LUKU 3

1. Yleistä

Tee seuraavat tehtävät ja palauta teoriatehtävät LÄMPÖOPPI -palautuskansioon.

3. Lämpöoppi

- lämpöoppi (tilavuus, tiheys, lämpötila: lämpötila-asteikot, paine (hydrostaattinen paine, noste, paineen mittaus)

- lämpö on energiaa: lämpömäärä, energian muuttuminen, lämmön siirtyminen

- olosuhteiden vaikutus aineeseen: kiinteän aineen ja nesteen lämpölaajeneminen, kaasun tilanyhtälö, olomuodot ja niiden muutokset

3.1. Aineen eri olomuodot ja niiden muutokset

(Lähde: Fysiikan ja kemian oppikirjat esim. OTAVA: Fysiikan ja kemian fuusio matkailu-, ravitsemis- ja talousala s. 73 alkaen, WSOY: KEFY s. 165 alkaen)

 JOHDANTO: Seuraavissa tehtävissä tutustutaan aineen eri olomuotoihin ja niiden muutoksiin. Lisäksi käydään läpi, miten lämpötila muuttuu olomuotojen eri vaiheissa esim. mitä tapahtuu lämpötilalle kiehumisen aikana jne.

Aineella on kolme olomuotoa. Otetaan tästä esimerkiksi vesi: 1) vesi on kiinteää jäätä, silloin kun lämpötila on 0 astetta Celsiusta 2) vesi on normaalisti nesteenä esim. juotavissa ja 3) kun vettä kuumennetaan 100 Celsius-asteeseen, muuttuu osa siitä vähitellen kaasumaiseen muotoon vesihöyryksi.

OHJE: Vastaa seuraaviin tehtäviin käytännön esimerkkien avulla eli yritä löytää jokaiseen tehtävään vastaukseksi jokin käytännönläheinen esimerkki. Lähteenä voit käyttää erilaisia fysiikan oppikirjoja.

TEHTÄVÄ 1: Seuraavassa on erilaiset olomuotojen muutokset. Etsi niihin jokin esimerkki käytännöstä.

a)     sulaminen

b)     höyrystyminen

c)     tiivistyminen

d)     jähmettyminen

e)     sublimoituminen

f)       härmistyminen

TEHTÄVÄ 2: Mitkä asiat vaikuttavat aineen olomuotoon? Etsi vastauksia Internetistä ja kerro esimerkkien avulla, miten ne vaikuttavat?

TEHTÄVÄ 3: Etsi vastakohdat seuraaville olomuodon muutoksille sekä esimerkit niille

a)     jähmettyminen

b)     tiivistyminen

c)     härmistyminen

 TEHTÄVÄ 4: Olomuotojen muutoksissa tärkeitä ovat seuraavat käsitteet. Määrittele ne omin sanoin ja kerro jokaisesta yksi käytännön esimerkki:

a)     sulamispiste

b)     kiehumispiste

c)     amorfinen aine

d)     absoluuttinen nollapiste

TEHTÄVÄ 5: Kerro omin sanoin, miten olomuodon muutokset vaikuttavat lämpötilaan seuraavissa tilanteissa – muuttuuko lämpötila ja mihin suuntaan?

a)     jäätelön sulamisen aikana

b)     perunoiden kiehumisen aikana

c)     elintarvikkeiden jäätyminen pakastettaessa

d)     kasvihuoneessa olevan vesihöyryn tiivistyminen nesteeksi kasvihuonelasien sisäpinnalle

TEHTÄVÄ 6: Seuraavassa on muutamia teknisiä laitteita tai esineitä, joiden kirjaimet ovat menneet epähuomiossa väärään järjestykseen. Kaikkien seuraavien laitteiden käyttämisessä on olomuodon muutoksilla merkitystä. Laitteet ovat kaikki kotona normaaliarkena käytettäviä. Keksitkö sinä ne?

a)     äijä kappa

b)     tupa kera kaks

c)     arvan piti olo

d)     lakit ta

3.2. Kiinteän aineen ja nesteen lämpölaajeneminen, kaasun tilanyhtälö

(Lähde: Fysiikan oppikirjat TAMMI: (Lehto, Luoma, Havukainen, Leskinen) Fysiikka 2: Lämpö ja Aallot s. 56, WSOY Judith Hann, Tutki ja tee Sarja: Kiehtovat Luonnontieteet s. 50, laboratoriomittaukset Myllytullin laboratoriossa sekä KEFY s. 162, Lähde mittaustilanteen suunnitteluun: IS-VET Oy:n mittalaitteiden mukana toimittamat ohjeet.

JOHDANTO: Opiskelijatyössä koulumme laboratoriossa tutkittiin lämpölaajenemista yhtä aineen fysikaalisista ominaisuuksista.

Oli mahdollisuus tutkia erilaisten metalliputkien pituuden lämpölaajenemista tai miten erilaiset nesteet esim. vesi, sprii ja paloöljy käyttäytyvät, kun niitä lämmitetään. Päädyttiin jälkimmäiseen vaihtoehtoon, joiden tuloksia tarkastellaan tämän asiakirjan tehtävissä.

TEHTÄVÄ 1: Seuraavassa kaaviossa on esitetty eri nesteiden lämpölaajenemiskerroin, joka on laskettu Myllytullin yksikön laboratoriossa syksyllä 2007 mitattujen tulosten avulla. Tutustu kaavioon ja vastaa seuraavaan kysymykseen:

Mistä mahdolliset erot syntyvät, kun käytännön mittaustulokset eroavat taulukkoarvoista? (vasemmanpuoleiset pylväät ovat mittaustulosten perusteella laskettuja arvoja ja oikeanpuoleiset pylväät vuorostaan fysiikan taulukkoarvoja).

Kaavio 1. Nesteiden lämpölaajenemiskerroin on laskettu mittaustulosten perusteella (vasemmanpuoleiset pylväät) ja taulukkoarvot vastaaville nesteille on haettu välillä 0 ^oC - 100 ^oC (oikeanpuoleiset pylväät) (Taulukkoarvojen lähde: KEFY s. 162)
 

TEHTÄVÄ 2: Seuraavassa on kuvattu edellisen kaavion mittaustilanne sekä tarinaa aakkosrunojen muodossa. Lue ne kertaalleen läpi. Vastaa niiden perusteella, mistä mahdolliset virheet voivat syntyä nesteen lämpölaajenemismittauksissa. Mitkä siis selittäisivät eron siihen, että aivan taulukkoarvoja ei oppilaitoksen tuloksista saatu?

Mittaustilanne:

Fysiikan varastosta haettiin mittalaite, jolla voitiin mitata nesteiden lämpölaajenemista. Mittalaitteessa oli kolme lasiputkea, joissa oli eri nesteitä tilavuudeltaan samat määrät (oletus). Mitattiin huoneen lämpötila sekä nesteiden alapinnat merkittiin näkyviin. Keittolevyllä kuumennettiin vettä astiassa n. 50 – 70 asteeseen ja mittalaite laitettiin astiaan kyseisellä lämpötilavälillä. Mitattiin lämpötila vedestä, kun laite laitettiin veteen. Nestepatsaat nousivat muutaman minuutin ajan ja nesteiden loppupinnat eli kohoamisen loppupiste merkittiin näkyviin. Loppupisteen ja alkupisteen välinen erotus mitattiin. Laitteen valmistajan antamien ohjeiden mukaan mitattiin erotus millimetreinä sekä kerrottiin luvulla 0,007. Nesteiden lämpötilakertoimet määritettiin laskimella jakamalla tilavuuden muutos alkuperäisen tilavuuden ja lämpötilamuutoksen erotuksella.

Aakkosrunoja nesteiden lämpölaajenemisesta yleensä:

Nesteet:

Laajenevat lämpötilan

noustessa yleensä.

Lämpötilan noustessa,

kasvaa tilavuus yleensä.

Lämpölaajenemisessa

lämpötilavälin merkitys

nesteille on suuri.

Seuraavassa tietoa vedestä:

Celsius -asteina kasvatetaan

lämpötilaa

nollasta plusneljään

tilavuus pienenee.

Miksi näin?

Mittaaminen:

Merkitään tussilla.

Erotus millimetriviivaimella

mitattuna.

Alkupisteestä loppupisteeseen

mitataan tarkasti.

Käsin mittauksessa viivoitin

tarkka? jne.

TEHTÄVÄ 3: Veden lämpölaajeneminen on poikkeuksellista muihin nesteisiin verrattuna. Kerro omin sanoin lyhyesti, mitä tämä tarkoittaa?

TEHTÄVÄ 4: Lämpölaajeneminen poikkeaa toisistaan nesteillä, kiinteillä aineilla ja kaasuilla. Mitkä lauseet mielestäsi seuraavassa pitävät paikkansa?

a)     Lämpölaajeneminen riippuu kappaleen pituudesta, lämpötilasta ja siitä, mitä ainetta kappale on.

b)     Kiinteiden aineiden tilavuus, esim. villasta valmistettu tuote ja muovi, laajenee lämmetessään huomattavasti enemmän kuin nesteet.

c)     Metalleilla pituuden lämpölaajeneminen on voimakasta.

d)     Kaasujen lämpölaajeneminen on erittäin voimakasta.

TEHTÄVÄ 5: Lämpölaajeneminen on huomioitava monissa käytännön tilanteissa. Se ei ole aina hyvä asia. Seuraavassa tehtävässä on annettu jokin sana tai tilanne. Kirjoita niistä yksi lause omin sanoin lämpölaajenemiseen liittyen.

Rautatie

Lasinen metallikansi punajuuripurkissa

Vesijohtoputkien sulaminen

Grillimakkara takassa

Johdot korkeajännitelinjoissa

Tyhjä paistinpannu kuumalla liedellä

Bensiinin tankkaaminen autoon kesällä

Leivinjauhe ja leivonnaiset

Muuripata kesämökin saunassa ja valmistautuminen talveen

TEHTÄVÄ 6: Aineella on useita fysikaalisia ominaisuuksia, joista lämpölaajeneminen esitettiin aiemmin. Kirjoita tähän tehtävään 3 muuta aineen fysikaalista ominaisuutta ja kirjoita käytännön esimerkki jokaisesta.

Apuna voit käyttää asiasanojen hakuun Helsingin yliopiston kirjaston VESA -verkkosanastoa ja sieltä löydät parhaiten oikeat hakusanat. (eli millä sanalla tietoa parhaiten löytäisi)

TEHTÄVÄ 7: Olet onnistuneesti saanut suoritettua autokoulun ja saat ajokortin, joka antaa oikeuden ajaa henkilöautoa. Tutustut syksyn ensimmäisten pakkasten yllättäessä läheisen huoltoaseman pisteeseen, jossa sinä laitat auton renkaisiin auton ohjekirjan suosittaman ilmanpainemäärän. Pakkasta on noin 2 astetta Celsiusta. Eletään marraskuun alkua ja ajelet tyytyväisenä seuraavat kaksi kuukautta. Helmikuussa pakkanen kiristyy ja aamulla mittari keittiön ikkunan ulkopuolella näyttää, että pakkasta onkin jo 25 astetta. Lähdet ajelemaan kouluun tyytyväisenä ja huomaat, että auto ei käyttäydykään moottoritien kiihdytysrampissa kuten aiemmin.

Auto tuntuu veltolta maata vasten. Missähän on syy? Ikään kuin renkaissa ei olisikaan ilmaa. Ajat lähimmälle huoltoasemalle tarkistaaksesi renkaiden ilmanpaineet.

a)     Mitä havaitset? Ovatko ilmanpaineet renkaissa samat kuin syksyllä 2 asteen pakkasessa?

b)     Mistä johtuu mahdollinen muutos?

c)     Mitä tästä tilanteesta voisi oppia? Kerro se vinkiksi muillekin lyhyesti.

TEHTÄVÄ 8: Tehtävän 7 kaltainen tilanne noudattaa kaasun tilanyhtälöä. Etsi kirjallisuudesta kaasun tilanyhtälö sekä jokin toinen käytännön esimerkki tästä asiasta. Miten esimerkiksi polkupyöräilijän ja pumpun suhde toimii vastaavassa tilanteessa?

LOPUKSI EKSTRATARINA - TUTUSTU SIIHEN HUOLELLISESTI

Lisäksi kaasujen käyttäytymiseen pientä ekstraa lainattuna putki- ja ilmastointialan ammattilaisilta, jotka jokainen vesikiertoisen lämmitysjärjestelmän omaava henkilö, voi joutua kutsumaan kotiinsa joskus, kun patterit eivät oikein lämpene tai jokin vuoto siellä varmasti on.

Tässä esimerkkinä opiskelija, joka asui kerrostalossa ja patteriventtiili oli mennyt rikki. Lattialle oli ilmestynyt patterin viereen yhden yön aikana vesilätäkkö, paikkaan, jossa sitä ei vielä edellisenä iltana ollut. Hän otti yhteyttä isännöitsijään heti ja pian tulivat kaupungin parhaat putkimiehet. Lämmönjakohuoneessa he olivat jo pysäyttäneet kiertovesipumpun sekä laskeneet verkostosta paineen pois. Hiilidioksidipullo kulki heillä sutjakasti olalla. Patteriventtiilin vaihto aloitettiin heti. Vuoto oli saatava loppumaan.

Koko lämmitysjärjestelmän tyhjentäminen vedestä ei käynyt päinsä, selitettiin, koska pakkastakin oli riittävästi. Putkimiehet käyttivät apuna kaasun ominaisuuksia työssään seuraavasti: heillä oli mukana hiilidioksidikaasupullo, jossa oli letku ja letkun päässä ”sukka vahvaa kangasta”. Putkimies kietoi sukan patteriputken ympärille lähelle vuotavaa venttiiliä.

Kaasupullon venttiili avattiin ja hiilidioksidia alkoi virrata putken ympärille kiedottuun ”sukkaan”, muodostaen ikään kuin ”pelastusrenkaan” putken ympärille. Laajetessaan kaasu jäähtyi ja alkoi muodostua hiilihappojäätä putken ympärille, joka jäädytti putken sisällä olevan veden. Siis hiilidioksidin annettiin vaikuttaa n. 20 – 30 min ja putken sisälle muodostui jäätulppa, jonka jälkeen patteri voitiin irrottaa liitoksistaan sekä vaihtaa uudet venttiilit ja kiristää patteri jälleen paikoilleen. Lopuksi putkimiehet poistivat laittamansa laitteet sekä suorittivat patterin ilmauksen. Aikaa tämä työ vei kokonaisuudessaan noin 1,5 tuntia ja opiskelija jatkoi tyytyväisenä tenttikirjojen lukemista lämpimässä huoneistossa.

Mitä tästä voisi oppia? Kun kaasu tulee korkeammasta paineesta ilmanpaineeseen, se jäähtyy laajetessaan ja paineen laskiessa. Toisaalta kaikkea ei tarvitsekaan tehdä itse ja ammattilaisilla on näistä asioista paras tieto. He eivät esimerkiksi lähteneet tyhjentämään vettä koko talon patteriverkostosta. Tässä säästyi aikaa sekä muiden asukkaiden huoneistot saatiin pidettyä lämpimänä koko korjausten ajan.

3.3. Lämpö on energiaa: lämpömäärä, energian muuttuminen sekä lämmön siirtyminen

Lähde: Käytännön mittaustulokset tammikuu 2008 sekä fysiikan oppikirjat esim. Delta Tekniikan fysiikka ja kemia s. 93 – 108 jne.

LÄMPÖ ON ENERGIAA SEKÄ ASIAA LÄMPÖMÄÄRÄSTÄ

JOHDANTO: Suorasähkölämmitteisessä rivitalossa, jokaisessa uudessa rivitaloasunnossa, jotka otetaan ensimmäistä kertaa käyttöön, varataan lämpöä noin 300 litran lämminvesivaraajaan lämmintä käyttövettä varten. Varaajan lämpötila on noin 80 astetta.  Varaajalle vesi tulee noin 7-asteisena.

a)     Kuinka paljon energiaa tarvitaan veden lämmittämiseen 7 asteen lämpötilasta 80 asteeseen?

(HUOM! Myöhemmin tätä energiamäärää ei enää samalla tavalla tarvita, koska lämpötila ei enää laske 7 asteeseen. Tehtävässä tarvittava energiamäärä esiintyy vain silloin, kun varaaja rikkoutuu ja joudutaan vaihtamaan.)

Yhden vesilitran (eli yhden kilon vettä) lämmittäminen yhden Celsius -asteen verran vaatii energiaa 4,2 kJ eli 4200 Joulea. Tätä ominaisuutta kutsutaan veden ominaislämpökapasiteetiksi.

Rivitaloasunnon vesimäärän lämmittämiseen tarvitaan energiaa nyt yhteensä

4,2 kJ/kg^oC  *300 kg *(80-7) ^oC  = 91 980 kJ

(Kaavassa: veden ominaislämpökapasiteetti * veden massa * lämpötilaero = energiamäärä

c*m*∆T=Q, missä ∆ = muutos)

b)     Kuinka kauan tarvitsee lämmittää tällaista varaajaa, jos käytettävissä on 3 kW:n vastus?

Teho ilmoitetaan kilowatteina vastuksessa. Teho on fysiikassa työ aikayksikköä kohti.

Työn yksikkö on sama kuin energian yksikkö eli Joule.

Koska teho= työ/aika

niin työ = teho*aika   (siten työn yksikkö = tehon yksikkö * aika, siten J=W*s)

     ja energiamäärä 91 980 kJ = 91 980 kWs = 25,55 kWh.

Nyt aika voidaan laskea ja saadaan

aika = työ/teho= 25,55kWh/3kw =8,52 h eli noin 8,5 h.

TEHTÄVÄ 1: Johdannossa on laskettu lämmitykseen tarvittava energiamäärä eli lämpömäärä 91 980 J.

Luettele ne asiat, vaikuttivat tämän suuruuteen?

TEHTÄVÄ 2: Johdannossa on myös esitetty fysiikan käsitteitä ja niistä n. 15 sanaa on koottu seuraavaan sanalaatikkoon.  Etsi sanat sekä etsi niille käytännönläheinen selitys tai esimerkki fysiikan oppikirjoista tai Internetistä tämän tehtävän vastaukseksi.

LÄMPÖENERGIAN MUUTTUMINEN 

TEHTÄVÄ 3: Energiamuodonmuutoksissa kokonaisenergia maapallolla säilyy. Energia muuttuu vain muodosta toiseen.

Kerro esimerkkejä tilanteista arkielämässä, joissa tapahtuu seuraavia energian muutoksia:

a)        sähköenergia -> lämpöenergiaksi

b)        kemiallinen energia -> lämpöenergiaksi

c)        lämpöenergia -> kemialliseksi energiaksi     

d)        mekaaninen energia -> lämpöenergiaksi                                                                                                                       

LÄMPÖENERGIAN SÄILYMINEN

TEHTÄVÄ 4: Lämpöenergian säilymisestä kertoo johdannossa käytetty ominaislämpökapasiteetti. Se on kullekin aineelle ominainen ja kertoo siitä, millainen on kunkin aineen kyky sitoa energiaa itseensä.

Veden ominaislämpökapasiteetti on suurempi kuin esimerkiksi metallien kuten raudan ja siten rauta lämpenee nopeammin kuin vesi, toisaalta se jäähtyy myös huomattavasti nopeammin.

Etsi seuraavien aineiden ominaislämpökapasiteettien arvot

a)     voi

b)     muovi

c)     rauta

d)     alumiini

e)     liha

TEHTÄVÄ 5: Vastaa tehtävässä 4 etsittyjen ominaislämpökapasiteettien ja tietojen perusteella seuraaviin kysymyksiin:

a)     mihin perustuu se, että voit mennä uimaan luonnonvesiin vielä syksyllä ilmojen jäähdyttyä, ja silti vesi ei tunnu kovin viilenneeltä?

b)     mitä ehdottaisit, miksi alakoulussa urheilupäivänä hiihtokilpailun jälkeen tarjottiin maaliin tuleville hernekeittoa sekä kaakaota, molemmat tosi nestemäisiä vaihtoehtoja?

c)     kumpi lämpenee nopeammin kalamureke vai kalakeitto?

d)     kumpi jäähtyy hitaammin kalamureke vai kalakeitto?

TEHTÄVÄ 6: Lämpötilaerot pyrkivät tasaantumaan. Kun pakkasella kotona jää ovi raolleen, tulee heti vedon tunne sisällä olijoille ja joku on sanonut, että ”lämpö menee ikään kuin harakoille”. Ovi pyydetään välittömästi sulkemaan.

Voitko päätellä tehtävän 6 perusteella, kumpaan suuntaan lämpö yleensä siirtyy, meneekö se kylmemmästä lämpimämpään vai toisinpäin? Perustele vastauksesi.

TEHTÄVÄ 7: Kuumemman kappaleen luovuttama lämpömäärä on yhtä suuri kuin kylmemmän vastaanottama. Käytännössä tämä näkyy siten, että jos pannaan kahteen astiaan erilämpöistä vettä saman verran ja yhdistetään näiden astioiden vesimäärä toisiinsa sekä mitataan lämpötila, saadaan sama lämpötila kuin aikaisempien lämpötilojen keskiarvo.

Vastaa edellisen perusteella seuraaviin

a) Laitetaan sankoon vettä 10 litraa (4-asteista) ja toiseen sankoon vettä 10 litraa (100

-asteista).  Astiat yhdistetään ja tuloksena on 20 litraa _____________ asteista vettä

b) Laitetaan astiaan 1 litra 30-asteista vettä ja 2 litraa 60-asteista vettä.  Paljonko on sekoituksen lämpötila?

LÄMMÖN SIIRTYMINEN

 JOHDANTOTEHTÄVÄ: Etsi termodynamiikan pääsäännöt ja tutustu niihin.

TEHTÄVÄ 8. Lämpöenergiaa siirtyy kolmella eri tavalla a) johtumalla b) säteilemällä ja c) kulkeutumalla. Kerro yksi käytännön esimerkki jokaisesta.

TEHTÄVÄ 9. Lämmön siirtymistavat eivät ole erillisiä vaan usein nämä kaikki tapahtuvat yhtä aikaa. Mitkä lämmönsiirtymistavat mielestäsi esiintyvät seuraavissa tilanteissa?

a)     kahvin juominen lasista polttaa huulia

b)     kattila lämpimällä liedellä

c)     lämpöpatteri seinässä

d)     Toppilan lämpövoimala tuottaa kaukolämpöä

e)     talven räntäsateessa kastuneet vaatteet tuovat mukanaan flunssan

f)       ihmisen verenkierto

3.4. Lämpötila-asteikot ja esimerkit käytännössä

(Lähteinä on käytetty erilaisia keittokirjoja, ravitsemusalan julkaisuja sekä Internetiä esim. OTAVA: -Hämäläinen – Isotalo – Kojo – Mäkinen: Kotitalouden perustaidot erilaiset ruokaohjeet sekä Gummerus: Sandquist-Bolin: UUSI KEITTOKIRJA, Lihateollisuuden tutkimuskeskuksen tuottamaa julkaisua Purtavaa puhtaaksi http://www.edu.fi/oppimateriaalit/purtavaapuhtaasti/lampotilataulukko.htm )

TEHTÄVÄ1: Tutustu seuraavaan taulukkoon ja siinä oleviin esimerkkeihin ensin. Varsinaiset tehtävät ovat tätä taulukkoa seuraavilla sivuilla.

TEHTÄVÄ 2. Seuraavassa on lämpötilaväitteitä poimittuna edellisen taulukon tuloksista. Mitkä  väitteistä ovat mielestäsi oikein, jätä ne ennalleen. Korjaa oikeaksi ne väitteet, jotka mielestäsi ovat virheellisiä.

Mitkä seuraavista väitteistä ovat mielestäsi oikein, alleviivaa ne.

1.      Suositeltava löylyn lämpötila on 100 astetta Celsiusta.

2.      Keittiöpyyhe täytyy pestä yli 60 Celsius -asteen lämpötilassa.

3.      Mikrobit lisääntyvät eniten silloin, kun lämpötila on 20 – 60 astetta Celsiusta.

4.      Vesi kiehuu Fahrenheit -asteikolla silloin, kun lämpötila on 32 astetta Fahrenheitia.

5.      Kelvin -asteikolla lämpötila 0 astetta tarkoittaa absoluuttista nollapistettä.

6.      Maidon bakteerit ja itiöt kuolevat pastöroinnin aikana, kun Fahrenheit -mittari näyttää 284 astetta.

 TEHTÄVÄ 3. Lämpötilan muuttaminen asteikosta toiseen:

a)     Kakku on paistettava 450 Kelvin -asteessa. Lasketaan, mitä se on Celsius -asteina:

450 K – 273 = ____________^oC eli Celsiusasteina

b)     Piirakkaa tehtäessä pyydetään säätämään loppuvaiheessa uuni Fahrenheit -asteikolla 430 asteeseen. Lasketaan, mitä se on Celsius-asteina

(430 F - 32) * 5/9= ____________ ^oC eli Celsiusasteina

c)     Sinulla oli kuumetta 38,2 Celsius -astetta. Lasketaan, mitä se oli Kelvin ja Fahrenheit –asteikolla:

38,2^oC+273 = _____________ K eli Kelvin -asteina

(9/5*38,2)+32=_____________ F eli Fahrenheiteina

3.5. Paine ja hydrostaattinen paine -tehtävät

(Lähde: Fysiikan oppikirjat TAMMI: Fysiikka2 Lämpö ja aallot s. 63, OTAVA: Fysiikan ja kemian fuusio matkailu-, ravitsemis- ja talousala s. 80 – 86, OTAVA Fysiikan maailma Lukion kurssit 1 – 3 s. 157 – 161 jne.)

Johdanto: Tässä tehtäväpaketissa tutustutaan paineeseen sekä hydrostaattiseen paineeseen käytännön mittaustuloksiin perustuen. Osa tehtävistä voi tuntua aluksi haasteellisilta, mutta niihin voi tarvittaessa pyytää ohjeistusta lisää.

KAASUT SEKÄ PAINEASIAA

Johdanto: Seuraavat mittaustulokset kaasun paineesta ja tilavuudesta mitattiin Oulun seudun ammattiopistossa, syksyllä 2007, fysiikan oppitunnilla ns. Boylen lain kojeen avulla. (Nimitys kojeelle tulee englantilaiset Robert Boylen (1627 – 1691) mukaan. Hän tutki ensimmäisenä kaasun paineen ja tilavuuden välistä riippuvuutta vakiolämpötilassa).

Kaasun tilavuutta lähdettiin muuttamaan pienemmäksi tasaisin muutoksin ja paineen muutosta seurattiin.

Työn tulokset taulukoitiin ja seuraavassa taulukossa on kuvattu eräät tulokset.  Mittaukset suoritettiin useaan kertaan ja tässä on yhdet vertailuarvot:

Taulukko 1. Mittaustulokset

Kuvaaja 1. Mittaustulokset (V,p) –kuvaajana, jossa vaaka-akselille on kuvattu tilavuus kuutiosenttimetreinä (cm³) ja pystyakselille on kuvattu paine kilopascaleina (kPa).

Taulukko 2. Mittaustulokset, jossa on esitetty myös 1/V.

Kuvaaja 2. Mittaustulokset (1/V,p) -kuvaajana, jossa vaaka-akselille on kuvattu 1/tilavuus (1/cm³) ja pystyakselille on kuvattu paine kilopascaleina (kPa). Nyt kuvaajasta muodostuu suora.

TEHTÄVÄ 1: Tutki taulukkoa sekä mittaustuloksista laadittuja kuvaajia. Vastaa niiden perusteella seuraaviin kysymyksiin:

a)     Miten käy paineen p, kun tilavuus V pienenee  (kuvaaja1 sekä taulukko1)?

b)     Kuvaajasta 2 nähdään, että pisteet muodostavat suoran. Boyle tutki vakiolämpötilassa kaasujen käyttäytymistä. Tästä kuvasta voidaan päätellä seuraava kaava ns. Boylen laki:  p*V= vakio, kun lämpötila pidetään vakiona.

Ovatko suureet p =paine ja V= tilavuus suoraan vai kääntäen verrannollisia?

TEHTÄVÄ 2: Vastaa seuraaviin kysymyksiin omin sanoin. Voit etsiä vastauksia esim. Internetistä ja fysiikan oppikirjoista

a)     mikä on ns. sukeltajan tauti ja miten se liittyy paineeseen?

b)     kerro omin sanoin jokin käytännön esimerkki hydrostaattisen paineen ilmenemisestä vedessä?

TEHTÄVÄ 3: Hydrostaattinen paine baareina (bar) tietyllä syvyydellä vedessä esim. 4 metrin syvyydellä, saadaan laskettua siten, että jaetaan syvyyden metriluku luvulla 10. Laske, mikä on hydrostaattinen paine, jos veden syvyys on

a)     10 m                                             

b)     15 m

c)      40 m

d)     90 m

Kokonaispaine noilla syvyyksillä saataisiin lisäämällä hydrostaattiseen paineeseen ilmakehän paine 1 bar (eli 10 metrin vesikerroksesta aiheutuva paine. 100 000 Pa = 1 bar)

TEHTÄVÄ 4: Seuraavassa on muutamia kysymyksiä liittyen hydrostaattiseen paineeseen sekä edellisiin tehtäviin. Vastauksia voit hakea Internetistä sekä fysiikan oppikirjoista. Suoria vastauksia ei välttämättä löydy.

a)     Mitä voit päätellä veden paineesta ja syvyydestä edellisen tehtävän perusteella. Miten ne riippuvat toisistaan?

b)     Miten hydrostaattinen paine on huomioitava sukellettaessa esim. ns. syvissä vesissä? Millaisia turvavarusteita sukeltaja tarvitsee?

c)      Mitkä asiat vaikuttavat hydrostaattisen paineen suuruuteen?

d)     Kuinka syvälle ihminen voi sukeltaa ilman apulaitteita?

 TEHTÄVÄ 5: Vastaa lyhyesti seuraaviin kysymyksiin

a)     mitä paineen yksiköitä on olemassa?

b)     määrittele käytännön esimerkin avulla 1 Pascalin paine

c)      mitä paineella tarkoitetaan?

TEHTÄVÄ 6: Seuraavaan tehtävään on annettu erilaisia tapahtumia, joissa paine esiintyy.  

Lepoasennossa makaaminen, seisominen paikallaan, käveleminen töiden välillä ammattityössä koulussa, käveleminen korkokengillä nurmikolla, lumikengät apuna pettävässä hangessa, korkealla vuoristossa oleminen, palaaminen alas vuorilta, jäällä ryömiminen, jäällä käveleminen, sukeltaminen syvissä vesissä, sukeltaminen matalammissa vesissä, verenpaine, autonrenkaiden paine jne.

Kirjoita niistä runo, jossa on viisi riviä, jotka kaikki alkavat samalla tavalla: Kytke asiat seuraavaan runomuotoon.

Painetta voidaan pienentää, kun…

Painetta voidaan pienentää, kun…

Painetta voidaan pienentää, kun…

Painetta voidaan pienentää, kun…

Painetta voidaan pienentää, kun…

TEHTÄVÄ 7: Kerro esimerkkejä käytännön elämästä, missä kaikessa paine esiintyy esim. missä mittalaitteissa, välineissä joita käytät päivittäin jne.? (n. 5 kpl riittää)

3.6. Tilavuus, tiheys ja noste

Lähteenä: Käytännön mittaustulokset sekä erilaiset fysiikan oppikirjat KEFY s. 138 – 140, WSOY (Kärnä, Leskinen, Montonen, Repo) LUMO fysiikan ja kemian käsikirja s. 98)

TIHEYS, MASSA JA TILAVUUS

JOHDANTO: Tiheyden mittaamisesta suoraan laitteesta lukemalla voisi olla esimerkkinä auton jäähdytysnesteen pakkaskestävyyden mittaaminen areometrilla (glykoli-vesi -seoksen pakkaskestävyys on parhaimmillaan, jos se on 50 %). Lukeman näkee suoraan laitteen kyljestä.

Kuva 1: Areometri -esimerkki esim. auton jäähdytysnesteen pakkaskestävyyden mittaamiseen

VEDEN TIHEYS -MITTAUS

Oppilaitoksen laboratoriossa mitattiin hiukan toisennäköisellä areometrilla veden sekä suolaisen veden tiheys ja lukema saatiin suoraan laitteen kyljestä.

Veden tiheydeksi saatiin 1 kg/dm³. Veteen lisättiin suolaa ja luettiin sen jälkeen uudelleen lukema ja nyt tiheyden arvoksi saatiin suurempi luku n. 1,020 kg/ dm³.    Areometri (ns. uppovaaka) ui sitä syvemmällä, mitä pienempi oli nesteen tiheys. Kokeesta voitiin päätellä, että suolaliuos oli tiheämpi kuin puhdas vesi.

Kuva 2: Areometri, joka oli käytössä oppilaitoksen laboratoriomittauksissa.

Yksinkertaisimmillaan veden tiheyden määrittäminen olisi onnistunut myös ilman areometria esim. seuraavasti: punnitaan tarkkaan esim. 1 litra vettä ja lasketaan tiheys kaavasta tiheys = massa/tilavuus.

Mittausten tarkkuutta voi parantaa ottamalla vettä käyttäen erilaisia mitta-astioita esim. 10 ml, 15 ml, 20 ml, 100 ml, 1000ml:n astioita. Lasketaan siten tiheys erikseen noille kaikille sekä ottamalla keskiarvo saaduista luvuista. Fysiikassa pyritään mittaustulosten tarkkuuteen ja siksi toistetaan kokeita useaan kertaan.

TEHTÄVÄ 1: Selvitä kirjallisuudesta tai Internetistä esimerkkitilanne seuraavilta ammattialoilta, missä käytännön tilanteessa areometri on käytössä tiheyden mittaamiseen?

a)     elintarvike- ja ravitsemusalalla

b)     sähköalalla

TEHTÄVÄ 2: Selvitä kirjallisuudesta, mistä asioita tiheys riippuu? Kirjoita se lyhyesti tähän.

TEHTÄVÄ 3: Tiheyden eli kappaleen tai aineen tiiviyden määrittäminen voidaan tehdä myös esimerkiksi pyknometrin avulla. Kuvaile tähän, missä pyknometria käytetään?

TEHTÄVÄ 4: Hei kirjoita tähän asioita, joissa aineen tiheydestä voi olla hyötyä käytännön arkielämässä tai esim. luonnossa.

TEHTÄVÄ 5: Kerro omin sanoin lyhyesti, miten määrittäisit seuraavien asioiden tiheyden

a)     sokeripala

b)     epäsäännöllisen muotoinen kivi

c)     pyöreä keksi

d)     ruokaöljy

e)     kultasormus

MASSA JA  TILAVUUS -TEHTÄVIÄ

JOHDANTO: Arkikielessä puhumme usein painosta, kun tarkoitamme massaa. Massa on se, mitä vaaka näyttää kilogrammoina tms. Paino on puolestaan voima Newtoneina, millä maa vetää puoleensa kappaletta. Paino riippuu mittauspaikasta, mutta massa ei.

TEHTÄVÄ 6: Luettele massan yksiköitä, joita tiedät olevan olemassa ja esimerkkejä niistä tilanteista, jolloin kyseinen yksikkö olisi hyvä käytössä.

TEHTÄVÄ 7: Erilaisia massoja varten on erilaisia vaakoja. Luettele tähän tehtävään mahdollisimman monta erilaista vaakaa sekä kerro niiden käyttötarkoitus.

TEHTÄVÄ 8: Massan määrittäminen kiinteille aineille on tarkempaa kuin tilavuuden. Nesteille taas tilavuuden määrittäminen on helpompaa. Miksi punnitsemalla saatetaan saada kuitenkin usein tarkempia tuloksia esim. elintarvikkeiden annostelussa?

TEHTÄVÄ 9: Luettele tilavuuden yksiköitä, joita tiedät olevan olemassa ja esimerkkejä niistä tilanteista, jolloin kyseinen yksikkö olisi hyvä käytössä.

NOSTE -TEHTÄVÄT

JOHDANTO: Olet varmaan huomannut, että vedessä tavaroiden kannatteleminen on kevyempää kuin ilmassa. Tämä johtuu nosteesta eli painonmenetyksestä.

Mitä tiheämmässä nesteessä nostat tavaroita, sitä suurempi hydrostaattinen paine kohdistuu tavaroiden pohjaan kuin yläpintaan. Siten tavaroiden kannattelu tuntuu yhä helpommalta.  

Nostetta hyödynnetään muotoilemalla tiheämpiäkin kappaleita siten, että ne syrjäyttävät painoaan vastaavan vesimäärän ja lisäävät siten veden nostetta. Kokeile tätä esim. muotoilemalla savesta pallo tai veneenmallinen esine, kumpi kelluu paremmin?

TEHTÄVÄ 10. Noste määritellään ns. Arkhimedeen lain mukaan. Etsi laki esim. fysiikan oppikirjoista tai Internetistä ja kirjoita se tähän. Etsi myös jokin käytännön esimerkkitilanne nosteeseen liittyen.

NOSTE -TEHTÄVÄT

JOHDANTO: Olet varmaan huomannut, että vedessä tavaroiden kannatteleminen on kevyempää kuin ilmassa. Tämä johtuu nosteesta eli painonmenetyksestä.

Mitä tiheämmässä nesteessä nostat tavaroita, sitä suurempi hydrostaattinen paine kohdistuu tavaroiden pohjaan kuin yläpintaan. Siten tavaroiden kannattelu tuntuu yhä helpommalta.  

Nostetta hyödynnetään muotoilemalla tiheämpiäkin kappaleita siten, että ne syrjäyttävät painoaan vastaavan vesimäärän ja lisäävät siten veden nostetta. Kokeile tätä esim. muotoilemalla savesta pallo tai veneenmallinen esine, kumpi kelluu paremmin?

TEHTÄVÄ 10. Noste määritellään ns. Arkhimedeen lain mukaan. Etsi laki esim. fysiikan oppikirjoista tai Internetistä ja kirjoita se tähän. Etsi myös jokin käytännön esimerkkitilanne nosteeseen liittyen.

NOSTE -LASKUESIMERKKI JA KÄYTÄNNÖN TEHTÄVÄ VOISI OLLA SEURAAVA

Tehtävä voisi olla esim. seuraava:

Kappaleen massa on 0,3 kg ja tilavuus on 0,1 dm³.

Kappale upotetaan jousivaa´an avulla veteen. Mikä on jousivaa´an lukema tuossa tilanteessa?

Lasketaan ensin

Noste F = r * V * g

(eli nostevoima =veden (nesteen) tiheys*tilavuus*maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys)

F=1,0kg/m³*0,1dm³*9,81 m/s²=0,98N (nostevoima ylöspäin)

Lasketaan sitten seuraavaksi painovoima eli millä voimalla maa vetää puoleensa kappaletta:

G=m*g=0,3 kg * 9,81 m/s²=2,94 N (tämä on voima, jolla maa vetää kappaletta alaspäin)

Jousivaa´an lukema saadaan, kun vähennetään painovoimasta nostevoima eli

2,94 N - 0,98 N = 1,96 N

(Tehtävää voit kokeilla käytännössä siten, että otat jonkin esineen, punnitset vaa ´alla sen massan ja säännöllisestä esim. kuutionmuotoisesta kappaleesta on tilavuuden laskeminen helpompaa. Ja etenet esimerkin mukaan.)

TEHTÄVÄ 11. Edellä olevassa esimerkissä on annettu kaava nosteen laskemiseksi. Tuossa kaavassa on myös muita fysikaalisia suureita esim. tilavuus, tiheys ja maan vetovoiman aiheuttama kiihtyvyys.

Laske seuraava tehtävä edellisen esimerkin avulla.

Kappaleen tilavuus on 0,4 dm³ ja noste on 2,0 N. Laske sen nesteen tiheys, johon kappale on upotettu yhden desimaalin tarkkuudella.

TEHTÄVÄ 12. Vastaa seuraaviin kysymyksiin lyhyesti omin sanoin

        a)     Miksi laivojen lastia kevennetään tultaessa makean veden alueelle suolaisemmista vesistä?

        b)     Miksi uimataito on tarpeen? Pohdi asiaa oman tiheytesi ja veden tiheyden kannalta.

        c)     Millaiset esineet kelluvat veden pinnalla? Miten kappaleen tiheys vaikuttaa kappaleen kellumiseen?