TERMODÜNAAMIKA

 

Termodünaamika uurib soojusnähtusi, soojusvoogude liikumist ja energia üleminekuid ühest vormist teise.

 

Termodünaamika-alased uurimustööd algasid 19. sajandil. Teadlased kasutasid katsete tulemusi, et tuletada seadusi, mis kirjeldavad, kuidas toimivad maailmas soojus ja energia. Need seadused aitavad inseneridel täiustada selliste masinate konstruktsioone nagu näiteks aurumasinad, mis muudavad kütustes lõksus oleva keemilise energia soojusenergiaks ja edasi mehhaaniliseks energiaks. Aja möödudes mõistsid teadlased, et need samad termodünaamika seadused on rakendatavad kõikjal, alates töötavatest diiselmootoritest kuni bioloogiliste protsessideni elusorganismides.

 

ESIMENE SEADUS

Termodünaamika esimene seadus väidab, et energia ei saa tekkida ega hävida. Üks järeldus sellest seadusest on, et energiahulk, mis voolab mingisse seadmesse, võrdub energiahulgaga, mis seadmest välja voolab. Võtame näiteks elektrilambi. Energia voolab elektrilampi elektri kujul. Kui elektrivool läheb läbi lambi, annab lamp soojust ja valgust, ning koguenergia, mille lamp soojuse ja valgusena välja annab, on võrdeline selle elektrienergia hulgaga, mida lamp ära tarvitab. Teiste sõnadega, energiahulk ei muutu, kui lamp põleb – energia lihtsalt muutub ühest liigist teise.

 

TEINE SEADUS

Termodünaamika teine seadus väidab, et kõigis looduslikes protsessides entroopia kasvab. Entroopia on Universumi korrapäratuse määr. Teise seaduse üks järeldus on, et soojus liigub kuumemast kohast külmemasse kohta. Kuuma objekti kogunenud soojus levib laiali väljapoole ja on vähem korrapärane, sel viisil see protsess suurendabki entroopiat. Soojus ei levi iseenesest külmast kohast kuuma kohta.

Entroopia mängib osa ka keemilistes reaktsioonides. Paljud reaktsioonid suurendavad entroopiat, muutes keemilise energia soojuseks, mis kandub ümbruskonda laiali. Mõnede reaktsioonide korral vabanevad gaasid, mis on vedelikest või tahketest kehadest vähem korrapärased.

 

KOLMAS SEADUS

Termodünaamika kolmas seadus ütleb, et on olemas minimaalne temperatuur, mida nimetatakse absoluutseks nulliks. Sellel temperatuuril on ainel minimaalne võimalik soojusenergia ja ta ei saa muutuda külmemaks.

Absoluutse nullini on võimatu jõuda, sest iga objekt neelaks absoluutse nullini jõudes otsekohe soojust teda ümbritsevatelt objektidelt. Sellest hoolimata näitavad arvutused, et absoluutne null on –273,15 kraadi Celsiuse skaala järgi. Paljud termodünaamika arvutused kasutavad temperatuure termodünaamilises skaalas, mis seab absoluutseks nulliks 0 K (null Kelvinit). Valemid, mis kirjeldavad gaaside omadusi, on termodünaamiliste temperatuuride kasutamise näiteks. Konstantsel rõhul muutub gaasi ruumala võrdeliselt tema temperatuuriga arvatuna absoluutsest nullist. Samuti, kui gaasi hoitakse fikseeritud ruumala juures, siis selle surve kasvab võrdeliselt tema termodünaamilise temperatuuriga.

 

TÖÖ JA ENERGIA

Kütteained nagu bensiin ja diiselkütus kutsutakse kõrgekvaliteetseteks energiaallikateks. Nad kannavad seda nime sellepärast, et väike kogus kütteainet sisaldab suure hulga kasulikku keemilist energiat. Kui autojuht sõidab autoga mööda võidusõiduringrada ja saabub täpselt samasse kohta, siis kütuse põlemisel vabanenud kogu keemiline energia on muutunud soojuseks. Mootor raiskab üle 70% kütuse energiast radiaatorist ja väljalasketorust hajuva soojusena. Kui auto kihutab mööda teed, siis muudab hõõrdumine kineetilise energia soojuseks, mis soojendab õhku ja rattarehve. Pidurid muudavad kineetilise energia soojusenergiaks. Reisi lõpuks on kogu kütuseenergia ümbruskonda kandunud ja maailma tühiselt soojendanud. Seda soojusenergiat nimetatakse madalaastmeliseks energiaks, kuna see hajub laiali ja ei saa teha kasulikku tööd.

 

KASUTEGUR

Masina kasutegur on kasuliku töö ja selle saamiseks kulutatud energia suhe. Automootoris kulutatav energia on näiteks kütuse poolt vabastatud keemiline energia, ja mootori kasulik töö on kineetiline energia, mis ajab ringi autorattaid.

Termodünaamika arvutused näitavad, et sisepõlemismootori maksimaalne kasutegur ei saa olla suurem kui 40 %. Elektrimootorid on palju suurema kasuteguriga: mõned muudavad rohkem kui 90 % sissetulevast elektrienergiast tööks. Kuid siiski ei muutu rohkem kui 45 % fossiilsetest  kütustest või tuumajaamadest saadud soojusest elektrienergiaks.

       Anders Celsius

 

1742.aastal võttis rootsi astronoom Anders Celsius (1702-1744) kasutusele temperatuuriskaala, kus jää sulab 0º juures ja vesi keeb 100º juures.

 

KASUTATUD KIRJANDUS

*Õpilase teadusentsüklopeedia

*D. Kindersley “Illustreeritud lasteentsüklopeedia”

*www.astro.uu.se/ history/Celsius_eng.html