Keha siseenergia. Soojushulk

Kui katsume mõnda külma või kuuma keha, muutub ka meie keha temperatuur madalamaks või kõrgemaks. See juhtub seetõttu, et soojus liigub ühelt kehalt teisele. Soojust saab üle kanda ka teisiti, näiteks hõõrudes. Aga kuidas seda kõike seletada?

Seotud sisu

Soojusülekanne

Kui katsume käega kuuma ahju, siis liigub sealt soojus meie kehasse. Kui katsume jäätükki, liigub soojus meie kehast jäässe. Soojus saab minna ainult soojemalt kehalt külmemale, aga mitte kunagi külmemalt kehalt soojemale.

Sageli räägitakse soojusenergiast, aga mis see on? Selle mõistmiseks peame mõtlema, mille poolest erinevad soe ja külm keha? Pealtnäha ei erine näiteks külm vesi kuumast veest mitte millegi poolest. Kui me aga näeksime vee molekulide liikumist, siis oleks erinevus selge: kuuma vee molekulid liiguvad kiiremini kui külma vee molekulid. Füüsikas öeldakse, et kiiremini liikuval kehal on suurem kineetiline energia[sõnaseletus: kineetiline energia – energia, mis on kehal liikumise tõttu]. Seega on ka soojema keha molekulidel keskmiselt suurem kineetiline energia kui külmema keha molekulidel. Kui soe ja külm keha omavahel kokku puutuvad, siis sooja keha molekulid põrkuvad vastu külma keha molekule ja panevad need kiiremini liikuma ning jäävad ise aeglasemaks. Selle tulemusena külm keha soojeneb ning soe keha jahtub. Seda kineetilist energiat, mille soojem keha külmemale üle annab, nimetataksegi soojuseks ehk soojusenergiaks.

Kui kokku puutuvad kaks erineva temperatuuriga keha (nt inimese käsi ja jääkuubik), annab soojem keha külmemale osa oma soojusenergiast. Selle tulemusena külmem keha soojeneb ja soojem keha jahtub

Soojus kandub külmemalt kehalt soojemale ainult iseeneslike protsesside korral. Välise energiaga saab soojust viia ka külmemalt kehalt soojemale. Nii töötab näiteks külmik, kus kasutatakse elektrienergiat, et viia soojus külmkambrist toaõhku

Külmas kehas on kindlasti molekule, mis liiguvad kiiremini kui mõni sooja keha molekul, sest aine molekulide kiirus ei ole ühesugune. Kuid molekulide keskmine kiirus[joonealune: suurus, mis on võrdne kõigi molekulide kiiruste keskmise väärtusega. Selle leidmiseks tuleb kokku liita kõikide molekulide kiirused ja jagada saadud tulemus molekulide arvuga] on soojas kehas alati suurem kui külmas kehas.

Keha I	Soojusülekande suund	Keha II
Toatemperatuuril olev vesi		Jääkuubik
Sulatina		Vesi
Raudnael		Tuli
Käsi		Klassiruumis olev laud
Külmik		Soe supp
Köetud saunakeris		Saunas olev õhk

Seotud sisu

Siseenergia

Peale kineetilise energia on olemas ka potentsiaalne energia[sõnaseletus: potentsiaalne energia – energia, mis on kehadel vastastikmõju tõttu], mis avaldub molekulide vastastikuse tõukumise või tõmbumise kaudu. Et arvesse võtta molekulide koguenergiat, kasutatakse füüsikas siseenergia[mõiste: siseenergia – keha molekulide kineetilise ja potentsiaalse energia summa] mõistet, mis on keha molekulide kineetilise ja potentsiaalse energia summa. Siseenergia mõõduks on temperatuur, millega siseenergia on võrdelises seoses.

siseenergia =

kineetiline energia + potentsiaalne energia

Keha siseenergiat saab muuta kahel viisil: soojusülekandega ja mehaanilist tööd tehes. Soojusülekande kohta oleme juba näiteid toonud, mehaanilise töö muutumist siseenergiaks või vastupidi aga pole me veel kirjeldanud. Väidet, et mehaaniline töö võib tõsta keha siseenergiat, saame kontrollida, kui hõõrume kokku oma kahte kätt, mille tagajärjel käed soojenevad. See aga tähendab, et käte siseenergia suurenes. Ka haamriga naela puu sisse lüües soojeneb nii nael kui ka haamer, sest osa haamri liikumise kineetilisest energiast läheb üle naela ja haamri molekulide kineetiliseks energiaks. Ülejäänud osa haamri kineetilisest energiast kulub naela liikumiskiiruse muutmiseks ja heli tekitamiseks. Kõigi nende protsesside korral kehtib energia jäävuse seadus, mis ütleb, et energia ei teki ega kao, vaid muutub ühest liigist teise või läheb üle ühelt kehalt teisele. Siseenergia ehk soojuse toimel saab teha ka mehaanilist tööd. Sellel põhimõttel töötavad kõik soojusmasinad, sh sisepõlemis[joonealune: mootor, milles tekitab liikumapaneva jõu plahvatuslikult põlev ja paisuv gaas]- ja reaktiivmootor[joonealune: mootor, milles tekitab liikumapaneva jõu mootorist välja voolav gaasi- või vedelikujuga] ning auruturbiin[joonealune: seade, mis muudab auru liikumise energia masina võlli liikumise energiaks].

Kui käed külmetavad, võib neid omavahel kokku hõõruda, sest mehaanilist tööd tehes muutub osa käte liikumise energiast hõõrdumise tõttu soojusenergiaks

Puuriga kruvi puidu sisse keerates kruvi soojeneb, sest osa puuri liikumise energiast kandub üle kruvi aineosakestele, mis hakkavad kiiremini liikuma

Sisepõlemismootorit kasutatakse näiteks autodes

Reaktiivmootor paneb liikuma lennukid ja raketid

Auruturbiin käitab elektrijaamas olevaid generaatoreid

Potentsiaalne energia avaldub molekulide

liikumise kaudu.
paigalseisu kaudu.
vastastikmõju kaudu.

Siseenergia iseloomustab molekulide

kineetilist energiat.
potentsiaalset energiat.
kineetilist ja potentsiaalset energiat.

Keha siseenergiat saab muuta

ainult soojusülekandega.
ainult mehaanilist tööd tehes.
soojusülekandega ja mehaanilist tööd tehes.

Mõtle!

Miks me haamriga naela seina lüües haamri soojenemist ei tunne?

Seotud sisu

Soojushulk

Siseenergia levimist ühelt kehalt teisele nimetatakse soojusülekandeks[mõiste: soojusülekanne – siseenergia levimine ühelt kehalt teisele] ja selle käigus levib siseenergia soojemalt kehalt või kehaosalt külmemale. Seejuures soojem keha jahtub (siseenergia väheneb) ja külmem keha soojeneb (siseenergia suureneb). Soojusülekanne kestab seni, kuni kahe keha temperatuur muutub võrdseks, st kuni saabub soojuslik tasakaal[mõiste: soojuslik tasakaal – olukord, kus soojusülekanne on lõppenud, sest kehade temperatuurid on muutunud võrdseks (nimetatakse ka termodünaamiliseks tasakaaluks)].

Kui valame kokku kaks erineva temperatuuriga vedelikku, annab soojem vedelik külmemale ära osa oma energiast, kuni tekib soojuslik tasakaal

Soojusülekandel üleantava siseenergia hulka kirjeldab soojushulk[mõiste: soojushulk – füüsikaline suurus, mis kirjeldab soojusülekandel üle antava siseenergia hulka], mida mõõdetakse energiaühikutes ehk džaulides. Soojushulga tähis on Q.

Soojushulk arvutatakse valemiga: $Q = c \cdot m \cdot Δ t$ , kus m on keha mass ja Δt keha temperatuuri muut. Temperatuuri muut leitakse seosest $Δ t = t_{2} - t_{1}$ , kus t₂ on keha lõpptemperatuur ja t₁ keha algtemperatuur. Tuleb meeles pidada, et temperatuuride vahe on füüsikas oluline, aga temperatuuride summal tähtsus puudub. Kui segame kokku kaks anumatäit vett temperatuuriga 50 ℃, siis nende temperatuurid ei liitu. Sarnane olukord on ka spordis: tähtis on väravate või korvide vahe, aga nende summal pole mingit tähtsust.

Erisoojus[mõiste: erisoojus – füüsikaline suurus, mis näitab, kui suur soojushulk tõstab ühikulise massiga keha temperatuuri ühe kraadi võrra] c on füüsikaline suurus, mis näitab, kui suur soojushulk tõstab ühikulise massiga keha temperatuuri ühe kraadi võrra. Aine erisoojuse ühik on $1 \frac{J}{kg \cdot °C}$ . Näiteks vee erisoojus on $4200 \frac{J}{kg \cdot °C}$ , mis tähendab, et 1 kg vee temperatuuri tõstmiseks 1 °C võrra kulub 4200 J energiat.

Kuna 1 ℃ = 1 K, kasutatakse erisoojuse ühikuna ka $1 \frac{J}{kg \cdot K}$ .

Ainete erisoojused

Aine	Erisoojus c $\frac{J}{kg \cdot °C}$
Vesi	4200
Piiritus	2500
Jää	1800
Hapnik	920
Alumiinium	880
Raud	460

Põhjalikum erisoojuse tabel on õpiku lõpus, peatükis 10.2.

Keha algtemperatuur on 20 °C ja lõpptemperatuur 100 °C.

Andmed:

= 20 °C

= 100 °C

= ?

Lahendus.

$Δ t = t_{2} - t_{1} =$ °C − °C = °C

Keha algtemperatuur on 35 °C ja lõpptemperatuur 4 °C.

Andmed:

= 35 °C

= 4 °C

= ?

Lahendus.

$Δ t = t_{2} - t_{1} =$ °C − °C = °C

Keha algtemperatuur on −10 °C ja lõpptemperatuur 10 °C.

Andmed:

= −10 °C

= 10 °C

= ?

Lahendus.

$Δ t = t_{2} - t_{1} =$ °C − (°C) = °C

Ema soojendas pliidil olevas potis vett, mille algtemperatuur oli 15 °C ning vesi läks keema (100 °C). Vett oli 1,5 kg ning vee erisoojus on 4200 $\frac{J}{kg \cdot °C}$ . Kui palju soojust kulus selle veekoguse keema ajamiseks?

Andmed:

= 15 °C

= 100 °C

= 1,5 kg

= 4200 $\frac{J}{kg \cdot °C}$

= ?

Temperatuuri muudu arvutamine.

$Δ t = t_{2} - t_{1} =$ °C − °C = °C

Soojushulga arvutamine.

Esita teisendatud vastus kümnendiku täpsusega.

$Q = c \cdot m \cdot Δ t$ = $\frac{J}{kg \cdot °C}$ · kg · °C =

= J = kJ

Sepp vormis temperatuurini 800 °C kuumutatud raudnaela (erisoojus 460 $\frac{J}{kg \cdot °C}$ ) ning asetas selle jahtumiseks külma veeanumasse, mille tagajärjel jahtus nael 8 °C-ni. Selle käigus andis nael ära 18 900 J soojust. Kui paju kaalus see raudnael? Esita vastus grammides.

Andmed:

= 800 °C

= 8 °C

= −18 900 J

= 460 $\frac{J}{kg \cdot °C}$

= ?

Temperatuuri muudu arvutamine.

$Δ t = t_{2} - t_{1} =$ °C − °C = °C

Vali valem, mis sobib massi arvutamiseks.

1) $m = \frac{Δ t \cdot c}{Q}$

2) $m = \frac{Δt}{c \cdot Q}$

3) $m = \frac{c}{Δt \cdot Q}$

4) $m = \frac{Q}{Δt \cdot c}$

1)
3)
2)
4)

Arvuta vastus ja esita see täisarvuna.

Vastus. Raudnael kaalub g.

Mõtle!

Temperatuuri muut Δt võib olla nii positiivne kui ka negatiivne. Järelikult võib ka soojusvahetusel üleantav soojushulk olla nii positiivne kui ka negatiivne. Millisele protsessile vastab negatiivne soojushulk?
Sama kogus vett ja piiritust soojendatakse 1 ℃ võrra. Kumma soojendamiseks kulub rohkem soojust ja kui palju?
Kui palju soojust kulub 250 g massiga alumiiniumkuulikese soojendamiseks 1 ℃ võrra?

Seotud sisu

Lisalugemine. Kalor

Enne rahvusvahelise mõõtühikute süsteemi (SI) rakendamist mõõdeti soojushulka kalorites: üks kalor (1 cal) on soojushulk, mida on vaja, et tõsta 1 g vee temperatuuri 1 kraadi võrra. Tänapäevani võib näiteks toiduainete pakenditelt leida energiasisalduse väärtuse nii džaulides kui ka kalorites, kusjuures 1 cal = 4,2 J.

Toit annab meile energiat, mida SI-s mõõdetakse džaulides (1 J). Varasemalt kasutusel olnud süsteemiväline ühik kalor (1 cal) leiab toiduainete puhul aga senini rakendust

4,2 J = cal

10 cal = J

550 J = cal

2000 cal = J

260 kJ = J = cal = kcal

1000 kcal = cal = J = kJ

Seotud sisu

Jätan meelde

Siseenergia on keha molekulide kineetilise ja potentsiaalse energia summa.
Keha siseenergiat saab muuta mehaanilist tööd tehes ja soojusülekandega.
Kineetilist energiat, mida soojem keha külmemale üle annab, nimetatakse soojuseks ehk soojusenergiaks.
Soojusülekanne on siseenergia levik ühelt kehalt teisele.
Soojusülekandel üleantavat siseenergia hulka kirjeldab soojushulk.
Soojushulka arvutatakse valemiga $Q = c \cdot m \cdot Δ t$ .
Soojusenergia kandub iseeneslikult alati soojemalt kehalt külmemale.
Erisoojus c näitab, kui suur soojushulk tõstab ühikulise massiga keha temperatuuri ühe kraadi võrra.
Kehale juurdeantav soojushulk on positiivne ning kehalt äravõetav soojushulk on negatiivne.

Seotud sisu

Teenust osutab Star Cloud OÜ

Liitu Opiquga

Opiqus edenemine

	Tööd
	Peatükk on läbi töötatud

Keha siseenergia. Soojushulk

Seotud sisu

Soojusülekanne

Seotud sisu

Siseenergia

siseenergia =

kineetiline energia + potentsiaalne energia

Mõtle!

Seotud sisu

Soojushulk

Ainete erisoojused

Mõtle!

Seotud sisu

Lisalugemine. Kalor

Seotud sisu

Jätan meelde

Seotud sisu

Lisa materjali

Lisatavad failid

Teata veast

Teata siia ainult Opiqu veast. Palun kirjelda viga nii täpselt kui võimalik.

Kui ootad Opiqu meeskonnalt vastust, lisa oma kontaktandmed (e-post, telefon).

Tee linnuke, et aidata meil spämmiga võidelda

Opiq kasutab küpsiseid