- Ydin pysyy koossa vahvan vuorovaikutuksen takia ja atomi pysyy koossa sähkömagneettisen vuorovaikutuksen takia

Kiinteä aine mikrotasolla

- Kiinteässä aineessa aineen rakenneosaset ovat sidottuja tiettyihin tasapainoasemiin ja pääsevät värähtelemään niiden ympärillä Huoneenlämmössä suurin osa aineista on kiinteässä olomuodossa.

Neste mikrotasolla

- Nesteissä rakenneosaset ovat löyhemmin toisiin sitoutuneita verrattuna kiinteiden aineiden atomeihin, ja ne pääsevät liukumaan toistensa ohi

Kaasu mikrotasolla - Kaasun molekyylit pääsevät liikkumaan vapaasti, kunnes törmäävät seinämiin tai toisiinsa.

Tuuli

- Ilman virtauksia, jotka syntyvät eri alueilla olevista ilmanpaine-eroista

Termodynaaminen systeemi

- Kappale tai muu kokonaisuus, jossa on tietty määrä jotakin ainetta tai joitakin aineita, mahdollisesti eri olomuodoissa

Tilanmuuttujat/tilansuureet

- Termodynaamisen systeemin tilaa voidaan kuvata neljän suureen eli lämpötilan T, paineen p, tilavuuden V ja ainemäärän n avulla Kun yhtä tilanmuuttujista muutetaan, muutos vaikuttaa aina vähintään yhden muun tilanmuuttujan arvoon

Eristetty systeemi

- Eristetty systeemi ei vaihda ympäristönsä kanssa ainetta eikä energiaa

- Esim. styroksista valmistettu kylmälaukku

Suljettu systeemi - Suljettu systeemi vaihtaa ympäristönsä kanssa energiaa mutta ei ainetta

- Esim. kahvikuppi pöydällä

Avoin systeemi

- Avoin systeemi vaihtaa ympäristönsä kanssa sekä ainetta että energiaa

- Esim. luokkahuone

Makrotaso

- Tarkastelun kohteena koko kappale - Aistein havaittavia ominaisuuksia, kuten lämpötila ja jäähtyminen.

Mikrotaso

- Mikrotason mallit selittävät makrotason ilmiöitä Tarkoittaa esimerkiksi atomi- ja molekyylitason ilmiöitä.

Terminen tasapaino

- Systeemin lämpötilaerot ovat tasoittuneet

Kemiallinen tasapaino

- Systeemin kaikki reaktiokykyiset kemialliset aineet ovat reagoineet.

Mekaaninen tasapaino

- Systeemin paine-erot ovat tasoittuneet

Termodynaaminen tasapaino

- Tapahtuu itsestään eristetyssä systeemissä Tällöin vallitsee terminen-, kemiallinen- ja mekaaninen tasapaino

Terminen energia

- Terminen energia eli lämpöenergia on aineen mikroskooppisten rakenneosasten järjestäytymättömän liikkeen eli lämpöliikkeen liike-energiaa Voi olla etenemis-, pyörimis- tai värähtelyliikettä.

Lämpötila

- Lämpötila on tilastollinen suure, jonka arvo riippuu kappaleen rakenneosasten lämpöliikkeestä

- Lämpötila määritellään rakennehiukkasten keskimääräisen liike-energian avulla. Mitä nopeammin aineen rakenneosaset keskimäärin liikkuvat, sitä korkeampi on aineen lämpötila

Absoluuttinen lämpötila-asteikko

- Lämpötila, SI-järjestelmän perussuure

- Lämpötilan tunnus on T ja yksikkö 1K (kelvin).

Absoluuttinen nollapiste

- Lämpötilan teoreettinen alaraja, jolloin lämpöliike olisi kokonaan pysähtynyt

- Arvo on 0K

- Ei voida koskaan kuitenkaan saavuttaa. Nolla aste Celsiusta Kelvin-asteina 273,15K

Matalapaine

- Matalapaineeksi luokitellaan alue, jossa ilmanpaine on ympäristöä matalampi

- Normaali ilmanpaine on 1013 hPa ja tätä alemmat ilmanpaineet ovat matalapainetta

- Matalapaineessa ilman kiertoliike on seuraavanlainen: Ilmakehän alaosassa alueelle tulee ilmaa vähemmän, kuin mitä alueelta poistuu ilmaa yläilmakehässä

- Matalapaineeseen usein liittyvä epävakainen ja sateinen sää liittyy juuri edellä mainittuun ilman kiertoliikkeeseen. Ilman noustessa maan pinnalta ylöspäin ilma jäähtyy. Jäähtyessä ilmassa oleva kosteus tiivistyy ja muodostaa pilviä sekä aika usein myös sadetta

Korkeapaine

- Korkeapaineet ovat alueita, joissa ilmanpaine on ympäristöään korkeampi, yli 1013 hPa

- Yläilmakehässä korkeapaineen alueelle tulee enemmän ilmaa kuin mitä sieltä alailmakehässä poistuu, ja ilmapatsas siis painaa enemmän kuin ympäröivillä alueilla

- Korkeapaineessa ilma on laskuliikkeessä, ylhäältä alaspäin tuleva ilma lämpenee. Lämpimämmässä ilmassa kosteutta voi olla piilevänä enemmän kuin kylmässä, näin ollen lämpenemisen yhteydessä ilman suhteellinen kosteus pienenee. Korkeapaineessa alaspäin laskeva ilmaa siis "kuivuu" ja kuivumisen myötä mahdolliset pilvet haihtuvat ja sää selkenee

Lämpöopin 3. pääsääntö

- Absoluuttisessa nollapisteessä rakenne-osasten liike olisi kokonaan pysähtynyt

- Absoluuttista nollapistettä ei kuitenkaan pystytä koskaan saavuttamaan

Kosketuslämpömittari

- Kosketuslämpömittarin toiminta perustuu termiseen tasapainoon

- Kun lämpömittari näyttää omaa lämpötilaansa, termisen tasapainon vallitessa se ilmoittaa samalla mitattavan kappaleen lämpötilan

Nestelämpömittari

- Nestelämpömittarin toiminta perustuu lämpölaajenemiseen

- Kun aineen lämpötila kasvaa, aine muutamia poikkeuksia lukuunottamatta kasvaa

- Ennen perinteisissä kuumemittareissa käytettiin elohopeaa, mutta siitä on luovuttu, koska sen todettiin aiheuttavan ympäristö- ja terveyshaittoja

- Elohopea on korvattu indium-gallium-tinaseoksella

Kaksoismetallilämpömittari

- Kaksoismetallilämpömittarissa on kaksi toisiinsa kiinnitettyä metalliliuskaa, joiden lämpölaajeneminen on erilaista

- Lämpötilan muuttuessa metallit laajenevat eri tavalla ja liuska taipuu

- Kaksoismetallilämpömittareita käytetään esimerkiksi saunassa

Termoelementti

Paine

- Paine (tunnus p) on suure, joka ilmaisee pinta-alayksikköön kohdistuvaa kohtisuoraa voimaa

- Kiinteän kappaleen aiheuttamaa painetta toista kappaletta vastaan sanotaan usein kuormitukseksi

- 1 bar = 0,1 MPa = 100 000 Pa

Ilmanpaine

- Ilmanpaine on mittauskohdan yläpuolella olevan ilman paino pinta-alayksikköä kohden

- Normaali ilmanpaine on 101 325 Pa = 101,325 kPa

- Meteorologiassa ilmanpaine ilmaisteen tavallisesti millibaareina (mbar) tai hehtopascaleina (hPa)

Hydrostaattinen paine

-Painetta, joka johtuu nesteeseen (tai kaasuun) kohdistuvasta painosta, kutsutaan hydrostaattiseksi paineeksi

- Hydrostaattinen paine riippuu nesteen tiheydestä ρ, syvyydestä h ja putoamiskiihtyvyydestä g

- Hydrostaattinen paine on nesteessä samassa syvyydessä on aina joka suunnassa yhtä suuri, koska paine jakautuu nesteessä tasaisesti

- Hydrostaattinen paine astian pohjalla ei riipu astian muodosta

Hydraulinen nosturi

- Hydraulisen nosturin toiminta perustuu siihen, että neste on lähes kokoonpuristamatonta ja nesteessä vallitsee kaikkialla sama paine joka suuntaan

- Näin ollen kumpaankin säiliöön kohdistuu sama paine

Sukeltajantauti

- Sukeltajantauti eli dekompressiotauti tai alipainetauti on sairaus, jossa hengityskaasun typpeä tai heliumia on liuennut liikaa elimistöön, jolloin verenkierrossa ja kudoksissa syntyy kuplia

- Sukeltajantauti aiheutuu kehonulkoisen paineen nopeasta vähenemisestä esimerkiksi sukeltajalla, joka nousee liian äkkiä syvyydestä pintaan

Energian säilymislaki

Energia voi luonnonilmiöissä siirtyä tai muuntua muodosta toiseen. Energian kokonaismäärä kuitenkin säilyy. Energian säilymislaki on fysiikan kaikki alueet yhdistävä laki.

Työ

- Työ (tunnus W) on fysikaalinen suure

- Se on energian vaihtoa eri kappaleiden tai eri energiamuotojen välillä

- Vakiovoiman, jonka suuruus on F, kappaleeseen tekemä työ W saadaan kertomalla voima kappaleen siirtymällä:

1. W = Fs, kun voima on liikkeen suuntainen

2. W = -Fs, kun voima on liikkeen suunnalle vastakkainen

3. Jos kappale on paikallaan, siirtymä on nolla, joten myös työ on nolla

- Työn yksikkö on sama kuin energian yksikkö, [W] = [F][x] = 1 Nm = 1 J (joule)

Mekaaninen energia Kappaleen ja Maan vuorovaikutukseen liittyvän potentiaalienergian ja kappaleen liike-energian summaa kutsutaan kappaleen mekaaniseksi energiaksi

Kappaleen potentiaalienergia - Potentiaalienergia on kappaleeseen asemansa (paikkansa) takia varastoitunutta energiaa

- Gravitaation potentiaalienergia on E = mgh, jossa m on kappaleen massa, g putoamiskiihtyvyys ja h kappaleen painopisteen paikka valittuun potentiaalienergian nollatasoon nähden

Kappaleen liike-energia

- Liike-energia eli kineettinen energia on kappaleen liikkeeseen varastoitunutta energiaa

- Kappaletta kiihdytettäessä sen kiihdyttämiseen käytetty energia varastoituu kappaleen liike-energiaksi

Sisäenergia

- Systeemin sisäenergialla tarkoitetaan rakenneosasten lämpöliikkeen liike-energioiden ja rakenneosasten välisiin vuorovaikutuksiin liittyvien potentiaalienergioiden summaa

- Sisäenergian arvoja ei voida mitata, mutta sen muutoksia ΔU voidaan

Teho

- Teho (tunnus P) on tehdyn työn tai käytetyn energian määrä aikayksikössä

- Tehon SI-yksikkö on watti (W), joka vastaa joulen energiamäärää sekunnissa

Hyötysuhde

- Koneen tai prosessin hyötysuhde ilmoittaa, kuinka suuri osa otetusta energiasta saadaan muunnettua halutuksi toiseksi energiamuodoksi

- Hyötysuhde ilmoitetaan usein prosentteina

- Kaikkien laitteiden hyötysuhde on pienempi kuin yksi eli alle 100%

Hevosvoima

- Hevosvoima (tunnus hv tai hp) on tehon yksikkö

- Hevosvoima ei ole nykyisin käytössä olevan SI-järjestelmän mukainen, mutta sitä käytetään vieläkin varsinkin arkikielenkäytössä usein moottorien tehojen yksikkönä

Lämpöarvo

- Lämpöarvo (polttoarvo) ilmaisee aineen täydellisessä palamisessa kehittyvän lämpöenergiamäärän aineen massayksikköä kohden

Lämpö

- Lämpö on lämpötilaerosta aiheutuvaa energian siirtymistä korkeammassa lämpötilassa olevasta eli lämpimämmästä kappaleesta alemmassa lämpötilassa olevaan eli viileämpään kappaleeseen

- Lämmön symboli on Q ja yksikkö energian yksikkö [Q] = 1J

Energian siirtyminen lämpönä

- Energia voi siirtyä lämpönä termodynaamisesta systeemistä toiseen kolmella tavalla:

1. Konvektoitumalla eli kuljettumalla lämmön aiheuttamien, esimerkiksi veden tai ilman, virtausten mukana

2. Johtumalla aineen rakenneosastn välisissä vuorovaikutuksissa

3. Sähkömagneettisen säteilyn mukana sekä aineessa että tyhjiössä

- Energia siirtyy lämpönä aina kuumemmasta systeemista kylmempään. Tämä siirtyminen tapahtuu itsestään

Lämpömäärä

- Lämpömäärä on fysikaalinen suure, joka ilmoittaa jossakin prosessissa kehittyvän tai kappaleesta toiseen siirtyvän lämpöenergian määrän

- Sille käytetään fysiikan kaavoissa yleisesti tunnusta Q

Konvektio

- Energian kuljettumisessa (konvektiossa) lämpö siirtyy väliaineen mukana lämpimän aineen liikkuessa Esim. golf-virta ja verenkierto

Johtuminen

- Johtuminen eli konduktio on lämmön siirtymistä aineen sisällä

- Lämpö johtuu väliainetta pitkin siten, että rakenneosaset (atomit, molekyylit, ionit) tönivät toisiaan

- Lämpö voi siirtyä johtumalla myös aineesta toiseen, mikäli aineet ovat kosketuksissa toisiinsa

- Metallit johtavat lämpöä hyvin, mutta nesteet ja kaasut huonosti

Säteily (energian siirtyminen säteilynä)

- Lämpösäteilyssä termistä alkuperää olevaa energiaa siirtyy kappaleesta ympäristöön sähkömagneettisena säteilynä (etupäässä infrapunasäteilynä)

- Kaikki kappaleet, nesteet ja kaasut emittoivat ja absorvoivat sähkömagneettista säteilyä koko ajan

- Lämpösäteilyä syntyy, kun aineen sähköisesti varatut rakenne-osat, kuten elektronit, värähtelevät

Pituuden lämpölaajeneminen -

∂ on aineelle ominainen vakio, ns. pituuden lämpötilakerroin. Sen yksikkö on [∂] = 1 1/K

Pinta-alan lämpölaajeneminen - Pituuden ja pinta-alan lämpötilakertoimille on voimassa ß ≈ 2∂

Tilavuuden lämpölaajeneminen - Kiinteän aineen tilavuuden ja pituuden lämpötilakertoimien välillä on voimassa µ ≈ 3∂

- Nesteet ja kaasut lämpölaajenevat voimakkaammin kuin kiinteät aineet

Lämpölaajeneminen

- Lämpölaajeneminen tarkoittaa materiaalien laajenemista lämpötilan noustessa

- Lämpölaajeneminen selittyy aineen rakenneosasten satunnaisen liikkeen kasvulla

Veden lämpölaajeneminen

Vetyenergia

- Yksi varteenotettava tulevaisuuden energiaratkaisu

- Täysin saasteeton, sillä energian lisäksi syntyy vain vettä

- Vedystä tuotetaan polttokennoissa sähköä ja lämpöä

- Vetyä voidaan valmistaa esimerkiksi elektrolyysillä, eli erottamalla vesimolekyylien happi ja vety toisistaan sähköenergian avulla

- Vetyenergian etuja ovat pieni koko, äänetön käynti ja korkea hyötysuhde

Silmänpaine

- Silmänpaine kuvaa paine-eroa silmän sisäosan ja ulkoilman paineen välillä

- Normaali vaihteluväli on 10-21 mmHg, ja silmien välinen ero paineessa on yleensä alle kolme yksikköä

Bernoullin yhtälö

- Bernoullin yhtälön mukaan kaasujen virtausnopeuksien ero pinnan eri puolilla aiheuttaa paine-eron (tehtävä 1-24)

Kineettisen kaasuteorian perusoletukset

01. Kaasut koostuvat pienistä, pistemäisistä rakenneosista, joita ovat atomit ja molekyylit. Tilanyhtälöä johdettaessa rakenneosasten tilavuus voidaan olettaa nollaksi.

2. Rakenneosaset ovat jatkuvassa satunnaisessa liikkeessä, joka on nopeaa ja suoraviivaista. Rakenneosasten keskimääräinen liike-energia riippuu lämpötilasta: mitä korkeampi lämpötila, sen nopeammin rakenneosaset liikkuvat

3. Rakenneosasten välillä on vain kimmoisia törmäyksiä ja törmäykset noudattavat mekaniikan lakeja

4. Rakenneosilla ei ole törmäysten lisäksi mitään muuta vuorovaikutusta toistensa kanssa

5. Kaasun käytettävissä oleva tilavuus eli astian tilavuus on paljon suurempi kuin kaasun rakennehiukkasten yhteinen tilavuus

Reaalikaasujen ja ideaalikaasujen erot

- Huoneenlämpötilassa ja normaalipaineessa useimmat reaalikaasut käyttäytyvät lähes ideaalikaasun tavoin

- Reaalikaasun on havaittu noudattavan kaasujen tilanyhtälöä sitä paremmin mitä alhaisempi paine on (jolloin kaasun tiheys on pieni ja se on kauempana nesteytymisolosuhteista) ja mitä korkeampi lämpötila on

Boylen laki

- Boylen lain mukaan paineen (p) muutos ideaalikaasussa aiheuttaa käänteisen muutoksen kaasun tilavuudessa (V)

- Paineen ja tilavuuden suhteet ovat siis kääntäen verrannollisia

- Boylen laissa oletetaan, että lämpötila T ja ainemäärä n ovat vakioita

- Isoterminen prosessi

- Reaalikaasut noudattavat Boylen lakia parhaiten korkeassa lämpötilassa ja alhaisessa paineessa

Charlesin laki

- Charlesin lain mukaan ideaalikaasun tilavuus (V) ja lämpötila (T) ovat suoraan verrannollisia keskenään, jos paine (p) ja ainemäärä (n) ovat vakioita

- Isokoorinen prosessi

Gay-Lussacin laki

- Gay-Lussacin lain mukaan kaasun paineen (p) muutos on suoraan verrannollinen lämpötilan (T) muutokseen. Tilavuus (V) ja ainemäärä (n) ovat vakioita

- Isobaarinen prosessi

Sublimoituminen

Olomuodonmuutos kiinteästä kaasuksi

Härmistyminen

Olomuodonmuutos kaasusta kiinteäksi

Plasma

- Plasma on aineen olomuoto, jossa atomit ovat menettäneet elektroneja eli ionisoituneet

- Plasma koostuu siis sähköisesti varatuista hiukkasista: elektroneista ja positiivisista ioneista

Faasikaavio

- Faasikaavio on malli, jonka avulla voidaan ennustaa, mitä aineelle tapahtuu lämpötilan tai paineen tai molempien muuttuessa

- Faasikaaviolla kuvataan aineen eri olomuotoja (T,p)-koordinaatistossa eli eri paineissa ja lämpötiloissa

- Eri olomuotoja esittäviä alueita rajaavat tasapainokäyrät: sulamiskäyrä, höyrystymiskäyrä ja sublimoitumiskäyrä

- Tasapainokäyrät kohtaavat pisteessä, jota kutsutaan kolmoispisteeksi

- Faasikaavion höyrystymiskäyrä päättyy kriittiseen pisteeseen

Faasi Olomuotoalue

Kolmoispiste - Kohta, jossa faasikaavion tasapainokäyrät kohtaavat

- Kolmoispisteen lämpötilassa ja paineessa kaikki kolme olomuotoa ovat tasapainossa ja aine voi esiintyä samanaikaisesti kaikissa kolmessa olomuodossa

Faasikaavion tasapainokäyrät

- Eri olomuotoja esittäviä alueita rajaavat tasapainokäyrät: sulamiskäyrä, höyrystymiskäyrä ja sublimoitumiskäyrä

- Tasapainokäyrillä kaksi olomuotoa ovat tasapainossa keskenään eli molemmat olomuosot esiintyvät yhtä aikaa

Kriittinen piste

- Faasikaavion höyrystymiskäyrä päättyy kriittiseen pisteeseen, joka on kullekin aineelle ominainen lämpötilan (kriittinen lämpötila) ja paineen (kriittinen paine) yhdistelmä

- Kriittistä pistettä korkeammissa lämpötiloissa ja paineissa nestemäisen ja kaasumaisen olomuodon raja häviää

Mikä on höyryn ja kaasun ero?

- Kaasumainen aine on joko kaasua tai höyryä

- Höyryn ero kaasuun on se, että höyry voidaan tilavuutta muuttamalla muuttaa nesteeksi

Haihtuminen

Kiehuminen

Kuivajää

- Lämpötilassa −78,5 °C hiilidioksidikaasu härmistyy kiinteäksi hiilidioksidijääksi eli hiilihappojääksi

- Paljain käsin kosketeltuna kuivajää aiheuttaa iholle palovamman kaltaisia vaurioita

- Hiilidioksidijään ja veden avulla voidaan synnyttää "savua" esimerkiksi elokuvia ja esityksiä varten

Kalorimetri

- Kalorimetri on reaktioastia, joka on mahdollisimman hyvin eristetty, jotta systeemistä ei pääse karkaamaan lämpöä ympäristöön eikä ympäristöstä sitoudu lämpöä systeemiin.

Lämpökapasiteetti

- Lämpökapasiteetti C ilmaisee, kuinka paljon kappale voi ottaa vastaan tai luovuttaa energiaa lämpönä yhtä lämpötilayksikköä kohti

- Kappaleen lämpönä luovuttama tai vastaanottama energia saadaan yhtälöstä Q = CΔT, jossa C on kappaleen lämpökapasiteetti ja ΔT lämpötilan muutos

- Jos kappaleen lämpökapasiteetti on suuri, sen lämpötila kohoaa vain vähän, vaikka siihen siirtyisi sitä lämmitettäessä suuri määrä energiaa. Jos kappaleen lämpökapasiteetti on pieni, pienikin kappaleeseen lämpönä siirtyvä energiamäärä saa lämpötilan kasvamaan voimakkaasti

Ominaislämpökapasiteetti

- Ominaislämpökapasiteetti (tunnus c) kuvaa, kuinka paljon lämpöenergiaa materiaaliin sitoutuu lämpötilaeroa ja massaa kohti

- Eri aineilla on erilainen kyky sitoa ja luovuttaa energiaa lämpönä

- Homogeenisen kappaleen lämpönä luovuttamana tai vastaanottama energia saadaan tunnettua ominaislämpökapasiteettia käyttämällä yhtälöstä: Q = cmΔT