1. No category

1
LÄMPÖOPPI
1. Johdanto
Työssä on neljä eri osiota, joiden avulla tutustutaan lämpöopin lakeihin ja ilmiöihin. Työn
suoritettuaan opiskelijan on tarkoitus ymmärtää lämpöopin keskeiset käsitteet, kuten lämpö,
lämpötila, sisäenergia ja ominaislämpökapasiteetti sekä niihin liittyvät matemaattiset kaavat.
Opiskelija myös oppii hyödyntämään graafista esitystä osana tulosten käsittelyä.
Ennen harjoitustyöosastolle tuloa opiskelija tekee valmiista selostuspohjasta löytyvät
ennakkotehtävät. Muut tehtävät suoritetaan mittausten yhteydessä ja vastaukset kirjataan
selostuspohjalle.
2. Ominaislämpökapasiteetti
Lämpökapasiteetti
C
kuvaa
kappaleen
kykyä
sitoa
Ominaislämpökapasiteetti c on aineen vastaava ominaisuus.
tai
luovuttaa
energiaa.
2.1 Veden ominaislämpökapasiteetti
Lämmitä vettä sähkövastuksella ajan t verran. Pohdi, kannattaako ennen mittausten alkua
määrittää ennemmin veden massa vai tilavuus. Sähkövastuksen (resistanssi R) päiden välinen
jännite on U ja läpi kulkeva virta I. Määritä veden ominaislämpökapasiteetti mittaamalla
lämmitysvastuksen virta ja jännite sekä veden lämpötilan muutos kahden minuutin välein. Jatka
mittauksia, kunnes veden lämpötila on muuttunut vähintään 20 °C lähtölämpötilaan verrattuna.
Sekoita vettä säännöllisin väliajoin.
Tarvittavat välineet: Kalorimetri, lämpömittari, jännitelähde, kaksi yleismittaria, sekuntikello
HUOM! Työn jälkeen kalorimetri tyhjennetään ja kuivataan. Kansi nostetaan telineeseen.
Tehtävät
1. Selvitä veden ominaislämpökapasiteetti graafisesti.
2. Mitä voit sanoa veden energiansitomiskyvystä saadun numeerisen arvon perusteella? Miten
tätä ominaisuutta hyödynnetään?
3. Vertaa tulostasi kirjallisuusarvoon. Jos tulos poikkeaa kirjallisuusarvosta, miksi? Mikä on
tuloksen kannalta merkittävin virhelähde?
2
3. Tiheyden lämpötilariippuvuus
Koe on kolmeosainen. Jokaiseen mittaukseen liittyviin kysymyksiin vastataan erikseen.
Koe 1. Mittaa aluksi toiseen keitinlasiin mahdollisimman lämmintä ja toiseen mahdollisimman
kylmää vettä (mittaa molempiin keitinlaseihin sama määrä vettä, n. 400 ml). Lisää kuumaan
veteen väriainetta ja sekoita vesi tasaväriseksi. Mittaa vesien alkulämpötilat. Kaada vedet
sulkuportilliseen astiaan. Nosta sulkuportti hitaasti ylös. Mittaa vesikerrosten lämpötilat reaktion
tasoituttua.
Koe 2. Tyhjennä allas ja toista koe, kuten edellä. Vesikerrosten tasoituttua, lisää keskelle allasta
metallitanko.
Koe 3. Tyhjennä allas. Mittaa keitinlaseihin samat tilavuudet saman lämpöistä vettä. Lisää toiseen
vesiastiaan väriainetta. Valmista toisesta vedestä lähes kylläinen suolaliuos. Kaada altaan toiseen
päähän värjätty vesi ja toiseen päähän lähes kylläinen suolaliuos. Nosta sulkuluukku. Vesikerrosten
tasoituttua heiluttele allasta varovasti.
Sulje luukku ja sekoita altaan toisen päädyn vesi tasaväriseksi. Avaa jälleen luukku.
Tarvittavat välineet: Kaksi keitinlasia, kaksi lämpömittaria, sulkuportillinen allas
Kuva 1. Sulkuportillinen akryyliallas
Tehtävät
Koe 1.
1. Mitä havaitset portin nostamisen jälkeen? Mitä voit tämän perusteella
todeta veden tiheyden lämpötilariippuvuudesta?
2. Tarkastele vesikerrosten rajapintaa. Mitä havaitset?
3
3. Mitä voit todeta energian
tasoittumisnopeudesta?
Mikä
ominaislämpökapasiteettiin?
siirtymisestä lämpönä
yhteys
havainnolla
ja
lämpötilojen
on
veden
Koe 2.
4. Miten metallitangon lisääminen muuttaa tilannetta verrattuna ensimmäiseen
kokeeseen? Selitä ilmiö.
Koe 3.
5. Tarkastele vesikerroksia.
allasta heilutellaan varovasti?
Mitä
havaitset?
Sekoittuvatko
vedet,
kun
6. Kun altaan toisen päädyn vesi on sekoitettu tasaväriseksi ja portti
jälleen avataan, mitä tapahtuu? Selitä ilmiö.
4. Kaasun kokoonpuristuvuus
Sisäenergia U kuvaa systeemin sisään varastoitunutta energiaa. Sisäenergian arvoja ei voida
mitata, mutta sen muutoksia voidaan. Esimerkiksi kun systeemiin tuodaan energiaa lämpönä tai
systeemi tekee työtä, sisäenergia muuttuu. Lämpöopin 1. pääsäännön mukaisesti ΔU=ΔQ+ΔW.
Sisäenergia on ekstensiivisuure, eli se on riippuvainen systeemin koosta (vrt. intensiivisuure,
esim.lämpötila T). Yksi tapa muuttaa systeemin varastoituneen sisäenergian määrää on tehdä
systeemiin työtä. Kun kaasua puristetaan, tehdään työtä sen painetta vastaan.
Tutki ilman kokoonpuristamista sulkemalla lääkeruiskuun 50 ml ilmaa. Lääkeruiskun kaasutilan
tilavuutta säädetään liikkuvan männän avulla. Työnnä ruiskun mäntää 5–10 ml sisään ja lue
paineanturin lukema. Mittaa tällä tavoin muutamia (V,p)-pareja. Piirrä mittaustulosten pohjalta
kuvaaja (V,p)-koordinaatistoon.
Tarvittavat välineet: Lääkeruisku, paineanturi, mittatietokone
Ohjeet mittauslaitteiston ja mittatietokoneen käyttöön löydät työpisteeltä. Työn graafisissa
osioissa hyödynnetään Multilab-ohjelmaa.
4
Kuva 2. Mittatietokone, paineanturi ja lääkeruisku
Tehtävät
1. Miten systeemin sisäenergia muuttuu kokeen aikana?
2.
Totea graafista esitystä käyttämällä, päteekö Boylen laki (pV=vakio).
3.
Määritä tehty työ W kuvaajan fysikaalisena pinta-alana.
4.
Perustele, onko työssä suoritettu ilman kokoonpuristaminen adiabaattinen vai isoterminen
prosessi.
5.
Mitä virhelähteitä mittaukseen liittyy? Pohdi mikä niistä on merkittävin.
5. Alijäähtynyt vesi suola-jäähauteessa
Mittaa koeputkiin yhtä suuret määrät vettä ja aseta kumpikin koeputki omaan jäähauteeseen.
Lisää toiseen jäähauteeseen suolaa. Aseta molempiin koeputkiin lämpömittarit. Havaitse
lämpötilat säännöllisin väliajoin.
Tarvittavat välineet: Kaksi koeputkea, kaksi dekantterilasia, kaksi lämpömittaria, suolaa ja
jäämurskaa
Tehtävät
1. Selitä kokeessa havaitut fysikaaliset ilmiöt ja energian siirtyminen lämpönä kokeessa.
2. Mitä tapahtuu suola-jäähauteessa olevan veden lämpötilalle veden jäätyessä?
5
Multilab-ohjelman käyttöohje
1. Käynnistä NOVA 5000 -mittatietokone
2. Käynnistä Multilab-ohjelma:
Start
Programs
Science & Math
Multilab
3. Määritä asetukset:
Setup
Rate: Manual
Sensors: Input1: Pressure 0-700 kPa
OK
4. Aloita mittaukset:
Klikkaa ”Run”
purista mäntää. Toista muutamia kertoja.
5. Mittaustulokset löytyvät ”muistilehtiön” –painikkeen takaa
6. Sulje ohjelma rastista. Tuloksia ei tallenneta.
7. Sulje mittatietokone.