1. Termodynaaminen systeemi Flashcards
Kerro eri termodynaamisista systeemeistä.
Avoimesta systeemistä puhutaan silloin, kun termodynaamisen systeemin sekä systeemin ulkopuolisen ympäristön välillä tapahtuu vuorovaikutusta, jossa sekä ainetta että energiaa voi siirtyä systeemin ja ympäristön välillä.
Suljetusta systeemistä puhutaan silloin, kun termodynaamisen systeemin ja systeemin ulkopuolisen ympäristön välillä tapahtuu vuorovaikutusta, jossa energiaa voi siirtyä systeemin ja ympäristön välillä, mutta ainetta ei.
Eristetystä systeemistä puhutaan silloin, kun termodynaamisen systeemin ja systeemin ulkopuolisen ympäristön välillä ei siirry ainetta eikä energiaa.
Mitä termodynamiikka on? Mikä on termodynaaminen systeemi?
Termodynamiikka eli lämpöoppi on fysiikan osa-alue, joka tutkii energianmuunnoksia, sekä lämpötilaeroista aiheutuvaa energian ja aineen siirtymistä.
Termodynaamisella systeemillä tarkoitetaan lämpöopin näkökulmasta tarkasteltavaa kokonaisuutta. Esimerkiksi mukillinen kuumaa kahvia muodostaa termodynaamisen systeemin. Termodynaamista systeemiä ympäröivät asiat muodostavat systeemin ulkopuolisen ympäristön. Ympäristön ja termodynaamisen systeemin välillä voi olla vuorovaikutusta, jossa ainetta tai energiaa siirtyy systeemin ja ympäristön välillä.
Mitä tilanmuuttujat ovat?
Termodynaamista systeemiä kuvataan tilanmuuttujien avulla. Tilanmuuttujat määrittävät siten termodynaamisen systeemin tilan. Tilanmuuttujia ovat ainemäärä n, lämpötila T, paine p ja tilavuus V. Jos yksi näistä suureista muuttuu, tapahtuu tilanmuutos, ja koko systeemin tila muuttuu.
Missä olomuodoissa aine voi esiintyä luonnossa? Kerro niistä.
Luonnossa aineella on kolme olomuotoa: kiinteä, neste ja kaasumainen.
Kiinteillä aineilla on usein kiderakenne, jossa jokaisella atomilla tai molekyylillä on oma paikkansa. Kiinteän aineen rakenneosat värähtelevät omien tasapainoasemiensa ympärillä. Rakenteensa vuoksi kiinteillä aineilla on tietty muoto.
Nesteen rakenneosat ovat hyvin lähellä toisiaan, mutta ne eivät ole sidottuja tiettyihin asemiin, vaan ne pääsevät liikkumaan toistensa ohi. Tämän vuoksi neste ottaa aina astian muodon ja sen pinta asettuu vaakasuoraan.
Kaasun rakenneosat ovat nesteeseen verrattuna kaukana toisistaan. Ne liikkuvat suurella nopeudella, ja törmäilevät toisiinsa sekä säilytysastian seinämiin. Kaasu jakautuu tasaisesti täyttäen siten koko astian tilavuuden.
Mitä plasma on?
Plasmaksi kutsutaan kaasua, jonka rakenneosat tai hiukkaset ovat sähköisesti varautuneita. Plasmaa voidaan pitää maailmankaikkeuden neljäntenä olomuotona, sillä se on maailmankaikkeuden yleisin olomuoto.
Mitä on lämpötila?
Lämpötila on tilastollinen suure, joka kuvaa keskimääräistä lämpöliikkeen määrää eli hiukkasten liike-energiaa aineessa. Kun ainetta lämmitetään, aineen rakenneosasten lämpöliike lisääntyy. Mitä enemmän aineen rakenneosilla on liike-energiaa, sitä korkeampi on aineen lämpötila. Lämpötilan kirjaintunnus on T ja yksikkö SI-järjestelmässä kelvin tai celsiusaste. Yhdysvalloissa käytössä on myös fahrenheitaste.
Mikä on absoluuttinen nollapiste?
Kun aineen lämpötila laskee, aineen rakenneosasten lämpöliike hidastuu. Absoluuttinen nollapiste (0K, -273,15 C) kuvaa teoreettista tilannetta, jossa lämpöliike on kokonaan pysähtynyt. Absoluuttista nollapistettä ei kuitenkaan voida saavuttaa, sillä lämpöliike ei voi loppua kokonaan.
Miten lämpötila muutetaan celsiusasteista kelvineihin, toisin päin? Entä lämpötilan muutos?
Celsius -> kelvin = + 273,15
Kelvin -> Celsius = - 273,15
Celsiusasteet ja kelvinasteet käyttävät samaa asteikkoväliä, jonka takia lämpötilan muutos on sama molemmissa yksiköissä.
Miten muutat fahrenheitasteet celsiusasteiksi ja toisin päin? Muutos?
T(F)=9/5C+32
T(C)=5/9(F-32)
Muutos:
T(F)=9/5muutosC
T(C)=5/9muutosF
Miten lämpötila voidaan määrittää?
Lämpötila voidaan määrittää jonkun lämpötilasta riippuvan fysikaalisen ilmiön perusteella. Tällaisia ilmiöitä ovat esimerkiksi sähkönjohtavuus, lämpölaajeneminen ja lämpösäteily.
Miten nestelämpömittari ja kaksoismetallilämpömittari toimivat?
Nestelämpömittareissa hyödynnetään aineen lämpölaajenemista. Kun nestelämpömittarin ympäristön lämpötila nousee, myös mittarin ja sen sisällä olevan nesteen lämpötila nousee joka saa mittarin sisällä olevan neste laajenemaan. Nesteen laajentuessa, sen pinta nousee mittarin lasiputken sisällä, jolloin sen tilavuus kasvaa. Usein mittareissa oleva neste on alkoholia, mutta aiemmin nesteenä käytettiin myös elohopeaa. Lämpötila voidaan lukea korkeutta kasvaneen nestepatsaan pinnalta mittarin asteikon avulla.
Kaksoismetallilämpömittarin toiminta perustuu lämpölaajenemiseen. Kaksoismetalli on liuska, jossa kaksi, pituuden lämpötilakertoimen suhteen eri arvoa omaavaa, metallia on liitetty yhteen. Liuska taipuu, kun toinen metalli lämpölaajenee lämmetessään enemmän kuin toinen.
Miten digitaaliset lämpömittarit toimivat? Miten termopari toimii?
Monissa digitaalisissa lämpömittareissa hyödynnetään aineen sähköisten ominaisuuksien riippuvuutta lämpötilasta. Tällainen lämpötilasta riippuvainen sähköinen ominaisuus on esimerkiksi sähkönjohtavuus. Esim. digitaalisissa kuumemittareissa ja ulkolämpömittareissa.
Termoparissa kahden metallin liitos aiheuttaa jännitteen, jonka suuruus riippuu lämpötilasta. Termoparia voidaan käyttää erittäin kuumissa ja kylmissä olosuhteissa, sekä suurienkin paineen muutoksien vallitessa. Termopari on lisäksi erittäin tarkka.
Miten säteilylämpömittari toimii?
Lämpötilan muuttuminen voi vaikuttaa myös aineen kemiallisiin ominaisuuksiin. Siten lämpömittareissa voidaan hyödyntää esimerkiksi tietoa siitä, että aineen väri muuttuu lämpötilan muuttuessa.
Säteilylämpömittarin toiminta perustuu kohteen lähettämän lämpösäteilyn mittaamiseen. Myös lämpökamera hyödyntää tätä ilmiötä. Esimerkiksi kehon lämpötilan määritys korvan tärykalvon lähettämän säteilyn perusteella.
Mitä sisäenergia on?
Sisäenergia on aineen rakenneosien liike- ja potentiaalienergiaa, joka liittyy siten aineen rakenneosasten lämpöliikkeeseen tai niiden välisiin sidoksiin. Sisäenergian tunnus on U ja yksikkö joule.
Sisäenenergian muutos (termodynamiikka, tilanmuuttujat, lämmitys)
Termodynamiikassa tutkitaan termodynaamisen systeemin sisäenergian muutoksia, sillä sisäenergian täsmällistä määrää ei pystytä määrittämään.
Kun systeemin sisäenergia muuttuu, yksi tai useampi tilanmuuttujista muuttuu.
Kun systeemiä lämmitetään, siihen tuodaan energiaa, ja systeemin sisäenergia kasvaa. Makroskooppisella tasolla havaitaan, että systeemin lämpötila nousee. Mikroskooppisella tasolla systeemin rakenneosasten lämpöliike lisääntyy ja liike-energia kasvaa.
Sisäenergian muutos voi vaikuttaa myös aineen olomuotoon, jolloin aineen atomien välisiin vuorovaikutuksiin liittyvä potentiaalienergia muuttuu.
