Kasutaja:Zerpent~etwiki/Soojusõpetus
Soojusõpetus on füüsika osa, mis hõlmab molekulaarfüüsikat, termodünaamikat, aine ehituse aluseid ja faasisiirdeid.
Molekulaarfüüsika kirjeldab ainete omadusi, tuginedes kolmele eeldusele:
- kõik ained koosnevad molekulidest
- molekulid on pidevas kaootilises liikumises
- molekulide vahel on vastastikmõju (tõmbe ja tõukejõud)
Aine omadusi kirjeldatakse parameetrite abil. Parameeter on mingi füüsikaline suurus, mis kirjeldab aine olekut või omadusi (nt vedeliku ruumala, molekuli mass). Makroparameetrid on füüsikalised suurused, mida kasutatakse ainekoguse kui terviku soojusliku oleku kirjeldamisel (nt ainekoguse mass, rõhk, ruumala, temperatuur). Suurusi rõhk, ruumala ja temperatuur nimetatakse ka oleku-parameetriteks. Olek on ainekoguse seisund, mis on määratud olekuparameetrite konkreetsete väärtuste kogumiga. Kui ühte olekuparameetrit muuta, muutub ka vähemalt üks teine olekuparameeter. Mikroparameetrid on füüsikalised suurused, mida kasutatakse aine üksiku molekuli kirjeldamisel (nt molekuli mass, molekuli kiirus, molekulide keskmine kiirus, molekulide keskmine kineetiline energia ja kontsentratsioon (molekulide arv ruumalaühikus). Temperatuur on füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha soojuslikku seisundit ja on määratud keha molekulide soojusliikumise kineetilise energiaga. Temperatuuriskaalad: Celsiuse skaala, Fahrenheiti skaala ja absoluutne temperatuuriskaala (Kelvini skaala). Absoluutse skaala nullpunktiks on nn absoluutne nulltemperatuur, so madalaim võimalik temperatuur (mille korral lakkab aatomite ja molekulide liikumine). Celsiuse skaalal vastab sellele –273,15 C. Rõhk on füüsikaline suurus, mis näitab ühikulisele pinnale mõjuvat jõudu: , kus p on rõhk (Pa), S on pindala (m2) ja F on sellele pindalale (S) mõjuv jõud (N). Rõhuühikuid: Paskal (Pa); tehniline atmosfäär (1 at = 1 kgf/cm2 = 98066,5 Pa); elavhõbedasamba kõrgus (1 mmHg = 133 Pa); looduslik atmosfäär (normaalrõhk) (1 atm = 760 mmHg = 101325 Pa); baar (1 bar = 100000 Pa). Ideaalse gaasi olekuvõrrand ja isoprotsessid. Ideaalne gaas on tegeliku (reaalse) gaasi mudel, kus: a) molekulid loetakse punktmassideks; b) molekulide põrgetel anuma seinaga nende kiiruste väärtus ei muutu, muutub ainult kiiruse suund; c) molekulide vahelist vastastikmõju ei arvestata. Ideaalse gaasi olekuvõrrand (Clapeyron’i võrrand) seob omavahel gaasi ruumala V (m3), rõhu p (Pa) ja temperatuuri T (K) kui gaasi mass m (kg) ei muutu (m=const); on gaasi molaarmass (kg/mol) ja R on universaalne gaasikonstant (R = 8,31 J/(molK). Isoprotsess on gaasi üleminek ühest olekust teise nii, et üks kolmest olekuparameetrist (p, V, T) ei muutu. Isobaariline protsess, kui gaasi rõhk ei muutu (Gay-Lussaci seadus): ; kahe oleku võrdlemisel saame ehk . Isokooriline protsess, kui gaasi ruumala ei muutu (Charles’i seadus): ; kahe oleku võrdlemisel saame ehk . Isotermiline protsess, kui gaasi temperatuur ei muutu (Boyle’i - Mariotte’i seadus: ; kahe oleku võrdlemisel saame . Keha siseenergiaks nim keha molekulide kineetilise ja potentsiaalse energia summat. Siseenergia levimist ühelt kehalt teisele nim soojusülekandeks. Soojusülekandes levib siseenergia alati soojemalt kehalt külmemale. Soojusülekande liigid on: 1) soojusjuhtivus, kus energia levib ühelt aineosakeselt teisele molekulidevaheliste põrgete tõttu, ilma et aine ümber paikneks; 2) konvektsioon, kus energia levib gaasi- või vedeliku liikumise tõttu; 3) soojuskiirgus, kus energia levib elektromagnetlainete kiirgamise ja neelamise tõttu. Energiahulka, mida keha soojusvahetuse teel saab või ära annab, nim soojushulgaks (tähistatakse Q, mõõtühikuks on džaul (J)). Soojushulga arvutamiseks kasutatakse valemit: , kus Q on ülekantud soojushulk (J), c on erisoojus ( ) ja T on temperatuuri muut (lõpp- ja algtemperatuuri vahe). Aine võib olla kolmes olekus nn agregaatolekus: gaasiline, vedel või tahke. Soojushulkade arvutamine aine üleminekul ühest agregaatolekust teise (faasisiirdel): 1) sulamine ja tahkestumine – aine muutub tahkest olekust vedelasse ja vastupidi: , kus Q on vastavalt kas sulamiseks vajaminev või tahkestumisel eralduv soojushulk (J), on sulamissoojus (J/kg) ja m on ainekoguse mass (kg).; 2) aurustumine ja kondenseerumine – aine muutub vedelast gaasiliseks ja vastupidi: , kus Q on vastavalt kas aurustumiseks kulunud või kondenseerumisel eralduv soojushulk (J), L on aurustumissoojus (J/kg) ja m on ainekoguse mass (kg). Põlemisel eralduv soojushulk on võrdne kütuse massi ja kütteväärtuse korrutisega: , kus Q on põlemisel eralduv soojushulk (J), m on kütuse mass (kg) ja q on kütuse kütteväärtus (J/kg). Aine erisoojus on soojushulk, mis tõstab ühikulise massiga keha temperatuuri ühe kraadi võrra (ühik on ). Sulamissoojus on soojushulk, mis on tarvis anda ühele massiühikule tahkele ainele sulamistemperatuuril tema sulatamiseks (ühik on J/kg). Aurustumissoojus on soojushulk, mis on vajalik ühe vedeliku massiühiku aurustamiseks jääval temperatuuril (ühik on J/kg). Kütuse kütteväärtus on soojushulk, mis eraldub ühe massiühiku kütuse täielikul põlemisel (ühik on J/kg). Soojusliku tasakaalu võrrand väljendab energia jäävuse seadust soojuslikes protsessides. Soojuse üleminekul ühelt kehalt teisele on ühe keha poolt antud soojushulk võrdne teise keha poolt vastu võetud soojushulgaga: (Qantud = Qvõetud). Sulamine on aine siirdumine tahkest olekust vedelasse. Tahkestumine e kristalliseerumine on aine vedelast olekust tahkesse. Aurustumine on üleminek vedelast olekust gaasilisse. Kondenseerumine e veeldumine on aine üleminek gaasilisest olekust vedelasse. Sublimatsioon on soojendatava tahke aine üleminek gaasilisse olekusse. Gaasilisest olekust tahkesse üleminekut nim härmatumiseks. Keemine on vedeliku intensiivne aurustumine kogu tema ruumala ulatuses (vedeliku küllastunud auru rõhk saab võrdseks välisõhu rõhuga. Termodünaamika printsiibid. Termodünaamika I printsiip: suletud süsteemis süsteemile juurdeantav soojushulk kulub süsteemi siseenergia suurendamiseks ja mehaaniliseks tööks mida tehakse välisjõudude vastu: , kus Q on juurdeantav soojushulk, U on siseenergia muut ja A on välisjõudude vastu tehtud töö (paisumise töö). Suletud süsteem (soojuslikult isoleeritud) on kehade kogum, mis on soojusvahetuses ainult omavahel, mitte aga väljaspool kogumit asuvate kehadega. Siseenergiat mehaaniliseks energiaks muutvat seadet nim soojusmasinaks. Pööratav protsess on süsteemi üleminek ühest olekust teise, mille puhul on reaalselt võimalik esialgsele vastupidises suunas toimuv protsess, st süsteem läbib kõikesialgse protsessi vaheastmed vastupidises järjekorras. Pöördumatu protsessi korral pole olekute vastupidises järjekorras läbimine võimalik. Kõik reaalsed protsessid on mittepööratavad. Termodünaamika II printsiip: soojusülekanne ei saa iseenesest toimuda külmemalt kehalt soojemale; suletud süsteem püüab üle minna korrastatud olekust korrastamata olekusse; protsess, mille ainsaks tulemuseks on soojuse muundumine tööks, ei ole võimalik.
Kehade siseehitus.
Kehad koosnevad osakestest (molekulid, aatomid, ioonid), mis on pidevas ja korrapäratus (kaootilises) liikumises. Mida suurem on molekulide keskmine kiirus, seda kõrgem on keha temperatuur. Molekulide vastasmõju sõltub molekulidevahelisest kaugusest. Tahketes kehades ja vedelikes asuvad molekulid üksteisele väga lähedal, seetõttu on molekulidevahelised jõud suured. Kristallilistes kehades on osakesed paigutatud korrapäraselt, nad ei saa vabalt liikuda, vaid võnguvad kindla punkti ümber. Sellest on tingitud tahkete kehade püsiv ruumala ja kuju. Vedelikes saavad molekulid üksteise suhtes vabalt liikuda. Seepärast muudab vedelik kergesti oma kuju. Normaaltingimustes on gaaside molekulide vahelised kaugused suured ja seetõttu molekulidevahelised mõjujõud väikesed ning gaasidel puudub püsiv ruumala ja kuju. Keha deformeerumisel ja agregaatoleku muutumisel muutub molekulide vastastikune asend.
Keha siseenergia.
Energia on füüsikaline suurus, mis näitaab, kui palju tööd võib keha (või kehade süsteem) teha. Potentsiaalseks energiaks nimetatakse energiat, mis on tingitud kehade või keha osade vastastikusest asendist. Kineetiliseks energiaks nimetatakse energiat, mis on kehal tema liikumise tõttu. Mida suurem on keha mass ja liikumise kiirus, seda suurem on keha kineetiline energia. Keha koostisosakeste liikumise ja vastasmõju energiat nimetatakse keha siseenergiaks. Keha siseenergia hulk sõltub keha temperatuurist, deformatsioonist ja agregaatolekust, ei sõltu aga keha liikumise kiirusest ja tema asendist teiste kehade suhtes. Keha siseenergia hulka võib muuta kahel viisil – mehaanilise töö ja soojusülekande kaudu. Keha siseenergia muutusega kaasneb alati mingi teise keha (teiste kehade) energia muutumine. Energia ei kao kuhugi ega teki ka ei millestki, ta ainult muundub ühest liigist teise või läheb üle ühelt kehalt teisele.
Soojusülekande liigid.
Soojusjuhtivus on soojuse ülekandmise protsess keha soojematelt osadelt külmematele, mis viib temperatuuride võrdsustumisele. Soojusjuhtivus esineb tahketes kehades, vedelikes ja gaasides. Soojusjuhtivuse korral toimub energia ülekandmine ühtedelt aineosakestelt teistele aine enda ümberpaiknemiseta. Metallid on head soojusjuhid, teised tahked kahad halvemad. Vedelikud ja gaasid on halvad soojusjuhid. Konvektsioon on soojusülekanne vedelikes ja gaasides selle keskkonna aineosakeste ümberpaiknemise teel. Loomuliku konvektsiooni korral toimub aine liikumine keskkonna erinevate kihtide temperatuuride erinevuse ja sellest tingitud tiheduse erinevuste tõttu. Kõik kuumutatud kehad annavad soojust teistele kehadele kiirguse teel. Mida kõrgem on keha temperatuur, seda rohkem energiat kaotab ta kiirguse teel. Samal temperatuuril kiirgavad tumedapinnalised kehad rohkem soojust kui heledapinnalised ja jahtuvad seetõttu kiiremini. Tumedapinnalised kehad neelavad rohkem soojust ja soojenevad seepärast kiiremini kui heledapinnalised. Soojusülekanne toimub alati kindlas suunas – kõrgema temperatuuriga kehadelt madalama temperatuuriga kehadele.
Soojushulk.
Siseenergia hulka, mille keha saab võib kaotab soojusülekande protsessis, nimetatakse soojushulgaks. Keha kuumutamiseks vajalik (jahtumisel vabanev) soojushulk sõltub selle keha ainest, massist ja temperatuuri muutumise ulatusest. Q=cm(t2-t1). Erisoojus näitab, kui mitme dþauli või kalori võrra suureneb antud aine 1 kg siseenergia selle aine soojendamisel 1 kraadi võrra. Vee erisoojus on teiste ainete erisoojustega võrreldes suur. Soojushulka, mis eraldub 1 kg kütuse täielikul ärapõlemisel, nimetatakse kütuse kütteväärtuseks.
Kristalliliste ainete sulamine ja tahkumine.
Iga kristalliline aine sulab teatud kindlal temperatuuril. Kristallilised ained tahkuvad samal temperatuuril, millel nad sulavad. Kristallilise aine sulamise ja tahkumise vältel keha temperatuur ei muutu. Keha kuumutamisel sulamistemperatuurini kasvab aineosakeste keskmine kineetiline energia ja seetõttu nende võnkumiste hälve sedavõrd, et aineosakeste korrapärane paigutus kristallis hävib. Aine jahtumisel hakkavad aeglaselt liikuvate aineosakeste vahel mõjuma tõmbejõud ning osakesed paigutuvad jälle korrapäraselt. Energia, mille saab sulamistemperatuurini kuumutatud kristalliline aine üleminekul vedelasse olekusse, kulub aine kristallide lõhkumiseks. Energia hulka, mis on vajalik 1 kg kristallilise aine sulatamiseks sulamistemperatuuril, nimetatakse selle aine sulamissoojuseks. Sulamistemperatuuril on 1 kg mingi aine siseenergia vedelas olekus sulamissoojuse võrra suurem kui sama ainekoguse siseenergia tahkes olekus. Tahkumisel vabaneb niisama palju energiat, kui kulub selle aine sulatamiseks. Tahkumisprotsessis vabanev siseenergia kompenseerib aine jahtumisest tingitud energiakaod, seepärast tahkumise vältel temperatuur ei muutu. Kristallilise aine sulamistemperatuur sõltub aineosakeste keskmisest potentsiaalsest energiast.
Aurumine, kondenseerumine, keemine.
Aurumiseks nimetatakse nähtust, kus molekulid väljuvad vedeliku pinnakihist õhku. Molekulide üleminekut aurust vedelikku nimetatakse kondenseerumiseks. Aurumine toimub mistahes temperatuuril, sest vedelik sisaldab igal temperatuuril kiiresti liikuvaid molekule. Aurumise kiirus sõltub vedelikust, temperatuurist, vedeliku vaba pinna suurusest ja õhu liikumise kiirusest vedeliku kohal. Auruva vedeliku siseenergia väheneb, sest vedelikku jäänud molekulide keskmine kiirus ja seega ka kineetiline energia väheneb. Külma kehaga kokkupuutumisel aur kondenseerub, millega kaasneb energia vabanemine. Keemine on aurustumisprotsess, kus aurumine toimub vedeliku kogu ruumala ulatuses. Iga vedelik keeb teatud temperatuuril – keemistemperatuuril. Keemise jooksul vedeliku temperatuur ei muutu. Keemisel vedelikule juurde antud soojushulk kulub tekkinud auru energia suurendamiseks. Energiahulka, mis on vajalik 1 kg vedeliku aurustamiseks püsival temperatuuril, nimetatakse aurustumissoojuseks. Aurustumissoojus näitab, kui palju suureneb 1 kg aine energia üleminekul vedelast olekust gaasilisse püsival temperatuuril. Kondenseerudes annab aur ära niisama palju energiat, kui oli tarvis auru tekitamiseks samal temperatuuril.
Temperatuur
Keha ruumala muut on võrdeline temperatuuri muuduga. Aine siseenergiaks nimetatakse aineosakeste kineetilise ja potentsiaalse energia summat Mida kiiremini liiguvad aineosakesed, seda kõrgem on aine temperatuur. Mida intensiivsem on soojusliikumine, seda soojem on keha. Temperatuur, mõõdetuna absoluutses temperatuuri skaalas, on võrdeline aineosakeste keskmise kineetilise energiaga.
Soojusnähtused
Keha või kehaosa soojenemisel keha siseenergia suureneb, jahtumisel aga väheneb.
Soojusülekandeks nimetatakse siseenergia levimist ühelt kehalt teisele või ühelt kehaosalt teisele.
Soojusülekanne liigitatakse siseenergia ülekande viisi alusel soojusjuhtivuseks, konvektsiooniks ja soojuskiirguseks.
Soojusülekandes levib siseenergia soojemalt kehalt külmemale kehale – seejuures soojema keha siseenergia väheneb ja külmema keha siseenergia suureneb.
Soojusülekanne kestab seni, kuni kehade temperatuurid võrdsustuvad.
Soojusliku tasakaalu korral puudub kehade vahel soojusülekanne.
Soojusjuhtivuseks nimetatakse soojusülekannet, kus energia levib ühelt aineosakeselt teisele, ilma et aine ümber paikneks.
Konvektsiooniks nimetatakse soojusülekannet, kus energia levib vedeliku- või gaasivoolude liikumise tõttu.
Soojuskiirguseks nimetatakse soojusülekannet, kus energia levib kiirgusena.
Mida kõrgem on keha temperatuur, seda intensiivsem on soojuskiirgus.
Mida tumedam on kiirgava keha pind, seda intensiivsem on soojuskiirgus.
Soojus hulgaks nimetatakse siseenergia hulka, mille keha saab või kaotab soojusülekandel.
1 kalor on soojushulk, mis on vajalik 1grammi vee temperatuuri tõstmiseks 1 °C võrra.
Aine erisoojus (c) näitab, kui palju muutub 1 kg aine siseenergia selle aine temperatuuri muutmisel 1 °C võrra.
Sulamissoojuseks (l) nimetatakse 1 kg aine sulatamiseks kuluvat soojushulka (Q).
Aurustumissoojus (L) näitab, kui suur soojushulk kulub 1 kg vedeliku aurustumiseks jääval temperatuuril.