosakesed paiknevad hõredamalt kui tahkises . Põhiliselt võnguvad oma koha ümbruses, kuid võivad ka teiste vahelt „läbi hüpata“( põhjustab vedeliku voolavuse ). Soojusliikumine seisneb osakeste võnkumises ja korrapäratus liikumises.
Amorfsed ained. Vedeliku soojusliikumisega sarnane, aga „ hüppeid“ toimub harvemini. Voolavus on sellest mõjutatud ( aine läheb lihtsalt pehmeks ).
Gaas . Voolavad, kuid neil puudub kindel ruumala. Osakesed üksteisest kaugel. Osakeste vahel tühi ruum ( kokkusurutav ). Lahtises anumas gaas ei püsi – tõmbejõud on väike. Osakeste liikumine on korrapäratu. Osakeste liikumise trajektoor on murdjoon.
Ainete segunemine. Lõhnaõli lõhn levib, sest lõhnaõli osakesed segunevad õhuosakestega. Ained segunevad iseeneslikult soojusliikumise tõttu. Lahustumine vees on ka iseeneslik. Gaasis toimub segunemine kiiremini, sest osakesed on kaugemal üksteisest. Mittelahustuvad ained ei segune iseeneslikult. Kui kaks tahket ainet üksteise peale panna ning koormis peale panna, siis pika aja jooksul seguneb aine väga vähe ( tahkistes liiguvad osakesed väga harva oma koha pealt ära ) . Iseeneslik segunemine – difusioon .
4 ) soojuspaisumine
Ained soojenedes paisuvad , aga jahtudes tõmbuvad kokku – soojuspaisumine. Gaasi ruumala muut on võrdeline temperatuuriga ( gaas hakkab soojusega paisuma ja tungib välja ). Vedeliku ruumala muut on võrdeline temperatuuriga ( kui soe vedelik jahtub, siis veetase langeb ). Vesi on erandlik , alates temperatuurist 0oC –4oC tõmbub vesi kokku, seejärel hakkab to tõusmisel paisuma. Vesi on kõike tihedam temperatuuril 4oC. Tahke keha ruumala muut on võrdeline temperatuuri muuduga ( keha pikenemine on võrdeline temperatuuri muuduga ).
5 ) termomeeter
Temperatuuri mõõtmiseks kasutatakse termomeetrit. Selle idee andis Galileo Galilei. Ta riist koosnes õhuga täidetud kerast – selle külge oli joodetud peenike toru. Ta täitis toru osaliselt veega ning asetas anumasse, mis oli veega täidetud. Kera soojendamisel või jahutamisel vee ruumala tõusis või langes. Aga see sõltub veel õhurõhust. Esimese termomeetri valmistas ta õpilane Evangelista Torricelli . Termomeeter koosneb mahutist ja selle külge joodetud paisumistorust. Ainena kasutatakse elavhõbedat, piiritust või toluooli. Välistermomeetrites elavhõbedat ei kasutata, sest elavhõbe võib talvel tahkuda. Igapäevaseks tarbeks ka mitte, sest see on mürgine ning purunemisel aurub aastaid. Kõige enam on levinud Celsiuse, Fahrenheiti ja Reaumuri skaalad. Teaduses on absoluutne temperatuuriskaala . Celsiuse skaala järgi on seal absoluutne 0 -273 kraadi. Ühikuks on 1 K ( kelwin ). Absoluutse skaala järgi on jää sulamistemperatuur 273 K. 1 K = 1 kraad .
6 ) siseenergia
Et keha soojeneks, on vaja energiat. See energia kulub aineosakeste liikumise kiirendamiseks. Liikumise tõttu omavad aineosakesed kineetilist energiat. Soojenemise tulemusena tõuseb osakeste kineetiline energia. Kehade soojenemist ja jahtumist saab väljendada : aineosakeste kiiruse muutus ja aineosakeste kineetilise energia muutus. Gaaside osakesed ei ole vastastikmõjus. Vastastikmõjus olevad kehad omavad potensiaalset energiat. Keha aineosakeste kineetiline energia + potensiaalne energia = siseenergia (siseenergia muutub aineosakeste vastastikuse asendi muutmisest ja liikumise kiiruse muutmisest ) . SOOJUS = KEHA SISEENERGIA KINEETILINE KOMPONENT .
SOE, KÜLM
TEMPERATUUR
SOOJENEMINE
SISEENERGIA KINEETILISE KOMPONENDI SUURENEMINE
JAHTUMINE
SISEENERGIA KINEETILISE KOMPONENDI VÄHENEMINE
Soojushulk – keha siseenergia hulk mis kandub teisele kehale või siis teistelt kehadelt antud kehale. Kunagi võeti 1g vett ja soojendati seda 1 kraadi võrra. Soojushulka hakati nimetama kaloriks ( tänapäeval J ). Soojushulk on Q . 1 cal = 4,2 J.
1 kalor on soojushulk, mis on vajalik 1g vee soojendamiseks 1 kraadi võrra.
7 ) soojusülekanne
Soojusjuhtivus . Soojusjuhtivuseks nimetatakse siseenergia levimist ühelt aineosakeselt teisele. Head soojusjuhid on metallid, halvad on vesi ja jää ja gaasid. Vaakumis puudub soojusjuhtivus.
Konvektsioon. Siseenergia levimine vedeliku- gaasivoolude liikumise teel. Soe keha soojendab õhku, soe õhk paisub ja tihedus väheneb, mõjub üleslükkejõud ja tõuseb üles. Asemele tuleb jahe õhk, mis soojeneb. Tekib tsirkulatsioon .
Kiirgus. Päike soojendab. Kehad saavad energia valguse tõttu. Infravalgus = soojuskiirgus. Maad soojendab infravalgus ja nähtav valgus. Kõik kehad kiirgavad soojust. Mida kõrgem on temperatuur, seda rohkem energiat ta ajaühikus kiirgab. Mida tumedam on keha pind, seda rohkem energiat ta ajaühikus kiirgab, mida suurem on keha pindala, seda rohkem energiat ta ajaühikus kiirgab. Valguse muundumist keha siseenergiaks nimetatakse neeldumiseks. Mida tumedam on pind, seda rohkem energiat ta ajaühikus neelab.
Siseenergia levimine ühelt kehalt teisele – soojusülekanne. Siseenergia levib soojemalt kehalt jahedamale. Soojenevate kehade siseenergia suureneb sama palju kui väheneb jahenevate kehade siseenergia. Soojusliku tasakaalu korral puudub kehade vaheline soojusülekanne.
Mehhaaniline töö. Siseenergiat saab suurendada ka tööga. Kineetiline energia suureneb siseenergia vähenemise arvelt.
8 ) kehade soojenemine ja jahtumine
Temperatuuri muudu leidmiseks (t2-t1). Temperatuuri muut sõltub kehale kandunud soojushulgast. Erineva massiga kehade soojendamiseks temperatuuri muudu võrra kulub erinev soojushulk. Erineva aine soojendamiseks temperatuuri muudu võrra kulub erinev soojushulk. Erisoojus näitab, kui suur soojushulk peab kehale kanduma, et keha massiga 1kg soojeneks 1 kraadi võrra.
Q = cm ( t2-t1 )
C = Q / m* ( t2-t1 )
9 ) sulamine ja tahkumine
Sulamine on aine üleminek tahkest olekust vedelasse. Temperatuuri, mille juures aine sulab nimetatakse sulamistemperatuuriks. Kristallilistel ainetel on kindel sulamistemperatuur. Sulamine ja tahkumine toimuvad samal temperatuuril. Sulamisel lõhutakse aine korrapärane asetus ja kristallvõre lõhkumiseks kulub energiat. Tahkumine on vastupidine protsess. Vabaneb soojushulk, mis on võrdeline sulamiseks kulunud soojushulgaga. Temperatuur ei muutu. Massiühiku aine sulamiseks kuluvat soojushulka nimetatakse sulamissoojuseks. Sulamissoojus näirab, kui suur soojushulk kulub 1 kg aine sulamiseks või tahkumiseks. Tahkumisel ruumala väheneb, jääl suureneb. Tihedus väheneb.
ƛ = Q / m
Q = ƛm
10 ) aurumine ja kondenseerumine
Aur muutub veeks – kondenseerumine. Vesi muutub auruks – aurumine. Aurumise kiirus sõltub õhu liikumisest , õhuniiskusest, vedeliku temperatuurist, ainest. Aurumisel vedelik jahtub. Soojushulka, mille peab andma kindlal temperatuuril aine massiühikule, et muuta see sama temperatuuriga auruks, nimetatakse aurustumissoojuseks . Aurustumissoojus näitab, kui suur soojushulk kulub 1 kg vedeliku aurustumiseks või kondenseerumiseks jääval temperatuuril. Aurustumissoojus keemistemperatuuril on keemissoojus. Kondenseerumisel vabaneb soojushulk, aurumisel neeldub. Tahkete ainete aurumine – sublimeerumine .
L = Q / m
Q = Lm
11) keemine
Keemise tunnus – mullid paisuvad ja lõhkevad veepinnal ( tekib mulin ). Keemistemperatuur sõltub rõhust. Keemine on intensiivne aurumine.