Lämpöistä oppia ja energiaa Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2014

Alkudemonstraatio: Käsi lämpömittarina Laitetaan kolmeen eri altaaseen kylmää, haaleaa ja lämmintä vettä. 1) Oppilas pitää toista kättä kylmässä ja toista lämpimässä vedessä noin puoli minuuttia. 2) Sitten hän siirtää molemmat kädet yhtä aikaa haaleaan veteen. Miltä haalea vesi tuntuu käsissä? Mitkä seikat vaikuttavat lämpöaistimukseen? Mitä mieltä voidaan olla kädestä lämpömittarina?

Lämpöoppi tutkii lämpöön, energiaan ja lämpötilaan liittyviä ilmiöitä. Käsitteet lämpö ja lämpötila Lämpö Lämpötila Kun aineeseen siirtyy lämpönergiaa, sen lämpötila nousee (rakenneosaset liikkuvat 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 lämpömittari laitetaan kuumaan veteen, siirtyy vedestä lämpöenergiaa mittariin niin kauan, kunnes mittari ja vesi ovat saavuttaneet saman lämpötilan.

Oppilaiden ennakkokäsityksiä energiasta Oppilaat ajattelevat, että energia liittyy eläviin olentoihin; sellaisilla kappaleilla kuin auto, kivi, jne. ei voi olla energiaa. Energia liittyy ihmisen ”energisyyteen”. Elävillä olioilla voi olla energiaa, mutta sillä on varsin tekninen merkitys eikä se tarkoita ihmisen aktiivisuutta. Energia liittyy liikkumiseen. Oppilaiden mielestä energiaa tarvitaan liikkumiseen, 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 kuvaavat auton polttoainetta, he puhuvat polttoaineesta energiana eikä että polttoaineesta saadaan energiaa. Energia ei ole ainetta. Energia on abstrakti käsite, jonka lukuarvo voidaan joissakin tapauksissa laskea esimerkiksi kappaleen nopeudesta ja massasta. Oppilaat ajattelevat, että energia kuluu. Fysiikan teorian mukaan energia ei kulu. Energian säilymislaki on luonnontieteen peruslakeja.

Aineen olomuodot Kiinteä aine (esim. jää, t < 0 ºC) Aine koostuu rakenneosista (atomeista tai molekyyleistä). Rakenneosaset ovat jatkuvassa liikkeessä, ja tämä ns. rakenneosasten lämpöliike lisääntyy lämpötilan kasvaessa ja aineen olomuodon muuttuessa. Kiinteä aine (esim. jää, t < 0 ºC) Huomaa: Jos rakenneosasten liike pysähtyisi, olisi kyseessä absoluuttinen nollapiste (jota ei kuitenkaan voida saavuttaa).

Nestemäinen aine (esim. vesi, 0 ºC < t < 100 ºC) Kaasu (esim. Kuuma vesihöyry, t > 100 ºC)

Lämpölaajeneminen Ainetta lämmittäessä rakenneosasten liike kasvaa ja hiukkaset pyrkivät ottamaan suuremman tilan. Tästä syystä aineet laajenevat lämmetessään (vrt. harjoitukset). Poikkeus: vesi ei laajene sulaessaan ja tästä syystä jää kelluu vedessä (ρjää < ρvesi) Esimerkki: Pekkalan vanhempi maantiesilta on teräsrakenteinen betonikantinen palkkisilta. Sen pituus on 453 metriä. Pekkalan sillan lämpölaajeneminen pituussuunnassa voidaan laskea kiinteän aineen lämpölaajenemisen 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 (+25 ºC) 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 yhdessä mahdollistavat sillan venymisen kesällä ja supistumisen talvella. 

Olomuotojen muutoksista Aineen lämpötilan nostamiseen tarvitaan energiaa. Lämpö kuvaa siirtyvän lämpöenergian määrää Aineen sulamispisteessä lämmön tuominen muuttaa aineen kiinteästä nesteeksi, eikä lämpötila tällöin kohoa Vastaavasti aineen jäätyessä siitä vapautuu lämpöä Myös nesteen muuttaminen kaasuksi kiehumispisteessä vaatii energiaa eikä aineen lämpötila tällöin nouse.

Aine voi muuttua myös suoraan kiinteästä kaasuksi (sublimoituminen) tai toisinpäin (härmistyminen) Esim. pyykit kuivavat pakkasella (sublimoituminen) ja ikkunoissa talvipakkasella näkyvät kuurankukat (härmistyminen)

Lämpöenergian siirtyminen Lämpöenergian siirtymisen suunta on aina lämpimämmästä 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, joissa lämpöenergia siirtyy helposti ja lämmöneristeiksi aineita, jossa lämpöenergia siirtyy huonosti.

Energiamuodoista Energian säilymislaki: Energiaa ei synny eikä häviä, se vain muuttaa muotoaan. Energian muotojen keskinäisiä muotoja voidaan havainnollistaa ns. energiakaavioilla (vrt. harjoitukset). Liike-energia: Kun vierität palloa, siirrät energiaa palloon. Vierivällä pallolla on liike- energiaa. Mitä painavampi pallo on, sitä enemmän energiaa joudut käyttämään sen liikkeelle saamiseksi, mutta sitä enemmän sillä on myös liike-energiaa.

Potentiaali- eli asemaenergia: Kun nostat pallon ylös ja pidät sitä paikallaan kämmenelläsi, on pallolla potentiaalienergiaa – mahdollista energiaa. Kun irrotat kätesi pallosta, potentiaalienergia muuttuu liike- energiaksi, koska pallo putoaa. Mitä korkeammalle nostat pallon, sitä enemmän sillä on potentiaalienergiaa. Mitä painavampi pallo on, sitä suurempi on sen potentiaalienergia. Kemiallinen energia: Kun nostat palloa, lihaksesi tekevät työtä. Tarvitsemansa energian lihakset saavat ruoasta. Ruuasta saatavaa energiaa kutsutaan kemialliseksi energiaksi, jonka ihmisen elimistö muuttaa tarvitsemikseen elintoiminnoiksi.

Energialähteistä Suurin osa energiasta on peräisin auringossa tapahtuvista ydinreaktioista, se siirtyy Maahan säteilemällä, ja se varastoituu esim. kasveihin tai saa aikaan vedenkierron; energiaa voidaan vapauttaa eri energialähteistä (fossiiliset energialähteet) vesienergia, tuulienergia, jne.). Maasta itsestään peräisin olevina energianlähteinä voidaan pitää ydinenergiaa ja vulkaanista energiaa. Energialähteet voidaan jakaa uusiutuviin ja uusiutumattomiin.

Ennakkokäsitystestin pohdiskelua Minkä vuoksi lämmitetyssä saunassa oleva rautanaula polttaa ihoa, mutta lauteet eivät? Rautanaulan lämpötila on korkeampi kuin lauteiden Naula johtaa paremmin lämpöä Naulan pinta-ala on pienempi kuin lauteiden Pitäisi olla selvä juttu, kun ajattelet lämmön johtumista (vrt. lusikka-työ harjoituksissa). Mitä tapahtuu ja miksi kun kuuma rautakappale (lämpötila 100 °C) pudotetaan veteen (lämpötila 20 °C)? Lämpötilat tasoittuvat koska vesi luovuttaa kylmää raudalle Molempien lämpötilat tasoittuvat 60 °C:een, koska molemmat luovuttavat saman määrän energiaa toisilleen 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) Minkä vuoksi kylmissä maissa talojen seiniin laitetaan rakennusvaiheessa lasivillaa? Saadaan kevyellä rakenteella paksummat seinät Huokoisessa materiaalissa oleva ilma toimii hyvänä lämmöneristeenä Paksumpi seinä estää kylmän virtaamisen sisään Ja tämähän on ihan selvä (vrt. harjoituksissa veden jäähtyminen lasipurkissa ilman eristettä ja solumuovi eristeenä).