Biologia 5: luku 2 Mikroskooppisen pienet eliöt ovat mikrobeja

Mikrobeihin kuuluvat kaikki bakteerit ja arkit, alkueliöiden kunnasta alkueläimet ja yksisoluiset levät sekä sienten kunnasta hiiva- ja homesienet. Lisäksi mikrobeihin luokitellaan virukset, vaikka niitä ei pidetäkään itsenäisinä eliöinä, koska niillä ei ole solurakennetta eikä aineenvaihduntaa. Ne eivät myöskään pysty lisääntymään itsenäisesti.

Esitumallisilta eliöiltä puuttuvat tumakotelo ja monet soluelimet. Bakteerit ja arkit luokitellaan esitumallisiin eliöihin. Tumallisiin eliöihin luokitellaan kasvit, sienet, eläimet ja alkueliöt eli protoktistit.

Esitumallisten ja tumallisten solujen erot

-         esitumalliset solut ovat erittäin pieniä, pienempiä kuin tumalliset solut

-          

-         bakteerien soluseinä on mureiinia. Soluseinä on kasvisoluilla selluloosaa ja sienisoluilla kitiiniä, eläinsoluilta se puuttuu

-          

-         esitumallisilla soluilla ei ole tumaa, vaan niillä on rengasmainen kromosomi sytoplasmassa sekä lisäksi DNA:ta plasmideissa. Tumallisilla soluilla on tumakotelon ympäröimä tuma, jonka sisällä ovat kromosomit. Lisäksi DNA:ta on mitokondrioissa ja viherhiukkasissa

-         esitumallisilla soluilla on vain vähän soluelimiä ja tumallisilla paljon

-          

-         bakteerit ja arkit ovat esitumallisia. Tumallisia ovat alkueliöt, sienet, kasvit ja eläimet

Arkit menestyvät myös äärioloissa

Arkit jaetaan halofiileihin, metanogeeneihin ja termofiileihin. Arkkeja löytyy esim syvänmeren pohjasta, + 300-asteisesta vedestä sekä suolajärvistä. Arkeissa on sekä oma- että toisenvaraisia lajeja. Omavaraiset lajit yhteyttävät kemosynteesin avulla eli ne hapettavat epäorgaanisia aineita. Kemosynteettisiin bakteereihin kuuluvat rikki-, typpi- ja rautabakteerit. Fotosynteesin avulla sokeria valmistavia bakteereja ovat syanobakteerit.

Halofiilit voivat elää niin suolaisessa vedessä, jossa muut eliöt kuivuisivat. Metanogeenit ovat metaania muodostavia arkkeja. Niitä esiintyy mm. nautojen ruuansulatuselimistössä, kaatopaikoilla ja soilla. Ne pystyvät elämään ainoastaan anaerobisissa oloissa. Termofiilit sietävät hyvin korkeita lämpötiloja.

Bakteerit ovat rakenteeltaan yksinkertaisempia kuin tumalliset eliöt

Bakteereilla on vain yksi kromosomi. Lisäksi bakteereilla voi olla erillisiä pieniä DNA-renkaita eli plasmideja. Bakteereilta puuttuvat solulimakalvosto ja kalvolliset soluelimet kuten mitokondriot ja viherhiukkaset. Bakteerien soluhengitysreaktiot tapahtuvat solukalvosta poimuttuneessa soluhengityskalvostossa ja fotosynteesireaktiot solukalvosta poimuttuneessa yhteyttämiskalvostossa. Bakteereilla on solukalvon ulkopuolella mureiinista koostuva soluseinä. Joiltakin bakteereilta, kuten mykoplasmoilta, soluseinä kuitenkin puuttuu. Lisäksi joillakin bakteereilla voi olla soluseinän ulkopuolella limamainen kapseli, joka suojaa bakteeria ja jonka avulla se pystyy kiinnittymään kohteeseensa.

Pyöreät bakteerit ovat kokkeja, sauvamaiset basilleja, käyrät sauvamaiset bakteerit vibrioita ja kiereiset spirokeettoja. Diplokokit ovat pareittain kasvavia kokkeja ja ketjuina kasvavat streptokokkeja. Rykelminä esiintyvät kokit ovat stafylokokkeja.

Bakteerin rakenne Kuva Googlen kuvahaku.

Bakteerit jaetaan soluseinän rakenteen perusteella gram-positiivisiin ja gram-negatiivisiin bakteereihin. Gram-positiivisten bakteerien solulima värjäytyy gram-värjäysmenetelmällä tummanvioletiksi, koska niillä ei ole soluseinässä väriaineen sisällepääsyn estävää ulkokalvoa. Gram-negatiivisilla bakteereilla on soluseinässä ulkokalvo, joka estää väriaineen pääsyn bakteerien sisälle. Bakteerit jäävät vaaleanpunaisiksi.

                                                                                                                                    

Bakteerit lisääntyvät suvuttomasti jakautumalla

Suvuttomalle lisääntymiselle on ominaista perinnöllisen muuntelun vähäisyys. Siinä vain geenimutaatiot tuottavat uutta materiaalia luonnonvalinnalle. Ennen jakautumista bakteerin perintöaines eli sekä kromosomin että mahdollisten plasmidien DNA kahdentuu. Bakteereissa syntyy uusia ominaisuusyhdistelmiä eli tapahtuu rekombinaatiota, mikä lisää bakteerien perinnöllistä muuntelua ja siten sopeutumista muuttuviin ympäristöolosuhteisiin.  Bakteerien perinnöllinen muuntelu ilmenee esim siten, että niillä on suuri joukko antibiooteille vastustuskyvyn antavia geenejä, jotka sijaitsevat useimmiten plasmideissa.

Geenimutaatiot ovat bakteereilla tärkein perinnöllistä muuntelua aiheuttava tekijä. Koska bakteereilla on vain yksi kromosomi, niillä on jokaista geeniä vain yksi kappale. Alleeleilta puuttuvat siis vastinalleelit, minkä vuoksi kaikki geenimutaatiot ilmenevät heti. Geenimutaatio voi tapahtua myös plasmidin geenissä.

Bakteereissa tapahtuu rekombinaatiota kolmella eri tavalla: ne voivat saada geenejä transformaatiolla, konjugaatiolla ja transduktiolla. Transformaatiossa elävät bakteerit voivat ottaa sisäänsä kuolleista bakteereista vapautuneita kokonaisia plasmideja tai kromosomin osia, jotka ne liittävät osaksi omaa perimäänsä. Tätä hyödynnetään bioteknologiassa.

Konjugaatiossa kaksi bakteeria voi kiinnittyä toisiinsa hetkeksi ja siirtää perintöainesta niiden välillä olevan ulokkeen, piluksen, kautta. Toinen bakteeri toimii perintöaineksen luovuttajana ja toinen vastaanottajana. Transduktiossa bakteriofagi eli bakteerissa lisääntyvä virus lisääntyy bakteerissa ja joidenkin bakteriofagien sisään voi joutua hajoavan bakteerin perintöainesta. Kun tällainen bakteriofagi infektoi seuraavan bakteerin, edellisestä bakteerista tullut kromosomin osa liittyy osaksi seuraavan bakteerin kromosomia.

Anaerobisille bakteereille happi on myrkkyä, ja ne kuolevat joutuessaan tekemisiin hapen kanssa. Jos olot ovat epäedulliset, voivat eräät bakteerit muuttua lepoitiöiksi, jolloin niiden aineenvaihdunta on erittäin vähäistä. Lepoitiöt voivat elää jopa 200 miljoonaa vuotta.

Bakteriofagit ovat bakteereissa lisääntyviä viruksia. Bioteknologiassa bakteereista on paljon hyötyä. Esim ihmisen insuliinia valmistetaan bakteereissa.

Bakteereista on muille eliöille hyötyä ja haittaa

Toisenvaraiset bakteerit voivat toimia hajottajina ekosyteemeissä, elää mutualistisissa eli molempia osapuolia hyödyttävissä suhteissa muiden eliöiden kanssa tai olla patogeenisiä eli taudinaiheuttajia. Esimerkkinä mutualistisesta suhteesta ovat ihmisen paksusuolessa elävät bakteerit, jotka tuottavat ihmisen käyttöön K- ja B12-vitamiineja. B12-vitamiinia tarvitaan uusien punasolujen muodostumisessaja K-vitamiinia veren hyytymisessä. Lisäksi ihmisen suolistobakteerit estävät haitallisten bakteerien kiinnittymisen suoliston seinämään ja edistävät ravintoaineiden imeytymistä.

Suuri osa alkueläimistä on tauteja aiheuttavia loisia

Alkueläimet ovat yksisoluisia tumallisia, liikkumiskykyisiä eliöitä, joiden soluissa ei ole soluseinää eikä viherhiukkasia, ja ne ovat toisenvaraisia. Ne elävät kosteissa ympäristöissä. Alkueläimet lisääntyvät suvuttomasti jakautumalla kahtia tai monistumalla isäntäeläimessään. Epäedullisissa olosuhteissa ne voivat muuttua lepovaiheiksi ja säilyä siten hengissä.

Malaria on yksi eniten kuolonuhreja vaativista eläintaudeista. Malarian aiheuttaa alkueläimiin kuuluva malarialoisio, joka lisääntyy ihmisen erytrosyyteissä. Hyttyset toimivat malarialoision väli-isäntänä ja taudin levittäjänä.

Kun naarashyttynen ihmee ihmisen verta, se siirtää samalla elimistössään olevia malarialoisioita ihmisen verenkiertoon. Loisiot asettuvat maksaan, josta ne siirtyvät erytrosyytteihin. Malarialoisiot lisääntyvät erytrosyyteissä monistumalla. Tartunnan saaneet erytrosyytit hajoavat ja malarialoisiot siirtyvät vereen tartuttamaan uusia erytrosyyttejä. Tässä vaiheessa malarialoisioiden myrkylliset aineenvaihduntatuotteet aiheuttavat korkean kuumeen.

Yksisoluiset levät ovat tärkeitä tuottajia

Yhteyttäessään levät sitovat samalla ilmakehän hiilidioksidia ja toimivat siten hiilinieluina. Levien hyödyntämistä bioenergian tuotannossa tutkitaan innokkaasti, koska levät tuottavat enemmän biomassaa pinta-alayksikköä kohti kuin mitkään muut omavaraiset eliöt.

Hiiva- ja homesienet ovat toisenvaraisia

Hiiva- ja homesoluissa on solukalvon ulkopuolella kitiinistä koostuva soluseinä, eikä niillä ole viherhiukkasia. Hiivasoluissa on kromosomien lisäksi DNA:sta rakentuvia plasmidirenkaita. Suurin osa home- ja hiivasienistä on loisia tai hajottajia. Jotkin niistä ovat taudinaiheuttajia. Bioteknologiassa hyödynnetään sekä hiiva- että homesieniä. Niitä voidaan käyttää biologisina tuotantolaitoksina:  homeiden avulla tuotetaan antibiootteja ja hiivojen avulla valmistetaan esim alkoholia.

Mikrobien ja muiden eliöiden evoluutio on kiinteässä yhteydessä toisiinsa

Ilman mikrobeja ei maapallolla voisi olla nykyisenkaltaista elämää. Arkit vaikuttivat maapallon ilmakehän syntyyn, koska osa niistä tuotti muinaiseen kaasukehään metaania. Syanobakteerit olivat ensimmäisiä fotosynteesiin kykeneviä eliöitä. Niiden toiminnan tuloksena kaasukehään vapautunut happi reagoi metaanin kanssa, jolloin syntyi hiilidioksidia ja vettä. Hapen määrän lisääntyminen hävitti muutkin elämälle myrkylliset kaasut kaasukehästä. Yläilmakehään syntyi otsonikerros, joka muodosti suojan haitallista UV-säteilyä vastaan.

Ihmisen eläminen läheisessä yhteydessä kotieläinten kanssa lisäsi mikrobien siirtymistä eläimistä ihmisiin. Eläimistä ihmiseen siirtyviä tauteja kutsutaan zoonooseiksi. Esim punkkien levittämä borrelioosi ja erään alkueläimen levittämä unitauti. Ihmiskuntaa muokanneita mikrobien aiheuttamia tauteja ovat olleet mm. rutto, lepra ja malaria.

Biologia 5: luku 1 Bioteknologiassa hyödynnetään eliöitä tai niiden osia

Bioteknologialla tarkoitetaan sellaista tekniikkaa, jossa käytetään apuna eliöitä, soluja sekä solujen osia tai molekyylejä, kuten DNA:ta. Esim bakteerien, hiivojen ja homeiden avulla voidaan valmistaa leipää, juustoja, viiniä ja olutta. Bioteknologiassa tarvitaan tietoa monilta biologian osa-alueilta, joista tärkeimpiä ovat genetiikka, mikrobiologia, molekyylibiologia ja solubiologia.

Biotekniikan tärkeimmät innovaatiot ovat lääketieteessä, elintarviketuotannossa, maataloudessa ja ympäristönsuojelussa. Bioteknologian kehitys luo mahdollisuuksia kestävän kehityksen turvaamiseen ja edistämiseen. Bioteknologian vakavimpana uhkana pidetään bioaseiden kehittämistä. Bioaseina voidaan käyttää mikrobeja tai niiden valmistamia myrkkyjä. Bioaseiden käyttö, valmistus ja säilyttäminen on jo pitkään ollut kiellettyä kansainvälisin sopimuksin.

Proteomiikassa tutkitaan proteiinien rakennetta, merkitystä ja niiden välisiä vuorovaikutuksia. Proteiinien tuntemuksen avulla voidaan ymmärtää esim solujen välistä viestintää ja kehittää tämän tiedon avulla entistä tehokkaampia lääkkeitä.

Systeemibiologiassa tarkastellaan geenejä sekä proteiinien vuorovaikutuksia toisiinsa ja ympäristöönsä. Se voi olla avain esim syöpien hoitoon. Bioinformatiikka puolestaan käyttää apunaan matematiikan, tietojenkäsittelyn ja tilastotieteen menetelmiä. Bioinformatiikan avulla voidaan tulevaisuudessa korvata työläitä ja pitkäkestoisia laboratoriokokeita tietokonemallinnuksella.

Fysiikka 2: luku 8 Energiavarat

Yhteen energiantuotantomuotoon ei tulisi sitoutua, koska valinnan mukana tulevat myös sen haitat.

Erilaisten energiantuotantomenetelmien käyttäminen varmistaa energiansaannin silloin, kun jonkin energialajin saatavuus heikkenee tai hinta kohoaa. Energialähteen valinnan kriteerejä ovat mm. ympäristöystävällisyys, riittävyys, kotimaisuus ja saatavuus.

Luonnon energiavarat ovat perusenergiavaroja eli primaarisiä energialähteitä. Nämä varat jaetaan uusiutuviin ja uusiutumattomiin. Ydinenergiaa lukuun ottamatta niiden sisältämä energia on viime kädessä peräisin Auringon ydinreaktioista. Näistä lähteistä saatu energia on sekundaarienergiaa. Esim lämpö- ja sähköenergia.

Uusiutumattomia energialähteitä

-         kivihiili

-         öljy

-         maakaasu

-         uraani

-         fuusioenergia (kehitteillä)

Uusiutuvia energialähteitä

-         aurinkoenergia

-         vesivoima

-         tuulienergia

-         geoterminen energia

-         maalämpö

-         biomassa

Kivihiiltä on saatavilla hyvin suuria määriä eri puolilta maapalloa, ja se on halpaa. Sitä siis riittää energialähteeksi, mutta sen ympäristövaikutukset ovat jo nyt suuri ongelma. Vesi- ja tuulivoimalat käyttävät hyväksi veden ja ilman luonnollista kiertokulkua, joka ei koskaan lopu. Myös metsissä kasvava uusiutuva biopolttoaine on ehtymätön luonnonvara, jota voidaan käyttää yhtä paljon kuin sitä kasvaa lisää.

Öljyä on käytetty laajasti energialähteenä sata vuotta, ja hyvälaatuinen öljy riittänee 40-100 vuodeksi, ellei sen kulutusta saada voimakkaasti laskemaan. Maakaasua on suunnilleen yhtä paljon kuin hyvälaatuista öljyä. Mutta energian riittävyys ei tule olemaan ongelma, kun siirrytään uusiutuvien energiavarojen käyttöön.

Suomen energiavarat

Vesivoima, ydinvoima ja polttoprosessit ovat Suomen tärkeimmät energialähteet. Tärkein tuontienergialähde on öljy, jota tuodaan Suomeen eniten Venäjältä. Uusien vesivoimalaitosten hyötysuhde on yli 90 %, ja polttoprosesseilla toimivissa lauhdevoimalaitoksissa tuotetaan pelkästään sähköä.

Suomen tärkeimmät kotimaiset energiavarat ovat turve, vesi ja puu. Turve ja erilaiset puuperäiset biopolttoaineet muodostavat suuren energiavarannon, jota on toistaiseksi hyödynnetty vain vähän.

Voimalaitoksen päästöt voidaan jakaa ilma- ja vesipäästöihin sekä kiinteisiin jätteisiin. Ympäristön kannalta energiatuotannon huolenaiheita ovat ympäristön happamoituminen, ilmastonmuutos sekä luonnonvarojen ja luonnon monimuotoisuuden väheneminen.

Rikkidioksidi on vakavin fossiilisia polttoaineita käyttävien voimaloiden haitta kasvillisuudelle ja terveydelle. Lisäksi ilmakehään pääsee polttoprosesseissa raskasmetalleja, hiukkasia sekä hiilidioksidia, joka on kasvihuoneilmiön suurimpia kiihdyttäjiä. Happamoittavat päästöt aiheuttavat ongelmia myös vesistöissä.

Pitkäaikaiselle ja keskeiselle energialähteelle asetettavat perusvaatimukset ovat riittävyys, soveltuvuus kaikenlaisiin käyttökohteisiin ja vähäiset ympäristöhaitat. Tähän voisivat soveltua aurinkosähkö, tuulienergia, biomassa ja vetyenergia sekä ydinenergian uudet muodot eli hyötöreaktori ja fuusio.

Vetyenergia on täysin saasteeton, sillä energian lisäksi syntyy vain vettä. Siksi se onkin varteenotettava tulevaisuuden energialähde. Vedystä tuotetaan polttokennoissa sähköä ja lämpöä. Polttokennon raaka-ainetta, vetyä, saadaan hajottamalla vettä sähkön avulla. Myös aurinkoenergia on tulevaisuuden energialähde. Sekin on täysin saasteeton ja lisäksi turvallinen, uusiutuva ja ehtymätön luonnonvara.  

Fysiikka 2: luku 7 Lämpöopin pääsäännöt

Lämpöopin pääsääntöjä kutsutaan myös termodynamiikan pääsäännöiksi. Sisäenergia on rakenneosasten lämpöliikkeen liike-energioiden ja rakenneosasten välisiin vuorovaikutuksiin liittyvien potentiaalienergioiden summa. Systeemin sisäenergiaa kutsutaan tilanfunktioksi, koska sen arvo riippuu ainoastaan systeemin senhetkisestä tilasta. Sisäenergian arvoon ei vaikuta se, miten tilaan on päädytty. Sisäenergia voi muuttua työn ja lämmön seurauksena.

Systeemiin tehty mekaaninen työ W kasvattaa systeemin sisäenergiaa, ja systeemin ympäristöön tekemä työ taas pienentää sisäenergiaa. Systeemi tekee työtä ympäristöön esim silloin, kun se laajetessaan työntää tieltään ilmaa tai muuta ympäristössä olevaa ainetta.

Lämpöopin nollannen pääsäännön mukaan: jos systeemi A on lämpötasapainossa systeemien B ja C kanssa, silloin myös systeemit B ja C ovat lämpötasapainossa keskenään eli kaikilla kolmella systeemillä on sama lämpötila. Systeemin sisäenergian arvoa ei voida määrittää. Sen sijaan voidaan tarkastella sisäenergian muutoksia. Systeemin sisäenergian muutos on:

∆U = Q + W

jossa Q on lämpönä systeemiin tai systeemistä siirtynyt energia ja W on systeemiin tehty tai systeemin tekemä työ. Lämpöopin ensimmäisen pääsäännön mukaan systeemin sisäenergian muutos on systeemin ja ympäristön välillä lämpönä siirtyneen energian ja tehdyn työn summa.

Kun lämpönä siirtynyt energia Q tai työ W on

-         positiivinen, energiaa siirtyy systeemiin

-         negatiivinen, energiaa siirtyy systeemistä ympäristöön.

Mekaanisen energian määrä ei aina säily, vaan osa siitä voi muuttua esim kitkan vaikutuksesta sisäenergiaksi. Energian kokonaismäärä pysyy kuitenkin aina muuttumattomana.

Lämpöopin toisen pääsäännön mukaan energiaa siirtyy lämpönä aina korkeammasta lämpötilasta matalampaan ja niin kauan, kunnes saavutetaan lämpötasapaino. Sama laki voidaan sanoa näinkin: Eristetyn systeemin epäjärjestys kasvaa, kunnes systeemi saavuttaa tasapainotilan. Epäjärjestys ei koskaan itsestään vähene.

Tasapainotila on systeemin epäjärjestynein tila. Epäjärjestyksen kasvaminen tarkoittaa energian ja aineen jakautumista yhä tasaisemmin systeemissä. Entropia kuvaa epäjärjestyksen määrää. Mitä suurempi epäjärjestys on, sitä suurempi on entropia. Luonnossa spontaanisti tapahtuvat ilmiöt lisäävät entropiaa.

Laajenevan kaasun tekemä työ

Laajetessaan vakiopaineessa eli isobaarisesti kaasun tekemä työ on

W = p∆V

Jos kaasua lämmitetään vakiopaineessa ja se ottaa vastaan lämpönä energian Q ja tekee samalla ympäristöön työn W, lämpöopin ensimmäinen pääsääntö kirjoitetaan muotoon

∆U = Q + W = Q – W = Q - p∆V

Tuossa työn eteen tulee miinusmerkki, koska se on systeemin tekemä työ, ei systeemiin tehty työ!

Lämpövoimakoneet

Lämpövoimakoneessa lämpö muuttuu osittain (mekaaniseksi) työksi. Lämpövoimakoneen toiminnan edellytys on lämpötilaero. Koneet voivat toimia vain, kun ne saavat energiaa. Polttoaineen lämpöarvo eli palamislämpö H ilmoittaa, kuinka paljon palamisreaktiossa vapautuu energiaa Q polttoaineen massayksikköä kohti. Polttoaineen lämpöarvo on

H = Q / m

jossa Q on palamisreaktiossa vapautuvan energian määrä ja m poltettavan aineen massa. Polttoaineesta vapautuvan energian määrä saadaan yhtälöstä

Q = Hm

Lämpövoimakoneen toimintaperiaate

Lämpövoimakoneen toiminta edellyttää, että energia kulkee itsestään koneen läpi, jolloin osa tästä energiasta muuntuu mekaaniseksi työksi. Energian siirtyminen itsestään taas edellyttää lämpötilaeroa koneen yhteydessä olevien lämpövarastojen (säiliöiden) välillä. Lämpövoimakoneet toimivat jaksollisesti siten, että tietty tapahtumasarja toistuu.

Jokaisella kierroksella prosessin alussa lämpövoimakoneen aineeseen, kuten kaasuun, siirtyy lämpösäiliöstä energia Q1. Tämän jälkeen kaasun sisäenergia pienenee ja kaasu luovuttaa energian Q2 kylmäsäiliöön. Lämpövoimakone käyttää energioiden erotuksen Q1- Q2 mekaanisen työn W suorittamiseen. Lämpövoimakoneen hyötysuhde on

η = W / Q1 = Q1-Q2 / Q1

Lämpövoimakoneiden hyötysuhde voidaan esittää myös lämpötilojen avulla, kun T1 on lämpösäiliön ja T2 kylmäsäiliön lämpötila. Tätä hyötysuhdetta kutsutaan Carnot-hyötysuhteeksi, ja se on lämpövoimakoneen hyötysuhteen teoreettinen yläraja. Carnot –hyötysuhde:

ηmax = T1-T2 / T1

Hyötysuhde on sitä suurempi, mitä suuremmalla lämpötilavälillä lämpövoimakone toimii. Jäähdytyskone siirtä energiaa lämpönä kylmemmästä säiliöstä lämpimämpään ja käyttää tähän siirtoon mekaanista energiaa. Prosessi jäähdyttää kylmäsäiliötä ja lämmittää lämpösäiliötä. Jäähdytyskone tarvitseekin toimiakseen ulkopuolista energiaa. Jäähdytyskoneet toimivat päinvastaiseen suuntaan kuin Carnot´n lämpövoimakone.

Fysiikka 2: luku 6 Energia ja olomuodot

Lämpökapasiteetti

Lämpökapasiteetti C ilmaisee, kuinka paljon kappale voi ottaa vastaan tai luovuttaa energiaa lämpönä yhtä tilavuusyksikköä kohti. Usein energianmuutosta merkitään lyhyesti

∆Q = Q, jolloin C = Q / ∆T

Kappaleen lämpönä luovuttama tai vastaanottama energia saadaan yhtälöstä

Q = C∆T

jossa C on kappaleen lämpökapasiteetti.

Hyvän kalorimetrin lämpökapasiteetti on pieni. Silloin kalorimetri vaikuttaa vain vähän tutkittaviin energian siirtymiin kalorimetrin sisällä. Jos kappaleen lämpökapasiteetti on suuri, sen lämpötila kohoaa vain vähän, vaikka siihen siirtyisi sitä lämmitettäessä suuri määrä energiaa. Vastaavasti kappaleen jäähtymisen aikana energiaa vapautuu runsaasti mutta lämpötila ei juuri alene. Jos kappaleen lämpökapasiteetti on pieni, pienikin kappaleeseen lämpönä siirtyvä energiamäärä saa lämpötilan kasvamaan voimakkaasti.

Ominaislämpökapasiteetti

Homogeenisen kappaleen ominaislämpökapasiteetti c ilmaisee aineen lämpönä luovuttaman tai vastaanottaman energian massayksikköä ja lämpötilayksikköä kohti :

c = C/m

Homogeenisen kappaleen lämpönä luovuttama tai vastaanottama energia saadaan tunnettua ominaislämpökapasiteettia käyttämällä yhtälöstä

Q = cm∆T

Ominaislämpökapasiteetti on aineelle ominainen suure. Energia, jonka aine luovuttaa tai ottaa vastaan, riippuu kappaleen massasta, lämpötilan muutoksen suuruudesta ja kappaleen materiaalista. Tätä aineelle ominaista kykyä sitoa tai luovuttaa energiaa lämpönä kutsutaan aineen ominaislämpökapasiteetiksi.

Vedellä on huomattavan suuri ominaislämpökapasiteetti. Siksi veteen voidaan sitoa suuria määriä energiaa.

Ominaissulamislämpö

Jokaiselle aineelle ominaisessa lämpötilassa, sulamispisteessä, rakenneosasten liike-energia on niin suuri, että aineen rakenne rikkoutuu ja aine sulaa. Tämä tapahtuma sitoo energiaa. Kun aine saa lisää energiaa, sulamisprosessi jatkuu ja kaikki energia kuluu sulamiseen. Lämpötila pysyy vakiona, kunnes kaikki aine on sulanut. Ominaissulamislämpö on se energia massayksikköä kohti, joka on vietävä lämpönä sulamispisteessä olevaan kiinteään aineeseen, jotta aineen olomuoto muuttuisi kiinteästä nesteeksi:

s = Q/m

Aineen sulattamiseen tarvittava energia on

Q = sm

jossa s on aineen ominaissulamislämpö. Yhtä paljon energiaa vapautuu, kun aine jähmettyy kiinteäksi.

Ominaishöyrystymislämpö

Ominaishöyrystymislämpö on se energia massayksikkä kohti, joka on vietävä kiehumispisteessä olevaan nesteeseen, jotta neste höyrystyisi

r = Q/m

Nesteen höyrystymiseen tarvittava ja tiivistymisessä vapautuva energia on

Q = rm

jossa r on ominaishöyrystymislämpö.

Fysiikka 2: luku 5 Olomuodot

Aine voi esiintyä kolmessa olomuodossa eli faasissa: kiinteänä aineena, nesteenä ja kaasuna. Yhdeksi olomuodoksi voidaan katsoa myös plasma, jossa kuuman aineen atomeilta on irronnut elektroni tai elektroneja. Plasmassa on elektroneja ja ioneja. Aineen olomuoto riippuu sen tilanmuuttujista eli paineesta, tilavuudesta ja lämpötilasta.

Olomuodon muutoksissa sitoutuu tai vapautuu energiaa. Kun aineeseen tuodaan energiaa, sen lämpötila kohoaa, mikäli sen olomuoto ei muutu. Olomuodon muutoksissa aineen lämpötila pysyy muuttumattomana.

Kappaleen lämpötila riippuu sen rakenneosasten lämpöliikkeestä. Kiinteissä aineissa, joissa atomit ovat järjestäytyneet tiiviiksi rakenteiksi, ja nesteissä aineiden rakenneosaset ovat jatkuvassa värähdysliikkeessä. Värähdysliike on mahdollista vain, kun aineen rakenneosaset ovat sitoutuneet toisiinsa. Kaasujen rakenneosasten lämpöliike on etenemistä, pyörimistä ja törmäyksiä, ei värähdysliikettä. Kun paine on vakio, aineen lämpötila ei muutu olomuodon muutosten aikana.

Faasikaavio

Faasikaavio on malli, jonka avulla voidaan ennustaa, mitä aineelle tapahtuu lämpötilan tai paineen tai molempien muuttuessa. Faasikaaviolla kuvataan aineen eri olomuotoja (T,p)-koordinaatistossa eli eri paineissa ja lämpötiloissa. Tasapainokäyrillä kaksi olomuotoa on tasapainossa keskenään. Esim aineen sulamiskäyrällä kiinteä- ja nestefaasi ovat tasapainossa eli esiintyvät yhtä aikaa. Höyrystymiskäyrällä neste- ja kaasufaasi ovat tasapainossa ja sublimoitumiskäyrällä kiinteä- ja kaasufaasi ovat tasapainossa.

Faasikaavio. Kuva googlen kuvahaku.

Faasikaaviossa tasapainokäyrät kohtaavat pisteessä, jota kutsutaan kolmoispisteeksi. Kolmoispisteen lämpötilassa ja paineessa kaikki kolme olomuotoa ovat tasapainossa ja aine voi esiintyä samanaikaisesti kaikissa kolmessa olomuodossaan. Veden kolmoispiste on tarkasti mitattavissa. Absoluuttisen lämpötila-asteikon eli kelvinasteikon toiseksi peruspisteeksi on valittu veden kolmoispisteen lämpötila, jolle on sovittu 273,16 K. Toinen peruspiste on absoluuttinen nollalämpötila. Molemmat peruspisteet ovat olosuhteista riippumattomia, toisin kuin esim celsiusasteikon peruspisteet eli veden sulamis- ja kiehumispisteet, jotka riippuvat paineesta.

Faasikaavion höyrystymiskäyrä päättyy kriittiseen pisteeseen, joka on kullekin aineelle ominainen lämpötilan (kriittinen lämpötila) ja paineen (kriittinen paine) yhdistelmä. Kriittistä pistettä korkeammissa lämpötiloissa ja paineissa nestemäisen ja kaasumaisen olomuodon raja häviää.

Kun kyse on vedestä, voidaan täsmentää käsitteet höyry ja kaasu. Jos kaasumaisen veden lämpötila on alempi kuin sen kriittinen lämpötila, vettä sanotaan höyryksi. Jos taas kaasumaisen veden lämpötila on korkeampi kuin sen kriittinen lämpötila, puhutaan kaasusta.

Höyrystyminen

Neste voi höyrystyä haihtumalla tai kiehumalla. Höyrystyminen ei edellytä, että aine kokonaisuudessaan olisi sille ominaisessa kiehumispisteessä. Haihtuminen tarkoittaa nesteen höyrystymistä nesteen vapaasta pinnasta. Haihtumista tapahtuu kaikissa lämpötiloissa. Kiehuminen sen sijaan tapahtuu lämpötilassa, jossa nesteen sisäinen höyrynpaine on yhtä suuri tai suurempi kuin ulkoinen paine. Kiehumisen ylläpitämiseen tuotu energia ei nosta nesteen lämpötilaa, koska energia kuluu höyrystymiseen.

Kun suljetussa astiassa oleva neste höyrystyy, höyryn määrä nestepinnan yläpuolella kasvaa. Samalla myös tiivistyminen lisääntyy. Lopulta astiassa saavutetaan dynaaminen tasapainotila. Tällöin höyrystymistä ja tiivistymistä tapahtuu yhtä runsaasti. Astian ilmatilassa olevaa höyryä kutsutaan tällöin kylläiseksi höyryksi ja astiassa vallitsevaa höyryn painetta kylläisen höyryn paineeksi. Tällöin astian ilmatilassa on niin paljon höyryä kuin siihen mahtuu. Faasikaaviossa ollaan silloin höyrystymisrajalla.

Huoneenlämpötilassa olevasta avoimesta vesilasista nesteen pinnalta tapahtuva haihtuminen on runsaampaa kuin tiivistyminen. Tällöin veden sisäinen höyrynpaine on pienempi kuin ulkoinen paine eli ilmanpaine. Kun vettä keitetään avoimessa kattilassa, vesi kiehuu loppuun, koska huoneilmassa olevan veden höyrynpaine on pienempi kuin kylläisen höyryn paine.

Painekattilan normaalia ilmanpainetta korkeammassa paineessa veden kiehumislämpötila on korkeampi kuin 100 °C, joten kattilassa oleva ruoka kypsyy nopeammin.

Ilmankosteus

Ilmankosteudella tarkoitetaan ilmassa höyrynä olevaa vettä. Ilman absoluuttisella kosteudella tarkoitetaan sen sijaan ilmassa olevan vesihöyryn massaa tilavuusyksikköä kohti. Kutakin lämpötilaa vastaa tietty maksimikosteus, joka kertoo vesihöyryn suurimman mahdollisen massan tilavuusyksikköä kohti. Ilman suhteellisella kosteudella tarkoitetaan sitä, kuinka monta prosenttia ilman absoluuttinen kosteus on suurimmasta mahdollisesta kosteudesta. Kun ilman lämpötila alenee, tietyssä lämpötilassa, kastepisteessä, ilmassa oleva vesihöyry tulee kylläiseksi ja tiivistyy. Tällöin ilman suhteellinen kosteus on 100 % ja kastepistettä vastaava kylläisen vesihöyryn paine on yhtä suuri kuin ilmassa olevan vesihöyryn osapaine. Jos kastepiste on veden jäätymispistettä alempi, vesihöyry muuttuu suoraan jääksi. Silloin vesihöyry härmistyy kylmille pinnoille.

Kastepisteessä pyykki ei kuivu, koska silloin vettä ei haihdu ilmaan. Jos ilman suhteellinen kosteus on pieni, vaatteet kuivuvat nopeasti jopa pakkasella, jolloin jää sublimoituu vesihöyryksi ilmaan.

Fysiikka 2: luku 4 Kaasut

Ideaalikaasu on malli kaasuille. Todellista kaasua kutsutaan reaalikaasuksi. Ideaalikaasuille voidaan johtaa yleinen tilanyhtälö. Ideaalikaasu poikkeaa monessa suhteessa reaalikaasusta, ja siksi tilanyhtälön pätevyys on rajallinen. Huoneenlämpötilassa ja normaalipaineessa useimmat reaalikaasut kuitenkin käyttäytyvät lähes ideaalikaasun tavoin.

Reaalikaasujen ja ideaalikaasujen erot

-         monet kaasut ovat seoksia. Puhtaat reaalikaasut koostuvat samoista atomeista tai molekyyleistä. Ideaalikaasussa on sen sijaan vain yhdenlaisia rakenneosasia.

-         reaalikaasujen molekyylien suuruusluokka on 10^-10m. Hiukkasiin kohdistuu myös paino. Ideaalikaasun rakenneosat sen sijaan ovat pistemäisiä.

-         reaalikaasun rakenneosasilla on lämpöliikettä: myös virtaukset ovat mahdollisia. Ideaalikaasun rakenneosasten lämpöliike on satunnaista.

-         reaalikaasun rakenneosasten välillä on sähkömagneettinen vuorovaikutus, kun taas ideaalikaasun rakenneosaset vuorovaikuttavat vain törmäysten kautta.

-         reaalikaasussa törmäykset voivat olla kimmoisia tai kimmottomia, kun taas ideaalikaasun rakenneosasten välillä on vain kimmoisia törmäyksiä.

-         reaalikaasun rakenneosasten liike on törmäysten välillä lähes suoraviivaista, kun taas ideaalikaasun rakenneosaset liikkuvat törmäysten välillä vakionopeudella ja suoraviivaisesti.

Kaasujen tilanyhtälöt

Kaasun tilan määräävät sen paine, tilavuus ja lämpötila. Kun kaasun paine kasvaa, sen tilavuus pienenee. Boylen lain mukaan kaasun tilanmuutos on isoterminen, jos sen lämpötila pysyy vakiona. Eli pV = vakio. Jauhelihapakkauksessa käytetään suojakaasuna hapen ja hiilidioksidin seosta. Happi auttaa lihaa pysymään väriltään punaisena.

Charlesin lain mukaan kaasun tilanmuutos on isokoorinen, jos sen tilavuus pysyy vakiona. Eli p/T = vakio. Gay-Lussacin lain mukaan kaasun tilanmuutos on isobaarinen, jos sen paine pysyy vakiona. Eli V/T = vakio. Gay-Lussacin lain mukaan kaasun tilavuus pienenee lämpötilan laskiessa.

Ideaalikaasun tilanyhtälö

pV/T = vakio

Ideaalikaasun tilanyhtälö on

pV/T = nR eli pV = nRT

jossa R on 8,314510 J/(mol*K)

Avogadron lain mukaan samassa lämpötilassa ja paineessa yhtä suuret tilavuudet eri kaasuja sisältävät yhtä monta molekyyliä.

 

Kaasun normaalitila (NTP-olosuhteet)

NTP-olosuhteissa on sovittu tila, jossa lämpötila on 273,15 K ja paine on 101325 Pa eli normaali ilmanpaine. Jos NTP-tilassa ideaalikaasua on yksi mooli, se vaatii tilavuuden 22,41410 dm³ eli normaalitilavuus on 22,41410 l/mol. Jos kaasun ainemäärä tunnetaan, ideaalikaasun tilanyhtälö voidaan ilmaista moolisen kaasuvakion R avulla.