Fysiikan perusteet

Selittääkseen peruuttamattomia termodynaamisia prosesseja tiedemiehet muotoilivat termodynamiikan toisen pääsäännön. Termodynamiikan toinen pääsääntö selittää, mitä prosesseja maailmankaikkeudessa voi tapahtua ja mitä ei voi tapahtua. Eräs tiedemies nimeltä RJE Clausius (1822-1888) esitti seuraavan lausunnon:

Luonnollisesti lämpö siirtyy korkean lämpötilan kappaleista matalan lämpötilan kappaleisiin; luonnollisesti lämpö ei siirry matalan lämpötilan kappaleista korkean lämpötilan kappaleisiin (termodynamiikan toinen pääsääntö – Clausiuksen väite).

Clausiuksen lause on yksi termodynamiikan toisen pääsäännön erityislauseista. Sitä kutsutaan erityislauseeksi, koska se pätee vain yhteen prosessiin, joka liittyy lämmönsiirtoon. Koska tämä lause ei liity muihin prosesseihin, tarvitsemme yleisemmän lauseen. Termodynamiikan toisen pääsäännön yleisen lauseen kehitys perustuu lämpömoottoreiden tutkimukseen. Siksi käsittelemme ensin moottorin lämpöä.

Lue lisää

Artikkeli Termodynaamiset prosessit: Isoterminen Adiabaattinen Isokoorinen Isobaarinen

Termodynaamisia prosesseja on neljä: isoterminen, isokoorinen, isobaarinen ja adiabaattinen prosessi.

Isoterminen prosessi (vakiolämpötila)

Isotermisessä prosessissa järjestelmän lämpötila pidetään vakiona. Teoriassa analysoitava systeemi on ideaalikaasu. Ideaalikaasun lämpötila on suoraan verrannollinen ideaaliseen kaasun sisäenergiaan (U = 3/2 n RT). T ei muutu, joten U ei myöskään muutu. Siten, jos sitä sovelletaan isotermiseen prosessiin, termodynaamisen yhtälön ensimmäinen laki on:

Lue lisää

Termodynaaminen prosessi

Lämpö (Q) on energiaa, joka siirtyy kappaleesta toiseen lämpötilaeron vuoksi. Järjestelmistä ja ympäristöistä lämpö on energiaa, joka siirtyy järjestelmästä ympäristöön tai energiaa, joka siirtyy ympäristöstä toiseen lämpötilaeron vuoksi. Jos järjestelmän lämpötila on korkeampi kuin ympäristön lämpötila, lämpö virtaa järjestelmästä ympäristöön. Jos ympäristön lämpötila on korkeampi kuin järjestelmän lämpötila, lämpö virtaa ympäristöstä järjestelmään.

Lämpö (Q) on energiaa, joka liikkuu lämpötilaeron vuoksi, kun taas työ (W) liittyy energian siirtymiseen työn kautta. Esimerkiksi jos systeemi tekee työtä ympäristössä, energia siirtyy systeemistä ympäristöön. Käänteisesti, jos ympäristö tekee työtä systeemissä, energia siirtyy ympäristöstä systeemiin.

Lue lisää

Elastiset törmäykset

Kineettisen energian säilymislaki ei päde joustamattomissa törmäyksissä. Liikemäärän säilymislaki pätee joustamattomissa törmäyksissä, jos törmääviin kappaleisiin ei vaikuta ulkoinen voima. Joustamattomassa törmäyksessä kaksi kappaletta tarttuvat toisiinsa törmäyksen jälkeen.

Esimerkkikysymys 1.

Kahdella kappaleella on sama massa, nimittäin 1 kg. Kappale 1 liikkuu tasaisella pinnalla nopeudella 10 m/s ja törmää levossa olevaan kappaleeseen 2. Törmäyksen jälkeen kappaleet pysyvät yhdessä. Mikä on kahden kappaleen nopeus törmäyksen jälkeen?

Lue lisää

Osittain elastiset törmäykset

Osittain elastisissa törmäyksissä liikemäärän säilymislaki pätee, kun taas kineettisen energian säilymislaki ei sovellu. Törmäyksen aikana osa kineettisestä energiasta muuttuu äänienergiaksi, lämpöenergiaksi ja sisäiseksi energiaksi. Sana "elastinen" viittaa siihen, että törmäyksen jälkeen kappaleet eivät tartu toisiinsa, vaan kimpoavat toisistaan.

Esimerkki osittain elastisesta törmäyksestä on kahden marmorikuulan tai kahden biljardipallon yksiulotteinen törmäys.

Lue lisää

Lineaarisen liikemäärän säilyminen

Lineaarisen liikemäärän säilymislaki sanoo, että jos kahteen törmäävään kappaleeseen ei vaikuta ulkoinen voima, kappaleiden liikemäärä ennen törmäystä on yhtä suuri kuin kappaleiden liikemäärä törmäyksen jälkeen.

p1 ₊ p2 = p1 _' + p2 _' …………….. Yhtälö _1.4

m ₁ v ₁ + m ₂ v ₂ = m ₁ v ₁ ' + m ₂ v ₂ '

Jos törmäyksen jälkeen molemmat kappaleet tarttuvat toisiinsa,

m ₁ v ₁ + m ₂ v ₂ = (m ₁ + m ₂ ) v'

Lue lisää

Täydellisen elastiset törmäykset

Kahden kappaleen törmäystä kutsutaan täysin elastiseksi törmäykseksi, jos kummankin kappaleen liikemäärä tai kineettinen energia ennen törmäystä on yhtä suuri kuin kummankin kappaleen liikemäärä ja kineettinen energia törmäyksen jälkeen. Toisin sanoen liikemäärän säilymislaki ja kineettisen energian säilymislaki soveltuvat täydellisesti elastisiin törmäyksiin. Sana "elastinen" osoittaa, että törmäyksen jälkeen kappaleet eivät tartu toisiinsa tai ole kiinni toisissaan, vaan kimpoavat toisistaan. Molempien kappaleiden liikemäärä säilyy.

Kunkin kappaleen liikemäärä säilyy.

Lue lisää

Työ-mekaaninen energiaperiaate

Työ-kineettisen energian teoreema toteaa, että nettotyö eli nettovoiman tekemä työ on yhtä suuri kuin kineettisen energian muutos.

W _net = TO _t – TO _o = 1⁄2 m(v _t ² – v _o ² )

W _netto = Voimia on kahdenlaisia: konservatiivinen voima ja ei-konservatiivinen voima. Siten nettotyön voidaan katsoa koostuvan konservatiivisen voiman tekemästä työstä ja ei-konservatiivisen voiman tekemästä työstä.

W _c + W _nc = ΔKE

Lue lisää

Konservatiivisten voimien tekemä työ Potentiaalienergia

Tarkastellaan kappaletta, joka liikkuu pystysuunnassa ylöspäin ja palaa sitten lähtöasentoonsa saavutettuaan maksimikorkeuden. Kun kappale liikkuu pystysuunnassa ylöspäin, paino tekee kappaleeseen negatiivista työtä. Kun kappale liikkuu ylöspäin, sen korkeus kasvaa. Näin ollen myös kappaleen gravitaatiopotentiaalienergia kasvaa. Voidaan päätellä, että painon tekemä negatiivinen työ on yhtä suuri kuin kappaleen gravitaatiopotentiaalienergian (PE) kasvu.

Lue lisää

Konservatiivinen voima ja ei-konservatiivinen voima

1. Konservatiivinen voima

1.1 Paino (w)

Tarkastellaan kappaletta, joka liikkuu pystysuunnassa ylöspäin, kunnes se saavuttaa maksimikorkeuden ennen kuin se siirtyy alaspäin kohti lähtöasentoaan. Kun kappale liikkuu pystysuunnassa ylöspäin h:n verran, paino on vastakkaiseen suuntaan kuin siirtymä. Täten paino tekee kappaleeseen negatiivista työtä. 

W = wh (cos 180 ⁾ = – wh = – mgh

Saavutettuaan maksimikorkeuden kappale liikkuu alaspäin kohti lähtöasentoaan h:n verran. Alaspäin liikkuessaan paino on samaan suuntaan kuin siirtymä. Koska se on samaan suuntaan kuin siirtymä, paino tekee positiivista työtä.

Lue lisää