Energia, työ ja lämpö

Yksinkertaisimmillaan fysiikka kuvaa yksittäisen jäykän kappaleen liikettä. Liike muuttuu vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa ja fysiikan mallien avulla liikettä voidaan ennustaa hyvinkin tarkasti. Sama pätee yksittäisen hiukkasen liikkeeseen, hiukkasfysiikan teorioiden ennusteet ovat uskomattoman tarkkoja.


Jos kaiken aineen kuvitellaan koostuvan hiukkasista, voisi siten ajatella fysiikan pystyvän ennustamaan kaikenlaisten systeemien kehitystä ajan kuluessa hyvällä tarkkuudella. Mihin enää tarvitaankaan muita tieteitä, jos kaikki on pohjimmiltaan fysiikkaa ja fysiikka kuvaa kaikkea?


Käy kuitenkin niin, että kahden kappaleen (tai hiukkasen) liikkeen ennustaminen vielä onnistuu, mutta jo kolmen kappaleen kanssa alkaa tulla ongelmia. Kappaleiden välisten vuorovaikutusten määrä kasvaa nopeasti kappaleiden lukumäärän mukana ja jokaisen yksittäisen kappaleen liikkeen ennusteisiin liittyvät epävarmuudet kertautuvat. Monen hiukkasen järjestelmistä tulee nopeasti kaoottisia, jolloin niiden kehitystä ei enää osata ennustaa kovinkaan pitkälle tulevaisuuteen.

Tutustu tarkemmin monen kappaleen ongelmaan:

Aineen ominaisuuksien tarkastelua sen rakenneosasten tasolla kutsutaan mikroskooppiseksi kuvaukseksi. Makroskooppinen kuvaus taas tarkastelee suuren hiukkasjoukon keskimääräisiä ominaisuuksia. Osaamme esimerkiksi ennustaa taivaankappaleiden liikkeitä varsin hyvin ottamatta millään tavalla kantaa jokaisen yksittäisen atomin liikkeeseen.


Vesilasillisessa on suuruusluokaltaan noin 10²⁵ vesimolekyyliä. Tämän systeemin mikrotason mallintamiseen tarvittaisiin jokaisen molekyylin paikka ja nopeus erittäin suurella tarkkuudella - ja senkin jälkeen systeemin kehitys olisi erittäin herkkä näiden pienillekin alkuperäisille epätarkkuuksille. Edes supertietokoneet eivät pysty tähän, mutta se ei tarkoita sitä etteikö fysiikan avulla voisi ollenkaan ennustaa vesilasillisen ominaisuuksia.


Makrotasolla meitä voisi kiinnostaa esimerkiksi vesimolekyylien keskimääräinen nopeus ja sen kehitys. Tähän tarvitaan vain yhden suureen arvo ja siihen fysiikka kykenee. Keskimääräinen nopeus liittyy vesilasin lämpötilaan, joten se on itseasiassa jopa kotikonstein mitattavissa.

Mikro- ja makrotason kuvailut eivät ole toisilleen vastakkaisia tai toisensa poissulkevia vaan ne täydentävät toisiaan. Monimutkaisetkin makrotason ilmiöt ovat seurausta mikrotason ilmiöistä, vaikka tätä suhdetta ei usein osatakaan kuvata kovin yksityiskohtaisesti. Samalla tapaa voit ajatella vaikkapa elokuvan koostuvan yksittäisten pikseleiden aikakehityksestä. Vaikka tämä tieto voikin olla hyödyllinen, siitä ei ole paljonkaan apua silloin, kun haluat selittää kaverillesi mitä elokuvassa tapahtui. Elokuvan ja pikseleiden ominaisuuksiin käytetään erilaista sanastoa - samoin mikro- ja makrotason ilmiöitä kuvataan erilaisilla suureilla.

Lämpöoppi ja sen suureet

Kun tarkastelemme putoavan pallon liikettä, meitä kiinnostavat sellaiset suureet kuten:

• Paikka (m)

• Aika (s)

• Nopeus (m/s)

• Kiihtyvyys (m/s²)

Nämä suureet toimivat sekä mikro- että makrotason ilmiöitä tarkasteltaessa. Jos taas haluamme kuvata laajenevaa ilmapalloa, tulee mieleen sellaisia suureita kuten:

• Tilavuus (m³)

• Lämpötila (K)

• Paine (Pa)

Näitä suureita taas voi käyttää ainoastaan makrotasolla, ne eivät sovellu esimerkiksi yksittäisen hiukkasen liikkeen tarkasteluun. Suureet ovat erilaisia, sillä tarkasteltava ilmiö on erilainen. Ilmapallon ei tarvitse liikkua, jotta sen ominaisuuksissa voi tapahtua kiinnostavia muutoksia, sillä muutokset voivat tapahtua systeemin sisällä.

Termodynaamiset systeemi

Lämpöoppi eli termodynamiikka tarkastelee fysikaalisia systeemejä niiden tilamuuttujien avulla. Tilamuuttujia ovat esimerkiksi lämpötila, tilavuus ja paine. Systeemiksi käy esimerkiksi aiemmin mainitut vesilasi tai ilmapallo, mutta systeemi voi koostua myös useammasta osasta, kuten vaikkapa ilmapallon lämmittämiseen käytettävä systeemi: {ilmapallo, vesihaude, huoneilma}. Samaa tilannetta voi tarkastella useamman eri systeemin näkökulmasta, joten kannattaa aina olla tarkkana sen suhteen mistä systeemistä kulloinkin puhutaan.

Systeemejä voi luokitella esimerkiksi sen mukaan miten ne vuorovaikuttavat ympäristönsä kanssa: ne voivat olla joko avoimia, suljettuja tai eristettyjä.

Vesilasi on esimerkki avoimesta systeemistä, joka voi vaihtaa ympäristönsä kanssa sekä energiaa (esimerkiksi lämpöä) että ainetta (esimerkiksi vesihöyryä). Jos lasi suljetaan kannella ja estetään siten aineen siirtyminen lasin ja ympäristön välillä, tulee systeemistä suljettu. Jos vielä energiankin siirtyminen saadaan estettyä esimerkiksi vaihtamalla lasi hyvään termosmukiin, on kyseessä eristetty systeemi.

Luonnossa systeemit ovat lähes aina avoimia, jos niitä katsotaan riittävän tarkasti. Täysin eristettyjä systeemejä taas on hankala löytää. Eristetyn systeemin mallintaminen on kuitenkin huomattavasti helpompaa kuin avoimen systeemin, joten useimmiten pyritään tutkimaan systeemejä, jotka ovat riittävän lähellä eristettyä, jotta eristetyn systeemin mallia voidaan käyttää.

Täysin eristetyn systeemin ongelma on myös se, ettei sen kanssa voi vuorovaikuttaa. Tämä taas tekee mittaamisesta ja siten fysiikasta mahdotonta.

Onko laajeneva ilmapallo avoin, suljettu vai eristetty systeemi?

Aineen olomuodot

Tavallinen arkipäiväinen aine koostuu atomeista. Atomeissa on protonien ja neutronien muodostama pieni raskas ydin, jonka ulkopuolella ovat elektronit. Atomit voivat muodostaa ioniyhdisteitä ja molekyylejä, joissa atomit ovat toisissaan kiinni erilaisin sidoksin. Esimerkiksi vesimolekyylissä kaksi vetyä on kiinni happiatomissa kovalenttisilla sidoksilla.

Suuressa joukossa atomeja tai molekyylejä rakenneosasten väliset sidokset voivat olla erilaisia. Esimerkiksi nestemäisessä vedessä vesimolekyylit kiinnittyvät toisiinsa niin kutsutuin vetysidoksin, jotka ovat seurausta yhden vesimolekyylin happiatomin ja vierekkäisen vesimolekyylin vetyatomin välillä olevasta vetävästä vuorovaikutuksesta.

Vesi

Aineen sanotaan olevan eri olomuodoissa riippuen siitä miten sen rakenneosaset ovat sitoutuneet toisiinsa. Arkipäiväisen aineen eri olomuodot ovat kiinteä, neste ja kaasu.

Mitkä veden olomuodot ovat kuvassa?

Kiinteässä aineessa sidokset ovat voimakkaimmat. Esimerkiksi jäässä vesimolekyylit muodostavat jäykän säännöllisen hilan, jossa vierekkäiset molekyylit ovat kiinni toisissaan eivätkä molekyylit pääse liikkumaan toistensa suhteen. Kiinteille aineille tyypillistä onkin, että niiden muotoa on usein vaikea muuttaa - toisin kuin nesteet ja kaasut, kiinteät aineet voivat murtua.

Nesteissä rakenneosasten väliset sidokset ovat edelleen voimakkaat, mutta osaset eivät ole lukittuina paikalleen, vaan ne pääsevät liikkumaan toistensa suhteen. Esimerkiksi nestemäisessä vedessä molekyylit pääsevät liikkumaan vapaasti, mutta kullakin hetkellä toisiaan lähellä olevien molekyylien välillä on voimakkaat vetysidokset

Kaasuissa molekyylit pääsevät liikkumaan kaikkein vapaimmin ja rakenneosasten väliset sidokset ovat kaikkein heikoimmat. Osasten väliset etäisyydet ovat huomattavasti suuremmat kuin kiinteissä aineissa tai nesteissä, mistä samalla seuraa kaasujen suurempi tilavuus.

Myös muita olomuotoja on olemassa kuin nämä kolme. Esimerkiksi plasmassa aine ei enää muodostu atomeista, vaan atomiytimet ja elektronit ovat irtautuneet toisistaan. Tähdissä oleva aine on pääosin plasmaa ja siksi lopulta vain pieni osa kaikesta näkyvästä aineesta on meille tutuissa kolmessa olomuodossa.

Aineen olomuodonmuutoksiin palataan luvussa Olomuodonmuutokset. Se missä olomuodossa aine on riippuu vallitsevista olosuhteissa, käytännössä lämpötilasta ja paineesta. Lämpötilan kasvattaminen vie tyypillisesti kohti kaasumaista ainetta, kun taas paineen kasvattaminen vie kohti kiinteää olomuotoa, joskaan suinkaan aina näin ei ole.

Lämpöliike ja lämpötila

Kun jäätä lämmittää, vesi sulaa ensin nesteeksi ja lopulta höyrystyy kaasuksi. Samalla vesimolekyylien väliset sidokset heikentyvät - alemmissa lämpötiloissa sidokset ovat voimakkaampia kuin korkeissa lämpötiloissa. Muutoksen voidaan ajatella olevan seurausta lisääntyneestä lämpöliikkeestä.

Lämpöliikkeellä tarkoitetaan aineen rakenneosasten liikettä, joka voi olla suoraviivaista liikettä, pyörimistä tai esimerkiksi molekyylien värähtelyä. Lämpöliike on aina satunnaista, eli se tapahtuu satunnaisiin suuntiin eikä ole siten täydellisesti ennustettavissa. Lämpöliikkeeseen liittyvää energiaa kutsutaan lämpöenergiaksi - mitä enemmän lämpöenergiaa, sitä enemmän lämpöliikettä. Kun aineen lämpötilaa nostetaan, sen lämpöenergia kasvaa ja lämpöliike lisääntyy

Kiinteässä aineessa lämpöliikkeen lisääntyminen tarkoittaa yleensä värähtelyliikkeen lisääntymistä, sillä kiinteässä hilassa rakenneosaset eivät pääse muilla tavoin liikkumaan. Esimerkiksi jään vesimolekyylit värähtelevät edestakaisin sitä nopeammin, mitä korkeammaksi lämpötila nousee. Jos jäätä taas viilennetään, pienenee tämä värähtely mitä lähemmäs absoluuttista nollapistettä tullaan, kunnes se loppuu lopulta (periaatteessa) kokonaan. Käytännössä kaikkea liikettä ei saada koskaan pysäytettyä, mutta esimerkiksi Aalto-yliopiston kylmälaboratoriossa päästään erittäin lähelle, noin sataan pikokelviniin.

Lue lisää: https://www.aalto.fi/fi/uutiset/nature-physics-lehdessa-julkaistussa-kommenttisarjassa-kylmafysiikkaa

Kun lämpötila kasvaa riittävän korkeaksi (normaalipaineessa nollaan celsiusasteeseen), on vesimolekyylien keskimääräinen lämpöliike riittävän suuri rikkomaan kiinteässä hilassa olevat sidokset ja vesi muuttuu nesteeksi. Nestemäisen veden lämpöenergiaa voidaan edelleen lisätä, kunnes sitä on riittävästi (normaalipaineessa sata celsiusastetta) ja vesi höyrystyy vesihöyryksi ja molekyylien väliset sidokset muuttuvat lähes olemattomiksi.

Nesteissä ja kaasuissa aineen lämpötila T voidaan liittää aineen rakenneosasten keskimääräiseen liike-energiaan, eli käytännössä niiden keskivauhtiin. Esimerkiksi huoneenlämpötilassa (20 C) ilmamolekyylien keskimääräinen vauhti on noin v ≈ 464 m/s . Nopeudesta puhuminen ei tarkalleen ottaen ole mielekästä, sillä molekyylit liikkuvat eri suuntiin (jos suuntajakauma on tasainen, on keskinopeus nolla, mutta keskivauhti nollasta poikkeava). Samalla käy selväksi, että lämpötila on olemassa vain suurelle joukolle hiukkasia, sillä se on hiukkasjoukon keskimääräinen ominaisuus. Lämpötilasta voidaan puhua vain makroskooppisissa systeemeissä, eikä yksittäisille hiukkasille voida määrittää lämpötilaa.

Kiinteissä aineissa lämpötilan määritteleminen keskimääräisen vauhdin avulla ei ole ihan yhtä yksinkertaista, mutta silloinkin sen voi ajatella vastaavan samassa lämpötilassa olevan kaasun tai nesteen molekyylien keskivauhtia.

Huomaa, että lämpötilan nostaminen ei riko molekyylien sisäisiä sidoksia.

Lämpötilan yksikkö SI-järjestelmässä on kelvin (K). Kelvinasteikolla absoluuttisen nollapisteen lämpötila on 0 K ja niin kutsutun veden kolmoispisteen lämpötila on 273,16 K. Kolmoispisteeseen palataan luvussa Olomuodonmuutokset. Celciusasteet ovat suuruudeltaan samankokoisia kuin kelvin-asteet, niiden nollakohta on vain sovittu eri paikkaan (veden sulamispisteeseen normaalipaineessa). Asteikkojen nollakohtien ero on 273,15 astetta, joten kelvinit voi siten aina muuttaa celsiusasteiksi ja toisinpäin lisäämällä tai vähentämällä tämän verran asteita. Esimerkiksi 20 º C on 293, 15 K. Koska asteet ovat kummallakin asteikolla yhtä suuria, ovat lämpötilaerot aina yhtä suuret kummassakin yksikössä, esimerkiksi ero lämpötilojen 0 ºC ja 20 ºC välillä on ∆T = 20 ºC = 20 K

Kelvinasteen suuruus on nykyisin määritelty niin kutsutun Boltzmannin vakion avulla. Selvitä mitä tämä vakio ilmaisee.

Paine

Lämpötilan ja tilavuuden lisäksi lämpöopin keskeisiin suureisiin lukeutuu paine, jonka symboli on p ja SI-yksikkö on pascal (Pa). Paineelle käytetään yleisesti myös suurempaa yksikköä baari (bar): 1 bar = 10 Pa.

Paine määritellään voiman avulla. Kun tunnet jonkin voiman vaikutuksen kehossasi, on itseasiassa kyse paineen tuntemuksesta. Esimerkiksi 60 kg vastaava noin 590 N paino tuntuu jalkapöydälläsi ikävältä, jos se välittyy lenkkitossun kautta, mutta tuntemus on aivan toista luokkaa, jos se välittyy korkokengän koron välityksellä. Kyse on erilaisista paineista.

Jonkin voiman aiheuttama paine määritellään pinnalle tulevan kohtisuoran voiman suuruuden suhteena pinta-alaan:

Kumpaan pintaan kohdistuu suurempi paine?

Mitä pienemmälle pinnalle voima kohdistuu, sitä suuremmaksi paine kasvaa. Yhtälöstä nähdään samalla miten paineen yksikkö voidaan kirjoittaa meille ennestään tuttujen yksiköiden avulla: Pa = N/m².

Lämpöopissa meitä kiinnostaa usein kaasujen ja nesteiden paine, joka muodostuu monien voimien keskimääräisestä vaikutuksesta.

Mikrotasolla voidaan ajatella, että esimerkiksi suljetussa astiassa olevan kaasun molekyylit törmäilevät astian seiniin ja kohdistavat niihin astiasta ulospäin kohdistuvan voiman. Törmäykset liittyvät molekyylien lämpöliikkeeseen, joten ne ovat täysin satunnaisia ja mikrotasolla seiniin kohdistuvat voimat ja siten myös paine vaihtelevat jatkuvasti. Suurella hiukkasmäärällä törmäysten aiheuttama kokonaisvaikutus on kuitenkin likimain vakio ja kaasun paineella tarkoitetaan tätä keskimääräistä painetta.

Kaasuissa ja nesteissä paine jakautuu tasaisesti koko aineeseen, eli esimerkiksi ilmapallon eri puolilla vallitsee aina sama paine. Ilmapallon sisällä on kaasua, joka aiheuttaa sen seinämiin ulospäin suuntautuvan paineen. Sen ulkopuolella on kuitenkin myös kaasua, joka aiheuttaa puolestaan sisäänpäin suuntautuvan paineen. Silloin, kun nämä kaksi painetta ovat yhtä suuret saavutetaan tasapaino, jossa kumpaankin suuntaan vaikuttavat keskimääräiset voimat ovat yhtä suuret ja vastakkaissuuntaiset, jolloin ilmapallon tilavuus pysyy vakiona.

Ilmanpaine ja hydrostaattinen paine

Ilmakehän kaasujen aiheuttama paine vaikuttaa meihin jatkuvasti ja joka puolelta. Maanpinnan tasolla normaali ilmanpaine on suuruudeltaan

101325 Pa = 1,01325 bar = 1 atm

Viimeisin yksikkö on käytössä nimenomaan ilmanpaineeseen viitattessa. (Se on niin lähellä baaria, että myös baarilla viitataan normaaliin ilmanpaineeseen silloin kun ei tarvita suurta tarkkuutta.) Kun ilmanpaine ylittää normaalin ilmanpaineen, puhutaan korkeapaineesta ja normaalin ilmanpaineen alittuessa matalapaineesta.

Ilmakehä on tiheimmillään lähellä maanpintaa ja ohenee ylöspäin mentäessä, samalla ilman aiheuttama paine pienenee. Ihmiselle tavallista harvempi ilma hankaloittaa hapensaantia korkeissa ilmanaloissa ja aiheuttaa huimausta ja pahimmillaan vuoristotautia. Esimerkiksi lentokoneen hytti paineistetaan lähelle normaalia ilmanpainetta, sillä normaaleissa lentokorkeuksissa ilman happipitoisuus on vaarallisen alhainen. Alhaisempi paine vaikuttaa tietenkin myös muihin fysikaalisiin systeemeihin: esimerkiksi veden kiehumiste Mt. Everestin laella on vain noin 68 celsiusastetta.

Ilmanpaine on seurausta ilmakehän kaasujen painosta. Kaasut ovat sen verran harvoja, että vaikka ilmakehän paksuus on satoja kilometrejä, ei paine kasva kovin suureksi maanpinnan lähellä. Toisin käy kaasuja huomattavasti tiheämmissä nesteissä. Esimerkiksi veden alla kymmenen metrin syvyydellä vallitsee jo noin kaksinkertainen paine maan pintaan verrattuna. Nesteen aiheuttamasta paineesta käytetään nimitystä hydrostaattinen paine.

Ilmapallon sisäinen paine on tasapainossa ulkoisen paineen kanssa.

Mitä ilmapallolle tapahtuu, jos se viedään esimerkiksi tyhjiöön tai syvälle veden alle?

Millainen vaikutus korkeapaineella ja matalapaineella on säätilaan?

Katso mitä hanskalle tapahtuu, kun ympäröivä paine pienenee.

Katso miten paine vaikuttaa veden kiehumiseen.

Kuten kaasujen paine, myös hydrostaattinen paine kohdistuu jokaisessa kohdassa samansuuruisena kaikkiin suuntiin. Mutta toisin kuin kaasuissa, nesteessä paineen suuruus muuttuu merkittävästi jo lyhyillä etäisyyksillä, eli nesteessä esimerkiksi päälakesi korkeudella paine voi olla merkittävästi erisuuruinen kuin jalkojesi kohdalla. Hydrostaattisen paineen suuruus saadaan laskukaavalla

ph = ρgh,

missä ρ on nesteen tiheys, g on putoamiskiihtyvyys ja h on syvyys nesteen pinnasta. Hydrostaattiseen paineeseen tutustutaan tarkemmin FY4-kurssilla.

Vedenalaisella kokonaispaineella tarkoitetaan ilmanpaineen ja hydrostaattisen paineen summaa. (Samoin esimerkiksi auton rengaspaineissa puhutaan ylipaineesta ja kokonaispaineesta). Fysiikan ongelmissa kannattaa olla tarkkana tarvitaanko juuri hydrostaattisen paineen suuruus vai kokonaispaineen suuruus.

Esimerkki: Tavallisin laitesukelluskelpoisuus sallii sukeltamisen 18 m syvyyteen. Kuinka suuri voima tällä syvyydellä kohdistuu ulkopuolelta sukellusmaskiin, jonka pinta-ala on 65 cm² ?

Ratkaisu: Maskiin kohdistuvan voiman suuruus saadaan paineen ja pinta-alan avulla

Paineen laskukaavassa voima ja pintaala ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan, mutta tässä tapauksessa suunnilla ei ole merkitystä, sillä hydrostaattinen paine kohdistuu tasaisesti kaikkiin suuntiin.

Koska meitä kiinnostaa ulkopuolelta tuleva kokonaisvoima, tarvitsemme laskuun kokonaispaineen, joka on ilmanpaineen ja hydrostaattisen paineen summa. Veden tiheydelle voidaan käyttää 20º C veden tiheyden taulukkoarvoa ρ = 998 kg/m³ :

Voimaksi saadaan:

Vastaus: Maskiin kohdistuu ulkopuolelta noin 180 N voima. Voima on melko suuri ja painaisi maskin erittäin tiukasti kasvoihin kiinni. Maskiin kohdistuu kuitenkin ilmanpaineen aiheuttama voima myös maskin sisäpuolelta. Hengittämällä paineistettua ilmaa maskin sisäpuolelle sukeltaja voi tasapainottaa maskiin sisä- ja ulkopuolelta kohdistuvat voimat, jolloin maski tuntuu samalta kuin veden pinnalla.

Tärkeintä ei usein ole yksittäinen esineeseen kohdistuva voima, vaan kaikkien voimien yhteisvaikutus.

Tehtävät

Klikkaa tehtävää nähdäksesi vastauksen.

1. Selitä mitä tarkoitetaan kun puhutaan termodynaamisten systeemeiden havainnoinnista

a) makrotasolla

b) mikrotasolla?

a) Kun termodynaamisia systeemejä tarkastellaan makrotasolla niin kutsuttujen makrotason suureiden, lämpötilan, paineen ja tilavuuden avulla. Voidaan sanoa, että makroskooppinen kuvaus tarkastelee suuren hiukkasjoukon keskimääräisiä ominaisuuksia. Makrotasolla tarkastellaan aistein havaittavia ominaisuuksia.

b) Termodynaamisen systeemin makroskooppiset ominaisuudet selitetään monesti mikrotason rakennehiukkasten liikkeen avulla. Esimerkiksi kaasun paine aiheutuu sen rakenneosasten törmäyksistä. Suurempi rakennehiukkasten nopeus tarkoittaa suurempaa painetta. Toisaalta myös kaasun lämpötilan nousu kuvataan mikrotason rakennehiukkasten liikehdinnän lisääntymisenä. Mikrotason tarkastelu on siis nimensä mukaisesti systeemin pienen pienien rakenneosasten tarkastelua.

2. Onko seuraavissa termodynaamisia systeemejä kuvaavissa ilmauksissa mielestäsi enemmän kyse mikro- vai makrotasosta? Kopioi taulukko ja merkitse oikeaan sarakkeeseen joko MI tai MA.

Katso mallivastaukset

3. Tarkastele suureita tilavuus (m³), paikka (m), aika (s), lämpötila (K), nopeus ( m/s ), kiihtyvyys ( m/s²) ja paine (Pa).

a) Mitä luetelluista suureista käyttäisit kuvaillessasi makrotason kappaleen liikettä?

b) Mitä luetelluista suureista käyttäisit kuvaillessasi termodynaamista systeemiä mikrotasolla?

c) Miksi?

a) Paikka, nopeus, kiihtyvyys

b) Lämpötila, paine, tilavuus

c) Katso mallivastaukset

4. a) Täytä oheinen mallikuva kuvaillaksesi termodynaamisen systeemin perustyyppejä.

b) Kuvaile sanallisesti miten termodynaamisen systeemin kolme perustyyppiä eroavat toisistaan.

c) Jos luonnossa esiintyvät systeemit ovat yleisesti ajatellen miltein kaikki avoimia miksi tieteen kehityksen kannalta on ollut ja on edelleen oleellista tutkia suljettuja systeemejä?

a) Katso mallivastaukset

b) Eristettyyn systeemiin ei kulkeudu eikä sieltä kulkeudu ainetta eikä energiaa, eli se on nimensa mukaisesti eristetty ympäristöstään. Suljettu systeemi taas vaihtaa ympäristönsä kanssa energiaa mutta ei ainetta. Avointa systeemiä ei ole eristetty eikä suljettu ympäristöstään, eli se vaihtaa ympäristönsä kanssa ainetta ja energiaa.

c) Tieteentekemisen yhtenä eteenpäinvievänä voimana voi pitää ilmiöiden syy- ja seuraussuhteiden etsimistä ja ymmärtämistä. Ilmiöiden riippuvuussuhteiden todentaminen tapahtuu yleensä kvantifioiden, eli mitaten numeerisesti, suureen x muutosta suureen y suhteen. Avointa systeemiä tarkastellessa voidaan ajatella, että vain yhtä muuttujaa ei ole mahdollista muuttaa tarkastellakseen toisen muutosta vaan väistämättä muutoksen alaiseksi joutuu useampi muuttuja. Siispä eksplisiittisen syy-seuraussuhteen näyttäminen kahden muuuttujan välillä on rajoittanut tieteenharjoittamisen usein suljettujen systeemien piiriin.

5. Nimeä oheiseen mallikuvaan heliumatomista käsitteet protoni, neutroni ja elektroni.

Katso mallivastaukset

6. a) Mitä maanpäälliselle elämälle oleellista molekyyliä oheinen mallikuva esittää?

b) Nimeä molekyylin atomit havainnekuvaan.

c) Minkä niminen sidos mahdollistaa ko. molekyylin atomien toisiinsa kiinnittymisen? Mikä atomien ominaisuus on mahdollistaa ko. sidosten muodostumisen?

a) Vesimolekyyliä

b) Vesimolekyyli muodostuu yhdestä happiatomista ja kahdesta vetyatomista. Katso mallivastaukset.

c) Vesimolekyylissä kaksi vetyä on kiinni happiatomissa niin kutsutuilla kovalenttisilla sidoksilla. Kovalenttinen sidos on kemiallinen sidos, jossa atomit jakavat elektroneja keskenään tasaisesti. Atomien välille syntyvä molemminpuolinen sähkömagneettinen vetovoima pitää molekyylin koossa. Eli atomien kyky jakaa elektroneja mahdollistaa kovalenttisen sidoksen.

7. a) Nimeä aineen kolme olomuotoa ja selitä millä tavalla ne liittyvät aineen rakenneosasten välisiin sidoksiin?

b) Selitä lyhyesti esimerkin avulla miten aineen olomuoto riippuu vallitsevasta paineesta ja lämpötilasta.

a) Kiinteä, neste ja kaasu. Kiinteässä aineessa sidokset ovat voimakkaimmat. Esimerkiksijäässä vesimolekyylit muodostavat jäykän säännöllisen hilan, jossa vierekkäiset molekyylit ovat kiinni toisissaan eivätkä molekyylit pääse liikkumaan toistensa suhteen. Katso mallivastaukset.

b) Tyypillisesti voi ajatella, että lämpötilan kasvattaminen vie kappaleen olomuotoa kohti kaasumaista missä taas paineen kasvattaminen vie kohti kiinteää olomuotoa. Katso mallivastaukset.

8. Onko olemassa alin mahdollinen lämpötila? Etsi vastauksellesi jokin lämpöteoreettinen peruste.

Yleinen tapa käsittää aineen lämpötilan nousu tai lasku on ymmärtää se aineen värähtelyn, lämpöliikkeen, lisääntymisenä tai vähentymisenä. Jos tätä lämpöliikettä vähennetään tarpeeksi ilmenee aineen lämpöliikkeen teoreettinen pysähdystila. Tämä lämpöliikkeetöntä tilaa kutsutaan absoluuttiseksi nollapisteeksi. Lämpötilana mitattuna absoluuttinen nollapiste on 0 kelviniä eli -273,15 celsiusastetta.

9. Kuvaile makrotasolla miten kappaleen lämpötilan muutos voi aiheuttaa siinä olomuodon muutoksia.

Yleisesti veden kolme eri olomuotoa ovat tuttuja, ja ne yhdistää luonnollisesti eri lämpötiloihin. Esimerkiksi jäät sulavat vesilasissa ja vesi höyrystyy kattilassa. Ilmassa olevaa ilmankosteutta voi lämpimällä ilmalla tiivistyä lasin ulkopintaan ja pakkaseen laitettuna se jähmettyy jääksi.

10. Lämpötila muuttuu arvosta -12 °C arvoon +9 °C. Ilmoita lämpötilan muuutos kelvineinä ja celsius-asteina.

21 °C, 21 K

11. Ylin koskaan Suomessa mitattu lämpötila on +37,2 °C Liperissä, Joensuun lentoasemalla 29.7.2010. Alin Suomessa koskaan mitattu lämpötila on taas -51,5 °C Kittilässä, Pokassa 28.1.1999 [https://www.ilmatieteenlaitos.fi/saaennatyksia, 03.09.2020].

a) Ilmoita lämpötila +37,2 °C kelvineinä.

b) Ilmoita ylimmän ja alimman Suomessa mitattujen lämpötilojen ero kelvineinä.

a) 310,35 K

b) 88,7 K

12. Paine ilmenee jokapäiväisessä elämässämme monin tavoin. Kuvaile lyhyesti ilmiötä paine omin sanoin.

Paine kuvaa fysikaalisen voiman F kohdistumista tietylle pinta-alalle A. Mitä pienempi pinta-ala on ja mitä suurempi voima on, sitä suurempi myös paine on. Toisaalta mitä suuremmalle alueelle voima kohdistuu, niin sitä pienempi on paine.

13. Paineen suureen p määrittää kaava p = F/A . Nimeä suureet F ja A sekä anna esimerkki kuinka kaavaa tulisi tulkita.

F on voiman suure ja sen yksikkö on newton (N). A on pinta-alan suure ja sen yksikkö on neliömetri (m²). Katso mallivastaukset.

14. Ennen päätöstään lähteä pilkkimään heikoille jäille Tapio haluaa mitata suksiensa jäähän aiheuttaman paineen. Oletetaan suksen ja jään kosketuspinnan olevan suorakaiteen muotoinen. Yhden suksen mitat ovat 2 m x 0,1 m. Tapion massa on 70 kg.

a) Laske paine, jonka Tapio kohdistaa jään pintaan hiihtäessään rauhallisesti kummatkin sukset maassa.

b) Oletetaan jään kestävän noin 3000 pascalin paineen. Arvioi miten Tapion käy kun hän joutuu seisomaan yhdellä suksella raaputtaessaan lunta pois toisesta suksesta.

a) 1700 Pa

b) Huonosti. Katso mallivastaukset.

15. Kirjailija Mika Waltarin kuuluisan kirjan Sinuhe egyptiläisen massa on 1130 grammaa. Oletetaan sen kannen koon olevan 20 cm x 15 cm. Kirja lepää yöpöydällä.

a) Kuinka suuren paineen kirja aiheuttaa yöpöydän pintaan?

b) Kuinka suuren voiman ilmanpaine kohdistaa kirjan etukanteen?

a) 370 Pa

b) 30 N

16. Peltsi on rakentamassa pientä sukellusvenettä ja pohtii mikä olisi sopiva ikkunan koko tulevalle veneelle. Lasi on ympyrän mallinen ja sen säde on 20 cm. Kuinka luja lasin tulisi olla (newtoneissa mitattuna), jotta sukellusveneellä voisi sukeltaa 30 metrin syvyyteen?

37 kN

17. Eräässä mittauksessa saatiin ilmanpaineelle merenpinnasta mitattuna seuraavan taulukon mukaisia arvoja

a) Esitä ilmanpaine graafisesti korkeuden funktiona

b) Kuinka korkealla ilmanpaine on neljäsosa normaali-ilmanpaineesta?

c) Miksi korkealla vuoristossa kananmunan keittämiseen menee kauemmin totutun 12 minuutin sijaan?

a) Katso mallivastaukset

b) 9 kilometriä

c) Katso mallivastaukset