Fysiikka 2: luku 3 Lämpölaajeneminen

Pituuden lämpölaajeneminen

l = l₀ (1+ α∆T)

Pinta-alan lämpölaajeneminen

A = A₀ (1+ β∆T)

Tilavuuden lämpölaajeneminen

V = V₀ (1+ γ∆T)

Pituuden ja pinta-alan lämpötilakertoimille on voimassa β = 2α. Kiinteän aineen tilavuuden ja pituuden lämpötilakertoimien välillä on voimassa γ = 3α.

Pitkät putkistot, esim öljyn ja maakaasun siirtämiseen käytettävät, tehdään suorallakin reitillä mutkikkaiksi. Mutkien ansiosta putket joustavat, kun lämpötilanvaihdokset aiheuttavat lämpölaajenemista. Nesteet laajenevat huomattavasti enemmän kuin kiinteät aineet. Sama lämpötilanmuutos aiheuttaa nesteessä suuremman tilavuuden muutoksen kuin kiinteissä aineissa.

Järvet jäätyvät talvella vain pinnalta. Koska veden tiheys on suurin + 4 °C:ssa, neliasteinen vesi painuu järven pohjalle. Tämän ansiosta kalakanta pysyy talven yli elossa järven pohjan tuntumassa. Veden tilavuus pienenee poikkeuksellisesti lämpötilan kasvaessa 0 ... + 4 °C. Tämä johtuu siitä, että vesimolekyylit ryhmittyvät vähemmän tilaa vievään järjestykseen.

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.

Fysiikka 2 – luku 1 Lämpöopin perusteet

Atomi pysyy koossa sähkömagneettisen vuorovaikutuksen ansiosta. Tuulet ovat ilmanvirtauksia, jotka syntyvät eri alueilla olevista, lämpötilaerojen aiheuttamista ilmanpaine-eroista. Lämpötila ja paine vaikuttavat aineen olomuotoon ja tilavuuteen. Termodynaaminen systeemi on

-         eristetty, jos se ei vaihda ympäristönsä kanssa ainetta eikä energiaa. Eristetty systeemi ei siis ole vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa

-         suljettu, jos se vaihtaa ympäristönsä kanssa energiaa muttei ainetta

-         avoin, jos se vaihtaa ympäristönsä kanssa sekä ainetta että energiaa

Absoluuttisen lämpötila-asteikon peruslämpötiloina ovat alin mahdollinen lämpötila eli ns. absoluuttinen nollapiste (0 K) sekä tarkasti mitattavissa oleva veden kolmoispiste (273,16 K). Absoluuttinen nollapiste on lämpötilan teoreettinen alaraja, jota ei voida koskaan saavuttaa, koska siinä aineen rakenneosasten liike olisi kokonaan pysähtynyt eikä niin voi olla.

Merenpinnan tasolla maapallon ympärillä olevassa ilmakehässä vallitsee noin 100 kPa:n paine. Tätä painetta kutsutaan ilmanpaineeksi. Normaali ilmanpaine on 101 325 Pa = 1,013 bar = 760 mmHg. Painetta, joka johtuu nesteeseen tai kaasuun kohdistuvasta painosta, kutsutaan hydrostaattiseksi paineeksi. Levossa olevan nesteen vapaa pinta asettuu GRAVITAATION vaikutuksesta vaakasuoraan.

Liikuttaessa hissillä hyvin pitkän matkan nopeasti, voivat korvat mennä lukkoon. Hissin liikkuessa ympäristön ilmanpaine on erilainen kuin välikorvassa oleva paine. Välikorvan paine ei ehdi sopeutua ympäristön paineeseen, jos liikutaan nopeasti ylös tai alas. Jos paine-ero on suuri, voi korvassa tuntua kipua. Haukottelu tai nieleskely voi auttaa, koska silloin korvatorvi voi avautua ja paine-ero tasoittuu.

Hydraulisen nosturin toiminta perustuu siihen, että neste on lähes kokoonpuristumatonta ja nesteessä vallitsee kaikkialla sama paine joka suuntaan. Näin ollen kumpaankin säiliössä olevaan mäntään kohdistuu sama paine, jolloin p = F1/A1 ja p=F2/A2. 

Kemia 1: luku 7 Höpinää aspiriinista

Aspiriini on ollut jo yli 100 vuoden ajan maailman käytetyin kipulääke. Sen vaikuttavaa ainetta asetyylisalisyylihappoa saadaan esteröitymisreaktiolla, jossa lähtöaineina ovat salisyylihappo ja etikkahappo. Asetyylisalisyylihapon vaikutusmekanismi on yhteydessä prostaglandiinisynteesiin. Prostaglandiinit ovat hormonien kaltaisia aineita, joilla on monia fysiologisia vaikutuksia. Kudoksen prostaglandiinipitoisuuden kohoaminen aiheuttaa kipua ja tulehdusta.

Prostaglandiinien synteesin tärkeimpiä vaiheita ovat elämälle välttämättömän rasvahapon, arakidonihapon, muuttuminen syklo-oksygenaasientsyymin vaikutuksesta prostaglandiinimolekyyliksi. Asetyylisalisyylihappo sitoutuu tähän entsyymiin ja ehkäisee siten prostaglandiinin muodostumista arakidonihaposta. Asetyylisalisyylihappo siis inhiboi prostaglandiinin synteesiin tarvittavaa entsyymiä.

Kemia 1: luku 7 Solujen tärkeät orgaaniset yhdisteet

Hiilihydraattien kemiaa

Glukoosi on aldoosisokeri, sillä se sisältää aldehydiryhmän (katso sen avoketjuista kaavaa!). Fruktoosin rakenteessa on sen sijaan ketoryhmä, eli se kuuluu ketooseihin. Hiilihydraatit jaetaan sokereihin ja polysakkareihin ja polysakkaridit edelleen varasto- ja rakennepolysakkarideihin. Sokereita ovat monosakkaridit ja disakkaridit. Polysakkarideissa on sen sijaan usein satoja tai tuhansia sokeriyksiköitä. Tärkkelys on kasvien varastopolysakkaridi ja selluloosa tavallisin kasvien rakennepolysakkaridi. Fotosynteesissä hiilidioksidista ja vedestä syntyy glukoosia ja happea.

         

Di- ja polysakkaridit muodostuvat siten, että kahden tai useamman monosakkaridin hydroksyyliryhmät liittyvät yhteen ja samalla lohkeaa vettä. Muodostuva sidos on kemiallisesti samanlainen kuin eetterissä esiintyvä happisilta. Kaikki sokerit esiintyvä vesiliuoksessa myös rengasrakenteena. Happi on osa tätä rengasrakennetta, ja tällöin molekyyliä kutsutaan heterosykliseksi yhdisteeksi! Niin! vaikkei siinä renkaassa olekaan kaksoissidoksia niin se on silti heterosyklinen tuon happiatomin takia!

glukoosi + fruktoosi = sakkaroosi

glukoosi + galaktoosi = laktoosi

Laktoosin hajoaminen tapahtuu elimistössä laktaasi-entsyymin avulla. Jos tämä entsyymi puuttuu eli henkilöllä on laktoosi-intoleranssi, maitoasokeri ei hajoa normaalisti. Sen takia se kulkeutuu paksusuoleen, missä bakteerit hajottavat sitä hiilidioksidiksi ja erilaisiksi orgaanisiksi hapoiksi. Tämän seurauksena ovat ilmavaivat, mahakivut ja usein myös ripuli.

Rasvat ovat kemialliselta rakenteeltaan estereitä

Lipidejä ovat esim rasvat, kolesteroli, rasvaliukoiset vitamiinit ja steroidihormonit. Rasvat ovat kemialliselta rakenteeltaan glyserolin ja rasvahappojen estereitä. Kolmiarvoisena alkoholina glyseroli voi liittyä esterisidoksilla yhteen, kahteen tai kolmeen rasvahappomolekyyliin. Siksi puhutaankin mono-, di- tai triglyserideistä.

              

Rasvahapot voivat olla joko tyydyttyneitä tai tyydyttymättömiä. Tyydyttyneissä rasvahapoissa hiiliatomien välillä on vain yksinkertaisia kovalenttisia sidoksia. Monotyydyttymättömissä rasvahapoissa hiiliatomien välillä on vain yksi kaksoissidos ja polytyydyttymättömissä rasvahapoissa kaksi tai useampi.

Ihmisen elimistö ei kykene valmistamaan polytyydyttymättömiä rasvahappoja, vaan niitä on saatava ravinnosta. Tällaisia essentiellejä eli elämälle välttämättömiä rasvahappoja ovat mm. linoleenihappo ja linolihappo. Nämä ovat omega-rasvahappoja, jotka ovat välttämättömiä mm. aivojen normaalille kehitykselle ja toiminnalle.

Koska rasvat ovat erilaisten rasvahappojen estereitä, niillä ei ole tarkkaa sulamispistettä. Siksi ne sulavat ja pehmenevät vähitellen, eli ne ovat amorfisia aineita. Mitä enemmän rasvamolekyyli sisältää tyydyttymättömiä rasvahappoja ja siten kaksoissidoksia, sitä alhaisempi on sen sulamispiste. Siksi kasviöljyt ovat huoneenlämmössä nesteitä. Eläinrasvat puolestaan sisältävät paljon tyydyttyneitä rasvahappoja, joten ne ovat huoneenlämmössä kiinteitä eli ne ovat ns. kovia rasvoja.

Margariinia valmistettaessa kasviöljyjä kovetetaan liittämällä hiiliatomien välisiin kaksoissidoksiin vetyä, jolloin osa öljyn rasvahapoista muuttuu tyydyttyneiksi ja rasva kovettuu. Kovetetut kasvirasvat voivatkin sisältää runsaasti terveydelle haitallisia trans-rasvahappoja.

Aminohapot ja proteiinit

Aminohapot ovat yhdisteitä, joissa on samassa molekyylissä sekä aminoryhmä -NH2  että karboksyyliryhmä -COOH. Kaikki proteiineissa esiintyvät aminohapot ovat. ns. 2-aminohappoja, eli niissä amino- ja karboksyyliryhmä ovat liittyneet aina samaan hiiliatomiin eli karboksyyliryhmästä lukien toiseen hiiliatomiin. Tällaisesta rakenteesta käytetään myös nimistystä α-aminohappo.  

Aminoryhmä voi sijaita myös eri hiilessä kuin karboksyyliryhmä. Tällaisia aminohappoja ovat esim beeta-alaniini ja gamma-aminovoihappo. Ne toimivat välittäjäaineina hermokudoksessa. Gamma-aminovoihappoa käytetään väärin myös huumausaineena.

Aminohapoilla on muihin orgaanisiin yhdisteisiin verrattuna korkea sulamispiste. Se johtuu siitä, että aminohappomolekyylit esiintyvät kahtaisioneina. Hapan karboksyyliryhmä on luovuttanut protonin emäksiselle aminoryhmälle, jolloin molekyyliin on syntynyt sekä negatiivinen että positiivinen varaus. Negatiivisten ja positiivisten varausten väliset sähköiset vetovoimat sitovat kahtaisionit tiukasti yhteen ionisidoksin, mikä selittää aminohappojen korkean sulamispisteen. Kahtaisionirakenteen takia aminohapot liukenevat hyvin veteen mutta huonosti poolittomiin liuottimiin, kuten bensiiniin. Liukoisuuteen vaikuttaa osaltaan myös aminohapon sivuketjun rakenne ja molekyylikoko.

Elimistön proteiinit voivat olla rakenneproteiineja tai toiminnallisia proteiineja. Tärkein ihmisen rakenneproteiini on kollageeni. Toiminnallisia proteiineja ovat esim entsyymit ja proteiinihormonit. Proteiinihormoneista tunnetuin on veren sokeripitoisuutta säätelevä insuliini. Entsyymit toimivat solujen kemiallisten reaktioiden katalyytteinä.

Nukleiinihapot

Nukleiinihapot sisältävät perimämme kemian. Perimämme geneettinen tieto on koodautunut tumassa olevaan DNA-molekyyliin. Lisäksi soluissamme on RNA-molekyylejä. Niitä on kolmea erilaista; mRNA, tRNA ja rRNA. mRNA siirtää geneettisen tiedon tumasta solulimaan ja tRNA ja rRNA muuttavat tämän tiedon proteiinien primäärirakenteeksi eli aminohappojärjestykseksi soluliman ribosomien pinnalla.

Sekä DNA- että RNA-molekyylit ovat nukleotideista koostuvia polymeerejä. Yksittäinen nukleotidi sisältää aina sokerimolekyylin, fosfaattiosan ja orgaanisen typpiemäksen. RNA-molekyylin sokerina on riboosi ja DNA-molekyylin deoksiriboosi. Typpipitoisia emäksiä on viisi erilaista. DNA:ssa esiintyy adeniinia, guaniinia ja sytosiinia ja tymiiniä. RNA:ssa on kolme samaa emästä kuin DNA:ssa, mutta tymiini on aina korvautunut urasiililla.

Nukleotidit liittyvät toisiinsa atomien välisillä kovalenttisilla fosfoesterisidoksilla. Lisäksi DNA eroaa RNA:sta vielä siten, että DNA esiintyy kaksoiskierteisenä ja RNA yksijuosteisena ketjuna. DNA:n kaksoiskierre muodostuu typpiemästen välisillä vetysidoksilla. Niissä adeniinin ja tymiinin välille muodostuu aina kaksi vetysidosta ja sytosiinin ja guaniinin välille kolme.

Höpinää tehtävistä

Asiaa tehtävistä

Hiilivetyjä voidaan hyödyntää polttoaineina, koska niiden palamisreaktiot ovat eksotermisiä eli niiden palamisreaktioissa vapautuu energiaa. Hiilivetyjen poltosta aiheutuu kuitenkin ympäristöongelmia, koska niitä poltettaessa ilmakehän hiilidioksidipitoisuus kasvaa, mikä voimistaa kasvihuoneilmiötä.

Nitroyhdisteet

Nitroyhdisteitä käytetään lääkeaineiden, hyönteismyrkkyjen ja räjähdysaineiden valmistukseen. Lisäksi nitroyhdisteet ovat hyviä liuottimia, ja esim nitrometaania käytetään polttoaineena kiihdytyskilpailuautoissa. Trinitrotolueeni eli TNT on käytetyin sotilasräjähde. Se kestää pitkääkin säilytystä, ei liukene veteen eikä räjähdä helposti itsestään.

Glyserolinitraatti – räjähde ja lääke

Kun glyseroli reagoi typpihapon ja rikkihapon kanssa muodostaen nestettä, syntyy glyserolinitraattia eli nitroglyseriiniä. Se räjähtää kuumennettaessa. Kun sitä imeytetään piimaahan, se ei räjähdä ilman sytytyslankaa. Näin syntyi dynamiitti. Nitroglyseriiniä käytetään myös rasitusrintakivun hoidossa, koska se rentouttaa verisuonten sileät lihakset ja laajentaa verisuonia, jolloin veri pääsee virtaamaan sydämeen vapaammin. Rasitusrintakipu nimittäin johtuu siitä, ettei veri pääse virtaamaan sydämeen.

Kemia 1: luku 6 Orgaanisten yhdisteiden reaktioita

Fossiilisten polttoaineiden hyödyntäminen energianlähteinä on yksi käytännön esimerkki orgaanisten yhdisteiden reaktioista. Toinen esimerkki on soluissamme energianlähteinä toimivat hiilihydraatit ja rasvat. Molemmissa tapauksissa on kyse orgaanisen yhdisteen palamisreaktioista, jossa yhdiste reagoi hapen kanssa muodostaen hiilidoksidia ja vettä. Samalla vapautuu aina energiaa. Kaikki palamisreaktiot ovat aina eksotermisiä eli lämpöä vapauttavia.

Ihmiselimistön tärkein energialähde on glukoosi. Etanolin hapettuessa elimistössä se muuttuu ensin etanaaliksi eli asetaldehydiksi. Tämä aine saa aikaan osan krapulaoireista, jos alkoholia on nautittu runsaasti. Etanolin tapaan kaikki primääriset alkoholit hapettuvat ensin aldehydeiksi ja sitten karboksyylihapoiksi. Sekundääriset alkoholit sen sijaan hapettuvat ketoneiksi ja tertiääriset alkoholit eivät hapetu lainkaan.

Hapot ja emäkset protolysoituvat                                   

Protolyysireaktio määritellään VESILIUOKSESSA tapahtuvaksi reaktioksi, jossa protoni siirtyy hapolta emäkselle tai päinvastoin. Oksoniumionit aiheuttavat vesiliuoksen happamuuden ja hydroksidi-ionit emäksisyyden. Heikon hapon protolyysireaktiossa käytetään kaksoisnuolimerkintää kuvaamaan sitä, että etenevän reaktion lisäksi tapahtuu myös käänteinen eli palautuva reaktio. Samasta syystä myös esteröitymisreaktiossa käytetään kaksoisnuolta. Esterit liukenevat huonosti veteen, koska esterisidoksen happiatomit (pysyvät dipolit) ovat poolittomien hiiliketjujen ympäröimiä.

Kaikki karboksyylihapot ovat heikkoja happoja, eli ne protolysoituvat vain osittain. Myös fenolit toimivat heikkoina happoina. HUOM! Fenolit toimivat happoina, koska bentseenirengas heikentää hydroksyyliryhmän hapen ja vedyn välistä kovalenttista sidosta, jolloin protoni irtoaa, TOISIN KUIN ALKOHOLEISTA! Tältä osin fenolit siis eroavat alkoholeista, joiden vesiliuos on neutraali! Fenolista tulee reaktiossa nimeltään fenolaatti-ioni. Amiinit ovat heikkoja emäksiä. Neutraloitumisreaktiossa happo ja emäs reagoivat, jolloin muodostuu suolaa ja vettä.

Loppu onkin sitten niin tuttua asiaa etten tee tämän enempää muistiinpanoja. Nyt eikun tehtävien kimppuun!