Lämpöenergia

- Lämpöenergia

• Mikrotasolla: Lämpöenergia on rakenneosasten liike-energiaa. 
• Makrotasolla: Energian (Lämmön) siirtymistä lämpimästä kylmään, johtuen lämpötilaeroista. Siirtynyt energian määrä on lämpömäärä.  

- Energia voi siirtyä 

• 1) Kuljettumalla (siirtyy aineen mukana) 
• 2) Johtumalla (vaatii väliaineen) 
• 3) Säteilemällä (sähkömagneettinen säteily)  

Sisäenergia

• Systeemin sisältämien kaikkien energiamuotojen summa 
• Mikrotasolla: Rakenneosasten liike- ja potentiaalienergioiden muutos 
• Makrotasolla: Lämpötilan, paineen, tilavuuden tai olomuodon muutos  

- Sisäenergian muutosta voidaan mitata

• Systeemiin tehty työ kasvattaa sisäenergiaa, esim. kappaletta kuumennetaan
• Systeemin tekemä työ vähentää sisäenergiaa, esim. kappale viilenee

Lämpöopin pääsäännöt

Lämpöopin 0. pääsääntö 

Eristetyssä systeemissä lämpötilaerot tasoittuvat itsestään. 

Lämpöopin 1. pääsääntö 

Systeemin sisäenergia kasvaa systeemin tuodun lämmön ja tehdyn työn verran. 

ΔU = Q + W 

(Tai vähenee, jos systeemi luovuttaa lämpöä tai tekee työtä Q < 0 ja W < 0) 

- Esimerkkejä 

• Sähkövatkaimella kasvatetaan kermanvaahdon sisäenergiaa 
• Jäätyvä vesi rikkoo lasipullon, koska laajeneva jää tekee työtä 
• Laajenevan kaasun tekemä työ W_kaasu = -p·ΔV pienentää kaasun sisäenergiaa 

Lämpöopin 2. pääsääntö 

Eristetyn systeemin entropia kasvaa ja systeemi hakeutuu kohti tasapainotilaa. 

- Entropia

• Entropia kuvaa epäjärjestyksen määrää 
• Entropia kasvaa, kun energia ja aine jakaantuvat tasaisesti 
• Esim. Maitokahvi, jääpalat limpparissa, sulanut jäätelö 

- Esimerkkejä

• Sanotaan, että energia huononee, kun se muuttuu lämmöksi.  
• Kaikkea lämpöä ei voida muuttaa työksi. 
• Ikiliikkujaa ei ole mahdollista rakentaa. 

- Simulaatioita

• Auringon säteily muistuttaa mustan kappaleen säteilyä

• https://phet.colorado.edu/fi/simulation/legacy/microwaves 

- Fyysikot 

• James Joule (1818-1889) 

Lämpömäärä              

- Lämpömäärä Q on siirtyvän energian määrä, kun kappaletta lämmitetään tai se viilenee

- Yksikkö: [Q] = J

Aineen sitoma tai luovuttama lämpömäärä riippuu 

1) aineesta 

2) massasta  

3) lämpötilan muutoksesta 

Q = cmΔT 

c = ominaislämpökapasiteetti, joka kuvaa materiaalin kykyä luovuttaa ja vastaanottaa energiaa 

[c] = kJ / kg·K 

- Yleensä lämpötilan muutos ajatellaan positiivisena ja mietitään energian määrää,  

toisaalta voidaan ajatella ΔT = T_loppu – T_alku 

- Mitä pienempi ominaislämpökapasiteetti on, sitä helpommin aine kuumenee/jäähtyy. 

Mitä suurempi, sitä enemmän tarvitaan energiaa lämmittämiseen, toisaalta pysyy pitkään lämpimänä. 

- Mitä suurempi kappale, sen enemmän se kappale kykenee luovuttamaan ja vastaanottamaan energiaa. 

- Ominaislämpökapasiteetti ja massa siis liittyvät yhdessä koko kappaleen ominaisuuteen. 

cm = C = lämpökapasiteetti, joka kuvaa kappaleen kykyä luovuttaa ja vastaanottaa energiaa 

[C] = J/kgK * kg = J/K 

Aineiden ominaislämpökapasiteetteja on taulukoitu MAOL:iin. 

Kappaleiden lämpökapasiteetteja ei ole.

- Esimerkkejä 

Vedellä on hyvin erikoinen ominaislämpökapasiteetti ja se on tärkeä elämän kannalta.

Lämpötilaerojen tasoittuminen, kuuma kahvi ja kylmä maito. 

^{Kuva. Miten hiekan ja isojen kivien ominaislämpökapasiteetti eroavat toisistaan? (M. Kaunisto)}

Olomuodonmuutoksiin liiittyvä lämpömäärä

Olomuodonmuutoksessa lämpötila pysyy vakiona.

Olomuodonmuutos kuitenkin vaatii/vapauttaa energiaa (sidokset).

- Ominaissulamislämpö

    Q = s·m

•   s = omaissulamislämpö 
•  [s] = J/kg

- Esim. Jään ominaissulamislämpö s = 333 kJ/kg (huom! iso luku, yksikössä kilojoule)

- Esim. 1 kg jäätä sulaa vedeksi: m = 1 kg, s = 333 kJ/kg, joten vaadittava energia on Q = s·m= 333 kJ/kg · 1 kg = 333 kJ

  Vastaava määrä energiaa vapautuu, kun vesi jäätyy.

- Ominaishöyrystymislämpö

    Q = r·m

• r = ominaishöyrystymislämpö
• [r] = J/kg

- Esim. veden ominaishöyrystymislämpö r = 2,260 kJ/kg

- Esim. 1 kg vettä höyrystyy vaaditaan lämmitämiseen enegiaa Q = r·m = 2,260 kJ/kg · 1 kg = 2,260 kJ

  Vastaava määrä energiaa vapautuu, kun höyry tiivistyy vedeksi.