Tässä osassa perehdytään fysikaalisten systeemien, kuten kaasujen, termodynaamiseen tarkasteluun makroskooppisella tasolla, jotka koostuvat valtavasta määrästä yksittäisiä mikroskooppisia osasia, esim. hiukkasia tai molekyylejä.

Makroskooppisella tasolla termodynaamisia systeemejä voidaan kuvata nk. tilanmuuttujien (esim. lämpötila, paine, tilavuus, ainemäärä,...) avulla, joiden arvot riippuvat systeemin osasten mikroskooppisesta käyttäytymisestä, mutta eivät määritä niitä täysin. Tällä ensimmäisellä videolla perehdytään tarkemmin ensimmäiseen näistä muuttujista, lämpötilaan. Puhutaan siitä, miten lämpötila voidaan määritellä, miten se liittyy hiukkasten liikkeeseen systeemissä, ja miten lämpötilaa voidaan muuttaa lisäämällä tai poistamalla systeemistä energiaa, ts. lämpömäärää.

Lämpötilan muutoksella voi olla erilaisia vaikutuksia kappaleiden ominaisuuksiin. Tällä videolla perehdytään kiinteiden kappaleiden ja nesteiden koon muutokseen lämpötilan muuttuessa. Lämpölaajenemisen huomioiminen on tärkeää monissa käytännön sovelluksissa, sillä se voi aiheuttaa muun muassa jännitys- ja puristusvoimia kiinteisiin rakennelmiin. Lämpölaajenemisen vuoksi mm. rautateiden raidekiskojen yhtymäkohtiin täytyy jättää pieni rako, jotta raiteet eivät mene mutkalle kuumina kesäpäivinä. Videolla nähdään myös, että nikkarointi kylmänä talvipäivänä voi johtaa yllättäviin mittasuhteiden muutoksiin.

linkki videoon Panoptossa

Toinen tärkeä lämpötilan muutoksen aiheuttama muutos aineen ominaisuuksissa on aineen olomuodonmuutos. Aineen erilaisia olomuotoja eli faaseja ovat kaasu, neste ja kiinteä aine. Nykyään tunnetaan myös neljäs aineen olomuoto, Bose-Einstein-kondensaatti, mutta tätä esiintyy vain hyvin matalissa lämpötiloissa, esim. jäähdytettäessä heliumia noin 2 kelvinin lämpötilaan lähelle absoluuttista nollapistettä. (Tällöin helium muodostaa nk. supranesteen, joka virtaa täysin häviöttä.) Se, missä olomuodossa tiettyä ainetta esiintyy, riippuu aineen lämpötilasta ja paineesta. Tällä videolla nähdään muun muassa, miten aineen olomuotoja voidaan esittää faasidiagrammin avulla, ja olomuodonmuutoksiin liittyviä energianmuutoksia laskea ainekohtaisten vakioiden, kuten ominaissulamislämmön avulla. Opitaan myös, miten saadaan sihijuoma viilennettyä haluttuun lämpötilaan lisäämällä oikea määrä jäätä lasiin. Mikä voisikaan olla käytännöllisempää osaamista!

linkki videoon Panoptossa

Aiemmilla videoilla jo puhuttiinkin lämmön siirtymisestä kappaleesta toiseen. Tällä videolla nähdään, miten lämmön siirtymisnopeutta kappaleiden välillä voidaan kuvata ja laskea lämpövirran avulla. Jatketaan sihijuomien kylmänä pitämisen teemaa tarkastelemalla kylmälaukun toimintaa. Viimeistään ensi kesänä kiität tätä kurssia!

linkki videoon Panoptossa

Kuten jo mainittua, termodynaamisten systeemien makroskooppista tilaa kuvataan tilanmuuttujien (esim. lämpötila, paine, tilavuus, ainemäärä,...) avulla. Tilanyhtälö on yhtälö, joka kuvaa näiden muuttujien riippuvuutta toisistaan. Tilanyhtälö riippuu tietenkin tarkasteltavasta systeemistä, mutta kanoonisena esimerkkinä tällä kurssilla toimii ideaalikaasun tilanyhtälö. Ideaalikaasu on kaasu, jossa pistemäiset hiukkaset vuorovaikuttavat keskenään vain kimmoisien törmäysten välityksellä. Ideaalikaasu on niin yksinkertainen systeemi, että sen tilanyhtälö voidaan seuraavassa osassa jopa johtaa hiukkasten mikroskooppisen käyttäytymisen perusteella. Tässä videolla tosin tyydytään vielä vain havainnollistamaan tilanyhtälön sovellusta erilaisten termodynaamisten systeemien käyttäytymisen mallintamiseen. Yksinkertaisuudestaan huolimatta ideaalikaasumalli soveltuu monien käytännön tilanteiden kuvaamiseen tietyin reunaehdoin.

linkki videoon Panoptossa


Lisämateriaalia

Ominaislämpökapasiteettidemonstraatio - Demossa näytetään, kuinka ominaislämpökapasiteetti (englanniksi specific heat capacity) vaikuttaa aineen termisiin ominaisuuksiin. Demossa esiin tulee myös lämmönjohtuvuus, jolla on usein yhteys omislämpökapasiteettiin.


Last modified: Saturday, 14 November 2020, 11:54 AM