Aine ehituse alused

Aine ehituse alused

Aine olekud

Kõik meid ümbritsevad kehad koosnevad ainetest või nende segudest. Ained omakorda koosnevad molekulidest või aatomitest. Nii molekulid kui aatomid on imepisikesed, mistõttu pole inimestel võimalik neid oma meeleorganitega tajuda.


Tahke (jää)


Vedel (vesi)


Gaas (aur)

Ained võivad looduses eksisteerida kolmes olekus – tahkes, vedelas ja gaasilises. Füüsikas nimeta­tak­se erinevaid aine olekuid faasideks.

Reklistallisatsioon

Faasideks nimetatakse ka ühe ja sama aine erinevaid kris­tall­struktuure (nt. grafiit,teemant või tina ja „tinakatk“).

Üleminekuid ühest faasist teise nime­ta­takse faasi­siireteks.

Sageli nimetatakse neljanda aine olekuna ka plasmat, mis on täielikult ioniseeritud gaas. Kuna selles osas vaatleme aine siseehitusega seonduvat peamiselt soojusliikumise, mitte elektromagnetismi seisukohtadelt, siis jätame siinkohal plasmaga seonduva vaatluse alt välja.

Pole vahet millise aineolekuga on tegemist – aineosakesed on kõikides olekutes ühed ja samad, muu­tub vaid osakeste:

  • vastastikune asend (kaugus, korrapära),
  • vahelise vastastikmõju tugevus ning
  • osakeste liikuvus (ulatus, iseloom, kiirus)

Tahke

Molekulid mõjutavad tahkes kehas ehk tahkises üksteist tõmbe- ja tõukejõududega. De­for­mee­ri­mata kehas on need jõud omavahel tasakaalus. Tõmbejõud muutuvad osakeste vahel valdavaks kui eemaldada molekule teineteisest, tõukejõud aga siis kui osakesi teineteisele lähendada.
Tahkes aines paiknevad molekulid kristallvõre sõlmedes korrapäraselt, nad asuvad üksteisega üsna lähestikku. Kuna nendevaheline vastastikmõju on tugev, siis ei saa molekulid eriti liikuda, vaid ainult võnguvad mingi kindla tasakaaluasendi ümber.

Tänu eelpooltoodule on tahkel kehal alati kindel kuju ja kindel ruumala.

Oluliseks tahkiseid iseloomustavaks omaduseks on nende isotroopsus või selle puudumine – anisotroopsus.

Tahkised ja anisotroopsed ained kannavad tänu nende omadusele olla kindla kujuga ühist nimetust kondensaine.

The-difference-between-anisotropic-and-isotropic-surfaces-a-Anisotropic-surfaces-have

Isotroopsuseks nimetatakse füüsikalise keha või mõne muu objekti (ka ruumi) teatud omaduste sõltumatus suunast. Kui osakesed asetsevad kristallvõre sõlmedes korra­pä­ra­selt, siis taolise ainetüki omadused on erinevates suundades reeglina erinevad – tegemist on anisotroopse kehaga.

monokristall

Kristallilised kehad jagunevad monokristallilisteks (vt joonisel keedusoola kristall – NaCl) – sellisteks kristallideks, milles esi­neb perioo­di­liselt korduv struktuur ning polü­kris­tallilisteks (värvilisel joonisel on jääkristall) – sellisteks, kus kristalli moodustavad üksteise suhtes kaootiliselt kokku kasvanud kristallid ehk kristalliidid (joonisel erivärviliselt viirutatud alad).Polykristall

Monokristallid on tervikuna anisotroopsed, polükristalllid on küll ühe kristalliidi ulatuses anisotroopne, kuid keha tervikuna on isot­roop­ne.

Selliseid tahketele kehadele sarnanevaid kehi, milles kristallstruktuur puudub ning osakesed paik­ne­vad korrapäratult ning nad on seetõttu isotroopsed nimetatakse amorfseteks kehadeks. Amorfsete kehade puhul võime rääkida kui tardunud (väga väikese voolavusega) vedelikust. vana-aken

Klassikalise amorfse keha näitena võib tuua (akna)klaasi. Klaasitükil on küll kindel kuju ja ruumala, kuid sisemine kristallstruktuur puudub.

Väga vanade akende puhul on tehtud täppismõõtmisi ning täheldatud, et akende ülemine osa on õige pisut õhem kui alumine. See paksuse erinevus on seletatav asjaoluga, et aastasadade jooksul on raskusjõu mõjul toimunud klaasi “voolamine” akna ülemisest servast alumisse.

Vedel

vedelVedelikes on molekulide asetuse korrapärasus väiksem – võime öelda, et korrapärasus on tinglik. Mingis väiksemas ruumiosas võivad molekulid paikneda küll korrapäraselt, kuid vedelik tervikuna on isotroopne – see tähendab korrapära puudub.

Molekulid asuvad üksteisest kaugemal kui tahkes kehas, mistõttu on ka nende vahel mõjuvad jõud nõrgemad ning molekulid saavad seetõttu rohkem liikuda. Vedelikes võnguvad molekulid küll enamuse ajast oma tasakaaluasendi ümber, kuid see asend ei ole püsiv ning seetõttu hüppavad molekulid aeg-ajalt korrapäratult ühest kohast teise. Taolistest „hüpetest“ ongi tingitud vedelike voolavus.vedelik-anumas.jpg

Ülaltoodud omadustest tingituna on vedelikel küll kindel ruumala, kuid tänu voolavusele puudub neil kindlaks määratud kuju ja vedelikud võtavad alati selle anuma kuju, millesse neid valatakse (vt juuresolev foto).

Gaasiline

Nii nagu vedelikes, puudub ka gaasides osakeste asetuses korrapära. Võrreldes tahkiste ja vedelikega asuvad gaasimolekulid üksteisest väga kaugel – kaugustel mis üle­ta­vad molekulide mõõtmeid miljonites kordades, mistõttu nende vahel vastastikmõju peaaegu puu­dub. Tänu sellele ei ole gaasimolekulide liikumine takistatud ning nad saavad liikuda täiesti vabalt ja korra­päratult.

Seetõttu ei saa me gaaside puhul rääkida ei kindast kujust (nad võtavad samuti alati anuma kuju) ega ka ruumalast (nad võivad vabalt paisuda, aga neid saab ka kokku suruda).

Seega on nii gaasid kui ka vedelikud voolavad – taoliste ühiste omadustega kehi nimetatakse voolisteks.

Faasisiirded

Üleminekuid ühest aine olekust (sh ka kristallolekust) teise nimetatakse faasisiireteks.

faasisiirded

Faasisiiret tahkest olekust vedelaks nime­ta­takse sulamiseks. Faasisiiret vedelast tahkeks nimetatakse tah­ku­miseks või kristalliseerumiseks.

Faasisiiret vedelast gaasiliseks nimetatakse au­rus­tumiseks. Faasisiiret gaasilisest vedelaks nimetatakse kon­denseerumiseks.

Faasisiiret tahkest gaasiliseks nimetatakse sub­limatsiooniks. Faasisiiret gaasilisest tahkeks nimetatakse härmatumiseks.

Üleminekul ühest faasist teise muutub aine molekulide

  • liikumiskiirus ja liikuvus,
  • asend teineteise suhtes,
  • vastastikmõju tugevus.

Faasisiirdel muutuvad molekulide kineetilised ja potentsiaalsed energiad ehk ühest faasist teise üle­mi­nekul muutub keha siseenergia isegi siis, kui keha temperatuur jääb samaks.

Faasisiirded ja siirdesoojused

Sulamine-tahkumine

sul-tahk

Sulamine on faasisiire tahkest olekust vedelasse, tahkumine sellele vastupidine siire.

Sulamisel aineosakeste:
liikuvus suureneb
osakeste vaheline kaugus suureneb
osakeste paiknemise korrapära väheneb
osakeste vahelise vastastikmõju tugevus väheneb

Tahkumisel toimuvad muutused aineosakestega sulamisele vastupidises suunas.

Iga aine jaoks on olemas kindel temperatuur – sulamistemperatuur, mille juures ta muutub tahkest olekust vedelaks. Aine tahkub samal temperatuuril kui ta sulab

Sulamise/tahkumise ajal keha temperatuur ei muutu ehkki keha saab/annab selles protsessis pidevalt energiat – sulatamiseks kulunud energia läheb molekulide korrapära lõhkumiseks ja nende liikuvuse suurendamiseks. Tahkumisel vabaneva energia saame molekulide korrapära suurenemisest ja liikuvuse vähenemisest.

Keha sulatamiseks vajalik energiakogus (kehale antav soojushulk Q) on võrdeline keha massiga (m) ning sõltub keha materjalist:

Q-sula

Soojushulka, mis on vajalik 1 kg antud aine sulatamiseks tema sulamistemperatuuril nimetatakse aine sulamissoojuseks (λ – lamda)

Sulamissoojust mõõdetakse džaulides kilogrammi kohta 1 J/kg. Kui 1 kilogrammi sulamistemperatuuril oleva keha sulatamiseks kulub 1J energiat, on selle keha ma­ter­jali sulamissoojus 1 J/kg.

NB! Tahkumisel vabaneb sama palju soojust kui kulub sama koguse aine sula­ta­miseks – valemisse tuleb lisada miinusmärk!

Aurustumine-kondenseerumine

aur-kond.png

Aurustumine on faasisiire vedelast olekust gaasilisse, kondenseerumine sellele vastupidine siire.

solidint.gifVedeliku aurustumine ja kondenseerumine toimub alati vedeliku pinnal. Aurumisel väljuvad vedeliku pinnalt kiiremini liikuvad – suurema energiaga vedeliku molekulid. Tänu sellele aurustumisel vedeliku siseenergia (ja ka temperatuur) väheneb.

Kondenseerumisel haaratakse aeglasemad gaasimolekulid (mis aga on kiiremad kui vedeliku omad) vedelikku ning tulemuseks on siseenergia suurenemine ning temperatuuri tõus.

Aurumise kiirus sõltub järgmistest teguritest:

  • Vedeliku temperatuurist – mida kõrgem on temperatuur, seda kiiremini vedeliku molekulid liiguvad, seda rohkem on ennast lahti rebivaid osakesi – seda kiiremini vedelik aurub.
  • Vedeliku pindalast – mida suurem on pindala, seda rohkem kiiremini liikuvaid vedeliku molekule saavad ennast lahti rebida – seda kiiremini vedelik aurub.
  • Gaasi liikumisest vedeliku pinna kohal – kui vedelikust aurustunud gaas jääb vedeliku pinna kohale (õhk ei liigu), siis võidakse osad, aeglasemalt liikuvad gaasimolekulid tagasi vedelikku tõmmata. Mida kiiremini gaas vedeliku kohal liigub, seda kiiremini vedelik aurustub.
  • Vedeliku koostisest – osades vedelikes on molekulide vahelised jõud tugevamad (molekulid asuvad teineteisele lähemal) – sellised vedelikud aurustuvad halvemini kui vedelikud, mille osakaste vaheline vastastikmõju on nõrgem.

boilingwater-91518809_top.jpgKeemine on selline vedeliku aurustumine, mis toimub kindlal temperatuuril – keemistemperatuuril – kogu vedeliku ruumala ulatuses.

Keemistemperatuur on seotud keeva vedeliku ainega – erinevatel ainetel on erinev keemistemperatuur. Samuti sõltub keemistemperatuur vedelikule atmosfääri poolt avaldatavast rõhust – mida kõrgem on rõhk, seda kõrgem on vedeliku keemistemperatuur.

Keemise ajal vedeliku temperatuur ei muutu ehkki vedelik saab kogu aeg energiat juurde.

Keemisel aineosakeste:
Liikuvus suureneb
osakeste vaheline kaugus suureneb
osakeste paiknemise korrapära Väheneb
osakeste vahelise vastastikmõju tugevus väheneb

Vedeliku keetmiseks kulunud energia läheb molekulide korrapära vähendamiseks ja nende liikuvuse suurendamiseks. Kondenseerumisel toimuvad protsessid vastupidises suunas.

Vedeliku aurustamiseks keemis- või muul jääval temperatuuril vajalik energiakogus (soojushulk Q) on võrdeline vedeliku massiga (m) ning sõltub vedeliku materjalist:

Q-keem

Soojushulka, mis on vajalik 1 kg antud aine aurustamiseks tema keemistemperatuuril nimetatakse vedeliku keemissoojuseks (L). Keemissoojust mõõdetakse samades ühikutes kui sulamissoojustki – džaulides kilogrammi kohta (1 J/kg)

Keemistemperatuuril toimuval kondenseerumisel vabaneb sama palju soojust kui kulub sama koguse aine aurustamiseks – kondenseerumisel tuleb valemisse lisada miinus.

Sublimatsioon-härmatumine

HärmatisSublimatsioon on faasisiire, mille käigus muutub tahke aine gaasilieks.  Härmatumisel (fotol katab taime lehte härmatanud vesi) muutub gaas tahkeks ilma, et vahepeal toimuks kondenseerumine.

Kuna gaasilises olekus aine siseenergia on suurem, tuleb sublimeerimiseks energiat kulutada, härmatamisel energia vabaneb.

Sublimatsioonil aineosakeste:
Liikuvus suureneb
osakeste vaheline kaugus suureneb
osakeste paiknemise korrapära Väheneb
osakeste vahelise vastastikmõju tugevus väheneb

Olekudiagramm

Olekudiagramm.pngGraafikut, mis kujutab Tp-teljestikus (vabamuutujaks temperatuur, seotud muutujaks rõhk) ühe konkreetse aine erinevaid olekuid ehk faase temperatuuri ja sellega seonduvalt ka rõhu muutumisel, nimetatakse olekudiagrammiks.

Erinevad pinnad olekudiagrammil kujutavad selle aine erinevaid olekuid, jooned graafikul ku­ju­ta­vad erinevaid faasisiirde­prot­ses­se. Punkt graa­fi­kul kujutab aine vastavalt ole­ku­pa­rameetreid.

Tahket (jää) ja vedelat (vesi) faasi eraldavat joont nimetatakse sulamis/ tahkumiskõveraks. Vedelat (ve­si) ja gaasilist (aur) faasi eral­da­vat joont aurustumis/kon­den­see­ru­­miskõveraks. Tahket (jää) ja gaa­silist (aur) faasi eraldab sub­li­mat­siooni/härmatamis­kõver.

Sulamis-, sublimatsiooni ja aurus­tu­mis­kõverate lõikepunkti nime­ta­takse kolmikpunktiks – selles olekus võib aine korraga esineda kõigis kolmes olekus.

Küllastumata ja küllastunud aur

Kui vedelik aurub avatud ruumi, siis aurustumine ületab kondensatsiooni ning vedelikukogus hakkab vähenema. Anuma kohal liikuv gaas (õhk) kannab auru vedeliku pinnalt ära ning selle tihedus vedeliku kohal ei saa muutuda suureks.
Auru, mis on vedeliku kohal, kui aurustumine ületab kondensatsiooni või auru vedeliku puudumisel nimetatakse küllastamata auruks.

Kui aurumine toimub aga hermeetilises ruumis, mis ei vaheta ümbritseva keskkonnaga ainet, siis taolises situatsioonis saabub peagi olukord, kus aurustumine ja kondenseerumine saavutavad dünaamilise tasakaalu –  nii palju kui muutub vedeliku molekule auruks, muutub gaasi molekule vedelikuks. Vedelikutase anumas ei muutu. Auru, mis on vedelikuga dünaamilises tasakaalus, nimetatakse küllastunud auruks.

Küllastunud ja küllastumata auru omadused

Kirjeldame hermeetiliselt suletud anumas asuva küllastunud auru omadusi isohoorilistes ja iso­ter­mi­lis­tes – see tähendab muutumatu ruumala ja muutumatu temperatuuri juures toimuvates prot­sessides.

Isohoorilises protsessis kehtib ideaalgaasile Charlesi seadus, mille kohaselt on ideaalse gaasi rõhk võrdeline gaasi temperatuuriga. Küllastunud auru rõhk, nagu ideaalsel gaasilgi, on üheselt määratud auru temperatuuriga – tem­pe­ra­tuuri tõustes rõhk suureneb, langedes aga väheneb, sest temperatuuri suurenedes suureneb gaasimolekulide liikuvus (kineetiline energia).

Paneme tähele, et ka vedeliku kohal asuva küllastunud auru hulk (mass) sõltub vedeliku temperatuurist – mida kõrgem on süsteemi temperatuur, seda rohkem on vedelikku aurunud ning seda suurem on vedeliku kohal oleva auru mass. Auru kogus ruumis mõjutab aga auru rõhku – mida rohkem on ruumis auru (mida suurem on auru mass), seda suurem on tema poolt avaldatav rõhk. Nii muutubki küllastunud auru rõhk samasuguse temperatuuri muutuse korral kiiremini kui ideaalse gaasil, sest lisaks osakeste liikuvusele muutub aurustunud gaasi kogus.

Isotermilistes protsessides kehtib ideaalgaasile Boyle’- Mariotte’i seadus, mille kohaselt on gaasi rõhk pöördvõrdeline gaasi ruumalaga.

Kui suurendada isotermiliselt küllastunud auru ruumala, siis saab rohkem vedelikku aurustuda – aurustumine muutub intensiivsemaks kuni saabub uus dünaamilise tasakaalu olek – auru kogus hermeetiliselt suletud anumas on suurenenud, auru rõhk anumas jääb aga samaks. Kui ruumala vähendada (auru kokku suruda), siis intensiivistub kondenseerumine – auru kogus väheneb ning uue dünaamilise tasakaalu olekus on auru rõhk jätkuvalt sama, mis protsessi alguses.

Küllastunud auru rõhk isotermilistes protsessides sõltub ainult gaasi temperatuurist ja ainest (sest aurumine ja kondenseerumine on küllastunud aurus dünaamilises tasakaalus, erinevad ained aga aurustuvad sama temperatuuri juures erineva kiirusega).

Küllastamata auru puhul saab ideaalgaasi seadusi rakendada vaid olukorras, kus gaas on piisavalt kaugel küllastatud olekust.

Keemise mehhanism

Keemiseks nimetatakse vedeliku aurustumist jääval temperatuuril kogu ruumala ulatuses. Vedeliku soojendamisel tekivad anuma põhjas ja seintel gaasimullikesed – tahke keha omadust hoida kinni gaasimolekule nimetatakse adsorbptsiooniks, pinnaga seotud gaasi adsorbeerituks. Ka ve­de­li­kel on võime siduda (lahustada) endas neid ümbritsevat gaasi (õhku). Vedeliku temperatuuri tõustes gaaside lahustuvus väheneb – selle tulemusena eralduv gaas (õhk) ühineb anuma seintel adsorbeerunud õhuga.

Vedeliku soojenedes suureneb eralduvate mullikeste hulk, suureneb ka mullikeste ruumala. Lisaks ümbritsevale gaasile (õhule) sisaldavad mullikesed ka küllastunud auru. Mullide suurenemine ongi põhjustatud küllastunud auru rõhu kasvust mullides.

Mullide piiramatut suurenemist takistavad nii ümbritseva keskkonna (atmosfääri) rõhk kui ka vedelikusamba rõhk. Kui mulli ruumala on piisavalt suur, tõuseb ta tänu üleslükkejõule pinnale ning lõhkeb – temas sisaldunud küllastunud aur lendub ümbritsevasse keskkonda. Kui vedeliku temperatuur on ühtlustunud, siis mullikeste tõusmisel kasvab nende ruumala veelgi, sest vedeliku pinna lähedal avaldab vedelik mullile väiksemat rõhku.

Seega kujutab keemine kogu vedeliku ruumala ulatuses küllastunud aru eraldumist vedelikus la­hus­tunud gaasimullide abil, kusjuures küllastunud auru rõhk mullides on võrdne välisrõhuga.

Kui välisrõhk muutub, muutub rõhk gaasimullides – järelikult muutub vedeliku keemispunkt. Vedeliku keemispunkti normaalrõhul (760mmHg ≈ 101,3kPa) nimetatakse keemistemperatuuriksTabelist on näha kuidas muutub vee keemistemperatuur välisrõhu muutudes.

Keemistemp_rohustNormaalrõhul on vee keemistemperatuur teatavasti 100 °C. Kui õhurõhk tõuseb 30 mmHg (Eesti õhurõhu absoluutne rekord on olnud 793 mmHg – mõõdetud 21.11.03 Narvas) – suureneb vee keemistemperatuur 101,1°C-ni. Kui aga langeb 50 mmHg võrra (Eesti õhurõhu absoluutne miinimum on olnud 711 mmHg – mõõdetud 21.11.03 Narvas), on keemistemperatuuriks 98,2°C.

Kuna  õhurõhk on seotud ka kõrgusega merepinnast, siis on ka erinevatel kõrgustel veel erinev keemistemperatuur.

3000 m kõrgusel (õhurõhk ca 530 mmHg) keeb vesi 90°C juures, 5000m kõrguisel (rõhk ca 400 mmHg) on keemistemperatuur ca 76°C ning 9000 m kõrgusel (Mount Everesti tipu kõrgus on 8848m, õhurõhk ca 230 mmHg) keeb vesi “kõigest” 69°C juures.

Aine kriitiline olek

PudelHermeetiliselt suletud anumas eraldab selgepiiriline vedeliku pind anumas asuvat vedelikku gaasist.

Kui suurendada anumas asuva aine temperatuuri, hakkab selles asuva vedeliku tihedus vedeliku paisumise tõttu vähenema, anumas asuva küllastunud veeauru mass aga suureneb ning seetõttu hakkab anumas asuva kül­las­tu­nud auru tihedus suurenema. Kuumutades ainet teatud ktemperatuurini kaob ühel hetkel piir ve­de­liku pinna ja auruga täidetud ruumiosa va­hel kaob (vaata videot).

Aine kriitiliseks tem­pe­ratuuriks nimetatakse temperatuuri, mille puhul vedelliku ja tema küllastunud auru tihedused muu­tu­vad võrdseks, sellele temperatuurile vastavat rõhku aga kriitiliseks rõhuks, neile vastavat aine olekut – kriitiliseks olekuks.

Siinkohal tuleb rõhutada, et kriitilisest temperatuurist kõrgemal temperatuuril saab aine eksisteerida ainult gaasilises olekus. Vedelikku, mille temperatuur jääb keemispunkti ja kriitilise temperatuuri vahele nimetatakse ülekuumenenud vedelikuks.

Vee puhul on kriitiliseks temperatuuriks +374°C, kriitiline rõhk on 218,5 atm ≈ 2,2MPa. Seega on või­ma­lik hermeetilises anumas asuva vee temperatuuri tõsta kui suurendada samal ajal auru rõhku anumas – siiski saame seda teha vaid kuni +374°C/218,5 atm – sellest kõrgemal temperatuuril/rõhul saab vesi eksisteerida ainult auruna.

Gaaside veeldamine

Iga aine jaoks on olemas kriitiline temperatuur, millest kõrgemal saab aine eksisteerida ainult gaasilises olekus. Järelikult iga gaasilises olekus ainet on võimalik muuta vedelikuks, kui alandada tema temperatuuri kriitilisest väiksemaks. Vastavat protsessi nimetatakse gaasi veeldamiseks.

Veeaur õhus

Maal asuvate veekogude (ookeanid, mered, järved, jõed) pinnalt toimub kogu aeg vee aurustumine, jää­liustike pin­nalt aga sublimatsioon – seetõttu on Maa atmosfääris ala­ti mingisugusel hulgal vee­auru. Fotol on näha Araali mere (soolane järv Sise-Aasias Kasah­stani ja Usbekistani piiri­alal) pindala vähenemine peamiselt aurustumise tõttu aastatel 1989 – 2009.

Araalimeri

Füüsikalist suurust, mis ise­loo­mus­tab vee­auru sisaldumist õhus, nimetatakse õhu­niis­ku­seks. Õhuniiskuse iseloomustamisel kirjeldatakse õhus sisalduva veeauru tihedust või rõhku (absoluutne õhuniiskus) või võrreldakse neid küllastunud veeauru tiheduse ja/või rõhuga vastaval temperatuuril (suhteline õhuniiskus).

Oluline on rõhutada, et suhteline õhuniiskus ei sõltu mitte ainult õhu absoluutsest niiskusest (õhus sisalduva veeauru hulgast) vaid ka õhutemperatuurist.

Õhutemperatuuril 21°C on õhu absoluutne niiskus 9,4 g/m3. Küllastunud veeauru tihedus sellel temperatuuril on 18,3 g/m3 – seega on suhteline õhuniiskus kirjeldatud tingimustel (9,4/18,3≈0,514 ehk umbes 51%). Kui samasuguse tihedusega veeaur on õhus temperatuuril 10°C, kusjuures ka küllastunud auru tihedus on sellel temperatuuril võrdne 9,4 g/cm3, on suhteline õhuniiskus 100% – õhk on veeaurust küllastunud.

Temperatuuri, mille juures õhus leiduv veeaur muutub küllastunuks, nimetatakse kastepunktiks.

Kui küllastunud veeauruga õhu temperatuur langeb allapoole kastepunkti, algab auru väga inten­siivne kondenseerumine – õhuga kokku puutuvad pinnad, mis jahtuvad õhust, mille soojusmahtuvus on küllalt suur, kiiremini kattuvad vee­piis­kade ehk kastega. Kui kastepunkti temperatuur on alla vee sulamistemperatuuri, siis leiab temperatuuri langemisel aset härmatumine – õhuga kokku puutuvad kiire­mini jahtunud pinnad kattuvad jääkristallide ehk härmatisega.

Õhuniiskust mõõdetakse hügromeetrite ja psühhro­meet­ritega.

Hügromeeter

Lihtsaimas – juushügromeetris (vt juuresolev skeem) – mõõ­de­tak­se juuksekarva pik­ku­se muutumist õhuniiskuse muutumisel.

Psühhromeetrite (foto) töö põhineb kahel nähtusel – (1) aurustumise intensiivsus sõltub õhu suhtelisest niiskusest – mida väiksem see on, seda kiiremini vedelik aurub ning (2) mida kiiremini vedelik aurub, seda madalamaks muutub vedeliku temperatuur – psühhromeetrites mõõdetaksegi samaaegselt.Psühhromeeter

„Kuiva“ (fotol alumine) ehk ümbritseva õhu ja „märja“ – õhutemperatuuril aurustuva vedeliku (fotol ülemine, niiske lapiga ümbritsetud termomeeter) temperatuuri – mõõdetud temperatuuride erinevusest leitaksegi õhu suhteline niiskus.

Õhuniiskusega seotud ilmastikunähtused

PilvedÕhuniiskusest, õigemini suhtelise õhuniiskuse muutumisest tingitud nähtused on pilved, mis moodustuvad maapinnalt kõrgemal õhus sisalduvast veeurust (ja/või kõrgemad pilved ka imepeenikestest jääkristallidest), mis on jahtunud napilt alla kastepunkti.

Kui samasugune protsess leiab aset maapinna lähedal, tekib udu. Nii pilved kui ka udu kujutavad endast peenikesi veetilgakesi, millele mõjuv üleslükkejõud on võrdne nendele mõjuva raskusjõuga, mistõttu ei lange nad maa­pin­nale vaid jäävad õhku hõljuma.

Veepiisad Lumehelbed Rahetera.jpg

Kui pilvedes langeb õhutemperatuur veelgi, koonduvad piisakesed/kristallikesed suu­re­ma­teks til­ka­deks/kristallikogumiteks – neile mõjuv raskusjõud on suurem kui üleslükkejõud ning nad sajavad ma­ha vihmana, lumena või rahena.

Molekulaarjõud

Veemolekul.jpg

Kui molekulid satuvad teineteisele piisavalt lähedale, hakkavad nende vahel mõjuma tõmbejõud.

Tõm­bejõudude tekkepõhjuseks on molekulide polaarsus – elektrilaengute ebaühtlane jaotumine mo­le­kulis. Ehkki aatomid ja molekulid on tervikuna elektrilaenguta, on molekulides (ja aatomites) piirkondi, kus on ülekaalus elektronide negatiivne laeng, seetõttu peavad olema molekulides ka piirkonnad, kus on ülekaalus positiivne laeng.

Ilmekaim näide on veemolekul (joonisel) – kus hapnikuaatom (ioon) kannab endas negatiivset laengut, vesinikuaatomid (ioonid) aga positiivset.

Loomulikult hakkavad teineteise lähedusse sattunud erinimelised laengud tõmbuma, samanimelised aga tõukuvad – veemolekulide vahel moodustuvad vesiniksidemed. Taoliste sidemete olemasolu ongi vee eriliste keemiliste ja füüsikaliste omaduste põhjustajaks. Vesiniksidemed tekivad ka vesiniku ühendites koos lämmastiku (-NH) ja fluoriga (-FH).

Molekulide vahel mõjuvaid jõudusid nimetatakse ka nende avastaja Johannes Diderik van der Waals’i auks  van der Waals’i jõududeks.

Vahemaad, millest suuremate kauguste korral molekulaarseid jõudusid ei teki – van der Waals’i jõudude mõjuraadius – on erinevate molekulide jaoks erinev, kuid jääb tavapäraselt suurusjärku sadakond pikomeetrit (1pm=10-12m)

Vedelike omadused

Nagu me teame, säilitab vedelas olekus aine oma ruumala, kuid võtab selle anuma kuju, kuhu ta on valatud. Ruumala säilitamine näitab, et vedelikumolekulide vahel mõjuvad tõmbejõud – seega on molekulide vaheline kaugus väiksem van der Waals’i jõudude mõjuraadiusest. Need jõud ei lase võnkuval molekulil naabritest eemalduda ning sunnivad teda võnkuma kindla tasakaaluasendi ümber.

Tõsi, vedelike puhul ei ole see tasakaaluasend püsiv vaid muutub pidevalt keskmiselt 1 … 100 ps (pikosekundi 1ps = 10-12s) tagant – molekul hüppab ühest tasakaaluasendist teise. Ajavahemik (relaks­at­s­iooniaeg) hüpete vahel sõltub vedelikust ja temperatuurist. Temperatuuri tõustes relaks­ats­i­ooni­aeg lüheneb.

Niisiis, kui vaadelda vedelikku väikeses ruumipiirkonnas ja väga lühikese ajavahemiku jooksul, võime öelda, et vedelikumolekulid paiknevad ja võnguvad korrapäraselt, kuid suuremas ruumiosas ja pi­ke­ma vaatlusaja korral on molekulide asend ja liikumine kaootiline.

Vedelikuosakeste vahel mõjuvate van der Waals’i jõudude tõttu pole vedelikud kokku surutavad, molekulide ebapüsiva tasakaaluasendi tõttu aga voolavad.

Vedelike voolavust iseloomustatakse füüsikalise suuruse – viskoossus – abil. Viskoossus on vedelike omadus takistada oma osakeste liikumist üksteise suhtes, seega mida suurem on vedeliku viskoossus, seda halvemini ta voolab. Amorfseid aineid võib lugeda äärmiselt suure viskoossusega vedelikeks.

Pindpinevus

Vedeliku sisemuses asuvatele molekulide mõjuvad jõud erinevad oluliselt vedeliku pinnakihi mo­le­ku­li­dele mõjuvatest.

pindpinevusVedeliku sisemuses on molekulid igast küljest naabritega ümbritsetud, nende vahel mõjuvate molekulaarsete jõudude resultant on võrdne (lähedane) nulliga – just väi­kesed muudatused (fluktuatsioonid) molekulile mõ­ju­va­te jõudude resultandis põhjustavadki molekulide „hüp­peid“ ja vedelike voolavust.

Pinnakihis on aga osad vedelikumolekulid „puudu“ ning nende asemel on õhu või muu gaasi molekulid. Vedeliku- ja gaasimolekulide vahel mõjuvad mole­ku­laar­sed jõud on nii nõrgad, et need võib jätta arvestamata. Seega erineb pinnakihi molekulidele mõjuv resultantjõud nullist ning on suunatud vedeliku sisse risti pinnakihiga.

pipett

Kõik vedeliku pinnakihis (paksusega umbes 1 nanomeeter) asuvad molekulid tõmbuvad vedeliku sise­mu­se poole ning pinnakiht avaldab ülejäänud vedelikule rõhku, mida nimetatakse molekulaar­rõhuks, seda põhjustavate molekulaarjõudude resultanti aga pindpinevusjõuks ehk pindpinevuseks.

Pindpinevusjõu suurus sõltub eelkõige muidugi vedelikust, mida kirjeldatakse pindpinevusteguri  σ (kreeka täht sigma) abil ja vedeliku vaba (anuma, fotol pipeti ava vms kokku puutuva) pinna pikkusega l:

Pindpinevusjoud

Nagu kõik jõud, nii võib ka pindpinevusjõud teha tööd. Näiteks seebimulli puhumiseks kuluv energia on võrdne pindpinevusjõu vastu tehtava töö hulgaga ehk vedeliku pinnaenergia suurenemisega.

Saab näidata, et pinnaenenergia muutus (pindpinevusjõudude töö) on võrdeline vedeliku vaba pinna pindala muutusega ning sõltub vedeliku materjalist:

Pinnaenergia

kus A’ – pindpinevusjõudude töö, ΔS – vedeliku vaba pinna muutus.

Pindpinevustegur iseloomustabki pindpinevusjõudude tööd kui vedeliku vaba pind väheneb nende mõ­jul 1 m2 võrra. Pindpinevusteguri ühikuks on džauli ruutmeetri kohta (1 J/m2).

NB! Pindpinevusteguri ühikuna kasutatakse njuutonit-meetri kohta (1N/m)

Tööd tehakse alati mingisuguse energia arvelt – pind­pine­vus­jõu­­­dude töö energiaallikaks on vedeliku pin­na­energia. Vastavalt energiamiinimumi printsiibile, püüavad pindpinevus­jõud anda vedelikule kuju, mille pinnaenergia oleks antud ruu­mala juures minimaalne. Saab näidata, et minimaalne välis­pin­na ja ruumala suhe on keral – selle pärast ongi vedelikul, millele ei mõju kõrvalised jõud alati kera kuju. (Vaata ka videot orbitaaljaamas hõljuvast veetilgast)

Märgamine. Kapillaarsus

Kui puutuvad kokku vedelik ja tahke aine, siis nende koostisosakeste vahel mõjuvad molekulaarjõud on palju suuremad kui vedeliku ja gaasiosakeste vahel mõjuvad.

Kui vedeliku ja tahkise osakesed tõmbuvad tugevamini kui vedelikumolekulid omavahel, siis nimetatakse vedelikku seda pinda märgavaks (ülal).

Kui vedeliku ja tahkise osakeste vaheline tõmbumine on nõrgem kui vedelikuosakeste vaheline, siis nimetatakse vedelikku selle pinna suhtes mittemärgavaks (all).

Kas tegu on märgava või mittemärgava ve­de­li­kuga, annab märku vedeliku ja tahke pinna vahele moodustuv äärenurk.

Kui ääre­nurk on nürinurk, siis vedelik on pinda­ märgav (kui äärenurk on 180° on tegemist pinda absoluutselt märgava vedelikuga), kui ääre­nurk on terav­nurk, on vedelik pinda mittemärgav (kui äärenurk on 0° – on tegu pinda absoluutselt mittemär­gava ve­de­li­kuga).


Kui valada vedelikku peenikesse torusse – kapillaari – siis sõltuvalt sellest, kas vedelik on märgav või mittemärgav, moodustavad pindpinevusjõud vedeliku- ja kapillaariosakeste vastastikmõju tulemusena kas kumera (mittemärgav) või nõgusa (märgav) vedeliku pinna – meniski.

Meniski sfäärilisest kujust tulenevalt tekib vedelikule lisarõhk – Laplace’i rõhk, mis võib olla suunatud kas vedeliku sissepoole (kumer pind, mitte­märgav vedelik) või vedelikust väljapoole (nõgus pind, märgav vedelik).

Tänu taolisele lisarõhule surutakse kapillaaris asuv vedelik võrreldes kapillaarist väljapoole jääva vedelikunivooga kas kõrgemale (märgav ve­de­lik, nõgus menisk) või sügavamale (mittemärgav vedelik, kumer menisk) – vastavat nähtust nimetatakse kapillaarsuseks.

Nivoo kõrguse muutust kapillaaris vedeliku vaba pinna suhtes ehk kapil­laar­tõus arvu­ta­tak­se valemist:

kus h – samba kõrgus kapillaaris, σ – vedeliku pindpinevustegur, ρ – vedeliku tihedus, g – vaba langemise kiirendus, r – kapillaari raadius.

Näeme, et mida jämedam on kapillaar, seda vähem erineb sinna tõmmatava vedelikku nivoo ümb­rit­se­vast.

Märgamine ja kapillaarsus looduses

Märgamisel ning kapillaarsusel on looduses ning igapäevaelus suur tähtsus.

Taimede rakud kujutavad endast kapillaartorusid. Maapinnas lahustunud toitainete rikas vesi on neid märgav – nii jõuavadki tänu kapillaarsusele toitained taimede juurtest, kus need imenduvad kuni ladvani välja.

Ka pinnases leidub palju kapillaare – need on seda kitsamad, mida tihedam on pinnas ning nii tõuseb ja aurustub vesi kobestamata pinnases kiiremini kui kobestamata pinnases.

Kapillaarsust tuleb arvestada ka ehitusmaterjalide valikul – paljud materjalid (näiteks tellised) on kapillaarsed ning imavad endasse vedelikku – selle vältimiseks tuleb nad katta sobiva vett hülgava kihiga.

FairyKüllap oled nõusid pestes märganud, et väga rasvased nõud ei lähe veega pestes puhtaks – vesi ei märga rasvast pinda.

Probleemi lahendab nõudepesuvahendi lisamine – see vähendab vee pindpinevust oluliselt, vesi muutub pinda märgavaks – “poeb” taldrikupinna ja seda katva rasvakihi vahele ning rasv eraldub nõudelt.

Sama lugu on pesu pe­semisega – pesupulber vähendab pindpinevust ning mustus tulebki riidekiudude küljest paremini lahti.

Mitmed putukad nagu vesijooksiklased ehk liuskurid saavad liikuda (ja isegi paigal seista) mööda veepinda  sellest läbi vajumata, sest nende jalad ei märgu.

Liuskur

Advertisements