Fysiikan perusteet

Jos katsomme tarkkaan, palamisesta syntyvä savu voi aluksi näkyä. Hetken kuluttua savua ei enää näy. Oletko käyttänyt hajuvettä? Vaikka suihkutat hajuvettä huoneessa, muut kodin ulkopuolella olevat ihmiset voivat myös tuntea hajuveden tuoksun. Jos äiti laittaa herkullista ja ruokahalua herättävää ruokaa keittiössä, ruoanlaiton tuoksu voi leijailla myös naapurin talosta. Miksi näin on?

On monia muitakin esimerkkejä. Jos laitat muutaman tipan mustetta lasiin, joka sisältää kirkasta vettä, muste tai elintarvikeväri leviää tasaisesti veteen. Tämä tapahtuu automaattisesti. Jotkut aiemmat esimerkit ovat diffuusiotapahtumia, joita koetaan usein jokapäiväisessä elämässä. Diffuusio on prosessi, jossa aineita siirretään suuresta pitoisuudesta pieneen pitoisuuteen. Pitoisuudella tarkoitetaan aineen molekyylien/moolien lukumäärää tilavuutta kohti. Suuren pitoisuuden omaava paikka on paikka, jossa on useita aineen molekyylejä tilavuutta kohti. Käänteisesti pienet pitoisuudet ovat paikkoja, joissa on vähän molekyylejä tilavuutta kohti.

Lue lisää

Energiaa monatomisessa ideaalikaasussa

Monatomisen ideaalikaasun energia on monatomisten ideaalikaasumolekyylien translaatiokineettisen energian kokonaismäärä. Ideaalikaasumolekyylien translaatiokineettisen energian kokonaismäärä = kunkin molekyylin keskimääräisen translaatiokineettisen energian ja molekyylien lukumäärän (N) tulo. Matemaattisesti:

Lue lisää

Energian ekvipartitiolausekkeen johti teoreettisesti Clerk Maxwell tilastollisen mekaniikan avulla. Sitä kutsutaan lauseeksi, koska sille ei ole kokeellista todistusta. Energian jako tarkoittaa energian tasaista jakautumista.

KE = kaasumolekyylien keskimääräinen translaatiokineettinen energia (Joule)

k = Boltzmannin vakio = 1.38 x ^10⁻⁷ J/K

T = ideaalikaasumolekyylin absoluuttinen lämpötila (Kelvin)

Lue lisää

Paineen lisäksi yksi kaasun makroskooppisen luonteen kuvaavista suureista on lämpötila (T). Kaasun paineyhtälö:

Lue lisää

Kineettisen teorian mukaan jokainen aine koostuu atomeista tai molekyyleistä ja että atomit tai molekyylit liikkuvat jatkuvasti huolettomasti. Tämä kineettisen teorian oletus vastaa kaasun ainesosan atomin tai molekyylin tilannetta ja olosuhteita. Kaasun muodostavien atomien tai molekyylien välinen vetovoima on heikko, joten atomit tai molekyylit voivat liikkua vapaasti.

Lue lisää

Artikkeli Boylen laki, Charlesin laki, Gay-Lussacin laki

Boylen laki

Robert Boyle (1627-1691) teki kokeita tutkiakseen kaasun paineen ja tilavuuden välistä kvantitatiivista suhdetta. Tämä koe suoritetaan asettamalla tietty määrä kaasua suljettuun astiaan. Ennen melko hyvää lähestymistapaa hän havaitsi, että jos kaasun lämpötila pidettiin vakiona, niin kaasun paineen noustessa kaasun tilavuus pieneni. Samoin, kun kaasun paine laski, kaasun tilavuus kasvaa. Kaasun paine on kääntäen verrannollinen kaasun tilavuuteen. Tätä suhdetta kutsutaan Boylen laiksi. Matemaattisesti:

Lue lisää

Boylen, Charlesin ja Gay-Lussacin kaasulait eivät sovellu kaikkiin kaasuolosuhteisiin, joten analyysimme vaikeutuu. Siksi esitettiin ideaalikaasumalli. Ideaalikaasua ei esiinny arkielämässä; ideaalikaasu on juuri sopiva muoto analyysin helpottamiseksi. Tämän ideaalikaasukäsitteen olemassaolo auttaa meitä myös tarkastelemaan kaasun kolmen lain välistä suhdetta.

Lämpötilan, tilavuuden ja kaasun paineen välinen suhde

Viittaamalla kolmeen yllä olevaan kaasulakiin voimme johtaa yleisemmän suhteen lämpötilan, tilavuuden ja kaasun paineen välille.

Lue lisää

Termodynamiikan toisen pääsäännön tarkka lause ei voi kuvata kaikkia peruuttamattomia prosesseja, joten tarvitsemme yleisen lauseen. Tämän yleisen lauseen odotetaan selittävän kaikki maailmankaikkeudessa tapahtuvat peruuttamattomat prosessit. Termodynamiikan toisen pääsäännön yleinen lause muotoiltiin 1800-luvun puolivälissä entropiaksi (S) kutsutun suureen avulla. Entropian esitteli ensimmäisenä Clausius, ja se muotoiltiin Carnot'n syklin (täydellisen kalorisen moottorin) perusteella. Clausiuksen mukaan systeemi kokee entropiamuutoksia, kun se saa lisää lämpöä (Q) vakiolämpötilassa, mitä esittää yhtälö:

Lue lisää

Artikkeli jäähdytyskoneen suorituskykykertoimesta

Jäähdytyskone on kone, joka ottaa lämpöä matalan lämpötilan paikasta ja siirtää sen sitten korkean lämpötilan alueelle. Jotta tämä prosessi tapahtuisi, koneen on tehtävä työtä, koska lämpö luonnollisesti siirtyy korkeasta lämpötilasta matalaan lämpötilaan. Tämä perustuu Clausiuksen lauseeseen:

Jäähdytyskoneen on mahdotonta siirtää lämpöä matalan lämpötilan paikasta korkean lämpötilan paikkaan ilman työtä (termodynamiikan toinen pääsääntö – Clausiuksen lause).

Kone työskentelee (W) siirtääkseen lämpöä matalasta lämpötilasta (Q _L ) korkeaan lämpötilaan (Q _H ). Energian säilymislain perusteella Q _L + W = Q _H.

Lue lisää

Selvittääkseen, miten lämpömoottorin hyötysuhdetta voitaisiin parantaa , ranskalainen tiedemies Sadi Carnot (1796-1832) tutki ideaalista teoreettista kalorikonetta vuonna 1824. Tuolloin termodynamiikan ensimmäistä pääsääntöä eikä toista pääsääntöä ollut vielä muotoiltu. Ensimmäistä pääsääntöä ei ole vielä muotoiltu, koska tiedemiehet eivät vielä tiedä, että lämpö on energiaa. Joulen ja hänen kollegoidensa tehtyä kokeita 1830-luvulla tiedemiehet havaitsivat, että lämpö on energiaa, joka liikkuu lämpötilaerojen vuoksi. Niinpä termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö muotoiltiin vuoden 1830 jälkeen. Sadi Carnot oli tutkinut teoreettista ideaalista kalorikonetta jo vuonna 1824. Hänen tutkimuksensa oli itse asiassa pyrkinyt parantamaan höyrykoneen hyötysuhdetta. Useimmat tuon ajan höyrykoneet olivat vähemmän tehokkaita.

Lue lisää