Lämpöenergia
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a9/Hot_metalwork.jpg/250px-Hot_metalwork.jpg)
Lämpöenergia eli terminen energia merkitsee termodynamiikassa sitä sisäenergiaa, joka systeemiin sisältyy sen vuoksi, että se on tietyssä lämpötilassa.[1] Se on ainehiukkasten satunnaiseen, epäjärjestyneeseen liikkeeseen eli lämpöliikkeeseen liittyvää energiaa, jota voidaan vain rajoitetusti käyttää esimerkiksi mekaanisen työn tekemiseen.[2] Systeemin vapaiden hiukkasten etenemisliikkeen keskimääräistä liike-energiaa termodynaamisessa tasapainossa, mitattuna systeemin massakeskipisteen koordinaatistossa, voidaan myös sanoa lämpöenergiaksi hiukkasta kohti.[3]
Mikroskooppisesti lämpöenergiaan voi sisältyä sekä hiukkasten kuten atomien, molekyylien tai elektronien liike-energia että niiden potentiaalienergia. Se saa alkunsa suuren hiukkasjoukon satunnaisesta, epäsäännöllisestä liikkeestä. Yksiatomisessa ideaalikaasussa lämpöenergia on kokonaan liike-energiaa. Muissa aineissa, joissa osa lämpöenergiasta on varastoitunut atomien värähdysliikkeen energiana tai joissa hiukkaset, joiden välillä vallitsee vetovoimia, ovat etääntyneet toisistaan, lämpöenergia jakautuu siis tasaisesti hiukkasten kaikkien vapausasteiden kesken. Tällöin osa siitä on potentiaali-, osa liike-energiaa. Näistä vapausasteista osa voi liittyä kaasumolekyylien etenemisliikkeeseen, osa niiden pyörimisliikkeeseen, värähtelyyn ja niitä vastaaviin potentiaalienergioihin. Kvanttimekaanisista syistä jotkin näistä vapausasteista ovat käytettävissä vain, jos energiaa on riittävästi, mikä riippuu lämpötilasta. Tästä syystä useiden aineiden ominaislämpökapasiteetti pienenee matalissa lämpötiloissa.[4]
Makroskooppisesti systeemin lämpöenergia tietyssä lämpötilassa on verrannollinen sen lämpökapasiteettiin. Koska lämpökapasiteetti kuitenkin riippuu siitä, pidetäänkö tilavuus vai paine vakiona ja tapahtuuko olomuodon muutoksia, lämpökapasiteettia ei voida käyttää lämpöenergian määrittämiseen paitsi jos se tehdään sillä tavoin, että vain systeemin sisäenergia muuttuu sen vastaanottaessa tai luovuttaessa lämpöä eikä mekaanista työtä tehdä. Tavallisimmin tämä edellyttää, että käytetään vakiotilavuudessa mitattua lämpökapasiteettia, sillä tilavuuden pysyessä vakiona ei tehdä työtä. Systeemin lämpökapasiteettiin ei myöskään tule laskea mukaan missään kemiallisessa reaktiossa sitoutunutta tai vapautunutta lämpöä.
Lämpöenergia ja lämpö
Lämpö, sanan termodynaamisessa merkityksessä, on vain prosesseihin liittyvä käsite. Sillä tarkoitetaan lämpötilaeron vuoksi paikasta tai aineesta toiseen siirtyvää energiaa.[5][6] Tämän vuoksi ilmaisuja "lämpö" ja "lämmön siirtyminen" voidaan teknisinä termeinä käyttää toistensa synonyymeinä, sillä lämpö käsitetään aina siirtyväksi. Siirtyvän lämmön määrää kuvaava suure on lämpömäärä. Kun lämpönä siirtynyt energia ei enää siirry systeemistä toiseen vaan siitä on tullut staattista, sitä ei enää sanota lämmöksi vaan siitä käytetään muita nimityksiä kuten lämpöenergia tai latentti energia.[7] Lämpö ei siis ole aineen staattinen ominaisuus. Aine ei sisällä lämpöä vaan termistä energiaa eli lämpöenergiaa, ja lämpöenergiakin voi muuttua muiksi energian muodoiksi tai päinvastoin, joten sen voidaan katsoa säilyvän vain, kun tällaiset energian muodonmuutokset ovat vähäisiä. Lämpöteho on lämpönä paikasta toiseen siirtyvä energia aikayksikköä kohti.
Termodynamiikan nollannen pääsäännön mukaan lämpö siirtyy toisesta keskenään kosketuksessa olevista systeemeistä toiseen vain, jos niillä on eri lämpötila. Tällöin energia siirtyy lämpönä kuumemmasta kylmempään, jolloin kuumemman systeemin lämpöenergia vähenee, kylmemmän lämpöenergia kasvaa. Siirtyvä energia voi ilmetä myös työnä, jolla esimerkiksi puristetaan systeemiä pienempään tilavuuteen. Lämpövoimakoneet käyttävätkin tätä energian siirtymistä mekaanisen työn tekemiseen. Kun kaksi systeemiä ovat saavuttaneet termodynaamisen tasapainon, niillä on sama lämpötila, jolloin lämpöenergian siirtyminen systeemistä toiseen lakkaa.
Tutkittaessa tapahtumia tietyn systeemin kannalta on oletettava, että tällä systeemillä on jokin selvästi määriteltävissä oleva rajapinta. Jos lämpö tulee ulkopuolelta systeemiin, sanotaan systeemin sisäenergian muutosta positiiviseksi, kun taas jos lämpö poistuu systeemistä, sisäenergian muutosta sanotaan negatiiviseksi.[8]
Edellä esitetyn määritelmän mukaan lämpö ei ole itse systeemin ominaisuus, eikä systeemi sisällä lämpöä.[5] Sitä vastoin lämpöenergiaa on rajapinnan molemmilla puolilla. Se on systeemin muodostavien hiukkasten epäsäännölliseen liikkeeseen liittyvän liike-energian kokonaismäärä. Itse asiassa lämpöenergiaa siirtyy koko ajan systeemistä toiseen silloinkin, kun niiden lämpötila on sama eli ne ovat termodynaamisessa tasapainossa. Silloin energiaa kuitenkin siirtyy molempiin suuntiin yhtä paljon, joten nettomääräinen energian siirto on nolla eikä lämpöä esiinny.
Systeemin lämpöenergia voi kasvaa muullakin tavalla kuin siihen tulevan lämmön vuoksi, esimerkiksi kun siihen tehdään mekaanista tai sähköistä työtä. Ei ole kvalitatiivista eroa eri tavoin lisättyjen lämpöenergioiden välillä. Lämpöenergia ei olekaan tilanfunktio, vaikkakin se liittyy läheisesti joidenkin systeemien sisäenergiaan, joka on tilanfunktio. Klassisessa termodynamiikassa ei myöskään ole tarvetta luonnehtia lämpöenergiaa atomien tai molekyylien käyttäytymisen avulla. Systeemin lämpöenergian muutos on sen entropian muutoksen ja lämpötilan tulo.
Lämmön siirtyminen rajapinnan yli voi aiheuttaa muitakin muutoksia kuin lämpötilan muutoksen. Esimerkiksi se voi saada aikaan olomuodon muutoksia kuten sulamisen tai höyrystymisen, mitkä ovat aineen rakenteen muutoksia. Koska tällaista energian siirtymistä ei havaita lämpötilan muutoksena, sitä sanotaan latenttilämmöksi, ja se kuvaa systeemin potentiaalienergian muutosta.
Lämpöenergia makroskooppiselta ja mikroskoopiselta kannalta
Lämpöenergia on se osa systeemin termodynaamisesta tai sisäisestä energiasta, joka saa aikaan systeemin lämpötilan.[1][5] Systeemin lämpöenergia on verrannollinen systeemin kokoon ja on sen vuoksi ekstensiivisuure. Se ei ole systeemin tilanfunktio, ellei systeemiä ole rakennettu siten, että kaikki sen sisäenergian muutokset johtuvat lämpöenergian muutoksista lämmön siirtyessä, ei työn vaikutuksesta. Muussa tapauksessa lämpöenergia riippuu siitä, millä tavoin systeemi on saavuttanut lämpötilansa.selvennä
Makroskooppisessa termodynaamisessa kuvauksessa systeemin lämpöenergia riippuu siitä lämpökapasiteetista, joka sillä on vakiotilavuudessa, CV. Jos lämpökapasiteetti olisi lämpötilasta riippumaton, systeemin lämpöenergia voitaisiin esittää muodossa
missä T on systeemin absoluuttinen lämpötila.
Systeemin lämpökapasiteetti riippuu kuitenkin sekin lämpötilasta, ja se tyypillisesti mitataan tietyissä standardiolosuhteissa tietylle ainemäärälle (molaarinen lämpökapasiteetti) tai massayksikköä kohti (ominaislämpökapasiteetti). Tämän vuoksi lämpöenergia on määriteltävä integraalina
- lähde?
missä m on systeemin massa, T sen absoluuttinen lämpötila ja c(T) lämpötilasta riippuva ominaislämpökapasiteetti. Lämpökapasiteetti vakiotilavuudessa (V) on lämpöenergian lämpötilatekijä. Käytännössä, kun lämpötilan vaihtelut ovat tarpeeksi pieniä, esimerkiksi lämpökoneiden tapauksessa, systeemin lämpökapasiteettia voidaan usein pitää vakiona ja lämpöenergian muutokset voidaan sopivasti mitata lämpötilan vaihteluiden avulla.
Mikroskooppisessa kuvauksessa, jota käytetään statistisessa fysiikassa, lämpöenergia samastetaan systeemin muodostavien hiukkasten mekaaniseen liike-energiaan tai muihin systeemin kvanttimekaaniseen mikrotilaan liittyviin liike-energian muotoihin.
Ero käsitteiden "liike-energia" ja "lämpöenergia" välillä on siinä, että lämpöenergia on systeemin muodostavien hiukkasten tai satunnaisen, epäsäännöllisen liikkeen tai systeemin värähtelyjen keskimääräinen energia. Säännöllisen liikkeen energia muuttuu epäsäännöllisen liikkeen lämpöenergiaksi törmäyksissä.[9]
Kaikki liike-energia jakautuu systeemin vapausasteiden kesken. Jos yksittäisellä hiukkasella on f neliöllistä vapausastetta sen ollessa lämpötilassa T, sen tilastollinen keskimääräinen energia on energian tasajakautumisperiaatteen mukaan:
missä k on Boltzmannin vakio. Ainemäärän tai termodynaamisen systeemin kokonaislämpöenergia saadaan kertomalla tämä hiukkasten lukumäärällä. Niinpä jos systeemissä on N hiukkasta, sen lämpöenergia on[10]
Kaasumaisilla aineilla tekijä f, vapausasteiden lukumäärä, riippuu varsinkin atomien lukumäärästä kaasumolekyylistä ja on yleensä 3 yksiatomisilla, 5 monilla kaksiatomisilla ja 6 useampiatomisilla kaasuilla laajalla lämpötila-alueella.[4] Todellisuudessa se kuitenkin riippuu lämpötilasta, sillä jotkin liike-, värähdys- tai pyörimistilat ovat mahdollisia vasta, kun energiaa on vähintään tietty määrä.[4]
Lämpöenergia UT ei ole systeemin kokonaisenergia. Fysikaaliset systeemit sisältävät energiaa myös staattisena potentiaalienergiana, esimerkiksi atomien välisiin vuorovaikutuksiin liittyvänä kemiallisena energiana, atomiytimissä olevien nukleonien välisiin vuorovaikutuksiin liittyvänä ydinpotentiaalienergiana ja vihdoin massan ja energian ekvivalenssin mukaisesti myös alkeishiukkasten lepoenergiana.
Ideaalikaasun lämpöenergia
Lämpöenergia on helpoimmin määriteltävissä ideaalikaasun tapauksessa, mitä parhaiten approksimoi yksiatominen kaasu alhaisessa paineessa. Ideaalikaasu on kaasu, jonka hiukkasia voidaan pitää täysin pallosymmetrisinä massapisteinä, jotka vuorovaikuttavat keskenään vain kimmoisessa törmäyksissä ja joita on tilavuusyksikköä kohti niin harvassa, että niiden keskimääräinen vapaa matka törmäysten välillä on paljon suurempi kuin niiden läpimitta.
Yksittäisen hiukkasen liike-energia on
missä m on hiukkasen massa ja v sen nopeus. Kun tietyssä määrässä kaasua on N atomia, sen lämpöenergia on näiden energioiden summa, kun oletetaan, ettei säiliöstä vuoda mitään ulos:
missä viiva nopeuden neliötä tarkoittavan merkin päällä tarkoittaa, että kyseessä on koko kaasumäärästä laskettu keskiarvo. Näin saatu kokonaislämpöenergia on suoraan verrannollinen makroskooppiseen lämpötilaan; verrannollisuuskertoimen määrittävät vapausasteiden lukumäärä, joka tässä tapauksessa on sama kuin avaruuden ulottuvuuksien lukumäärä eli 3, sekä Boltzmannin vakio. Boltzmannin vakio on systeemin mikroskooppiseen malliin liittyvien suureiden ja makroskooppisen lämpötilan välinen muuntokerroin. Tämä formalismi on ideaalikaasun tilanyhtälön teoreettisena perustana, ja se osoittaa, että ideaalikaasun tapauksessa sisäenergia U on kokonaan lämpöenergiaa:
- .
Tieteenhistoriaa
Vuonna 1847 James Prescott Joule piti luentosarjan On Matter, Living Force, and Heat ("Aineesta, elävästä voimasta ja lämmöstä"). Siinä hän luonnehti useita käsitteitä, jotka läheisesti liittyvät lämpöenergiaan ja lämpöön. Hän määritteli latentin eli piilevän lämmön ja havaittavan lämmön[11] lämmön eri muodoiksi, jotka fysikaalisesti liittyivät eri ilmiöihin, edellinen hiukkasten potentiaali-, jälkimmäinen niiden liike-energiaan.[12] Siinä hän totesi:
»Olen taipuvainen uskomaan, että nämä molemmat hypoteesit tulevat osoittautumaan oikeiksi, minittäin että joissakin tapaukseissa, erityisesti havaittavan lämmön tapauksessa tai sen, minkä lämpömittari osoittaa, lämpö osoittautuu muodostuvaksi niiden hiukkasten elävästä voimasta,[13], kun taas toisissa, erityisesti latentin lämmön tapauksessa, ilmiöt aiheuttaa etäisyys hiukkasten välillä, mikä saa suuremmassa tilassa niiden välillä aikaan vetävän voiman.[12]»
Hän määritteli latentin energian tietynlaisessa järjestelmässä olevien hiukkasten välisten vuorovaikutuksen energiaksi, siis erääksi potentiaalienergian muodoksi, tuntuvan lämmön sen sijaan energiaksi, joka vaikuttaa lämpömittarilla mitattavaan lämpötilaan niiden lämpöenergian vuoksi, jota hän sanoi eläväksi voimaksi.
Maan lämpöenergian alkuperä
Maa on sen verran lähellä Aurinkoa, että Auringon säteilyn vaikutuksesta kaikki Maan pinnan läheisyydessä olevien kappaleiden lämpötila on runsaasti absoluuttisen nollapisteen yläpuolella. Alinkin maan pinnalla mitattu lämpötila, Vostokin asemalla Etelämanterella oli 184 K eli -89,2 °C. Maan muodostuessa lämpöenergiaa on syntynyt gravitaation aiheuttamasta kutistumisesta sekä myöhemminkin vuoroveden kitkasta ja radioisotooppien hajoamisesta maan kuoressa, mutta nämä yhdessäkään eivät riittäisi pitämään maan pinnan, valtamerten ja ilmakehän lämpötilaa niin korkeina kuin ne alimmillaankin ovat. Sen sijaan kun merkittävä osa Maahan osuneesta Auringon säteilyenergiasta muuttuu lämpöenergiaksi, joka riittää korvaamaan Maasta avaruuteen lähtevän säteilyn energian, niin että nämä ovat likimain tasapainossa. Koska lämmön siirtymismekanismeja on useita, yksi niistä mustan kappaleen säteily, joka etenee valonnopeudella, Maan pinnalla olevien kohteiden lämpötila pysyy tietyissä rajoissa ja harvoin etääntyy kovin kauas maanpinnan ja ilman keskimääräisestä lämpötilasta, joka on noin 287–288 K (14–15 °C). Mitä kauempana jonkin kappaleen tai systeemin lämpötila on tästä keskiarvosta, sitä nopeammin sillä on taipumus lämmetä tai jäähtyä, kunnes se on termodynaamisessa tasapainossa ympäristönsä kanssa.
Yksittäisten hiukkasten lämpöenergia
Termiä lämpöenergia tai terminen energia käytetään myös yksittäisestä hiukkasesta puhuttaessa tarkoittamaan sen liike-energiaa. Esimerkiksi termisellä neutronilla sanotaan olevaan tietyn suuruinen terminen energia, joka merkitsee, että hiukkasen liike-energia vastaa sen keskimääräistä liike-energiaa sen ympäristön lämpötilassa.
![Käännös suomeksi](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2a/Translation_Latin_Alphabet.svg/60px-Translation_Latin_Alphabet.svg.png)
Alkuperäinen artikkeli: en:Thermal energy
Lähteet
- ↑ a b Thermal energy Encyclopedia Britannica. Viitattu 26.2.2015.
- ↑ Jouko Arponen, Juho Honkanen: ”Termodynamiikan perusteet”, Statistinen fysiikka, s. 14. Limes ry, 2000. ISBN 951-745-189-X.
- ↑ Thermal energy Hyperphysics. Viitattu 26.2.2015.
- ↑ a b c Kaarle Kurki-Suonio: Aaltoliikkeestä dualismiin, 3. painos, s. 235–237. Limes ry, 1994. ISBN 951-745-162-8.
- ↑ a b c Robert F. Speyer: Thermal Analysis of Materials, s. 2 Julkaisija = Robert F. Speyer. {{{Julkaisija}}}, 2012. ISBN 0-8247-8963-6.
- ↑ Basic Principles of Classical and Stasistical Thermodynamics uic.edu. Viitattu 26.2.2015.
- ↑ Franm P. Incorporeal, David P. De Witt: Fundamentals of Heat and Mass Transfer, s. 2, 14. John Wiley & SOns, 1990. ISBN 0-471-51729-1.
- ↑ Taisto Raunemaa: ”Termodynamiikkaa”, Vaihtoehtoiset energianlähteet ja ympäristö, s. 37. Limes ry, 1982. ISBN 951-745-083-4.
- ↑ S. Blundell, K. Blundell: Concepts in Thermal Physics, s. 366. Oxford University Press, 2006. ISBN 0-19-856769-3.
- ↑ D.V. Schroeder: An Introduction to Thermal Physics, s. 15. Addison-Wesley, 1999. ISBN 0-201-38027-7.
- ↑ Ilmatiede:havaittava lämpö – Tieteen termipankki tieteentermipankki.fi. Viitattu 31.5.2022.
- ↑ a b J. P. Joule: ”Matter, Living Force, and Heat”, The Scientific Papers of James Prescott Joule, s. 274. The Physical Society of London, 1884. Teoksen verkkoversio.
- ↑ "Elävä voima" oli Leibnizin käyttöön ottama termi sille, mitä nykyisin sanotaan liike-energiaksi