ISOPROTSESSID Koostanud: Janno Puks Soojusõpetus on füüsika osa, mis hõlmab molekulaarfüüsikat, termodünaamikat, aine ehituse aluseid ja faasisiirdeid. Molekulaarfüüsika kirjeldab ainete omadusi, tuginedes eeldustele, et : 1) kõik ained koosnevad molekulidest, 2) molekulid on pidevas kaootilises liikumises, 3) molekulide vahel on vastastikmõju ( tõmbe- ja tõukejõud) Soojusnähtuseid kirjeldatakse parameetrite abil. Parameeter on mingi füüsikaline suurus, mis kirjeldab aine olekut või omadusi (N: vedeliku ruumala, molekuli mass jt) Makroparameetrid on füüsikalised suurused, mida kasutatakse ainekoguse kui terviku soojusliku oleku kirjeldamisel (N: ainekoguse mass, rõhk, ruumala jt). Suurusi rõhk, ruumala ja temperatuur nimetatakse ka olekuparameetriteks. Olek on ainekoguse seisund, mis on määratud olekuparameetrite konkreetsete väärtuste kogumiga. Kui ühte olekuparameetrit muuta, siis muutub ka vähemalt üks teine olekuparameetritest. Mikroparameetrid on füüsikalised suurused, mida kasutatakse aine üksiku molekuli kirjeldamisel (N: molekuli mass, molekuli keskmine kiirus, molekuli keskmine kineetiline energia, kontsentratsioon jt). Seega on mikroparameetrid seotud molekulide ja nende liikumisega. Termodünaamika on füüsika osa, mis käsitleb soojusvahetust, soojuse muudnumist tööks ning muid soojusvahetusega soenduvaid nähtusi. Aine ehitus käsitleb erinevusi gaaside, vedelike, tahkiste struktuuris ja sellest tulenevaid erinevusi ülekande nähtustes (N. Difusioon, isehõõre, soojusjuhtivus jt) Faasisiirded käsitlevad üleminekuid ainete erinevate faaside (gaas, vedelik, tahkis) vahel. TEMPERATUUR Temperatuur on füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha soojuslikku seisundit ja se on määratud keha molekulide soojusliikumise kineetilie energiaga. Temperatuurist olenevad paljud füüsikalised suurused (N: ruumala, rõhk, tihedus, pindpinevustegur, sisehõõrdetegur, eritakistus jt). Üheks levinumaks võtteks temperatuuri mõõtmisel on ainete soojuspaisumise kasutamine. Absoluutseks nulltemperatuuriks nimetatakse temperatuuri, kus molekulide kineetiline energia võrdub nulliga. Sel juhul molekul enam ei liigu, ei põrku vastu anuma seina, ei võngu ega avalda ka rõhku. Absoluutse nulli mõiste tõi füüsikasse sisse inglise teadlane William Thomson (lord Kelvin) ja see on null kelvinit (0 K) ehk -273,15 0 C. Absoluutsest nullist madalamat temperatuuri olla ei saa. Temperatuuri mõõtmiseks kasutatakse erinevaid skaalasid. 1742. aastast alates kasutatakse Celsiuse skaalat, mille aluseks on jää sulamistemperatuuri ja vee keemistemperatuuri võrdseks sajaks osaks jaotamine. Celsiuse skaalal temperatuuri tähiseks on tavaliselt t ja Kelvini skaalal on temperatuuri tähiseks T. T = t + 273 0 C t = T 273 0 C
Näiteks: 20 0 C = 20 + 273 0 C = 293 K 250 K = 250 273 0 C = -23 0 C Suurbriannias ja Ameerikas kasutatakse 1714. aastal taani füüsiku Daniel Gabriel Fahrenheit poolt kasutusele võetud Fahreinheit temperatuuriskaalat. Selle skaalal on null fahrenheit kraadiks jää ja amooniumkloriidi ehk salmiaagi (NH 4 Cl) segu temperatuur ja sada fahrenheit kraadiks inimese normaalne kehatemperatuur. Jää sulamistemperatuur on Fahrenheit i skaalas 32 0 F ja vee keemistemperatuur 212 0 F. Celsius Fahrenheiti kaudu: C = ( F 32) : 1,8 Fahrenheit Celsiuse kaudu: F = ( C * 1,8) + 32 Näiteks: 20 C = (20 C * 1,8) + 32 = 68 F 160 F = (160 F - 32) : 1,8 = 71,1 C RÕHK Rõhk on füüsikalne suurus, mis näitab ühikulisele (mingi kindla arvväärtusega) pinnale risti mõjuvat jõudu. p - rõhk (Pa, paskal) F pinnale risti jõud (N, njuuton) S pindala (m 2 ) Normaalrõhuks loetakse 760 mm/hg ehk 760 millimeetrit elavhõbeda sammast, mis on 101325 Pa (paskaliga). Kasutusel on ka teisi rõhuühikuid nagu näiteks atmosfäärid (atm) ja baarid (bar) jt. 1 atm = 101325 Pa 1 bar = 100000 Pa ehk 10 5 Pa. Seega normaalne (õhu)rõhk atmosfääris: 760 mm/hg = 101325 Pa = 1 atm = 1,01325 bar IDEAALSE GAASI OLEKUVÕRRAND Ideaalne gaas on tegeliku ehk reaalse gaasi mudel, kus: 1) molekulid loetakse punktmassideks, 2) molekulide põrgetel anuma seinaga nende kiiruste väärtus ei muutu, kuid muutub vaid kiiruse suund, 3) molekulidevahelist vastastikmõju ei arvestata. Ideaalse gaasi olekuvõrrand ehk Mendelejevi-Clapeyroni võrrand: p rõhk (Pa) V gaasi ruumala (m 3 ) m gaasi mass (kg) M gaasi molaarmass (kg/mol) R universaalne gaasikonstant: 8,31 (J / mol *K) T gaasi temperatuur (K) NB! Molaarmass tuleb leida keemiliste elementide perioodilisustabelist! See on seal ühikutes grammi mooli kohta, kuid füüsikas tuleb see teisendada kilogrammi mooli kohta. Näiteks süsihapegaasi ehk CO 2 molaarmass on 44 g/mol, mis võrdub 0,044 kg/mol.
ISOBAARILINE PROTSESS Isobaariline protsess on siis, kui gaasi rõhk ei muutu ehk jääval rõhul on gaasi ruumala ja temperatuur võrdelises sõltuvuses. Seda protsessi kutsutakse ka Gay-Lussac`i seaduseks. p = const ISOHOORILINE PROTSESS Isohooriline protsess on siis, kui gaasi ruumala ei muutu ehk jääval ruumalal on gaasi rõhk ja temperatuur võrdelises sõltuvuses. Seda protsessi kutsutakse ka Charles`i seaduseks. V = const ISOTERMILINE PROTSESS Isotermiline on protsess, kui gaasi temperatuur ei muutu ehk jääval temperatuuril on gaasi rõhk ja ruumala pöördvõrdelises sõltuvuses. Seda protsessi kutsutakse ka Boyle`i-Mariotte`i seaduseks. T = const
GAASI OLEKUVÕRRAND Gaasi olekuvõrrandiks nimetatakse protsessi, kus muutuvad gaasi rõhk, temperatuur ja ruumala, kuid gaasi mass ei muutu. Seda võrrandit nimetatakse ka Clapeyroni võrrandiks. ÜLESANDED 1) Sauna leiliruumi temperatuur oli 90 0 C ja rõhk 100 kpa. Leia veeauru ruumala, kui saunas olevale kerisele visati üks liiter vett. T = 90 0 C= 90+273 = 293 K p = 100 kpa = 100000 Pa V (H 2 O) = 1 l (NB! See on vedelas olekus vee ruumala, mitte veeauru ruumala!) = 1 dm 3 M (H 2 O) = 18 g/mol = 0,018 kg/mol R = 8,31 J/mol * K V =? Vedela vee ruumalast leida vee mass, tiheduse valemi [ρ (roo) = m : V] kaudu, kus vee tihedus on 1 g/cm 3 ehk 1 kg/ dm 3. Massi saab leida tiheduse valemist: m = ρ * V. Seega m (vee mass) = 1 kg/dm 3 * 1 dm 3 = 1 kg Ülesande lahendamisel kasutatakse ideaalse gaasi olekuvõrrandi valemit: Siit ruumala gaasi V avaldub välja valemiga: Vastus: Saunas olevale kerisele ühe liitri vee viskamisel vabanes 1,67 m 3 veeauru. 2) Silindris olev gaas, mille rõhk oli normaalrõhk ja ruumala 40 cm 3, suruti kokku ruumalale 5 cm 3. Leia kokkusurutud gaasi rõhk megapaskalites, kui temperatuur ei muutu. (Vastus: 810,6 kpa ehk 0,81 MPa). 3) Sooja õhuga täidetud palli ruumala on 400 m 3 ja temperatuur 17 0 C. Gaasileegi mõjul õhk pallis soojenes 30 0 C võrra. Leia palli ruumala pärast soojendamist. (Vastus: 441,4 m 3 ) 4) Auto rehvis oleva õhu temperatuur oli 290 K. Sõites rehvi temperatuur tõusis 315 K-ni ja rõhk tõusis väärtuseni 2,5 * 10 5 Pa. Kui suur oli rehvi rõhk sõidu alguses, kui rehvi ruumala ei muutu? (Vastus: 2,3 * 10 5 Pa)
5) Anumas ruumalaga 830 liitrit on 850 grammi ammoniaaki (NH 3 ) temperatuuril 280 K Arvuta gaasi molaarmass ja rõhk anumas kilopaskalites. (Vastus: M(NH 3 ) = 0,017 kg/mol ja p= 140 kpa) 6) Leia 15 dm 3 hapnikupadjas oleva hapniku mass grammides temperatuuril 20 0 C, kui rõhk on 0,2 MPa. (Vastus: hapnikupadja mass on 39,4 g) 7) Aerostaadis ruumalaga 350 m 3 on 35 kg vesinikku rõhul 1,1 * 10 5 Pa. Leia gaasi temperatuur Celsiuse kraadides. (Vastus: vesiniku temperatuur on - 8,3 0 C) 8) Arvuta õhu mass 50 m 3 suuruses toas temperatuuril 7 0 C, kui rõhk on 10 5 Pa. Pärast ahju kütmist tõusis temperatuur 17 0 C-ni. Kui palju õhku väljus toast kütmise ajal? Õhu molaarmass on 29 g/mol. (Vastus: 2,1 kg) 9) Hermeetilises 1,2 liitrises plekkpurgis on õhk rõhuga 1 atm ja temperatuuril 300 K. Purk vajutati lössi. Arvuta rõhk purgis kilopaskalites ja atmosfäärides, kui õhk oli jahutatud temperatuurini 270 K ja purgi ruumala oli 0,9 liitrit. (Vastus: 121,6 kpa ja 1,2 atm) NB! Õppimisel võid kasutada ka teisi õppematerjale õpikutes või internetis nagu näiteks: https://janno788.files.wordpress.com/2016/11/isoprotsessid.pdf http://yldfyysika.weebly.com/termoduumlnaamika.html (isoprotsessid)