⚡Virks Füüsika
Tagasi soojusõpetusse

🔥 Soojenemine, jahtumine ja keemine

Q = c · m · Δt ja Q = L · m: kuidas ained energiat võtavad ja annavad.

1

Siseenergia: kaks viisi soojemaks teha

Kogu peatüki mõisteline alus: kuumutamine ja töö

Metall on jahe. Osakesed võnguvad aeglaselt oma kohtadel.
Suurenda metalli siseenergiat
Hoia nuppu all ja vaata osakesi ning termomeetrit.
2

Aastaajad ja termomeeter

Mõõda temperatuuri eri aastaegadel

Aastaajad ja temperatuur

10 °C

Vali aastaaeg

Märka, kuidas aastaaeg muudab õhutemperatuuri ja termomeetri näitu.

Termomeeter

1 / 3

Kuidas me soojust mõõdame? Termomeetri sees olev vedelik paisub soojenedes ja ronib mööda toru üles. Jahtudes tõmbub see uuesti kokku.

Kelvini labor: kaks temperatuuriskaalat

Temperatuur · Celsius ja Kelvin

Temperatuur
Absoluutne nullVesi keeb
Celsius
20 °C
Kelvin
293 K
Osakesed liiguvad. K = °C + 273. Kraadi suurus on mõlemal skaalal sama.
3

Temperatuur ja soojuspaisumine

Vaata mikroskoobis, kuidas osakeste liikumine muudab metallvarda pikkust

Mikroskoopiline vaade: metallvarras

20 °C
Osakesed võnguvad oma kohtadel. Temperatuur muudab nende liikumist ja vahekaugust.

Miks jäetakse rongirööbaste vahele vahed? Mis juhtub ainega, kui seda kuumutada? Uuri, kuidas on omavahel seotud temperatuur ja osakeste liikumine.

Suvel paistab päike otse terasrööbastele. Metall neelab päikesekiirgust väga hästi ja võib kuumeneda palju enam kui ümbritsev õhk (isegi 50–60 °C). Lisaks tekitab soojust raskete rongirataste pidev hõõrdumine vastu metalli!
20 °C
−50 °C150 °C
Dünaamiline loogika
Temperatuur (T)
20 °C
Osakeste kiirus (v)
Keskmine
Ruumala (V)
Normaalne

Kaksikmetallriba ja termostaat

Kaksikmetallriba koosneb kahest erinevast metallist, mis on omavahel kokku pressitud. Liiguta temperatuuri ja vaata, mis ribaga juhtub. Just seda kasutatakse termostaadis, mis lülitab kütte ise sisse ja välja.

20°Cpatareiküttekehakontaktmessing (paisub rohkem)teras (paisub vähem)

Sea temperatuur

Temperatuur20 °C
Ribasirge
Kontaktkinni
KüttekehaSEES
KülmKuum
4

Soojuse levimine

Võrdle soojusjuhtivust, konvektsiooni ja soojuskiirgust

Kuidas soojus liigub?

METALLI AATOMIDVõnkumine kandub kuumast teest mööda lusikat üles

Vali soojusülekande viis

35%
0100

1. Juhtivus: mis toimub?

Keskkond
Tahke aine
Mehhanism
Osakeste põrked
Näide
Metallist lusikas kuumas tees
Tõsta intensiivsus üle 50%, et nähtust lähemalt uurida.
5

Teooria, tähised ja eluline näide

Soojushulk Q, erisoojus c, Δt ja aurustumissoojus L

Puust ja punaseks · Teooria

Soojenemine, jahtumine ja keemine

Soojushulk

Energia, mille keha saab soojenedes või annab ära jahtudes. Ühik džaul (J) või kilodžaul (kJ).

Q (J)
Erisoojus

Aine iseloom: kui palju energiat kulub 1 kg aine soojendamiseks 1 °C võrra. Vesi 4200, raud 460: vesi soojeneb ja jahtub aeglaselt!

c (J/(kg·°C))
Temperatuuri muutus

Erinevus lõpp- ja algtemperatuuri vahel: Δt = tlõpp − talg.

Δt (°C)
Aurustumissoojus

Energia, mis on vajalik 1 kg vedeliku aurustamiseks keemistemperatuuril.

L (J/kg)
Põhivalemid
Q = c · m · Δt
Q = L · m

Vasak valem: soojenemine/jahtumine. Parem: faasimuutus (keemine/aurustumine).

Eluline näide on kerise leil. Proovi seda allpool olevas saunalaboris!
6

Saunalabor: leili füüsika

Soojenemine + aurustumine reaalajas valemitega

Saunalabor: leili füüsika
Soojenemine (Q₁ = c·m·Δt) + aurustumine (Q₂ = L·m)
💡 Miks me seda arvutame?

Päris saunas peavad kuumad kerisekivid andma tohutus koguses soojusenergiat, et visatud vesi leiliks muuta. Sinu ülesanne on arvutada, kui palju soojust (Q) kividelt tegelikult röövitakse!

Vee kogus (m)0.3 kg
SAMM 1: Vee soojendamine 100 °C-ni
Enne auru tekkimist peavad kivid soojendama vee keemistemperatuurini.
Q₁ = c · m · (t₂ − t₁)
Q₁ = 4200 · 0.3 · (100 − 20) = …
SAMM 2: Aurustumine leiliks
Kõige energiamahukam osa! 100-kraadine vesi muudetakse kuumaks auruks.
Q₂ = L · m
Q₂ = 2 260 000 · 0.3 = …
KOKKU
Q = Q₁ + Q₂ = 778 800 J
≈ 778.8 kJ
Q₁ soojendamine: 12.9%Q₂ aurustumine: 87.1%
Algtemp. (t₁)20 °C
🧐 Füüsiku tähelepanek: Jahe vesi

Kasutad jahedat vett. Vee soojendamine võtab omajagu energiat (Q₁), kuid vaata graafikut: suurim energiaröövel on ikkagi vee muutmine auruks (Q₂)!

7

Interaktiivne katse: erisoojuse võidujooks

Hoia KÜTA-nuppu all ja vaata, kumb kuumeneb kiiremini

Interaktiivne katse

Erisoojuse võidujooks: vesi ja raud

Mõlemal plaadil on 1 kg ainet. Hoia all KÜTA! nuppu ja vaata, kumb kuumeneb kiiremini.

20 °C
1 kg vesi
c = 4200 J/(kg·°C)
20 °C
1 kg raud
c = 460 J/(kg·°C)
Q = c · m · Δt
Vesi
Q=4200·1·0.0
Q =0 J
c · m · Δt  |  Δt = T − 20 °C
Raud
Q=460·1·0.0
Q =0 J
c · m · Δt  |  Δt = T − 20 °C
Hoia KÜTA! nuppu: vaata, kuidas Q kasvab.

Vesi vajab sama 1 °C tõusuks ~9 korda rohkem energiat kui raud (4200 vs 460 J/(kg·°C)).

☀️ Kus sa seda näed: rand

Suvel päikeselisel rannal on liiv lõõmav-kuum, aga meri jahe: sama päike paistab mõlemale! Miks?

Liiv on nagu raud. Tal on väike erisoojus: vähe energiat ja ta on juba tuline. Vesi on nagu meri. Tal on suur erisoojus: ta neelab palju päikeseenergiat, aga soojeneb aeglaselt ja jääb jahedaks.

See on ka põhjus, miks mere temperatuur püsib ühtlasem: vesi on aeglane nii soojenema kui jahtuma.

8

Tähiste treening

Vii kokku kirjeldus ja õige tähis

Kiirtest

Tähiste treening

Vajuta iga kirjelduse all olevale õigele tähisele.

Soojendamisel antav või jahtumisel eralduv energia
Aine „kangekaelsus“ temperatuuri muutumisel
Temperatuuride erinevus
9

Näidisülesanne: veekann pliidil

Samm-sammult lahendus pildiga

Puust ja punaseks: näidisülesanne

20 °C → 100 °Csoojus Q
Veekann pliidil: soojeneme 20 °C → 100 °C
Ülesanne. Kannus on 1 kg vett temperatuuriga 20 °C. Keemistemperatuur on 100 °C. Vee erisoojus c = 4200 J/(kg·°C). Kui palju soojust kulub vee keemistemperatuurini viimiseks?
  1. 1. Δt
    Δt = 100 − 20 = 80 °C
  2. 2. Valem
    Q = c · m · Δt
  3. 3. Arvutus
    Q = 4200 · 1 · 80 = 336 000 J
  4. 4. Vastus

    Vesi vajab 336 kJ energiat.

10

Termose ehituslabor

Rakenda juhtivuse, konvektsiooni ja kiirguse teadmisi, et hoida tee kuumana

54 °CKuum tee termose ristlõikes

Ehita ideaalne termos

Kuidas hoida teed kuumana? Ehita ideaalne termos, blokeerides kõik kolm soojusülekande viisi!

Seinad (takistab juhtivust)
Pinnakate (takistab kiirgust)
Kork (takistab konvektsiooni)
Soojuskadu
Kõrge
11

Sinu isiklik treening

5 ülesannet koos sõbraliku tagasisidega

Sinu treening · Ülesanne 1 / 5

Tere! 👋

Sa soojendad 2 kg vett nii, et selle temperatuur tõuseb 10°C võrra. Vee erisoojus on 4200. Mitu džauli (J) energiat selleks kulus?
J
12

Eksamisimulatsioon

Päris eksamiküsimused 2022 ja 2024 eksamitelt

Eksamiküsimus 1 / 22024 · Soojushulk ja keemine

2024. aasta eksam (ülesanne 5.1): Saunakerisele visati leili saamiseks 150 g (0,15 kg) vett algtemperatuuriga 75°C. Kui suur soojushulk džaulides (J) kulub vee soojenemiseks keemistemperatuurini (100°C)? Vee erisoojus on 4200 J/(kg·°C).

J