Fysiikka 2: luku 2 Mekaaninen energia ja lämpö

Energian säilymislaki

Energian säilymislaki on kaikki fysiikan alueet yhdistävä laki. Siitä ei ole havaittu poikkeuksia. Energiaa voi esim kulkeutua kappaleiden tai aineiden mukana. Säteily kuljettaa energiaa. Energia vo siirtyä lämpönä kuumemmasta kappaleesta kylmempään. Energialajit voidaan jakaa vapaisiin ja sidottuihin. Vuorovaikutuksissa sitoutuu ja vapautuu energiaa.

Erilaisten koneiden toiminta perustuu energian siirtymiseen ja muuntumiseen muodosta toiseen lämmön tai työn vaikutuksesta. Jos systeemillä on mekaanista energiaa, se voi tehdä työtä. Yhtälön E = mc² E on kappaleen massaa vastaava energia. Sisäinen energia ilmenee siis aineen rakenneosasten massana.

Työ ja energia

Vedettäessä matkalaukkua lattialla, kitka vastustaa liikettä, jolloin voidaan sanoa että laukkua vedettäessä tehdään työtä kitkaa vastaan.

Kappaleella voi olla sen sijaintiin perustuvaa energiaa eli potentiaalienergiaa. Jos kappale päästetään putoamaan, kappaleeseen kohdistuva paino tekee työtä ja muuntaa potentiaalienergiaa kappaleen liike-energiaksi. Putoamisen aikana kappaleella on sekä potentiaali- että liike-energiaa. Potentiaalienergian ja liike-energian summaa kutsutaan kappaleen mekaaniseksi energiaksi.

Liikettä ylläpitävän vakiovoiman suuruus on yhtä suuri kuin kitkan ja muiden liikevastusten suuruus. Työntävän voiman tekemä työ ei ilmene kappaleen liike-energian kasvuna, vaan liikevastusten takia kappaleen ja pinnan mikroskooppisten rakenneosasten lisääntyneenä liikkeenä eli kappaleen ja pinnan lämpenemisenä. Aineen rakenneosasten liike-energia on aineen sisäistä energiaa.

Systeemin sisäenergialla tarkoitetaan rakenneosasten lämpöliikkeen liike-energioiden ja rakenneosasten välisiin vuorovaikutuksiin liittyvien potentiaalienergioiden summaa. Systeemin sisäenergiaa ei voida määrittää, mutta sisäenergian muutoksia voidaan mitata.

Teho ja hyötysuhde

Työ on voiman välityksellä tapahtuvaa energian siirtymistä kappaleen ja sen ympäristön välillä. Teho ilmaisee, kuinka nopeasti voima tekee työn. W = Pt.

Hyötysuhde

Koneen tekemä työ W ilmaisee siirtyneen energian määrän. Kaikkien laitteiden hyötysuhde on pienempi kuin yksi eli alle 100 %, koska laitteita käytettäessä osa energiasta muuntuu kitkan vaikutuksesta laitteiden sisäiseksi energiaksi.

Lämpö

Makrotasolla lämmöllä tarkoitetaan lämpötilaerosta johtuvaa energian siirtymistä korkeammassa lämpötilassa olevasta kappaleesta alemmassa lämpötilassa olevaan kappaleeseen. Mikrotasolla lämpö on termisen energian eli aineen rakenneosasten lämpöliikkeeseen liittyvän energian siirtymistä systeemistä ympäristöön tai ympäristöstä systeemiin. Siirtynyt energia aiheuttaa lämpötilan, tilavuuden, paineen tai olomuodon muutoksen.

Kahden systeemin vuorovaikutuksessa energiaa luovuttavan systeemin sisäenergia pienenee ja energiaa vastaanottavan systeemin sisäenergia kasvaa. Sisäenergian muutos on kummassakin systeemissä yhtä suuri kuin systeemien välillä lämpönä siirtynyt energia.

Energian siirtymistavat

Energia voi siirtyä lämpönä termodynaamisesta systeemistä toiseen kolmella tavalla:

1. Konvektoitumalla eli kuljettumalla lämmön aiheuttamien, esim veden tai ilman, virtausten mukana
2. Johtumalla aineen rakenneosasten välisissä vuorovaikutuksissa
3. Sähkömagneettisen säteilyn mukana sekä aineessa että tyhjiössä

Energia siirtyy lämpönä aina kuumemmasta systeemistä kylmempään systeemiin. Tämä siirtyminen tapahtuu itsestään.

Energian kuljettumisessa eli konvektiossa termistä energiaa siirtyy liikkuvan aineen mukana. Esim merivirrat, kuten Golfvirta, kuljettavat suuria määriä termistä energiaa. Termistä energiaa voidaan sitoa veden lisäksi muihin aineisiin, esim ilmaan. Ulkoa otettu raitis ilma voidaan lämmittää lämmönvaihtimella ja johtaa esim omakotitalon ilmanvaihtojärjestelmään.

Energian johtumiseen lämpönä systeemistä toiseen tarvitaan aina aine, joka on osa termodynaamista systeemiä. Lämmönjohtokyky on kullekin aineelle ominainen. Metalleissa on vapaasti liikkuvia elektroneja, minkä ansiosta metalleilla on hyvä lämmönjohtokyky, kuten myös hyvä sähkönjohtokyky. Yleensä hyvät sähköeristeet ovat myös hyviä lämmöneristeitä.

Koska nesteissä rakenneosasten sähkömagneettiset vuorovaikutukset ovat voimakkaampia kuin kaasuissa, nesteissä energia johtuu lämpönä paremmin kuin kaasuissa eli nesteillä on parempi kyky johtaa energiaa lämpönä kuin kaasuilla.

Energia voi siirtyä paikasta toiseen, esim Auringosta Maan pinnalle, sähkömagneettisena säteilynä. Energian siirtyminen säteilemällä ei siis vaadi väliainetta! Kaikki kappaleet, nesteet ja kaasut emittoivat ja absorboivat sähkömagneettista säteilyä koko ajan.

Jos muilla energiansiirtymistavoilla ei ole merkitystä, jäähtyvä kappale tai aine lähettää lämpösäteilyä suuremmalla teholla kuin ottaa vastaan, jolloin kappaleen sisäenergia pienenee. Vastaavasti lämpenevä kappale ottaa säteilynä vastaan energiaa suuremalla teholla kuin itse säteilee, jolloin kappaleen sisäenergia kasvaa.

Lämpösäteilyssä termistä alkuperää olevaa energiaa siirtyy kappaleesta ympäristöön sähkömagneettisena säteilynä. Lämpösäteilyä syntyy, kun aineen sähköisesti varatut rakenneosat, kuten eletkronit, värähtelevät. Hehkuva aine lähettää lämpösäteilynä valoa ja infrapunasäteilyä.. Esim eläimet, kasvit ja huonekalutkin (!) lähettävät lämpösäteilynä ihmissilmälle näkymätöntä pitkäaaltoista infrapunasäteilyä, joka saadaan näkyväksi lämpökameran avulla. Eksyneitä ihmisiä voidaan etsiä kuvaamalla maastoa lentokoneesta tai helikopterista lämpökameralla.