Lämpöistä oppiaja energiaaLämpöistä oppiaja energiaa
Fysiikan ja kemian perusteet japedagogiikka
Kari Sormunen
Kevät 2014
Alkudemonstraatio: Käsi lämpömittarinaAlkudemonstraatio: Käsi lämpömittarina
Laitetaan kolmeen eri altaaseen kylmää,haaleaa ja lämmintä vettä. 1) Oppilas pitäätoista kättä kylmässä ja toista lämpimässävedessä noin puoli minuuttia. 2) Sitten hänsiirtää molemmat kädet yhtä aikaa haaleaanveteen.
Miltä haalea vesi tuntuu käsissä?
Mitkä seikat vaikuttavat lämpöaistimukseen?
Mitä mieltä voidaan olla kädestälämpömittarina?
Lämpöoppi tutkii lämpöön, energiaan ja lämpötilaan liittyviäilmiöitä.
Käsitteet lämpö ja lämpötila
Lämpö
Lämpötila
Kun aineeseen siirtyy lämpönergiaa, sen lämpötila nousee (rakenneosasetliikkuvat nopeammin).
Aineessa olevan lämpöenergian määrä myös riippuu aineen määrästä (esim.jäävuoressa on enemmän lämpöenergiaa kuin kupillisessa kiehuvaa vettä).
Lämpömittari osoittaa aina oman lämpötilansa; esim. kun lämpömittarilaitetaan kuumaan veteen, siirtyy vedestä lämpöenergiaa mittariin niinkauan, kunnes mittari ja vesi ovat saavuttaneet saman lämpötilan.
Oppilaiden ennakkokäsityksiä energiastaOppilaiden ennakkokäsityksiä energiasta
Oppilaat ajattelevat, että energia liittyy eläviin olentoihin; sellaisillakappaleilla kuin auto, kivi, jne. ei voi olla energiaa. Energia liittyy ihmisen”energisyyteen”.
Elävillä olioilla voi olla energiaa, mutta sillä on varsin tekninen merkitys eikä setarkoita ihmisen aktiivisuutta.
Energia liittyy liikkumiseen. Oppilaiden mielestä energiaa tarvitaanliikkumiseen, ilman energiaa kappaleet ovat elottomia.
Energia liittyy liikkumiseen, mutta fysiikan mukaan liikkuvalla kappaleella on energiaa,mutta kappale ei liiku energian vaikutuksesta.
Energiaa pidetään aineen, polttoaineen kaltaisena. Kun oppilaat kuvaavatauton polttoainetta, he puhuvat polttoaineesta energiana eikä ettäpolttoaineesta saadaan energiaa.
Energia ei ole ainetta. Energia on abstrakti käsite, jonka lukuarvo voidaan joissakintapauksissa laskea esimerkiksi kappaleen nopeudesta ja massasta.
Oppilaat ajattelevat, että energia kuluu.
Fysiikan teorian mukaan energia ei kulu. Energian säilymislaki on luonnontieteenperuslakeja.
Aineen olomuodotAineen olomuodot
Aine koostuu rakenneosista (atomeista taimolekyyleistä). Rakenneosaset ovat jatkuvassaliikkeessä, ja tämä ns. rakenneosasten lämpöliikelisääntyy lämpötilan kasvaessa ja aineen olomuodonmuuttuessa.
Kiinteä aine (esim. jää, t < 0 ºC)
Huomaa: Jos rakenneosasten liike pysähtyisi, olisi kyseessäabsoluuttinen nollapiste (jota ei kuitenkaan voida saavuttaa).
Nestemäinen aine (esim. vesi, 0 ºC < t < 100 ºC)
Kaasu (esim. Kuuma vesihöyry, t > 100 ºC)
LämpölaajeneminenLämpölaajeneminen
Ainetta lämmittäessä rakenneosasten liike kasvaa jahiukkaset pyrkivät ottamaan suuremman tilan. Tästä syystäaineet laajenevat lämmetessään (vrt. harjoitukset).
Poikkeus: vesi ei laajene sulaessaan ja tästä syystä jää kelluuvedessä (ρjää < ρvesi)
Esimerkki:
Pekkalan vanhempi maantiesilta on teräsrakenteinen betonikantinen palkkisilta. Sen pituus on453 metriä.
Pekkalan sillan lämpölaajeneminen pituussuunnassa voidaan laskea kiinteän aineenlämpölaajenemisen kaavaa käyttäen:ΔL = α· ΔT· Lo, missä ΔL = pitenemä, α = aineelle ominainen pituuden lämpölaajenemiskerroin,ΔT = lämpötilan muutos, Lo = alkuperäinen pituus
Teräksen α = 12·10-6 1/ºC. Oletetaan, että silta on talvella (-25 ºC) 453,0 m pitkä. Kesällä (+25ºC) silta on siis pitempi, pidentymä on ΔL = 12·10-6 1/ºC·50ºC·463,0m = 0,2778 m eli n. 28 cm.
Sillan ja tukipalkkien välissä on rullat ja molemmissa päissä on liikkumavaraa, mitkä yhdessämahdollistavat sillan venymisen kesällä ja supistumisen talvella. 
Olomuotojen muutoksistaOlomuotojen muutoksista
Aineen lämpötilan nostamiseen tarvitaanenergiaa. Lämpö kuvaa siirtyvänlämpöenergian määrää
Aineen sulamispisteessä lämmöntuominen muuttaa aineen kiinteästänesteeksi, eikä lämpötila tällöin kohoa
Vastaavasti aineen jäätyessä siitä vapautuulämpöä
Myös nesteen muuttaminen kaasuksikiehumispisteessä vaatii energiaa eikäaineen lämpötila tällöin nouse.
Aine voi muuttua myös suoraan kiinteästäkaasuksi (sublimoituminen) tai toisinpäin(härmistyminen)
Esim. pyykit kuivavat pakkasella(sublimoituminen) ja ikkunoissa talvipakkasellanäkyvät kuurankukat (härmistyminen)
olomuodon muutokset
Lämpöenergian siirtyminenLämpöenergian siirtyminen
Lämpöenergian siirtymisen suunta on ainalämpimämmästä kylmempään päin.
Jos ovea avataan talvipakkasella, niin ulkoa ei tule ”kylmää”vaan lämpöenergiaa siirtyy ulos.
Lämpöenergia voi siirtyä kolmella tavalla
Johtumalla:
Virtaamalla/kulkeutumalla:
Säteilemällä:
Lämmönjohteiksi kutsutaan aineita, joissalämpöenergia siirtyy helposti ja lämmöneristeiksiaineita, jossa lämpöenergia siirtyy huonosti.
EnergiamuodoistaEnergiamuodoista
Energian säilymislakiEnergiaa ei synnyeikä häviä, se vain muuttaa muotoaan.
Energian muotojen keskinäisiä muotojavoidaan havainnollistaa ns. energiakaavioilla(vrt. harjoitukset).
Liike-energia: Kun vierität palloa, siirrätenergiaa palloon. Vierivällä pallolla on liike-energiaa. Mitä painavampi pallo on, sitäenemmän energiaa joudut käyttämään senliikkeelle saamiseksi, mutta sitä enemmänsillä on myös liike-energiaa.
Potentiaali- eli asemaenergia:Kun nostat pallon ylös ja pidät sitä paikallaan kämmenelläsi,on pallolla potentiaalienergiaa – mahdollista energiaa. Kunirrotat kätesi pallosta, potentiaalienergia muuttuu liike-energiaksi, koska pallo putoaa. Mitä korkeammalle nostatpallon, sitä enemmän sillä on potentiaalienergiaa. Mitäpainavampi pallo on, sitä suurempi on senpotentiaalienergia.
Kemiallinen energia:Kun nostat palloa, lihaksesi tekevät työtä. Tarvitsemansaenergian lihakset saavat ruoasta. Ruuasta saatavaa energiaakutsutaan kemialliseksi energiaksi, jonka ihmisen elimistömuuttaa tarvitsemikseen elintoiminnoiksi.
EnergialähteistäEnergialähteistä
Suurin osa energiasta on peräisin auringossatapahtuvista ydinreaktioista, se siirtyy Maahansäteilemällä, ja se varastoituu esim. kasveihin taisaa aikaan vedenkierron; energiaa voidaanvapauttaa eri energialähteistä (fossiilisetenergialähteet) vesienergia, tuulienergia, jne.).
Maasta itsestään peräisin olevina energianlähteinävoidaan pitää ydinenergiaa ja vulkaanista energiaa.
Energialähteet voidaan jakaa uusiutuviin jauusiutumattomiin.
Ennakkokäsitystestin pohdiskeluaEnnakkokäsitystestin pohdiskelua
1.Minkä vuoksi lämmitetyssä saunassa oleva rautanaula polttaa ihoa, mutta lauteet eivät?
a)Rautanaulan lämpötila on korkeampi kuin lauteiden
b)Naula johtaa paremmin lämpöä
c)Naulan pinta-ala on pienempi kuin lauteiden
Pitäisi olla selvä juttu, kun ajattelet lämmön johtumista (vrt. lusikka-työ harjoituksissa).
2.Mitä tapahtuu ja miksi kun kuuma rautakappale (lämpötila 100 °C) pudotetaan veteen (lämpötila 20 °C)?
a)Lämpötilat tasoittuvat koska vesi luovuttaa kylmää raudalle
b)Molempien lämpötilat tasoittuvat 60 °C:een, koska molemmat luovuttavat saman määrän energiaatoisilleen
c)Lämpötilat tasoittuvat koska rauta luovuttaa lämpöä veteen
Miksi ei voi olla a-vaihtoehto? (ks. edellä olevista dioista)
Miksi ei voi olla b-vaihtoehto? (ei voida päätellä kuten vesien sekoittumisessa, koska eri aineita ja niillä vielä eri olomuoto)
Miksi on c-vaihtoehto? (ks. edellä olevista dioista)
3.Minkä vuoksi kylmissä maissa talojen seiniin laitetaan rakennusvaiheessa lasivillaa?
a)Saadaan kevyellä rakenteella paksummat seinät
b)Huokoisessa materiaalissa oleva ilma toimii hyvänä lämmöneristeenä
c)Paksumpi seinä estää kylmän virtaamisen sisään
Ja tämähän on ihan selvä (vrt. harjoituksissa veden jäähtyminen lasipurkissa ilman eristettä ja solumuovi eristeenä).