Lämpö

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Tulikuuma rautatanko säteilee lämmön lisäksi näkyvää valoa.

Lämpö fysikaalisena käsitteenä merkitsee lämpötilaerosta johtuvaa energian siirtymistä kappaleesta toiseen.[1] Lämpöliikkeellä tarkoitetaan atomien tai molekyylien värähtelyliikettä, mistä johtuu mm. kappaleen havaittavissa oleva lämpötila. Lämpötila on lähinnä kappaleen sisäenergiaa kuvaava suure.

Lämpö -sanaa käytetään arkikielessä usein käsitteen täsmällisestä fysikaalisesta merkityksestä poikkeavastiselvennä, mikä aiheuttaa sekaannuksia.

Energian siirtyminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Energia siirtyy aina kuumemmasta kappaleesta kylmempään lämpöopin sääntöjä noudattaen, eli lämpötilaeroja tasoittavasti.[2] Siirtyminen voi tapahtua johtumalla, säteilemällä tai konvektiolla (kuljettumalla). Konvektiossa eli kuljetuksessa energiaa siirtyy virtaavan kaasun tai nesteen mukana. Johtuessa energia siirtyy suoraan kahden tai useamman aineen kosketuspinnan kautta. Lämpösäteilyssä energia siirtyy materiaalin emittoimana sähkömagneettisena säteilynä. Lämpösäteily ei tarvitse väliainetta, joten se voi läpäistä jopa tyhjiön.[3] Näissä kaikissa esimerkeissä siirtynyt energia on siis lämpöä.

Lämpömäärä ja työ[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kappaleen lämpötilan muutokseen, eli sisäenergian muutokseen U, vaaditaan joko työtä W tai lämpömäärä Q (riippuen siitä miten systeemin tekemä ja systeemiin tehty työ määritellään on työn etumerkki joko positiivinen tai negatiivinen).

\Delta U = Q - W[1]

Jos kappaleen lämpötila muuttuu arvosta \scriptstyle T_1 arvoon \scriptstyle T_2, niin kappaleeseen on siirtynyt lämpömäärä on \scriptstyle Q=m \cdot c(T_2-T_1), jossa m on kappaleen massa ja c ominaislämpökapasiteetti massayksikköä kohti. Toisaalta systeemiin on saatettu tehdä työtä W, mikä muuttaa systeemin lämpötilaa. Tehty työ saattaa olla esim. kitkan tekemää työtä tai sähkövastuksen läpi kulkevan virran tekemää työtä, joka nostaa hehkulangan lämpötilaa. Kemiallisissa reaktioissa voi systeemi joko vapauttaa tai sitoa tietyn lämpömäärän, tällöin puhutaan joko ekso- tai endotermisestä reaktiosta. Samoin aineen olomuodon muutokset ovat joko endo- tai eksotermisiä, sulaminen, höyrystyminen ja sublimoituminen ovat endotermisiä tapahtumia ja vastaavasti tiivistyminen, jähmettyminen ja härmistyminen ovat eksotermisiä.

Termien lämpömäärä ja lämpö erona on siis se, että lämpömäärä on se energian määrä, mikä sitoutuu kappaleseen tai poistuu kappaleesta. Lämpö kuvaa edelleen vain ja ainoastaan energian siirtymistä lämpötilaerosta johtuen.

Lämmön analogia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lämpöä on paras verrata sateeseen. Sade kuvaa sanan vain veden siirtymistä pilvistä maahan, pilvissä eikä lammikoissa ole sadetta, vaan vettä. Pilvi kuvaa kappaletta, jolla on korkeampi lämpötila. Analogiansa tavoin lämpöä ei voi varastoida, sade varastoituu vetenä - lämpö kappaleen sisäenergiana. Lisäksi on käytännössä mahdotonta, että sateen suunta olisi lammikosta pilveen.

Tieteenhistoria[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aikaisemmin lämpöä pidettiin yleensä erityisenä aineena, josta esimerkiksi Antoine Laurent Lavoisier käytti nimitystä kalorikki. Sen oletettiin olevan massatonta tai ainakin äärimmäisen harvaa, näkymätöntä ja nestemäistä ainetta, jota kaikki kappaleet sisälsivät sitä enemmän, mitä korkeampi niiden lämpötila oli. Lämmön johtumisen oletettiin johtuvan kalorikin siirtymisestä kappaleesta toiseen.[4]

Kalorikkiteorian avulla voitiin selittää monia ilmiöitä kuten lämpölaajeneminen ja lämpötilaerojen tasoittuminen. Vaikeasti selitettäväksi osoittautui kuitenkin kappaleiden lämpötilan nousu kitkan vaikutuksesta niitä hangatessa.[5]

Jo 1100-luvulla esitettiin hypoteesi, että havaittava lämpö on jonkinlaista aineen pienimpien osien liikettä. Myöhemmin saman teorian esittivät muun muassa Francis Bacon ja Robert Hooke sekä 1700-luvun lopulla Rumfordin kreivi Benjamin Thompson[6] Yleisesti hyväksytyksi tämä käsitys tuli kuitenkin vasta vähän ennen 1800-luvun puoliväliä, kun energian säilymislaki tuli tunnetuksi ja voitiin määrittää myös lämmön mekaaninen ekvivalentti.[7]

Absoluuttinen nollapiste[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Pääartikkeli: Absoluuttinen nollapiste

Absoluuttinen nollapiste on lämpötila, jossa tasapainossa olevat atomit ovat alimmalla energiatilallaan. Se on siten myös matalin mahdollinen lämpötila ja siten Kelvin-asteikon alkuarvo. Fysikaalisesti sen saavuttaminen on kuitenkin mahdotonta.

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Commons
Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Lämpö.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b Young, Hugh & Freedman, Roger: University physics 13th edition. Pearson (2014).
  2. Hans Christian von Baeyer: Maxwellin demoni, s. 62-63. Suom. Hannu Karttunen. Art House, 2000. ISBN 951-884-321-X.
  3. Hans Dieter Baehr & Karl Stephan: Heat and Mass Transfer, s. 25. Springer Science & Business Media, 2011. ISBN 9783642200212. (englanniksi)
  4. Baeyer, s. 21
  5. Baeyer, s. 22
  6. Baeyer, s. 22-23
  7. Baeyer, s. 21, 36, 41-46

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]