FY3 Energia ja lämpö

Question 1

Mihin lämpötila vaikuttaa?

Answer 1

• maanpinnan, vesistöjen ja ilman lämpötila vaikuttaa sääilmiöihin
• aineen olomuotoon ja tilavuuteen (myös paine vaikuttaa)
• aineen sähköisiin ominaisuuksiin
• kemiallisten reaktioiden alkamiseen ja reaktionopeuteen (myös paine vaikuttaa)

Question 2

Mitkä tilanmuuttujat vaikuttavat termodynaamiseen systeemiin?

Answer 2

esim.
- lämpötila T
- paine p
- tilavuus V
- ainemäärä n

Question 3

Mitä tilanmuutos tarkoittaa ja miten se liittyy tilanyhtälöön?

Answer 3

Tilanmuutos tapahtuu, kun yksikin tilanmuuttujan arvo muuttuu tai sitä muutetaan systeemissä. Muutos vaikuttaa aina vähintään yhteen toiseen tilanmuuttujan arvoon. Tilanmuuttujien välille pyritään löytämään tilanyhtälö, eli yleinen lainalaisuus.

Question 4

Mitkä ovat termodynaamisten systeemien perustyypit?

Answer 4

1. Avoin systeemi: sekä ainetta että energiaa vaihtuu systeemin ja ympäristön välillä
2. Suljettu systeemi: vain energiaa vaihtuu systeemin ja ympäristön välillä
3. Eristetty systeemi: ei vuorovaikuta lainkaan/todella vähän ympäristönsä kanssa

Question 5

Miten makro- ja mikrotaso eroavat toisistaan ja miten ne liittyvät toisiinsa?

Answer 5

Makrotason malleilla tarkastellaan kokonaisia termodynaamisia systeemejä ja niiden ominaisuuksia ilman apuvälineitä. Mikrotason malleilla selitetään makrotason ilmiöitä atomi- ja molekyylitasolta.

Question 6

Mistä muodostuu systeemin sisäenergia?

Answer 6

Systeemin sisäenergia U on systeemin rakenneosasten liikkeen liike-energiaa ja niiden välisten sähköisten vuorovaikutusten potentiaalienergiaa. Liike-energia muodostuu rakenneosasten pyörimis-, etenemis- ja värähtelyliikkeistä. Rakenneosasten potentiaalienergia on niiden välisten vuorovaikutusten, kemiallisten sidosten ja rakenneosasten sisäisten kemiallisien sidosten energiaa.

Question 7

Miten aineen lämpötila määräytyy?

Answer 7

Aineen lämpötilan määrää aineen rakenneosasten etenemisliikkeen keskimääräinen liike-energia. (mitä nopeampi liike, sitä korkeampi lämpötila)

Question 8

Mikä on lämpöopin nollas pääsääntö?

Answer 8

Jos eristetyn termodynaamisen systeemin eri osien välillä on lämpötilaeroja, ne tasoittuvat itsestään ja systeemi päätyy termiseen tasapainoon. (eli lämpötilaerot tasoittuvat)

Question 9

Mitä eroa on lämmöllä, lämpömäärällä ja lämpöenergialla?

Answer 9

Lämmöllä tarkoitetaan lämpötilaerosta johtuvaa energian siirtymistä systeemistä ympäristöön tai ympäristöstä systeemiin. Siirtyvän energian määrää kutsutaan lämpömääräksi. Sen symboli on Q ja yksikkö sama kuin energian yksikkö eli joule (J). Aineen rakenneosasten järjestymättömän liikkeen eli lämpöliikkeen energiaa kutsutaan lämpöenergiaksi. Lämpöliike voi olla etenemis-, värähtely- ja pyörimisliikettä ja se on osa systeemin sisäenergiaa.

Question 10

Mitkä ovat energian siirtymisen tavat ja miten ne eroavat toisistaan?

Answer 10

1. Johtuminen: energian siirtyminen aineen sisällä, pelkkä energia siirtyy, ei aine. Mitä suuremmat lämpötilaerot, sitä nopeammin energia siirtyy.
2. Kuljettuminen (konvektio): lämpöenergia siirtyy liikkuvan aineen mukana (yleensä neste tai kaasu).
3. Sähkömagneettinen säteily: Lämpösäteilyä syntyy, kun aineen sähköisesti varatut rakenneosat ovat värähdellessään kiihtyvässä liikkeessä. Mitä lämpimämpi kappale, sitä enemmän lämpösäteilyä se lähettää. Ei vaadi väliainetta.

Question 11

Miten mustan (mattapintaisen) ja kiiltävän astian lämpötilaan liittyvät ominaisuudet eroavat toisistaan ja mistä nämä erot johtuvat?

Answer 11

Lämpötilan muutokset ovat hitaampia kiiltävässä astiassa kuin mustassa. Musta pinta imee siihen kohdistuvan säteilyn tehokkaasti sekä luovuttaa energiaa tehokkaasti säteilemällä infrapunasäteilyä. Tämä johtuu siitä, että mustassa pinnassa on hyvin monella eri taajuudella värähtelemään kykeneviä rakenneosia. Kiiltävä pinta taas heijastaa suuren osan säteilystä, jolloin energian siirtyminen säteilynä kiiltävään astiaan (metalliin) ja astiasta pois on vähäisempää kuin tummalla astialla (kiiltävä lähettää ja ottaa vastaan vähemmän lämpöenergiaa).

Question 12

Mistä aineen lämpölaajeneminen johtuu mikrotasolla?

Answer 12

Kun lämpötila kohoaa, aineen rakenneosasten värähtely kasvaa, jolloin aine tarvitsee enemmän tilaa ja se laajenee. Lämpötilan taas alentuessa värähtely hidastuu, jolloin aine ei tarvitse niin paljoa tilaa ja aine kutistuu.

Question 13

Mikä olomuoto lämpölaajenee eniten ja mikä vähiten? Miksi?

Answer 13

Kaasut lämpölaajenevat eniten, koska kaasumolekyylit pääsevät liikkumaan vapaammin kuin neste- ja kiinteän aineen rakenneosaset. Kiinteät aineet lämpölaajenevat vähiten, koska rakenneosat ovat tiiviisti toisissaan kiinni, eivätkä siten pääse edes lämpötilan kohotessa juurikaan liikkumaan.

Question 14

Mitä erikoista veden lämpölaajenemisessa on ja miksi näin tapahtuu?

Answer 14

Kun veden lämpötila nousee nollasta asteesta lämpötilaan +4 °C, veden tilavuus ei kasva vaan pienenee. Tämä johtuu vesimolekyylien rakenteesta ja niiden keskinäisistä vuorovaikutuksista: vesimolekyylit ryhmittyvät lämpötilan kasvaessa 0 °C:sta +4 °C:een vähemmän tilaa vievään järjestykseen. Kun lämpötila kohoaa +4 °C:n yläpuolelle, vesi laajenee lämmetessään ja sen tiheys pienenee. Veden tiheys on suurin lämpötilassa +4 °C. Lisäksi jäätyessään vesi laajenee, koska jäätynyt vesi muodostaa säännöllisen rakenteen, jolloin vesimolekyylit ovat kauempana toisistaan kuin nesteessä.

Question 15

Millainen on kappale, jonka lämpökapasiteetti on suuri?

Answer 15

Sen lämpötila nousee hitaasti. Jos kappaleen lämpötila pysyy pitkään ympäristön lämpötilaa alhaisempana, siihen voi siirtyä ympäristöstä paljon energiaa. Sellainen kappale myös luovuttaa paljon energiaa jäähtymisen yhteydessä.

Question 16

Millainen on kappale, jonka lämpökapasiteetti on pieni?

Answer 16

Vähäinenkin kappaleeseen siirtynyt energia saa kappaleen lämpötilan kasvamaan voimakkaasti. Vastaavasti kappaleen lämpötila laskee nopeasti, kun siitä poistuu energiaa ympäristöön.

Question 17

Miten olosuhteet vaikuttavat kaasun ominaislämpökapasiteettiin ja mistä tämä johtuu?

Answer 17

Jos kaasu pääsee lämmitettäessä vapaasti laajenemaan – jolloin sen paine ei muutu – se käyttää suuren osan saamastaan energiasta laajenemisen vaatimaan ulkoiseen työhön, jota se tekee työntäessään tieltään muun aineen. Tällöin vain osa energiasta lisää kaasumolekyylien liike-energiaa eli kasvattaa kaasun lämpötilaa. Tässä tapauksessa kaasun ominaislämpökapasiteetti vakiopaineessa cp on suuri (aineen lämmittämiseen kuluu runsaasti energiaa).
Jos kaasu ei pääse lämmitettäessä laajenemaan, sen saamasta energiasta menee suuri osa molekyylien liikkeen nopeutumiseen. Tällöin lämpötila nousee voimakkaammin kuin edellisessä tapauksessa ja ominaislämpökapasiteetti vakiotilavuudessa cV on pienempi kuin cp.

Question 18

Mitä eroa on haihtumisella ja kiehumisella?

Answer 18

Haihtuminen on höyrystymistä nesteen pinnalta, jota tapahtuu kaikissa lämpötiloissa. Kun höyrystymistä tapahtuu myös nesteen sisällä, kyse on kiehumisesta. Aine kiehuu kiehumispisteessään.

Question 19

Mikä yhteys paineella on kiehumispisteeseen?

Answer 19

Kun painetta alennetaan, myös kiehumispiste alenee. Vastaavasti paineen kasvaessa kiehumispiste nousee.

Question 20

Miksi pakkasessa ruoka kannattaa säilyttää suljetuissa astioissa?

Answer 20

Suljettu astia estää ruuan sisältämän veden sublimoitumisen ja siten ruuan kuivumisen.

Question 21

Miten haihtuminen ja sublimoituminen vaikuttavat aineen lämpötilaan? Perustele.

Answer 21

Kaikilla rakenneosasilla ei ole yhtä suuri liike-
energia, vaan energiat noudattavat lämpötilalle ominaista jakaumaa. Osalla pinnan rakenneosasista on niin suuri liike-energia, että ne pystyvät irrottautumaan naapuriosasten vaikutuspiiristä ja siirtymään ilmaan. Koska suurienergisimmät rakenneosaset poistuvat aineesta, jäljelle
jäävien rakenneosasten keskimääräinen energia on hieman pienentynyt. Haihtuminen ja sublimoituminen siis jäähdyttävät ainetta.

Question 22

Mitä tapahtuu, jos aineen lämpötila on kriittistä lämpötilaa korkeampi?

Answer 22

Ainetta ei saada nesteytymään painetta kasvattamalla. Tällöin kaasumolekyylien liike-energia on niin suuri, ettei kaasu voi tiivistyä ennen kuin lämpötila laskee.

Question 23

Mikä ero on höyryllä ja kaasulla?

Answer 23

Jos kaasumaisen veden lämpötila on sen kriittistä lämpötilaa alempi, vettä sanotaan höyryksi. Vastaavasti jos kaasumaisen veden lämpötila on kriittistä lämpötilaa korkeampi, puhutaan kaasusta.

Question 24

Miten ilman absoluuttinen kosteus, suhteellinen kosteus, maksimikosteus ja kastepiste liittyvät toisiinsa?

Answer 24

Ilman absoluuttisella kosteudella tarkoitetaan ilmassa olevan vesihöyryn massaa tilavuusyksikköä kohti (g/cm^3). Kutakin lämpötilaa vastaa tietty maksimikosteus, joka kertoo vesihöyryn suurimman mahdollisen massan tilavuusyksikköä kohden. Tämä vesihöyryn maksimimäärä kasvaa ilman lämpötilan kasvaessa. Ilman suhteellinen kosteus kertoo, kuinka monta prosenttia ilman absoluuttinen kosteus on ilman maksimikosteudesta tietyssä lämpötilassa. Lämpötilaa, jossa ilman suhteellinen kosteus jäähtymisen seurauksena saavuttaa 100 %:n rajan, kutsutaan kastepisteeksi. Kun lämpötila laskee tätä alemmaksi, osa ilmassa olevasta vesihöyrystä tiivistyy tai härmistyy.

Question 25

Mitä tapahtuu ilman kosteudelle, kun ilma jäähtyy?

Answer 25

Kun vesihöyryä sisältävää ilmaa jäähdytetään, vesihöyryn suhteellinen osuus maksimipitoisuuteen nähden kasvaa, koska maksimipitoisuus pienenee. Höyryn absoluuttinen määrä pysyy samana.

Question 26

Mitä tarkoittaa nukleaatio?

Answer 26

Prosessi, jossa ympäröivästä faasista erottuu paikallisesti erilainen termodynaaminen faasi aineen olomuodon muuttuessa. Esim. paikalliset vesipisarat kaasun tiivistyessä.

Question 27

Mitä tarkoittaa stabiili- ja metastabiili faasi ja miten ne eroavat toisistaan?

Answer 27

Aineen olomuotoa kutsutaan stabiiliksi faasiksi, kun aine on termodynaamisessa tasapainotilassa. Tällöin aineen olomuodon määrää paine ja lämpötila faasikaavion mukaisesti. Jos paine tai lämpötila muuttuu pikkuhiljaa, aine voi joutua metastabiiliin faasiin. Tällöin aine esiintyy eri olomuodossa kuin mitä faasikaavio ennustaa.

Question 28

Mitä on alijäähtynyt vesi ja miksi se on vaarallista liikenteessä?

Answer 28

Alijäähtynyt vesi on metastabiilissa faasissa olevaa vettä, jonka faasikaavion mukaan tulisi olla jäätä (lämpötila alle 0C). Äkillinen veteen kohdistuva häiriö, kuten pisaran osuminen tuulilasiin, saa veden jäätymään hyvin nopeasti. Häiriö siirtää veden metastabiilista faasista stabiiliin faasiin. Alijäähtynyt vesi voi aiheuttaa liikenteessä vaaratilanteita muodostaessaan nopeasti jääkerroksen tuulilasiin ja tienpintaan.

Question 29

Mitä on ylikuumentunut vesi?

Answer 29

Ylikuumentunut vesi on metastabiilissa faasissa olevaa vettä, eli vesi on nestemäistä vielä kiehumispisteen yläpuolella. Tapahtuu helpoimmin sileässä astiassa: pinnan naarmu tai muu epätasaisuus toimii veteen kohdistuvana häiriönä, joka aloittaa kiehumisen eli siirtää veden takaisin stabiiliin faasiin.

Question 30

Mikä on tukivoima?

Answer 30

Kun kappale on kosketuksessa toiseen kappaleeseen, tämä toinen kappale kohdistaa siihen tukivoiman. Tukivoima on aina kohtisuorassa kosketuspintaa vasten. Tukivoima on kosketusvoima.

Question 31

Mitä paine kuvaa?

Answer 31

Paine kuvaa, kuinka voima jakautuu vaikutuspinnalle.

Question 32

Mitä kuormituksella tarkoitetaan fysiikassa?

Answer 32

Kiinteän kappaleen gravitaatiosta aiheutuvaa painetta toista kappaletta vasten sanotaan usein kuormitukseksi.

Question 33

Miten paineen jakautuminen eroaa kiinteissä aineissa, nesteissä ja kaasuissa?

Answer 33

Kiinteiden kappaleiden tapauksessa kappaleiden välinen kosketusvoima aiheuttaa paineen, joka vaikuttaa vain kappaleen pinnalla. Kappaleen lujuusominaisuudet vaikuttavat siihen, miten paine vaikuttaa pintaa syvemmällä. Voima aiheuttaa nesteeseen paineen, joka ilmenee samansuuruisena kaikkialla nesteessä. Pascalin lain mukaan ulkoinen paine leviää tasaisesti kaikkialle nesteeseen. Myös kaasuissa paine jakautuu tasaisesti, mutta kaasuja pystyy puristamaan helposti kokoon, toisin kuin nesteitä.

Question 34

Miten kaasun paine määritellään mikrotasolla?

Answer 34

Kaasun rakenneosasten törmäykset tapahtuvat satunnaisesti, mutta vähänkin pidemmillä aikaväleillä tarkasteltuna niiden aiheuttama kokonaisvoima pysyy keskimäärin vakiona. Molekyylien aiheuttamaa keskimääräistä voimaa pinta-alayksikköä kohti sanotaan kaasun paineeksi.

Question 35

Mitä paineelle yleensä tapahtuu lämpötilan noustessa?

Answer 35

Paine kasvaa lämpötilan noustessa, koska rakenneosasten lisääntynyt lämpöliike kohdistaa törmäyksissä suuremman voiman astian seinämiin sekä toisiinsa. Törmäyksiä tapahtuu myös enemmän aikayksikköä kohden.

Question 36

Mikä on Bernoullin laki?

Answer 36

Bernoullin lain mukaan virtauksen nopeuden kasvaessa paine pienenee ja nopeuden pienentyessä paine kasvaa. Kun vaakasuora putki kapenee, putkessa virtaavan nesteen nopeus suurenee ja paine pienenee.Virtausnopeuden suureneminen (v2 > v1) putken kaventuessa (A2 < A1) johtuu siitä, että sekä leveän että kapean putken osan läpi täytyy kulkea sama nestetilavuus samassa ajassa, kun neste oletetaan kokoonpuristumattomaksi ja virtaama vakioksi. Nesteen virtausnopeuden suuruus on siis kääntäen verrannollinen putken poikkipinta-alaan A eli vA = vakio, ja kuvan tapauksessa pätee v1*A1 = v2*A2.

Question 37

Mitä tarkoittaa matala- ja korkeapaine ja miten ne liittyvät tuulien syntyyn?

Answer 37

Matalapainealueella ilmanpaine on pienempi kuin ympäristössä ja korkeapainealueella taas suurempi. Matalapaineella ilma nousee ylöspäin, koska lämmin ilma on kevyempää. Noustessaan ilma viilenee, jolloin vesihöyry tiivistyy ja muodostuu sadepilviä. Maan pinnalla ympäröivä ilma virtaa kohti matalapainetta täyttääkseen tyhjiön (paine-erot tasoittuvat). Korkeapaineessa taas ilma laskeutuu alaspäin ja ilma kuivuu sekä lämpenee. Maan pinnalla ilma virtaa poispäin korkeapaineesta (vähäiset tuulet). Tuuli syntyy, kun ilma liikkuu korkeapaineen alueelta kohti matalapainetta, eli paine-erot tasoittuvat.

Question 38

Miksi vesi pysyy täytetyssä kupissa, jonka päällä on paperi, vaikka systeemin kääntää ylösalaisin?

Answer 38

Ilmanpaine vaikuttaa lasiin joka puolelta, myös alhaaltapäin, painaen paperia lasin suulla. Vesi painaa lasissa alaspäin (gravitaatio), mutta sen aiheuttama paine paperia vastaan on pienempi kuin ulkoinen ilmanpaine. Lisäksi lasin sisälle syntyy lievä alipaine, kun lasi käännetään ylösalaisin.

Question 39

Mitkä asiat vaikuttavat veden alla vallitsevaan paineeseen?

Answer 39

Mittaussyvyys, veden tiheys ja putoamiskiihtyvyys (hydrostaattinen paine) sekä ilmanpaine (p0).

Question 40

Mitä potentiaalienergia on ja mikä vaikuttaa sen suuruuteen?

Answer 40

Kappaleella on Maan gravitaatiokentässä sen sijaintiin perustuvaa energiaa eli potentiaalienergiaa. Potentiaalienergian suuruus riippuu kappaleen sijainnista gravitaatiokentässä sekä kappaleeseen kohdistuvasta painosta G.

Question 41

Mitä liike-energia on ja mikä vaikuttaa sen suuruuteen?

Answer 41

Liikkuvilla kappaleilla on liikkeestä johtuvaa energiaa eli liike-energiaa, joka riippuu kappaleen massasta ja nopeuden suuruudesta.

Question 42

Mitä on mekaaninen energia?

Answer 42

Kappaleen potentiaali- ja liike-energian summa.

Question 43

Mitä työllä tarkoitetaan fysiikassa?

Answer 43

Työ on voiman välityksellä tapahtuvaa energian siirtoa kappaleen ja sen ympäristön välillä. Vuorovaikutuksessa energiaa voi muuntua muodosta toiseen voiman tekemän työn välityksellä. Työ on yksi vuorovaikutuksen ilmenemismuoto.

Question 44

Mikä oli Joulen koe ja mitä siinä todettiin?

Answer 44

Joulen kokeessa putoava punnus pyöritti vedessä olevia siipirattaita. Havaittiin, että veden lämpötila nousi mekaanisen työn seurauksena. Veden lämpöenergiaksi (sisäenergiaksi) muuntuneen energian määrä on likimain yhtä suuri kuin punnuksen potentiaalienergian muutos. Lämpötila voi siis kohota sekä lämmön että mekaanisen työn vaikutuksesta.

Question 45

Mikä on lämpöopin 1. pääsääntö?

Answer 45

Energian säilymislaki; systeemin sisäenergia muuttuu yhtä paljon kuin siihen siirtyy tai siitä poistuu energiaa lämpönä ja työnä (ΔU = Q + W). Energiaa ei häviä eikä synny lisää.

Question 46

Mikä on lämpöopin 2. pääsääntö?

Answer 46

Lämpötilaerot tasoittuvat; eristetyssä systeemissä eri lämpötilassa olevat kappaleet ajan mittaan saavuttavat saman lämpötilan -> entropia kasvaa, kunnes päädytään termiseen tasapainoon

Question 47

Mikä on lämpöopin 3. pääsääntö?

Answer 47

Entropian nollapiste; kaikki liike pysähtyy absoluuttisessa nollapisteessä -> entropia on nolla lämpötilassa 0K.

Question 48

Miten systeemin sisäenergia voi muuttua?

Answer 48

Sisäenergia voi muuttua, kun systeemi on vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa (voiman tekemä työ tai lämpö). Sisäenergian muutos on sen rakenneosasten liike-energioiden ja osasten välisiin vuorovaikutuksiin liittyvien potentiaalienergioiden muutosten summa.

Question 49

Miten systeemin sisäenergian muutos voi näkyä?

Answer 49

Sisäenergian muutos näkyy makrotasolla lämpötilan, paineen, tilavuuden tai olomuodon muuttumisena.

Question 50

Miten systeemiin tehty työ ja siihen tuotu lämpö eroavat mikrotasolla?

Answer 50

Kun systeemiin tehdään työtä, molekyylit liikkuvat yhdessä suurena joukkona. Törmäysten seurauksena järjestäytynyt liike muuttuu vähitellen epäjärjestyneeksi liikkeeksi. Systeemiin tuotu lämpö ilmenee systeemin molekyylien lisääntyneenä epäjärjestyneenä liikkeenä.

Question 51

Miten sisäenergian muutos voidaan määrittää?

Answer 51

Sisäenergian muutos voidaan määrittää, koska sisäenergiaa muuttavat voiman tekemä työ ja lämpö: nämä molemmat voidaan mitata tai laskea (sisäenergian muutos on niiden summa olettaen, että energiaa ei mene muuhun kuin systeemiin.)

Question 52

Selitä W:n ja Q:n merkkisäännöt, kun kaasu tekee/kaasuun tehdään työtä.

Answer 52

Q > 0, kun systeemiin tuodaan energiaa. Q < 0, kun systeemistä poistuu energiaa. W > 0, kun ulkoinen voima tekee työtä systeemiin. W < 0, kun systeemi tekee työtä.

Question 53

Mitä on graafinen integrointi ja miten se liittyy kaasun tekemään työhön?

Answer 53

Menetelmää, jossa suureen arvo lasketaan fysikaalisena pinta- alana, kutsutaan graafiseksi integroinniksi. Kaasun tekemä työ saadaan V,p-koordinaatistosta kuvaajan ja V-akselin välisenä fysikaalisena pinta-alana, kaikissa erilaisissa prosesseissa.

Question 54

Mikä on lämpövoimakone?

Answer 54

Kone, joka muuntaa polttoaineesta vapautuvaa energiaa mekaaniseksi energiaksi, esim- höyrykone.

Question 55

Selitä lämpövoimakoneen toimintaperiaate.

Answer 55

Jokaisen kierroksen alussa koneen aineeseen (neste/kaasu) siirtyy lämpösäiliöstä lämpömäärä Q1. Tämän jälkeen kaasu luovuttaa lämpömäärän Q2 kylmäsäiliöön. Lämpömäärien erotus käytetään mekaanisen työn W tekemiseen. Kun kone toistaa kiertoprosessin, se palaa jokaisen kierron jälkeen samaan alkuperäiseen termodynaamiseen tilaan, joten kokonaisella kierroksella sisäenergian muutos on ∆U = 0.

Question 56

Miten lasketaan lämpövoimakoneen hyötysuhde?

Answer 56

Lämpövoimakoneen hyötysuhde on tehdyn työn W = Q1 – Q2 ja koneen ottaman lämpömäärän Q1 suhde. Mitä enemmän kone pystyy muuntamaan saamastaan lämpöenergiasta mekaaniseksi energiaksi, sitä suurempi hyötysuhde. (Käytännössä mm. kitkan ja lämpöhäviöiden vuoksi todellisen lämpövoimakoneen hyötysuhde on pienempi)

Question 57

Mihin lämpövoimakoneen toiminta perustuu?

Answer 57

Lämpö- ja kylmäsäiliön väliseen lämpötilaeroon (lämpö siirtyy koneessa spontaanisti)

Question 58

Mikä on Carnot-hyötysuhde?

Answer 58

Lämpövoimakoneen lämpösäiliön ja kylmäsäiliön lämpötilat määräävät, miten korkea hyötysuhde lämpövoimakoneella voi parhaimmillaan olla. Tätä hyötysuhteen teoreettista ylärajaa sanotaan Carnot-hyötysuhteeksi (= (T1 - T2) / T1). Hyötysuhde on sitä suurempi, mitä suuremmalla lämpötilavälillä lämpövoimakone toimii. Käytännössä lämpövoimakoneen kylmäsäiliön lämpötilan määrää ympäristön lämpötila.

Question 59

Miksi vesivoimalaitoksen hyötysuhde on huomattavasti suurempi kuin ydinvoimalaitoksen?

Answer 59

Pienen lämpötilavälin ja höyryturbiinissa tapahtuvien energiahäviöiden vuoksi ydinvoimalaitoksen hyötysuhde on huomattavasti pienempi kuin vesivoimalaitoksen. Vesivoimalassa hyötysuhdetta rajoittavat vain kitka ja veden pyörteet, kun taas ydinvoimalassa maksimaalinen hyötysuhde määräytyy säiliöiden lämpötilavälin mukaan. Lämpötilaero säiliöissä on melko pieni, koska kylmäsäiliö ei voi olla kylmempi kuin ympäristön lämpötila ja lämpösäiliö on turvallisuussyistä pidettävä riittävän viileänä.

Question 60

Mikä on lämmönsiirtokone?

Answer 60

Lämmönsiirtokone toimii päinvastaiseen suuntaan kuin lämpövoimakone eli se siirtää sähköverkosta ottamansa energian avulla energiaa kylmäsäiliöstä lämpösäiliöön, esim. jääkaappi, ilmastointilaitteet, lämpöpumppu.

Question 61

Selitä jääkaapin toimintaperiaate.

Answer 61

Jääkaapin toiminta perustuu jäähdytysputkistossa kiertävän kylmäaineen olomuodonmuutoksiin. Nestemäinen kylmäaine höyrystyy jääkaapin sisällä höyrystimessä. Höyrystymiseen tarvittavan energian Q2 kylmäaine ottaa jääkaapin sisältä, jolloin kaapissa olevan ilman sisäenergia pienenee ja kaapin lämpötila alenee. Tämän jälkeen höyry siirtyy putkistossa jääkaapin ulkopuolelle kompressoriin. Kompressori puristaa höyrymäisen kylmäaineen korkeaan paineeseen, ja kuuma höyry tiivistyy nesteeksi lauhduttimessa, jossa se luovuttaa energian Q1 huoneilmaan. Lauhduttimen jälkeen neste virtaa kuristusventtiilin läpi, jossa sen paine alenee ja neste palaa takaisin höyrystimeen höyrystettäväksi. Kompressori tekee työn W sähköverkosta otetun energian avulla. Jääkaapista poistuu lämpömäärä Q1 = Q2 + W.

Question 62

Selitä lämpöpumpun toimintaperiaate lämmityskäytössä.

Answer 62

Lämmityskäytössä ilmalämpöpumppu siirtää lämpöenergiaa ilmasta lämmitettävään kohteeseen. Tällöin kylmäaine höyrystetään ulkoyksikössä, jossa se sitoo ulkoilmasta energiaa itseensä. Höyrystynyt kylmäaine siirretään sisäyksikköön, jossa sen olomuoto muuttuu höyrystä nesteeksi. Tiivistymisessä vapautuu energiaa ja sisäyksikön kenno lämpenee. Puhallin siirtää lämmenneen ilman kennon läpi huoneeseen. Sisäyksiköstä neste palaa ulkoyksikköön.

Question 63

Selitä lämpöpumpun toimintaperiaate jäähdytyskäytössä.

Answer 63

Jäähdytyskäytössä kylmäaineen virtaus käännetään vastakkaiseksi. Sisäyksikön kennossa nestemäinen kylmäaine höyrystyy. Tällöin se sitoo energiaa puhaltimen kierrättämästä huoneilmasta. Tämän seurauksena huoneilma viilenee.

Question 64

Mikä on lämpökerroin?

Answer 64

Lämpökerroin (COP, Coefficient of performance) kertoo, kuinka moninkertainen määrä lämpöenergiaa saadaan tuotettua sähköverkosta otettuun energiamäärään nähden. Lämpökerroin riippuu ulkoilman lämpötilasta ja laskee ulkoilman jäähtyessä.

Question 65

Mikä on termodynaaminen tasapaino?

Answer 65

Systeemin tila, jossa sen ominaisuudet eivät muutu. Kaikki termodynaamiset prosessit suuntautuvat kohti tasapainoa.

Question 66

Mitä tarkoitetaan energian huonontumisella?

Answer 66

Lämpöenergia on hyötykäytön kannalta huonompaa energiaa kuin muut energialajit; sanotaan, että energia huononee, kun se muuntuu lämpöenergiaksi. Lämpöenergian huonous ilmenee mm. siten, että lämpöenergiaa on hankalaa käyttää tehokkaasti hyödyksi esimerkiksi erilaisissa koneissa.

Question 67

Mitkä suureet määrittävät kaasun tilan?

Answer 67

Kaasun tilanmuuttujat ovat paine, tilavuus, ainemäärä ja lämpötila, jotka riippuvat toisistaan.

Question 68

Mitä epäkohtia voi liittyä kaasun tarkasteluun korkeassa paineessa tai alhaisissa lämpötiloissa?

Answer 68

Osa kaasusta saattaa nesteytyä, mikä muuttaa systeemin ainemäärää ja aiheuttaa epätarkkuutta mittaukseen.

Question 69

Miten kaasun paine ja tilavuus liittyvät toisiinsa, kun lämpötila on vakio?

Answer 69

Paine ja tilavuus ovat kääntäen verrannollisia. Pv = vakio. Kun tilavuus pienenee, kaasun paine kasvaa ja tilavuuden kasvaessa paine pienenee. (1/V, p -koordinaatisto)

Question 70

Miksi kaasun paine kasvaa tilavuuden pienentyessä lämpötilan ollessa vakio?

Answer 70

Isotermisessä prosessissa kaasun lämpötila ei muutu, joten rakenneosasten vauhti ei muutu. Kuitenkin, kun kaasu puristetaan pienempään tilavuuteen, kaasun rakenneosaset törmäilevät toisiinsa ja astian seinämiin useammin. Tämä aiheuttaa paineen kasvun.

Question 71

Miten kaasun lämpötila ja tilavuus liittyvät toisiinsa, kun paine on vakio?

Answer 71

Lämpötila ja tilavuus ovat suoraan verrannollisia, V/T = vakio. Lämpötilan noustessa tilavuus kasvaa ja lämpötilan laskiessa tilavuus pienenee.

Question 72

Miten kaasun lämpötila ja paine liittyvät toisiinsa, kun tilavuus on vakio?

Answer 72

Lämpötila ja paine ovat suoraan verrannollisia, p/T = vakio. Lämpötilan kasvaessa paine kasvaa ja lämpötilan laskiessa paine laskee.

Question 73

Mitkä ovat ideaalikaasun perusoletukset?

Answer 73

1. Kaasut koostuvat suuresta määrästä toistensa kaltaisia molekyylejä, jotka ovat pistemäisiä ja vailla sisäistä rakennetta. 2. Molekyylit liikkuvat satunnaisesti kaikkiin suuntiin. Niiden liikeradat ovat murtoviivoja, joissa suunnanmuutokset aiheutuvat törmäyksistä toisiin molekyyleihin tai astian seinämiin. 3. Molekyyleillä ei ole törmäysten lisäksi muita vuorovaikutuksia. 4. Törmäykset ovat täysin kimmoisia eli molekyylin vauhti on ennen ja jälkeen törmäyksen yhtä suuri. 5. Ideaalikaasu ei nesteydy.

Question 74

Mikä on Avogadron laki?

Answer 74

Samassa lämpötilassa ja paineessa yhtä suuret tilavuudet eri kaasuja sisältävät yhtä monta rakenneosaa (molekyyliä).

Question 75

Milloin kaasu on normaalitilassa?

Answer 75

Kun kaasun lämpötila on T = 273,15 K (t = 0 °C) ja paine on normaali ilmanpaine eli p0 = 101 325 Pa, kaasun sanotaan olevan normaalitilassa. Normaaliolosuhteissa yhden moolin mitä tahansa kaasua tilavuus on Vm = 22,413 970 dm3.

Question 76

Milloin Maa olisi säteilytasapainotilassa?

Answer 76

Säteilytasapainotilassa Auringosta siirtyy Maahan ilmakehä mukaan luettuna keskimäärin yhtä paljon säteilyenergiaa kuin sitä Maasta poistuu avaruuteen.

Question 77

Miten säteilytasapaino ja energiatasapaino liittyvät toisiinsa?

Answer 77

Säteilytasapainossa Auringosta Maahan saapuva säteily on yhtä suurta kuin Maan säteily. Koska säteily on ainoa tapa siirtää lämpöenergiaa avaruudessa, voidaan Maan säteilytasapainon sijasta puhua yleisemmin myös Maan energiatasapainosta.

Question 78

Miksi Maan lämpötila kohoaa?

Answer 78

Maa ei ole säteilytasapainossa voimistuneen kasvihuoneilmiön seurauksena. Tällöin Maasta poistuu vähemmän lämpösäteilyä kuin sitä avaruudesta tulee, jolloin lämpötila nousee.

Question 79

Mitä ominaisuuksia on ideaalisella pinnalla?

Answer 79

Ideaalista pintaa tehokkaammin minkään kappaleen pinta ei voi lähettää lämpösäteilyä annetussa lämpötilassa. Ideaalinen pinta myös absorboi (imee) kaiken siihen osuvan säteilyn heijastamatta mitään takaisin. Sen vuoksi ideaalista pintaa kutsutaan mustaksi kappaleeksi.

Question 80

Mikä on aurinkovakio?

Answer 80

Auringon säteilyteho neliömetriä kohden Maan etäisyydellä Auringosta.

Question 81

Miksi Maanpinnan lähellä mitattu Maan keskilämpötila on alhaisempi kuin ilmakehön keskimääräinen lämpötila?

Answer 81

Maanpinta ja sen lähettyvillä oleva ilmakerros säteilee siis huomattavasti voimakkaammin kuin ilmakehä keskimäärin. Maanpinnan säteily ei kuitenkaan pääse läpäisemään ilmakehää avaruuteen saakka, koska ilmakehän kasvihuonekaasujen (mm. vesihöyry ja hiilidioksidi) molekyylit vuorovaikuttavat maanpinnalta lähtevän lämpösäteilyn kanssa. Toisin sanoen lämpösäteilyä pääsee poistumaan ilmakehän yläosista avaruuteen huomattavasti vähemmän kuin sitä maanpinnalta lähtee.

Question 82

Mikä on luonnollinen kasvihuoneilmiö ja mitä vaikutuksia sillä on maapalloon?

Answer 82

Kasvihuonekaasut pitivät pitkään maapallon keskilämpötilan 14 °C − (−18 °C) = 32 °C korkeampana, kuin mitä lämpötila olisi ollut ilman kasvihuonekaasujen vaikutusta. Tätä kutsutaan luonnolliseksi kasvihuoneilmiöksi. Luonnollinen kasvihuoneilmiö on nykyisenkaltaisen elämän edellytys, sillä se takaa veden esiintymisen maapallolla laajalti nestemäisenä ja höyrynä.

Question 83

Miksi ilmakehän kasvihuonekaasut päästävät Auringosta saapuvan säteilyn Maahan mutta eivät kaikkea Maan lähettämää säteilyä avaruuteen?

Answer 83

Auringon näkyvän valon aallonpituusalueelle painottuva lämpösäteily pääsee kasvihuonekaasujen läpi suurilta osin vuorovaikuttamatta. Maan selvästi pidempiaaltoisen säteilyn energia pystyy muuntumaan kasvihuonekaasujen molekyylien värähtelyyn liittyväksi energiaksi. Värähtelevät molekyylit lähettävät samanlaista, pitkäaaltoista säteilyä kaikkiin suuntiin, siis myös takaisin maanpinnalle. Siksi vain osa maanpinnan lähettämästä säteilystä poistuu avaruuteen.

Question 84

Mitkä ovat merkittävimmät kasvihuonekaasut?

Answer 84

Vesihöyry (H2O), hiilidioksidi (CO2), otsoni (O2), metaani (CH2) ja typpidioksidi (N2O)

Question 85

Mikä on Maan säteilytase?

Answer 85

Maahan sitoutuvan ja Maasta poistuvan säteilytehon (neliömetriä kohden) erotus. Säteilytasapainossa nolla

Question 86

Selitä säteilytasapainon saavuttaminen, kun alussa a) säteilytase on positiivinen b) säteilytase on negatiivinen

Answer 86

a) Maa sitoo säteilyenergiaa aikayksikössä aluksi enemmän kuin mitä Maa itse säteilee pois (positiivinen säteilytase). Tällöin Maan lämpötila nousee ja lämpötilan nousu aiheuttaa säteilytehon kasvun (mitä kuumempi kappale, sitä enemmän säteilyä). Kun lämpötila on kohonnut tarpeeksi, Maa luovuttaa lopulta säteilyä täsmälleen saman verran kuin sitoo. Tällöin on saavutettu säteilytasapaino ja säteilytase on nolla. b) Maapallo jäähtyy, jos se luovuttaa aluksi enemmän energiaa säteilynä kuin mitä se sitoo (negatiivinen säteilytase). Jäähtymistä seuraa säteilytehon heikkeneminen, jolloin päädytään jälleen tasapainotilanteeseen.

Question 87

Mikä on säteilypakote?

Answer 87

Tietyn tekijän aiheuttama muutos Maan säteilytaseeseen on kyseisen tekijän aiheuttama säteilypakote (W/m^2)

Question 88

Mikä on matalaenergiatalo?

Answer 88

Matalaenergiatalon lämmitys kuluttaa energiaa enintään 85 % rakennusmääräysten mukaisista perusvaatimuksista – tyypillisesti noin 60–90 kWh/m2 vuodessa.

Question 89

Mikä on passiivienergiatalo?

Answer 89

Passiivienergiatalossa tavoitteena on, ettei talo vaatisi erillistä lämmitysenergian käyttöä, mutta Suomen oloissa tämä ei käytännössä toteudu. Passiivienergiatalon lämmitys kuluttaa kuitenkin vain noin 20 % tavanomaiseen taloon verrattuna, eli 20–30 kWh/m2 vuodessa.

Question 90

Mikä on nollaenergiatalo?

Answer 90

Nollaenergiatalo tuottaa vuoden aikana saman verran uusiutuvaa energiaa kuin se kuluttaa uusiutumatonta ja uusiutuvaa energiaa yhteensä.

Question 91

Mikä on plusenergiatalo?

Answer 91

Tuottaa vuoden aikana enemmän uusiutuvaa energiaa kuin se kuluttaa uusiutumatonta ja uusiutuvaa energiaa yhteensä.

Question 92

Mitä eroa on lämmönjohtavuuskertoimella ja lämmönläpäisykertoimella?

Answer 92

Materiaalin lämmönjohtavuuskerroin λ kuvaa tietyn materiaalin kykyä johtaa lämpöä (W/(m·K)). Talon seinät ja ikkunat koostuvat kuitenkin useista eri materiaaleista, ja rakenteiden pinta-alat tunnetaan. Tällöin monesti hyödyllinen suure on rakenteen lämmönläpäisykerroin eli U-arvo, joka ilmaisee lämmönsiirtymistehon rakenteen pinta-alayksikköä ja lämpötilaeroyksikköä kohden (W/(m2·K)).