Me kasutame üsna tihti sõna soojus ja sellest tulenevaid teisi sõnu: soe, külm, soojendamine jne. Kõnekeeles räägime, et supp on soe, tuba on külm, elektriradiaator soojendab tuba, radiaator annab toaõhule soojust. Kahte esimest ütlust saab füüsika keeles väljendada temperatuuri abil: supi temperatuur on 50 °C, toas on õhutemperatuur 16 °C. Milline aga on sõna soojus tähendus füüsikas?
Keha siseenergia
Seda järgnevalt käsitlemegi. Et elektriradiaator soojeneks, on vaja energiat. See energia kulub aineosakeste liikumise kiirendamiseks. Aineosakestel on soojusliikumise tõttu kineetiline energia. Kui osakeste kiirus suureneb, siis suureneb ka nende kineetiline energia.
1. Mis juhtub aineosakestega keha soojendamisel või jahutamisel?
Soojenemise tulemusena suureneb aineosakeste kineetiline energia.
Kui radiaator soojendab õhku ja õhuosakeste kineetiline energia suureneb, suureneb ka õhuosakeste kogu kineetiline energia.
Gaasidega on asi lihtne, nende aineosakesed pole omavahel vastastikmõjus ja gaasiosakeste kogu kineetiline energia ongi gaasi siseenergia. Tahkiste ja vedelike aineosakesed aga mõjutavad üksteist. Vastastikmõjus olevatel kehadel on potentsiaalne energia. Järelikult on potentsiaalne energia ka vastastikuses mõjutuses olevatel osakestel.
Keha aineosakeste kineetilise energia ja potentsiaalse energia summa moodustab keha siseenergia.
Keha siseenergia koosneb järelikult kahest komponendist: kineetilisest ja potentsiaalsest. Siseenergia sõltub aineosakeste liikumise kiirusest ja aineosakeste vastastikusest asendist.
2. Millest sõltub keha siseenergia?
Aineosakeste kiirus muutub keha soojenemise või jahtumise tulemusena, samuti muutub ka aineosakeste kaugus üksteisest (soojuspaisumine). Aines muutub aineosakeste kaugus üksteisest ka aine oleku muutumise tulemusena: vedeliku tahkumisel või tahkise sulamisel, samuti vedeliku aurumisel või auru kondenseerumisel.
Keha siseenergia muutub temperatuuri muutumisel, kuid ka aine oleku muutumisel.
3. Millisel juhul muutub keha siseenergia?
Soojus, soojusenergia, soojushulk
Kõnekeeles kasutatavat sõna soojus mõistetakse füüsikas kui keha siseenergia kineetilist komponenti, samas tähenduses mõistetakse ka sõna soojusenergia (vt tabel).
Kõnekeel | Füüsika keel | |
Soe, külm | = | Temperatuur |
Soojus, soojusenergia | = | Siseenergia kineetiline komponent |
Soojenemine | = | Siseenergia kineetilise komponendi suurenemine |
Jahtumine | = | Siseenergia kineetilise komponendi vähenemine |
4. Mida mõistetakse füüsikas sõna soojus all?
Kui köögis on pott kuuma supiga, siis supp ja pott jahtuvad, nende siseenergia väheneb, köök aga soojeneb veidi, köögi siseenergia suureneb. Oluline ongi siseenergia muutus keha soojenemisel või jahtumisel. Kui tahame teada, kui palju keha siseenergia muutub, siis on vaja seda mõõta. Siseenergia muutusele vastavat füüsikalist suurust nimetatakse soojushulgaks.
Soojushulgaks nimetatakse keha siseenergia hulka, mis kandub sellelt kehalt teistele kehadele või siis teistelt kehadelt antud kehale.
Soojushulk on soojusprotsesside juures oluline füüsikaline suurus. Soojushulka tähistatakse tähega Q.
Soojushulga ühik
Ligikaudu 200 aastat tagasi, kui soojuse füüsikaline olemus ei olnud selge, võeti soojushulga ühiku aluseks vee soojenemine. Võeti 1 g vett, seda soojendati 1 kraadi võrra ning soojendamiseks kulunud soojushulk võetigi soojushulga ühikuks ning hakati nimetama kaloriks (lühend 1 cal). Sõna kalor tuleneb ladinakeelsest sõnast calor, mis tähendab soojust. Keha kaotab soojushulga 1 cal, kui selle arvel soojeneb 1 g vett 1 °C võrra. Veelt kandub kehale soojushulk 1 cal, kui 1 g vett jahtub 1 °C võrra. Seega:
1 kalor on soojushulk, mis on vajalik 1 g vee temperatuuri tõstmiseks 1 °C võrra.
5. Kuidas saadi soojushulga ühik 1 cal?
Tänapäeval kasutatakse soojushulga mõõtühikuna džauli – 1 J. Kuna soojushulk on seotud keha siseenergia muuduga, siis tuleb seda mõõta energiaühikutes. Soojushulkade mõõtmine annab kalori ja džauli vahel järgmise seose:
1 cal = 4,2 J
Kalorit, mis on tänapäeval süsteemiväline ühik, kasutatakse peamiselt toitainete toiteväärtuse iseloomustamiseks.
6. Mis ühikutes mõõdetakse soojushulka?
Ajaloost
Soojushulga mõiste ja soojushulga mõõtühik kalor võeti kasutusele ligikaudu 200 aastat tagasi. 17.–18. saj uurisid teadlased soojusnähtustest põhiliselt vee soojenemist ja jahtumist ning jää sulamist. 18. saj keskel tuletas Georg Wilhelm Richmann (1711–1753) (sündis Pärnus, õppis Halle ja Jena ülikoolis, töötas Peterburi Teaduste Akadeemias) soojusfüüsika jaoks olulise seose. Tema korraldatud katsetest selgus, et erinevate temperatuuridega, kuid võrdsete koguste vee segunemisel on lõpptemperatuur võrdne algtemperatuuride aritmeetilise keskmisega. Hiljem tuletas G. W. Richmann analoogilise seose juhuks, kui vee kogused olid erinevad. Mõnikümmend aastat hiljem korrati Richmanni katseid ja võeti kasutusele soojushulga ühik – kalor.
Esialgu arvati, et soojushulk ja mehaaniline töö ning energia iseloomustavad täiesti erinevaid füüsika valdkondi. 19. saj keskel määras Inglise füüsik James Prescott Joule (loe: džaul) (1818–1889) katseliselt tööühiku ja kalori vahelise seose, mida hakati nimetama soojuse mehaaniliseks ekvivalendiks. Hiljem aga selgus, et sellises katses on tegelikult tegemist energia jäävuse seadusega, mida on üldistatud soojusprotsesside valdkonda, s.t lisaks mehaanilisele energiale arvestatakse ka keha siseenergiat. Tehtud töö suurendab keha siseenergiat, keha siseenergia muutusele vastavat suurust aga nimetame me soojushulgaks. J. P. Joule’i auks on nimetatud energia ühik – 1 J (džaul).
