10. Aineen lämpeneminen ja jäähtyminen

Question 1

Mitä tapahtuu kun sekoitetaan kylmää ja kuumaa vettä?

Answer 1

Kun sekoitetaan keskenään kylmää ja kuumaa vettä, niiden lämpötilaerot tasoittuvat. Kuuma vesi luovuttaa kylmälle vedelle energiaa, jolloin kylmän veden sisäenergia kasvaa ja kuuman veden sisäenergia puolestaan pienenee. Lämpöä siirtyy kylmän ja kuuman veden välillä niin kauan, kunnes vesimolekyylien keskimääräinen liike-energia on kaikkialla vedessä sama, jolloin myös veden lämpötila on kauttaaltaan sama. Näin on syntynyt termodynaaminen tasapaino.

Question 2

Mitä voidaan sanoa kahdesta eri lämpötilassa olevasta kappaleesta, mikäli ne ovat samassa eristetyssä systeemissä.

Answer 2

Eristetyssä systeemissä energiaa ei siirry termodynaamisen systeemin ja sen ympäristön välillä. Siten jos eristetyssä systeemissä on kaksi lämpötiloiltaan toisistaan poikkeavaa kappaletta, energian säilymislain mukaan lämpötilaltaan suurempi kappale luovuttaa saman verran energiaa kuin kylmä kappale ottaa sitä vastaan.

Question 3

Mitä tapahtuu kun ainetta lämmitetään? Entä jäähtyessä? Laskukaava

Answer 3

Kun ainetta lämmitetään, sen rakenneosasten lämpöliike lisääntyy ja lämpötila nousee. Aineen rakenneosasten liike-energian kasvu johtaa myös aineen sisäenergian kasvuun. Energiaa varastoituu kappaleeseen sitä enemmän, mitä suurempi sen massa on, ja mitä suurempi on lämpötilan muutos. Jäähtyessään aine luovuttaa tätä varastoimaansa energiaa.

Aineen lämpötilan muuttuessa se siis joko vastaanottaa tai luovuttaa energiaa. Siirtyvä energia Q (lämpö) voidaan laskea:
Q=cm(delta)T

Energia Q ilmenee aineen sisäenergian muutoksena.

Question 4

Mitä tarkoittaa ominaislämpökapasiteetti?

Answer 4

Eri aineet lämpenevät eri tavoin. Ominaislämpökapasiteetti on aineelle ominainen suure, joka kuvaa aineen kykyä sitoa eli varastoida energiaa. Ominaislämpökapasiteetti kertoo, kuinka monta joulea energiaa yksi kilogramma ainetta vaatii lämmitäkseen yhden kelvinasteen.
Kirjaintunnus: c
Yksikkö: J/kg*K

Question 5

Mitä tarkoittaa lämpökapasiteetti?

Answer 5

Lämpökapasiteetti on kappaleelle ominainen suure, joka kuvaa kappaleen kykyä sitoa eli varastoida energiaa. Lämpökapasiteetti kertoo, kuinka monta joulea energiaa tarvitaan, jotta kappaleen lämpötila nousee yhdellä kelvinillä.
Lämpökapasiteetin yksikkö on J/K tai J/celsius

Question 6

Miten kappaleen luovuttama tai vastaanottama energia lasketaan?

Answer 6

Kappaleen luovuttama tai vastaanottama energia lasketaan suureyhtälöllä:

Q=C(delta)T

josta C eli lämpökapasiteetti lasketaan:

C=cm

Jos kappale koostuu useammasta kuin yhdestä aineesta, saadaan koko kappaleen lämpökapasiteetti laskemalla sen eri osien lämpökapasiteetit keskenään.

Question 7

Mitä tarkoitetaan teholla? Miten se voidaan laskea?

Answer 7

Teho kuvaa energian siirtymis- tai muuntumisnopeutta. Laitteen teho kertoo, kuinka paljon energiaa laite siirtää yhdessä sekunnissa. Esimerkiksi mikäli on vedenkeitin, joka toimii 2000 W vakioteholla, siirtää vedenkeitin sähköverkosta energiaa 2000 J sekunnissa.

Teho voidaan laskea, kun tiedetään siirtyneen energian määrä ja energian siirtoon kulunut aika. Siten:
P=Q/(delta)t

Question 8

Mitä tarkoitetaan kappaleen jäähtymisteholla?
Miten lämpötilan muutosnopeus saadaan laskettua?

Answer 8

Ympäristöään korkeamman lämpötilan omaava kappale luovuttaa energiaa ympäristöönsä. Tässä tapauksessa teholla kuvataan sitä, kuinka paljon kappale kuovuttaa energiaa ympäristöön yhdessä sekunnissa. Jäähtymisteho on sitä suurempi, mitä suurempi on ympäristön ja kappaleen/aineen välinen lämpötilaero.

Kun kuuman kappaleen lämpötilaa mitataan ajan funktiona, saadaan lämpötilan muutosnopeus (t, T)-koordinaatistoon sovitetun suoran fysikaalisesta kulmakertoimesta.