---

Molekulaarteooria alused

---

Molekul. Aatom

Juba XIX sajandi alguses näitas inglise teadlane John Dalton, et loodusnähtuste paljusid seaduspärasusi saab põhjendada, kasutades ettekujutust aatomitest ja molekulidest. Molekuliks nimetatakse aine vähimat osakest, mis võib eksisteerida iseseisvalt ja säilitada selle aine keemilised omadused.

Molekulid koosnevad aatomitest. Kui molekul laguneb, on sellest tekkivad aatomid on võrreldes esialgse ainega hoopis teistsuguste omadustega. Aine omadused on määratud molekulides sisalduvate aatomite arvu ja liigiga ning sõltuvad ka aatomite ruumilisest paigutusest molekulides

Fotol on süsinikuaatomid. Vasakpoolsel teemanti kristallvõres, paremal nanotorus. 1Å (ongström) = 10^-10m

Aineid, mida ei saa keemilisteks koostisosadeks lagundada, nimetatakse keemilisteks elementideks.

Ainehulk. Mass. Tihedus

Ainehulk on füüsikaline suurus, mis iseloomustab ainekoguses sisalduvate molekulide arvu.

Ainehulga mõõtühikuks on mool (1 mol). Mool on SI fundamentaalühik. 1 mool on selline ainehulk, milles molekulide arv võrdub 0,012 kg süsinik-12 aatomite arvuga. 1 mool mistahes ainet sisaldab ühepalju molekule – seda arvu nimetatakse Avogadro arvuks

N_A = 6,0221367·10²³ mol^-1 ≈ 6,02·10²³ mol^-1

Keha ainehulk (ν – kreeka täht nüü) võrdub selle keha molekulide arvu (N) ja Avogadro arvu (N_A) suhtega:

Kümnendas klassis defineerisime keha massi kui füüsikalise suuruse, mis iseloomustab keha inertsust (inetrne mass) ja/või selle võimet astuda gravitatsioonilisse vastastikmõjusse (raske mass), on selle abil võimalik kirjeldada ka kehas sisalduva aine kogust.

Kuna molekulide ja aatomite massid on väga väikesed (suurusjärgus 10^-24kg), siis kasutatakse nende kirjeldamisel absoluutväärtuste asemel hoopis suhtelist väärtust – molekulmassi – aine molekulmass (M) iseloomustab mitu korda erineb tema molekuli mass (m₀) 1/12 süsinik-12 molekuli massist ehk aatommassiühikust (1u = 1/12m_C-12=1,6605402∙10^-27kg ≈ 1,66∙10^-27kg):

Teades, et ühes moolis sisaldub alati Avogadro arv osakest (N_A) ning ühe osakese massi (m₀), saame leida ühe mooli vastava aine massi – molaarmassi ( μ– kreeka täht müü):

Molaarmassi ühikuks on kilogrammi mooli kohta (1 kg/mol = 1 kg∙mol^-1).

NB! Keemiatunnis oled harjunud kasutama molaarmassi ühikuna g/mol, mis on põhiühikust 1000 korda väiksem. Seega kui soovid leida mõne aine molaarmassi, tuleb esmalt leida selle aine molekulmass liites kõigi selle aine molekulis olevate osakeste aatommassid (perioodilisuse süsteemist). Saadud suurusega on arvuliselt võrdne aine molaarmass grammides mooli (g/mol) või kilogrammides kilomooli (kg/kmol) koht. Põhiühikutes molaarmassi saame kui jagame saadud vastuse 1000-ga.

NÄIDE: Vee (H₂O) molekul koosneb kahest vesiniku (aatommass 1,0) ja ühest hapniku (aatommass 16,0) aatomist. Vee molekulmass on seega 2×1,0+1×16,0=18,0. Järelikult vee molaarmass on 18,0 g/mol = 18,0 kg/kmol = 18×10^-3 kg/mol.

Teades milline on konkreetse aine ainehulk, saame selle mass (m) leitav ainehulga (ν)  ja molaarmassi (μ) kaudu:

ning selles ainekoguses sisalduvate osakeste (molekulide) hulga saame leida valemist:

Molekulaarteooria põhiseisukohad

Molekulaarteooria aluseks on kolm põhiväidet:

• ained koosnevad osakestest (molekulidest ja aatomitest);
• need osakesed liiguvad kaootiliselt (lakkamatult ja korrapäratult);
• osakesed mõjutavad üksteist tõmbe- ja tõukejõududega (mis on oma olemuselt elektromagnetilised jõud)

Ideaalgaas ja reaalgaas

Ideaalne gaas ehk ideaalgaas on reaalse gaasi lihtsustatud mudel kus:

(1) gaasimolekulid loetakse punktmassideks;
(2) molekulide põrked anuma seintega on absoluutselt elastsed ning
(3) molekulide vahel puudub vastastikmõju.

Ehk teiste sõnadega ideaalse gaasi korral:

(1) jäetakse molekulide ruumala arvestamata,
(2) anuma seinaga põrkudes muutub ainult molekuli kiiruse suund, suurus jääb samaks ning
(3) gaasimolekulide vahel ei mõju tõmbe- ega tõukejõude.

Reaalse gaasi ehk reaalgaasi molekulid seevastu on kindlate mõõtmetega – mistõttu pole reaalgaasi võimalik erinevalt ideeal­gaasist lõpmatult kokku suruda – mingil hetkel saab gaasi ruumala võrdseks gaa­si­mo­le­kulide ruumala summaga – gaas veeldub. Samuti mõjuvad reaalgaasis osakeste vahel küll nõrgad, aga siiski märgatavad tõmbe- ja tõukejõud ning gaasimolekulid asuvad vastastikmõjusse ka anuma sei­ntega, kokkupuutel seinaga tekib hõõrdumine, mistõttu ei saa molekulide põrkeid lugeda ab­so­luut­selt elastseks ning põrkel muutuvad nii molekuli kiiruse suund kui arvväärtus.

Reaalset gaasi kokku surudes, muutub see mingi rõhu/temperatuuri juures vedelikuks. Ideaalgaasi võib aga lõpmatuseni kokku suruda.

Siiski saame hõredaid reaalgaase kirjeldada küllalt täpselt ideaalgaasi mudeli abil.

Siseenergia. Soojusenergia.

Kuna kehad koosnevad molekulidest (või aatomitest), mis on pidevas ja lakkamatus soojusliikumises ning mis mõjutavad vastastikku üksteist. Soojusliikumise tõttu omavad molekulid kineetilist energiat, vastastikmõju tõttu aga potentsiaalset energiat.

Liikuvad molekulid elektronmikroskoobist vaadatuna

Siseenergiaks nimetataksegi kehade koostisosakeste kineetiliste ja potentsiaalsete energiate summat. Siseenergia kineetilise energia komponenti nimetatakse soojusenergiaks ehk lihtsalt soojuseks.

Temperatuur kui soojusenergia mõõt

Temperatuur on füüsikaline suurus, mis on kehas sisalduva soojusenergia peamiseks mõõduks – mida kõrgem on keha temperatuur, seda suurem on tema koostisosakeste kineetiline energia – seda intensiivsem on osakeste soojusliikumine – seda suurem on kehas sisalduv soojusenergia.

Saab näidata, et ideaalse gaasi korral kehtib osakeste kineetilise energia ja temperatuuri vahel seos

kus   – gaasimolekulide keskmine kineetiline energia (molekulide kineetiliste energiate arit­mee­ti­line keskmine), k = 1,3806578∙10^-23 J/K ≈ 1,38∙10^-23 J/K – Boltzmann’i konstant ning T – keha temperatuur.

Seega võime öelda, et mikrokäsitluses on keha (absoluutne) temperatuur gaasimolekulide keskmise kineetilise energia mõõduks. Mida kõrgem on gaasi temperatuur – seda kiiremini liiguvad selle gaasi (ka teiste kehade) molekulid.

Erineva temperatuuriga kehad võivad üksteisega energiat vahetada – seda nähtust nimetatakse soojusvahetuseks.

Energiat antakse alati soojemalt (kõrgema temperatuuriga) kehalt külmemale ja mitte kunagi vastupidi. Makrokäsitluses iseloomustab keha temperatuur kehade vahel toimuva soojusvahetuse protsessi suunda: soojusvahetuse käigus kõrgema temperatuuriga keha temperatuur kahaneb ja madalama keha temperatuur kasvab.

Temperatuuriskaalad

Tavaliselt kasutatakse temperatuuri mõõtmiseks kehade soojuspaisumist – so omadust, kus keha ruumala muutus on võrdeline keha temperatuuri muutusega. Ruumala muutumise põhjuseks on osakeste soojusliikumine – mida intensiivsemalt osakesed liiguvad (mida kõrgem on temperatuur), seda rohkem ruumi osakesed enda ümber vajavad.

Seega kõrgema temperatuuriga kehas asuvad osakesed teineteisest kaugemal – keha ruumala on suurem, madalama temperatuuriga kehas on osakesed teineteisele lähemal – ruumala on väiksem.

On kindlaks tehtud, et keha joonmõõtmete muutus on võrdeline keha temperatuuri muutusega.

Temperatuuri mõõtmiseks koostatakse temperatuuriskaala, selleks

• valitakse skaala püsipunktid so punktid, mille temperatuur on teada/kokku lepitud
• jagatakse püsipunktide vahemik võrdseteks osadeks

Peamiselt on kasutusel 3 temperatuuriskaalat:

(1) Celsiuse skaala,
(2) Absoluutne temperatuuri ehk Kelvini skaala ning
(3) Fahrenheiti skaala

Celsiuse skaala on saanud oma nime Rootsi füüsiku ja astronoomi Anders Celsius’e järgi, kes tegeles erinevate linnade pikkus- ja laiuskraadide täpse määramisega, samuti Päikese uurimise ning tähtede heleduse kirjeldamisega. Celsiuse skaala üheks püsipunktiks on võetud vee kolmikpunkt – see on punkt, mille juures vesi saab olla kõigis kolmes olekus – tahkes (jääna), vedelas ja gaa­si­li­ses (auruna). Teiseks püsipunktiks on skaalal võetud vee keemis­tem­pe­ratuur normaalrõhul (760 mmHg) ning nende punktide vahe on jagatud sajaks võrdseks osaks – Celsiuse kraadiks. Seega jää sulab Celsiuse skaalal 0°C ja vesi keeb 100°C juures.

Fahrenheit’i skaala on saanud oma nime saksa teadlase, leiutaja ja klaasipuhuja Daniel Gabriel Fahrenheit’i järgi. Fah­ren­heit’i suurimaks saavutuseks peetakse elavhõbeda­ter­mo­meetri leiutamist 1714. aastal.  Fahrenheit’i skaala püsipunktideks on võetud erilise, selle skaala loomise ajal 1724. aastal kõige madalama temperatuuri andnud vee, jää- ja salmiaagi (ammooniumkloriid NH₄Cl) segu vahekorras 1:1:1 temperatuur, teiseks püsipunktiks aga inimkeha temperatuur. Nende punktide vahe on jagatud samuti sajaks võrdseks osaks – Fahrenheiti kraadiks. Seega on jää- ja salmiaagi segu temperatuur 0 °F ning inimkeha temperatuur 100 °F

Kelvini ehk absoluutse temperatuuri skaalal on ainult üks püsipunkt – skaala nullpunktiks on võetud teoreetiline temperatuur, mille juures soojusliikumine lõppeb.

Kelvini temperatuuriskaala samm – Kelvini kraad ehk lihtsalt kelvin on valitud selline, et vee kolmikpunkti ja keemispunkti tempe­ra­tuu­ri­de vahe oleks 100 kraadi – ehk teisisõnu temperatuuri muutus 1K vastab temperatuuri muutusele 1°C.

Kelvini kraad (kelvin) on üks SI seitsmest fundamentaalühikust.

Erinevatel skaaladel mõõdetud temperatuuride teisendamine:

Fahrenheiti skaalal mõõdetud temperatuuri teisendamine Celsiuse kraadidesse:

[°C] =  ([°F] – 32) × 5⁄9

Kelvini skaalal mõõdetud temperatuuri teisendamine Celsiuse kraadidesse:

[°C] = [K] − 273,15

Celsiuse skaalal mõõdetud temperatuuri teisendamine kelvinitesse:

[K]  = [°C] + 273,15

Tänapäeval on ühikute vastastikkuseks teisendamiseks mõistlik kasutada mõnda teisendusrakendust/mobiiliäppi. (Näiteks Smart Tools for Android)

Ideaalse gaasi rõhk

Lae alla ning katseta ideaalse gaasi rõhu simulatsiooni. (NB! Java äpp ei tööta paljudes telefonides/tahvlites)

Ideaalse gaasi molekulid põrkuvad anuma seintega, nende liikumishulk (impulss) muutub ning seetõttu mõjutavad gaasimolekulid seina mingi jõuga.

Rõhk iseloomustab jõu (mida gaasimolekulid põrkudes seinaga avaldavad) mõju pinnaühikule

Gaasimolekulid põrkuvad pidevalt anuma seintega. Põrkel muutub nende liikumishulk – järelikult mõjutab sein igal põrkel molekuli ning molekul omakorda seina mingi jõuga

Millest sõltub gaasimolekulide poolt anuma seintele avaldatav jõud?

(1) osakeste liikumiskiirusest: mida kiiremini osake liigub, seda rohkem muutub põrkudes osakese liikumishulk, seda suurem on seinale avaldatav jõud ning seda suurem on rõhk

(2) osakese massist: mida suurem on osakese mass, seda suuremat mõju ta seinaga põrkudes avaldab, seda suurem on jõud ning seda suurem on rõhk;

(3) osakeste kontsentratsioonist: mida rohkem on osakesi ruumalaühikus, seda rohkem põrkeid seintega, seda suurem jõud seinale mõjub ning seda suurem on rõhk.

Ülaltoodut arvestades saab näidata, et ideaalse gaasi molekulide poolt anuma ja seintele avaldatav rõhk, mis on kõikides suundades ühe­su­gune, on arvutatav valemist:

kus: p – ideaalse gaasi poolt anuma seintele avaldatav rõhk, n – molekulide kontsentratsioon n=N/V (N– osakeste arv anumas; V – anuma ruumala), mõõdetühikuks  1m^-3 – loe osakest kuupmeetri kohta, m₀ – molekuli mass ning  –  molekulide ruutkeskmine kiirus, mis sisuliselt on kõikide gaasimolekulide kiiruste ruutude aritmeetiline keskmine ning sõltub sellest millise gaasiga on tegu ning eelkõige sellest, milline on selle gaasi temperatuur

Mikro ja makroparameetrid

Gaasides toimuvaid protsesse on ideaalgaasi mudeli abil võimalik kirjeldada mikrokäsitluses – see tähendab arvestades gaasimolekulide tasandil toimuvaid nähtusi. Füüsikalisi  suurusi, mis kirjeldavad gaase (aga mitte ainult) mikrokäsitluses, nimetatakse mikroparameetriteks.

Tüüpilised mikro­pa­ra­meetrid on molekuli mass, molekuli (ruutkeskmine) kiirus, osakeste arv, osakeste kontsentratsioon jne.

Neidsamu protsesse on võimalik kirjeldada ka makrokäsitluses – see tähendab laskumata molekulaartasandile ning kirjeldades gaasikogust kui tervikut. Suurusi, mis kirjeldavad gaase (ja mitte ainult) makrokäsitluses nimetatakse makroparameetriteks.

Tüüpilised makroparameetrid on gaasi (keha) ruumala, mass, temperatuur, tihedus jne.

Ideaalgaasi olekuvõrrand

Mikrokäsitluses kirjeldab gaasides toimuvat näiteks ideaalse gaasi rõhu valem:

kus: p – ideaalse gaasi poolt anuma seintele avaldatav rõhk, n – molekulide kontsentratsioon n=N/V (N– osakeste arv anumas; V – anuma ruumala), mõõdetühikuks  1m^-3 – loe osakest kuupmeetri kohta, m₀ – molekuli mass ning  –  molekulide ruutkeskmine kiirus.

Samuti ideaalse gaasi molekulide keskmise kineetilise energia seos gaasi temperatuuriga:

kus   – gaasimolekulide keskmine kineetiline energia, k = 1,38∙10^-23 J/K – Boltzmann’i konstant ning T – gaasi temperatuur.

Temperatuur on mikrokäsitluses keha (gaasi) molekulide keskmise kineetilise energia mõõduks – mida kiiremini osakesed liiguvad, seda kõrgem on selle gaasi (või mõne teise keha) temperatuur.

Nii saame üsna kergesti siduda omavahel kaks gaasi kirjeldavat makroparameetrit:

kus p – gaasi rõhk, n – osakeste kontsentratsioon, T – gaasi temperatuur ning k = 1,38∙10^-23 J/K – Boltzmann’i konstant.

Siiski sisaldab see avaldis veel ühte mikroparameetrit – kontsentratsiooni n, mis kirjeldab osakeste arvu (N) ruumala (V) kohta. Et

ja

kus m – aine mass,  – aine molaarmass, N_A = 6,02·10²³ mol^-1 – Avogadro arv.

Saame vajalikke asendusi tehes avaldise, mis seob omavahel peamised gaase iseloomustavad makroparameetrid – massi (m), ruumala (V), rõhu (p) ning temperatuuri (T). Seda avaldist tuntakse ka ideaalgaasi olekuvõrrandina:

kus p – gaasi rõhk, V – gaasi ruumala, m – gaasi mass,  – gaasi molaarmass, T – gaasi temperatuur ning R = N_A∙k = 8,314510 J/(mol·K) ≈ 8,31 J/(mol·K)   – universaalne gaasikonstant.

Kui gaasikogus (gaasi mass m või ka ainehulk )  jääb mingisuguse protsessi käigus muutumatuks st protsess toimub hermeetiliselt  suletud (ümbritsevast keskkonnast isoleeritud) anumas, võtab ideaal­se gaasi olekuvõrrand kuju:

kus p₁, V₁, T₁ – on gaasi rõhk, ruumala ja temperatuur ühes olekus, p_N, V_N ja T_N – aga sama gaasikoguse rõhk, ruumala ja temperatuur mingis teises olekus.

Isoprotsessid

Selliseid protsesse, kus lisaks ideaalse gaasi kogusele jääb muutumatuks veel mõni gaasi makroparameetritest, nimetatakse isoprotsessideks.

Isoprotsessi käigus võib muutumatuks võib jääda

(1) gaasi rõhk,
(2) gaasi temperatuur või
(3) gaasi ruumala.

Isoprotsesse kirjeldatakse ideaalse gaasi olekuvõrrandist:

kus p₁, V₁, T₁ – on gaasi rõhk, ruumala ja temperatuur ühes olekus, p_N, V_N ja T_N – aga sama gaasikoguse rõhk, ruumala ja temperatuur mingis teises olekus.

Isotermiline protsess

Kui protsessi käigus ei muutu ideaalse gaasi temperatuur, nimetatakse seda isotermiliseks prot­ses­siks.

Kuna protsessi käigus jääb temperatuur samaks ehk T₁ = T_N, siis võtab isotermilist protsessi kirjeldaval ideaalse gaasi olekuvõrrand kuju:

 Seda avaldist tuntakse ka kui Boyle’ – Mariotte’i seadusena, kes on vastavalt inglise ja prantsuse tead­lased, kes nimetatud seadus­pä­rasuse teineteisest sõltumatult avastasid.

Seadusest nähtub, et kui jääval tem­pe­ra­tuuril gaasi kokku suruda (ruumala vä­heneb), siis suureneb gaasi rõhk, kui aga gaas paisub jääval temperatuuril, siis rõhk väheneb.

Isotermiliseks võime lugeda prot­sessi, mis toimub auto sisepõlemismootorites, kui kütusesegu plah­va­tab ning seejärel kiiresti paisub, liigutades samal ajal silindris liikuvat kolbi. Isotermilisi protsesside kasutataksegi peamiselt gaaside siseenergia muutmisel mehaaniliseks tööks.

Isobaariline protsess

Protsessi, mille käigus jääb muutumatuks gaasi rõhk, nimetatakse isobaariliseks protsessiks.

Kuna protsessi käigus ei muutu gaasi rõhk ehk p₁ = p_N, siis avaldub isobaarilise protsessi korral ideaalse gaasi olekuvõrrand kujul:

 Avaldist teatakse ka selle avastanud prantsuse füüsiku Louis Joseph Gay-Lussac’i järgi Gay-Lussac’i seadusena.

Kui protsessi käigus ei muutu rõhk, siis gaasi soojenedes gaasi ruumala suureneb, jahtumisel toimub aga ruumala vähenemine.

Isobaariliseks saame lugeda nähtust, kus soojas toas kindla ruumalani täis puhutud ja seejärel suletud õhupall õue külma kätte viies kokku tõmbub – rõhk pallis on nii toas kui õues võrdne välisrõhuga, kuid kuna õues on gaasi temperatuur madalam, siis peab ka gaasi ruumala vähenema.

Isohooriline protsess

Protsessi, mille käigus jääb muutumatuks gaasi rõhk, nimetatakse isohooriliseks prot­ses­siks.

Kuna protsessi käigus ei muutu gaasi ruumala ehk V₁ = V_N, siis avaldub isohoorilise protsessi korral ideaalse gaasi olekuvõrrand kujul:

Avaldist teatakse ka selle avastanud prantsuse füüsiku Jaques Charles’i järgi Charles’i seadusena.

Gaasi temperatuuri suurenemisel olukorras, kui gaasi ruumala ei saa muutuda, gaasi rõhk suureneb.

Isohooriline protsess on näiteks jäikade seinte ja muutumatu ruumalaga anumasse suletud gaasi soojenemine ja/või jahtumine – kui metallballooni suletud gaasi kuumutada, suureneb pudelis oleva gaasi rõhk ning kui see muutub liiga suureks, võib balloon plahvatada.

---

Termodünaamika alused

---

Soojusenergia muutmise 2 viisi 

Kehad koosnevad molekulidest, mis on pidevas soojusliikumises ning mõjutavad üksteist tõmbe- ja tõukejõududega. Kui keha (osake) liigub, siis omab ta kineetilist energiat. Kui keha (osake) on teiste kehadega vastastikmõjus, siis omab ta potentsiaalset energiat. Seega omavad molekulid, millest kehad koosnevad nii kineetilist kui ka potentsiaalset energiat. Keha koostisosakeste kineetiliste ja potentsiaalsete energiate summat nimetataksegi keha siseenergiaks.

Siseenergias sisalduvat osakeste kineetilise energia komponenti nimetatakse soojusenergiaks ehk lihtsalt soojuseks. Edaspidi kõnelemegi kehade siseenergiast rääkides peamiselt keha soojusest.

Keha siseenergiat on võimalik muuta kahel moel:
(1) soojusülekandega ning
(2) mehaanilise tööga.

Videos muudetakse mehaaniline, hõõrdumise ületamiseks tehtav töö soojuseks.

Soojusülekanne. Soojusülekande liigid

Olukorda, kus kaks keha omavahel soojusenergiat vahetavad nimetatakse soojusülekandeks.

Soojusülekandel antakse energiat alati kõrgema temperatuuriga kehalt madalama temperatuuriga kehale. Soojusülekanne kestab kuni sellest osa võtvate kehade temperatuurid on võrdsustunud.

Soojusülekandeid on kolme liiki:
(1) otsene soojusvahetus ehk soojusjuhtivus;
(2) konvektsioon ja
(3) soojuskiirgus

Otsene soojusvahetus

Kui kaks erineva temperatuuriga keha on omavahe vahetus kokku­puu­tes, toimub soojusenergia üleminek kõrgema tem­pe­ra­tuu­riga kehalt madalama temperatuuriga kehale otsese soojus­va­hetuse ehk soojus­juhtivuse teel.

Otsese soojusvahetuse korral antakse osakeste vahel toimuvate põrgete tagajärjel keha soojemas osast külmemasse (soojemalt kehalt külmemale) edasi ainult soojusenergiat, osakesed ise keha(de)s oma asukohta ei muuda.

Soojusjuhtivus toimib eeskätt tahketes kehades, vähesel määral ka vedelikes, kuid gaasides soojusjuhtivust peaaegu ei esine.

Tuleb tähele panna, et soojus liigub erinevates materjalides erineva kiirusega – keha omadust, mis ise­loomustab soojuse ülekandmise kiirust keha erinevate osade vahel, nimetatakse soojus­juh­ti­vusteguriks.

Mida kõrgem on soojusjuhtivustegur, seda pare­mini juhib materjal soojust. Soojusjuhtivustegur võimaldab hinnata ajaühikus keskkonna ristlõiget läbivat soojushulka.

Näiteks on kõik metallid väga kõrge soojusjuhtivusteguriga – nad on head soojusjuhid; puit, paber, kummi ja paljud plastikud on halvad soojusjuhid – nende soojusjuhtivustegur on väike.

Konvektsioon

Konvektsioon, on soojusülekande vorm, mille korral antakse energiat vedeliku/gaasi ühelt osalt teisele tänu sellele, et osakesed liiguvad vedeliku/gaasi kuumematest osadest külmematesse. Koos soojusega kantakse keha külmematesse osadesse ka kuumemate osade ainet. Konvektsioon saab toimuda nii vedelikes kui ka gaasides. Tahkistes kon­vekt­sioo­ni ei esine.

Punane värvaine satub anuma piirkonda, mida altpoolt soojendatakse

Konvektsiooni tekkimist saame selgitada soojuspaisumise nähtusega.

Kui vedeliku/gaasi mingi osa temperatuur tõuseb, siis selle ruumala suureneb. Ruumala suurenemisega kaasneb selle vedeliku/gaasi tiheduse vähenemine. Kui väiksema tihedusega keha (materjal) satub vedelikku/gaasi, mille tihedus on tema omast suurem, siis tõugatakse ta vede­li­ku/gaasi pinnale.

Kuna konventsiooni korral on pinnale lükatavaks kehaks soojenenud vedelik, siis tuleb pinnale tõusnud vedeliku asemele pinna poolt külmem vedelik/gaas. Vedelikku/gaasi tekib ringlev liikumine, mis kestab seni kuni vedeliku/gaasi temperatuur on kogu ruumala ulatuses ühtlustunud.

Soojuskiirgus

Soojuskiirgus on elekromagnetlaine, mis tekib kehades nende koostisosakeste ergastamisel teiste soojus­lii­ku­mi­ses olevate osakeste toimel.

Kuumad kehad kaotavad tänu sellele, et nad kiirgavad soojuskiirgust oma soojusenergiat. Seevastu külmematel kehadel on aga võime kõrgema temperatuuriga kehade poolt tekitatud soojuskiirgust neelata – nii leiabki aset soojusülekanne kõrgema temperatuuriga kehalt madalama temperatuuriga kehale soojuskiirguse abil.

Keha poolt kiiratava soojuse hulk sõltub
(1) keha temperatuurist (mida kõrgem temperatuur, seda rohkem kiirgab),
(2) keha pindalast (suurema pinnaga kehad kiirgavad rohkem) ning
(3) keha pinna värvist (tumedamad kehad kiirgavad rohkem).

Kuna soojuskiirgus on elektromagnetlaine, ei vaja ta levimiseks keskkonda – elektromagnetlaine suudab levida ka täielikus tühjuses ehk vaakumis. Just tänu soojuskiirgusele jõuab Päikese pinnal tekkiv soojus Maale ning teistele planeetidele.

Soojushulk

Soojusenergia hulka, mille keha soojusülekandel saab või kaotab, nimetatakse soojushulgaks.

Kui keha saab soojust ehk tema siseenergia suureneb, siis loetakse soojushulk positiivseks. Kui keha soojusülekandel annab soojust ära ehk tema siseenergia väheneb, siis loetakse soojushulk negatiivseks.

Olukorras, kus keha aine olek ei muutu, on keha poolt saadav/ära antav soojushulk on võrdeline keha massiga ning temperatuuri muuduga ning sõltub materjalist.

Q=cmΔT

kus Q – soojushulk, m – keha mass ning ΔT = T₂ – T₁ – temperatuuri muutus (T₂ ja T₁ on soojusülekande käigus soojenenud/jahtunud keha vastavalt lõpp- ja algtemperatuurid), c – on keha materjali ise­loo­mus­tav erisoojus.

NB! Ehkki temperatuuri põhiühikuks on kelvin, võib käesolevas valemis kasutada ka Celsiuse kraadides mõõdetud temperatuure, sest temperatuuri muutus mõlemal skaalal on ühesugune.

Erisoojus iseloomustab soojushulka, mis on tarvis 1 kilogrammile ainele, et tema temperatuur suureneks 1K võrra – sama suur soojushulk vabaneb kui 1 kg aine temperatuur langeb 1K võrra.

Kui soojusülekande protsessist võtab osa mitu keha, siis suletud süsteemis – see tähendab süsteemis, mis ümbritseva keskkonnaga soojust ei vaheta – on soojema(te) keha(de) poolt ära antav soojushulk on alati sama suur kui külmema(te) poolt saadav ehk:

Q₁ +Q₂ +… +Q_N=0

kus Q₁, Q₂ … Q_N on erinevate suletud süsteemi kuuluvate soojusvahetuses osalevate kehade soojushulgad.

Termodünaamika I printsiip

Kehade süsteemi, millesse kuuluvate kehade vahel toimuvad soojuslikud ja mehaanilised protsessid ning mis pole vastastikmõjus süsteemiväliste kehadega, nimetatakse isoleeritud termodünaami­liseks süsteemiks.

Kui kehade vahel leiab aset soojusülekanne, siis on keha siseenergia muuduks soojushulk. Kui kehad on omavahel mehaanilisest vastastikmõjus, on ühelt kehalt teisele ülekantud energia mõõduks mehaaniline töö.

Isoleerimata termodünaamilise süsteemi siseenergia muut (ΔU) on võrdne süsteemile soojus­üle­kandel väliskeskkonna poolt antud soojushulga (Q_v) ning süsteemiga tehtud mehaanilise töö (A) summaga:

ΔU=A+Q_v

Kirja pandud seost tuntakse kui termodünaamika I printsiipi (seadust)

Süsteem sai ka ise teha tööd (A’), kusjuures süsteemi poolt tehtav töö on arvuliselt võrdne süsteemiga välisjõudude poolt tehtava tööga, kuid on sellega vastasmärgiline:

A’=-A

Nii saame süsteemi poolt tehtava töö avaldada Termodünaamika I printsiibi kaudu:

A’= Q_v – ΔU

mis aga välistab selliste masinate – igiliikurite ehk Perpetuum mobile –  loomise, mis ei vaja töö tegemiseks energiat, võimaluse.

Teisisõnu – iga masin saab teha tööd kas väliskeskkonnast saadava soojusenergia ja/või selle puudumisel oma siseenergia kahanemise arvelt.

Ideaalse gaasi poolt tehtav töö

Uurime, millest sõltub ideaalgaasi poolt tehtava töö suurus.

Asugu ideaalne gaas kolviga, mille põhjapindala on S suletud silindris. Asetame kolvile koormise, mille mass on m.

Arvutame kui suur töö tehakse selle koormise liigu­tamisel kui gaasi ruumala suureneb (gaas paisub) ning sellega kaasnev kolvi liikumine paneb liikuma sellel asuva koormise.

Gaasi olekuparameetrid (rõhk, ruumala, tempe­ra­tuur) protsessi alguses on vastavalt T₁, p₁ ja V₁ ning protsessi lõppedes T₂, p₂, V₂.

Vaatleme lihtsuse mõttes olukorda, kus gaasi rõhk paisumise käigus ei muutu (isobaariline protsess – p₁ = p₂ = p).

Et kolb liigutab koormist teepikkuse s = h₂ – h₁ võrra ning kolbi liigutav jõud peab olema võrdne kolvile mõjuva rõhumisjõuga (p=F/S à F = pS), saame leida koormise liigutamiseks välisjõudude (kolbi liigutava gaasi) poolt tehtud töö:

A’= Fs = pS(h₂-h₁)= p(Sh₂-Sh₁)= pV₂ – pV₁

ehk

kus A’ – (koormise liigutamiseks) gaasi poolt paisumisel tehtud töö; p – gaasi rõhk isobaarilises protsessis ning ΔV – gaasi ruumala muutus

Kirjeldame gaasi paisumist Vp-teljestikus, näeme, et isobaarilise protsessi korral, on gaasi poolt tehtud töö võrdne Vp-teljestikku joo­nes­tatud paisumisprotsessi kirjeldava graafiku alla jääva kujundi pind­alaga.

Taolist, graafiku alla jääva kujundi pindala leidmise teel suurusele väärtuse arvutamist nimetatakse graafiliseks integreerimiseks ning seda saab kasutada ka gaasi töö arvutamiseks kui gaasi rõhk protsessi käigus muutub.

Isotermilise protsessi korral on graafikuks hüperbool ning selle alla alg- ja lõpp-ruumala tähistavate abijoonte vahele jääva kujundi pindala ongi võrdne isotermilises protsessis gaasi paisumisel tehtud tööga.

Termodünaamika I printsiip ja isoprotsessid

Milline gaasiga toimuv soojuslik protsess on gaasi töö seisukohalt kõige kasulikum?

Kui gaas teeb tööd, siis muutub tema siseenergia. Gaasi siseenergiat võib muuta ka soojusülekanne (kui gaas soojeneb või jahtub väliskeskkonnaga kokkupuutes):

ΔU = Q_v –A’ –> A’ = Q_v-ΔU

ΔU=cmΔT

Eeldame, et gaas saab kõigis isoprotsessides väliskeskkonnalt ühesuguse soojushulga Q_v.

Isohoorilises protsessis gaas ei paisu – järelikult ei tee gaas saadava soojuse arvelt tööd, kogu gaasile antav energia läheb gaasi temperatuuri (siseenergia) suurendamiseks –> Q_v = ΔU = cmΔT

Isobaarilises protsessis on gaasi temperatuur võrdeline ruumalaga, seega gaasi temperatuuri suurenemisel (siseenergia suurenemisel) gaas paisub. Paisumisel teeb gaas aga tööd.

Isobaarilistes prot­sessides jaguneb gaasile antav soojus siseenergia suurenemiseks (temperatuuri tõusuks vajaliku) ning gaasi poolt tehtava tööks (ruumala suurenemise ehk paisumise) vajaliku energiakoguse vahel. Nii muutubki isobaarilise protsessi käigus gaasi tööks ainult osa gaasile antud soojusest –> Q = A’ + cmΔT

Kuna gaasi siseenergia sõltub temperatuurist, siis isotermilise protsessi korral, kus gaasi temperatuur protsessi vältel ei muutu, ei muutu ka gaasi siseenergia. Kui isotermilises protsessis gaas paisub, siis kogu kulutatav soojus läheb gaasi tööks -> Q = A’

Seega gaas teeb kõige rohkem tööd isotermilise paisumise korral.

Adiabaatiline protsess

Sellist protsessi, mis toimub isoleeritud süsteemis kus gaasile ei anta ega ka võeta soojust ning tööd tehakse gaasi siseenergia arvelt nimetatakse adiabaatiliseks protsessiks

Adiabaatilise protsessi korral on väliskeskkonnalt saadud soojushulk Q_v=0) ning gaas saab teha tööd ainult oma siseenergia kahanemise arvelt.

---

Soojusmasinad

---

Soojusmasin ka termodünaamiline mootor on seadeldis, mis muudab soojusenergia mehaaniliseks tööks. Soojusmasinate töö põhineb tsüklilistel protsessidel.

Tavaliselt on soojusmasinates töötavaks kehaks paisuv gaas. Tehniliselt pole aga võimalik kasutada gaasi töö saamiseks lahendust, kus gaas paisuks isotermiliselt lõpmatuseni. Selleks, et muundada soojust pikema aja jooksul mehhaaniliseks tööks, tuleb paisuvat gaasi vahepeal kokku suruda ning kuna gaasi kokku surumisega kaasneb paratamatu temperatuuri tõus, siis tuleb gaasi vahepeal jahutada.

Energeetiliselt annab parima tulemuse kui gaasi paisumine, soojendamine, kokku surumine ja jahutamine toimuvad korduvalt kindlas üksteisele järgnevas järjekorras so tsüklitena.

Soojusmasin peab koosnema järgmistest põhimõttelistest osadest:

(1) Soojendist, mille ülesanne on anda töötavale kehale juurde tööks vajalikku energiat. Soo­jen­di saab oma energia tavaliselt kütuse põlemisel vabanevast energiast.
(2) Töötavast kehast – kõikides soojusmasinates on töötavaks kehaks gaas, mis teeb paisumisel tööd.
(3) Jahutist, mille ülesandeks on võtta töötavalt kehalt üle jäävat energiat, vältides niimoodi töötava keha temperatuuri liigset tõusu. Tänu jahutamisele tekib gaasil võimalus omandada soojendilt uus portsjon energiat.

Soojusmasina üks töötsükkel koosneb kolmest sammust:
I SAMM: soojendi annab kehale soojushulga (luuakse eeldus töö tegemiseks välise energia arvelt)
II SAMM: paisuv gaas teeb saadud soojushulga arvel tööd
III SAMM: gaas annab töö tegemisest üle jäänud soojushulga jahutile (taastub peaaegu samasugune olukord, mis oli enne kui gaas soojendilt soojust sai)
… ja tsükkel algab otsast peale.

Soojusmasinad on näiteks auruturbiin, aurumasin, sisepõlemismootor ja reaktiivmootor.

Soojusmasina kasutegur

Soojusmasinas ei saa põhimõtteliselt muundada tööks kogu töötava keha siseenergiat. Soojusmasina poolt tehtav töö (A’) sõltub soojendilt saadava (Q₁) ja jahutile antavate (Q₂) soojushulkade erinevusest:

Seega, mida suurem gaasi poolt soojendilt saadava ja jahutile antava soojushulga erinevus, seda rohkem tööd gaas teeb.

Füüsikalist suurust, mis iseloomustab tehtava (kasuliku) töö suhet soojendilt saadavasse soojushulka, nimetatakse soojusmasina kasuteguriks (η – kreeka täht eeta):

Sellist soojusmasinat, milles on töötavaks kehaks ideaalne gaas, nimetatakse ideaalseks soojusmasinaks.

Saab näidata, et ideaalse soojusmasina kasutegur sõltub ainult soojendi (T₁) ja jahuti (T₂) abso­luut­sete temperatuuride erinevusest:

Auruturbiin

Auruturbiin on soojusmasin, milles muundatakse kii­resti voolava aine (veeauru või muu gaasi – näiteks tuule, aga ka vee või mõne teise vedeliku) kineetiline energia me­haa­niliseks pöörd­lii­ku­mi­seks.

Turbiini põhiosad on (1) rootor, (2) laba(d) ja (3) düüs(id). Düüsidesse jõudev (4) aur surutakse düüsis kokku – auru siseenergia suureneb – gaasi­molekulid hakkavad kiiremini liikuma. Kiiresti liikuv aur paisatakse düüsidest rootori külge kinnitatud labadele, mis hakkavad liikuma pannes pöörlema rootori. Rootori külge on võimalik ühendada erinevaid seadmeid – näiteks elektrigeneraatoreid.   

Tavaliselt kuulub auruturbiini juurde veel ka katel või boiler.

Nii muudetakse katla koldes (I) kütuse siseenergia esmalt (II) soojuseks, mis juhitakse katlas olevasse vette – (III) vee siseenergia suureneb, vesi hakkab keema ja muutub auruks. Aur suunatakse düüsidesse, kus auru siseenergia (IV) muundatakse auru kineetiliseks energiaks ning juhtides auru rootori labadele, muutub selle kineetiline energia lõpuks (V) pöör­le­va rootori mehaaniliseks energiaks.

Aurumasin

Aurumasin on soojusmasin, mis muundab rõhu all olevas aurus talletatud soojusenergia mehaaniliseks energiaks.

Iga aurumasina  juurde kuulub kindlasti aurukatel või boiler, kus vesi aetakse keema puitu, kivisütt (või muud kütust) koldes põletades.

Aurumasina tähtsaimateks osadeks on silindris liikuv kolb, mis on vänt­mehhanismi abil ühendatud hoo­rat­taga ning sellega ühendatud siibrist, mille üle­san­deks on juhtida kuuma auru silindri erinevatesse kambri­tes­se.

Siiber avaneb ning aurukatlast tulev kuum aur juhitakse silindri va­sak­pool­sesse kambrisse pannes kolvi liikuma suunaga paremale. Kolb on väntmehhanismi abil ühendatud massiivse hoorattaga ning paneb selle pöörlema liigutades samal ajal ka siibri asendisse, mis võimaldab aurul siseneda silindri parempoolsesse kambriossa ning protsess kordub eespool kirjeldatule vastupidises suunas.

Aurumasinas toimuvad järgmised energia muundumised:
(I) põlemisel muundub kütuse siseenergia soo­jus­energiaks,
(II) soojusenergia juhitakse katlas olevasse vette, mille siseenergia suureneb – vesi muutub auruks,
(III) torudes muun­da­takse auru siseenergia auru kineetiliseks energiaks,
(IV) mis muundub kolvi ja  hooratta mehaaniliseks energiaks.

Sisepõlemismootor

Sisepõlemismootor on soojusjõumasin, milles kütuse keemiline energia muundub mehaaniliseks ener­giaks kütuse põlemisel mootoris endas. Just see asjaolu on sisepõlemismootorite peamiseks eeli­seks au­ru­masinate ees. Kui auru­ma­sinates toimub kütuse siseenergia vabanemine (põlemine) mootorist eraldi asuvas katlas, siis sise­põ­le­mis­moo­toris toimub põlemine  mootori sees.

Sisepõlemismootori tähtsaimateks osadeks on (1) silinder, (2) kolb, (3) vänt­meh­ha­nism, (4) hooratas, (5) küttesegu, (6) sisse- ja välja­laske­kla­pid ning jahutussüsteem, milleks on tavaliselt mootorit ümbritsev keskkond.

Sõltuvalt mootoris aset leidvatest töötsüklite arvust liigitatakse sise­põle­mis­moo­to­rid kahe- ja nelja­tak­tilisteks mootoriteks.

Neljataktilise mootori töö põhineb neljal, üksteisele kindlas järjekorras korduval protsessil – taktil. Kolvi kõrgeimat ja madalamat asendit silindris, kus sundvõnkuv kolb muudab oma liikumissuunda, ni­me­­tatakse vastavalt ülemiseks ja alumiseks surnud seisuks.
I takti – sisselasketakti – jooksul on avatud sisse­las­ke­­klapp, kolb liigub ülemisest surnud seisust alu­mis­se, tema kohale jääva silindriosa ruumala suu­re­neb, tekib alarõhk ning kütu­se­aurude ja õhu segu imetakse silindrisse.
II takti – survetakti – liigub pöörleva hoorattaga ühendatud kolb alumisest surnud seisust ülemisse – kütusesegu surutakse kokku.
III takti – töötakti – alguses toimub kütusesegu plahvatus – segu paisub ning kolb liigub taas ülemisest surnud seisust alumisse. Ainult selle takti ajal teeb silindris asuv gaasiline küttesegu oma paisumise tõttu tööd.
IV takti – väljalasketakti – jooksul liigub kolb alumisest surnud seisust ülemisse, selle takti vältel on avatud väljalaskeklapp ning silindris asuv töötanud ning jahtunud gaas juhitakse silindrist välja – taastub (peaaegu) esimese takti alguses valitsenud olukord, ainult mootori osade temperatuur on mõnevõrra suurenenud.

Jahutussüsteemi ülesandeks on mootorist liigse soojuse eemaldamine.

Kahetaktilises mootoris on ühendatud sisse­las­ke- ja survetaktid ning väljalaske- ja töötaktid.

Ehkki kahetaktilised mootorid on oma ehituse poolest lihtsamad ja seetõttu ka töökindlamad, on nende poolt arendatav võimsus enamasti palju väiksem kui neljataktilistel mootoritel. Seetõttu leiavad neljataktilised mootorid kasutust eelkõige nendes mehhanismides, kus on tarvis, et mootorid arendaksid  suuremaid võimsusi – autod, traktorid jne, kahetaktilised leiavad kasutust väiksemates mehhanismides nagu mootorsaed, trimmerid, rollerid aga ka mootorrattad.

Reaktiivmootor

Reaktiivmootor on soojusmasin, mis töötab kiiresti voolava gaasi- või vedelikujoa (reaktiivjuga) tekitatud reaktiivjõu tõttu.

Eristatakse turbiin- ja otsevoolu reaktiivmootoreid.

Turbiinreaktiivmootorite põhilisteks osadeks on komp­res­sor, mis koosneb erineva läbimõõdu ning labade asetusega turbiinidest. Kompressori ülesandeks on tekitada võimalikult suur erinevus mootorisse siseneva ning mootorist väljuva gaasi kiiruse (rõhu) vahel, põlemiskamber kus toimub kütte­se­gu põlemine kompressoris kokku surutud gaa­si­de koos­mõjul ning düüs, kus veelgi suurendatakse moo­to­rist väljuvate gaaside kiirust.

Gaasid surutakse turbiinidest koosnevas kompressoris kokku ja suunatakse põlemiskambrisse, milles toimub kü­tuse põlemine. Peale turbiinilabade ületamist suu­na­takse põlemisgaasid läbi düüsi ning tekib reaktiivjõud.

Turbiinreaktiivmootoreid kasutatakse erinevate reaktiiv­len­nu­kite ajamina.

Otsevoolu reaktiivmootorites pole pöörlevaid osi –  puuduvad kompressor ja turbiin, õhu kompresseerimine toimub mootori (lennuki) suure kiiruse mõjul.

Sellise reaktiivmootori sisselaskeavas asub terava otsaga reguleeritav koonus, mille tagumises laiemas osas on ülehelikiiruseline õhu­vool aeglustunud ning suurenenud rõhuga enne põle­miskambrisse jõudmist. Düüsist väljuvate põlemisgaaside kiirus on suurem kui mootorisse siseneva õhu kiirus. Otsevoolu reaktiivmootorid töötavad ainult suurel kiirusel lennates. Mida kiiremini lennata, seda suuremat võimsust mootor arendab. Seepärast leiavad otse­voolu reaktiivmootorid kasutamist peamiselt üle­heli­kii­ru­sel liikuvate sõja­lennukite ja rakettide ajamina.

Inimene kui soojusmasin

Inimene, nagu ka kõik ülejäänud elusorganismid vajavad toimimiseks „kütust“ – toitu –  mis erinevate biokeemiliste protsesside käigus erinevat liiki ener­gia­teks muundatakse.

Seega võime kõiki bioloogilisi olendeid füüsika seisukohalt liigitada soojus­masi­na­teks. Suurimaks erinevuseks auruturbiini või sise­põle­mis­moo­to­ri­te­ga on elusorganismide puhul asjaolu, et nad ei kasuta töö tegemiseks gaasi paisumist.

Elusolendid liiguvad lihaste abil kasutades selleks keeruka ehitusega molekulide – lihasvalkude – po­tent­siaalset energiat, mida tuleb suurendada välise kütuse – toidu manustamisega.

Nii nagu soojusmasinad, eraldavad ka bioloogilised olendid ümbritsevasse keskkonda soojust. Kui see võimalus puuduks, siis sellistes tingimustes elusolendid kaua eksisteerida ei suuda. Inimkeha jaoks on taoliseks kriitiliseks temperatuuriks umbes 36,6°C.

Kui soojusmasinad vajasid töötamiseks soojendit (keha, mis andis oma energiat töötavale gaasile), siis kuna elusorganismide puhul pole töötavaks kehaks gaas, siis ei vaja nad ka soojendit soojusmasina ehituse mõistes. Elusorganismide puhul tuleks käsitleda „soojendina“ allikat, kust saadakse töö tegemiseks vajalik energia.

Võrreldes „soojendilt“ ehk toidust saadava sisendenergia (Q₁) ning keha poolt väliskeskkonda eraldatava soojusenergia (Q₂) koguseid, näeme, et inimkeha kasutegur jääb suurusjärku kümmekond protsenti, maksimaalselt 25%  kui inimene teeb väga rasket füüsilist tööd või pingutab muul moel – näiteks sportides. Samas kulutab inimkeha energiat ka magades ning vaimset (mis pole füüsika seisukohast mehaaniline) tööd tehes – nendes olukordades on inimkeha kasutegur võrdne nulliga. Nii ei olegi inimese vaimne töö ega ka selleks kuluv energia füüsika uurimisobjektiks.

---

Termodünaamika II seadus

---

Kord ja korratus

Vaatleme nähtust kus 1kg massiga keha, mis liigub kiirusega 10 m/s, peatub hõõr­du­mise tõttu. Selle protsessi käigus läheb keha kineetiline energia 50J, mis meie kehal on protsessi alguses „kaduma“.

Loomulikult kehtib energia jäävuse seadus ning me teame, et kineetiline energia muundus mingiks teiseks energialiigiks – eeldame, et see muutus pidurdunud keha soojusenergiaks. See tähendab, et keha molekulide keskmine kiirus on esialgsega võrreldes suurenenud.

Me saame keha kui terviku liikumist vaadelda kui korrastatud liikumist – tõepoolest, kõik keha koostis­osakesed liiguvad tervikuna (suhteliselt) ühte moodi, soojusliikumine, nagu me teame on kaootiline – see tähendab korrapäratu liikumine ja kui keha liikumine lakkab, kaob ka osakeste liikumises korrastatus.

Meie näites muundus suurema korrastatusega mehaaniline (kineetiline) energia iseeneslikult väiksema korrastatusega (korratumaks) soojusenergiaks. Vastupidine protsess aga ilma kõrvaliste mõjude vahele segamiseta toimuda ei saa – korratum energia ei muundu iseeneslikult korrastatumaks. Sarnane on olukord ka teiste energialiikidega – iseeneslikult saavad toimuda vaid need protsessid, mille käigus korratus suureneb.

Protsesside pööratavus

Küllap olete tähele pannud, et looduses iseeneslikult toimuvad protsessid on (erinevalt juures­ole­vates tagurpidivideotes nähtavast) alati pöördumatud:

• klaas puruneb põrandale kukkudes kildudeks, aga iseenesest killud tagasi klaasikujuliseks kehaks kokku ei kogune;
• jääkuubik sulab ning laiali valguv vesi katab taldriku ühtlase veekihiga, kuid veekiht ei moodusta kunagi iseenesest tagasi algset jääkuubikut

• asetades külma lusika kuuma tee sisse, tee jahtub ning lusikas soojeneb, aga iseenesest (see tähendab kõrvalise tegevuseta) ei juhtu nii, lusikas jahtub ja tee muutub selle tulemusena veel kuumemaks;
• kui avada toas õhupallinöör, siis jookseb pall kiiresti õhust tühjaks, aga mitte kunagi ei teki olukord, kus toas olev õhk täidaks iseenesest õhupalli õhuga;
• tube on tarvis koristada isegi siis kui sa neid üldse ei kasuta, aga iseenesest ei korrastu ruumid mitte kunagi.

Üksi eelpoolkirjeldatud looduses iseenesest mittetoimuvatest protsessidest ei ole keelatud energia jäävuse seadusest lähtuvalt, seda “keelab” termodünaamika II printsiip, millel on mitu erinevat üks­tei­se­ga samaväärset sõnastust:

(1) Soojus ei saa minna iseenesest külmemalt kehalt soojemale

(2) Süsteem püüab iseenesest minna üle korrastatud olekult mittekorrastatule

(3) Loodus püüab minna üle vähemtõenäolistelt olekutelt tõenäolisematele

Rangelt võttes puutume koolifüüsika kursuses kokku vaid ühe täielikult pööratava protsessiga – valguse levimisega.

Nimelt ei ole valguse levimise seisukohalt oluline millises suunas valgus liigub – samades tingimustes on valguskiire tee täielikult pööratav – on ükskõik kas valgus langeb läätsele kas vasakult või paremalt, valguskiire teekond sellest ei muutu.

Energia ülekanne. Energia kvaliteet

Nagu me oleme näinud, liigub soo­jus­energia alati soo­je­malt kehalt külmemale.

Sellel nähtusel põhines soojus­masinate töö.

Joo­ni­sel (nn San­key diagrammil) on pro­port­sionaalselt noolte laiusega ku­ju­ta­tud soo­jen­dilt töötavale kehale antav soo­jus­hulk (Q₁), keha poolt tehtav töö (A’) ning kehalt jahutile üle antav soojushulk (Q₂). Energiaülekanne on seda intensiivsem, mida suurem on soojendi (T₁) ja jahuti (T₂) tem­pe­ratuuride erinevus.

Aja jooksul kehade temperatuurid ühtlustuvad, soojusülekanne lõppeb ning keha ei saa teha tööd. Selleks, et süsteem saaks edasi töötada, tuleb leida keha (uus jahuti), mille temperatuur on süsteemi ühtlustunud temperatuurist madalam.

Mida lähemal on töötava keha temperatuur süsteemi lõpptemperatuurile, seda raskem on temast seda energiat kätte saada. Energia kättesaadavust iseloomustatakse energia kvaliteedi mõiste abil. Energia kvaliteet loetakse seda kõrgemaks, mida kõrgema temperatuuriga allikast (reservuaarist) seda saadakse.

Seega on soojendi energia kvaliteet kõrgem kui töötava kehal, see on omakorda kõrgem kui jahutil.

Energia kvaliteedi mõistet kasutades saame anda energia levimise suunale kuumemalt kehalt külmemale uue vaatenurga – energia saab iseeneslikult levida ja/või muunduda ainult energia kvaliteedi alanemise suunas.

Nägime, et mehaaniline energia sai iseeneslikult muunduda soojusenergiaks, aga mitte kunagi vas­tu­pidi. Seega võime energia kvaliteedi mõistet sisse tuues öelda, et mehaanilise energia kvaliteet on kõrgem kui soojusenergia oma.

Analoogiliselt saab võrrelda ka teiste energialiikide kvaliteete:

• elektromagnetenergia muundub iseeneslikult soojusenergiaks, aga mitte kunagi vastupidi;
• valgusenergia muundub iseeneslikult soojusenergiaks ja mitte kunagi vastupidi;
• tuu­ma­energia muutub iseeneslikult soojusenergiaks ja mitte kunagi vastupidi jne.

Kui looduses toimub pöördumatute protsesside käigus ühe energialiigi muundumine teiseks, on algse energialiigi kvaliteet kõrgem kui lõpp-energial, sest kõik universumis toimuvad protsessid toimuvad ise­eneslikult energia kvaliteedi alanemise suunas.

Entroopia

Selleks, et kirjeldada süsteemi korratuse kasvu ja/või protsesside käigus süsteemis aset leidvat energia kvaliteedi langust, on kasutusele võetud süsteemi karakteristik – entroopia.

Entroopia kirjeldab nagu süsteemi energiagi süsteemi olekut ja ei kirjelda seda kuidas ta süsteemi tekkis. Tavaliselt kirjeldatakse (nagu näiteks ka siseenergia puhul) mitte süsteemi entroopia hetkeväärtust vaid hoopis selle muutust (siseenergia puhul on muutust iseloomustavaks suuruseks soojushulk).

Süsteemi entroopia muutus (ΔS) on isotermilise protsessi korral defineeritud süsteemi siseenergia muutumise (ΔQ) ning süsteemi absoluutse temperatuuri (T) kaudu:

Kui protsess pole isotermiline, on entroopia muutuse avaldis keerulisem ning me seda koolifüüsika kursuses ei käsitle.

Entroopia ühikuks on džauli kelvini kohta (1J/K = 1 J∙K^-1)

Seega on entroopia (peamiselt) termodünaamikas kasutatav füüsikaline suurus, mis iseloomustab:

(1) energia kvaliteeti – mida kõrgem on energia kvaliteet, seda madalam on entroopia või

(2) osakeste jaotumise ühtlust süsteemis – mida ühtlasemalt on osakesed süsteemis jaotunud, seda suurem on entroopia, aga ka

(3) süsteemi kaugust tasakaaluolekust – mida tasakaalulisem on süsteem, seda suurem on selle entroopia.

Termodünaamika II printsiip

Termodünaamika II printsiibi kohaselt: saab suletud süsteemis toimuvates soojuslikes protsessides entroopia ainult kasvada.

Termodünaamika II printsiip on empiiriline loodusseadus. See tähendab, et ta on sõnastatud vaatlusandmete põhjal, kuid seda pole võimalik valemite abiga või muul moel tõestada.

See tähendab, et iseeneslikult toimuvad looduses need protsessid, kus

• energia kvaliteet kahaneb (valgusenergia muundub soojusenergiaks, soojusenergia muundub elektrienergiaks jne),
• süsteemi olekuparameetrid (p, V, T) ühtlustuvad ning
• osakeste jaotus süsteemis ühtlustub (ainete segunemine, korrapära kadumine)

Entroopia ja elu

1944.a. ilmus Erwin Schrödinger’i raamat „Mis on elu?”. Selles raamatus on põhirõhk entroopia mõiste üle arutlustel elusmaailma protsessides. Toome siin vabas tõlkes väljavõtte sellest raamatust (allikaviide).

Termodünaamilise tasakaalu olekuks nimetatakse maksimaalse entroopiaga olekut. Tasakaalu (ent­roo­pia­maksimumi) saavutamisel süsteemi areng kustub ja süsteem muutub surnud, inertseks ma­tee­ria massiks. Kuidas üks elusorganism väldib sattumist viimase väitega sarnasesse stag­natsiooni­ole­kusse?

Vastus on pealiskaudsel vaatlemisel lihtne. Stagnatsioonioleku vältimiseks elusorganism toitub ja hingab ning tänu metabolismile (mis kujutab endast organismis asetleidvaid sünteesi- ja lagundamisprotsesse. Metabolism on kõikide elusorganismide rakkudes toimuvate keemiliste reaktsioonide, millede osalusel toimuvad elusrakkudes keemilise energia protsessid, tulem. Terves organismis on sünteesi- ja lagundamisprotsessid omavahel tasakaalus toimub organismis ainevahetus.)

Lähemal uurimisel tekib siiski küsimus, et milline „võluaine“ meie toidus siiski sisaldub, mille abil elu edasi saab kesta? Mis täpsemalt kaitseb elusorganismi stagnatsiooni, surma eest?

Teame, et iga iseeneslik protsess, nähtus, sündmus looduses viib entroopia kasvule selles süsteemis, milles protsess toimub. Nii ka elusorganism kasvatab pidevalt enda entroopiat, lähenedes niimoodi pidevalt organismile ohtlikule, maksimaalse entroopia piirile, mille tagajärjeks on vältimatult surm, millele järgneb meie keha iseeneslik lagunemine. Entroopiamaksimumi vältimiseks hangib elus­or­ganism pidevalt teda ümbritsevast keskkonnast negatiivset entroopiat. Negatiivne entroopia ongi see „võluaine“, mis tegelikult toidab organismi.

Mida tähendab väljend „inimene toitub negatiivsest entroopiast”?

See kirjeldab meie organismi püüdu omandada ümbritsevast keskkonnast korrastatust – toitutakse ju taimse- ja loomse päritoluga hästi korrastatud orgaanilistest ainetest. Loomariik, ka inimene, tagastab söödud materjali loo­du­ses­se juba degradeeritud kujul, kuid mitte nii degradeeritud vormis, et taimed või alamat liiki elusolendid ei suudaks seda omakorda uuesti kasutada ning suurendada seeläbi enda korrastatust.

Elusorganismidel on imepärane võime koondada endasse ümbrusest seal esinevat korda ja vältida sellega iseendas aatomkaose teket. Seda tagavad organismis olevad kromosoomi molekulid. Need kujutavad endast kõrgeima korrastatuse astme musternäidet. See korrastatus on palju kõrgem, kui see näiteks esineb tavalistes kristallides.

Prantsuse filosoof Rene Decartes ütles: „ma mõtlen, järelikult ma olen olemas”.

Schrödinger’i järgi on ka mõte negatiivse entroopia väljendumine, kuivõrd mõte juhib ja korrastab inimkeha tegevust, samuti võimaldab mõtlemine ette näha inimtegevuse tagajärgi (ettenägelikkus).

Termodünaamika II printsiibi vaatevinklist võime teha jä­relduse: „elan selletõttu, et mõtlen”. Seega on tead­­mised ja kogemus inimese pikaealisuse allikaks.

---

Energeetika alused ja põhiprobleemid

---

Taastuv ja taastumatu energia

Inimkonna areng on toimunud käsikäes energia tarbimise kasvuga. Kui alginimestel oli kasutada ainult Päikeselt saadud energia ning hinnanguliselt moodustas nende välistest (Päikesest) allikatest saadava energia vajadus umbes 8MJ päevas, siis kaasaja inimesed vajavad energiat mitte ainult toidu valmistamiseks vaid ka eluaseme kütmiseks/jahutamiseks ja valgustamiseks, transpordivajaduste rahuldamiseks, sidepidamiseks, erinevate kaupade ja teenuste tootmiseks ning vaba aja veetmiseks. Hinnanguliselt moodustab tänapäeva inimese välistest allikatest pärineva energia vajadus umbes 300 MJ päevas – ehk see on umbes 40 korda suurem kui meie kaugetel eellastel.

Ka on Maal elavate inimeste arv selle umbes ühe miljoni aastaga kui inimene kui liik Maa peal eksisteerinud on järsult suurenenud.

Inimeste hulk Maal ületas 1 miljardi piiri alles 19. sajandi alguses. Veel 1960-del aastatel oli meid Maa peal umbes 3 miljardit. Täna hinnatakse inimeste koguarvuks umbes 7 miljardit ning see kasvab hirmuäratava kiirusega.

Seega ei suurene inimkonna energiavajadus mitte sellest, et meie tarbimisharjumused on sajandite taguse ajaga muutunud, vaid eelkõige tänu sellele, et inimeste hulk Maal kasvab tohutu kiirusega.

Inimeste poolt kasutatava energia saame sõltuvalt selle allikatest liigitada taastuvenergiaks ja taas­tum­atuks energiaks.

Taastumatuteks on sellised energialiigid, mis pärinevad allikatest, mille varud on piiratud ning mille kasutamise tagajärjel saavad need allikad ükskord otsa.

Taastumatute energiaallikate hulka lii­gi­ta­takse kõikidest fossiilse päritoluga kütustest (põlevkivi, nafta, gaas, kivisüsi) pärinev energia, samuti tuumaenergia.

Taastuvenergia varud on piiramatud – nende kasutamine ei vähenda allikates sisalduvat ener­gia­varu.

Taastuvad energiaallikad on vesi, tuul, päike, laine, tõus-mõõn, maasoojus, biogaas ja biomass.

Inimkonna kui liigi kestma jäämise võtmeküsimuseks on vähendada energia tootmist taastu­ma­tutest allikatest ning asendada see taastuvenergiaga.

Energeetika alused ning tööstuslikud energiaallikad

Kõige kiiremini suureneb inimkonna vajadus elektrienergia järele.

Elektrienergiat toodetakse elektrijaamades kasutades selleks peamiselt Faraday poolt avastatud elektromagnetilise induktsiooni nähtust – mähis pannakse magnetväljas pöörlema – tulemuseks on mä­hises tekkiv elektromotoorjõud (pinge), mille abil saadavat vahelduvvoolu on käepäraste va­hen­di­tega võimalik muundada (trafo), transportida (vahelduvvooluvõrk) ja muundada teisteks ener­gia­lii­kideks (tarvitad).

Sõltuvalt sellest, milline energia liik elektrijaamas elektrienergiaks muundatakse, jagunevad elektri­jaa­mad:

• hüdro-, tuule- ja laine- ning loodete elektrijaamadeks, kus elektrienergiaks muundatakse vee või tuule mehaaniline ener­gia,
• soojuselektrijaamadeks, kus elektrienergiaks muundatakse kütuste siseenergia,
• tuumaelektrijaamadeks, kus elektrienergiaks muundatakse tuumade seoseenergia,
• päikesejaamadeks, kus elektrienergiaks muundatakse Päikese kiirguse energia ning
• termaalsoojusjaamadeks, kus elektrienergiaks muundatakse Maa sisemiste kihtide soojus.

Hüdroelektrijaam

Hüdroelektrijaamades muundatakse elektrienergiaks üles paisutatud vee potentsiaalne energia.

Hüdroelektrijaama tähtsaimaks tun­nu­seks on paisu ehk tammi ole­ma­solu. Tammi taha koguneb vesi. Mida kõrgemale vesi paisutada, seda suu­re­maks muutub tema potent­siaalne energia.

Paisutatud vesi lastakse läbi lüüside lan­geda veeturbiinile. Lüüsides muun­­dub vee potentsiaalne energia vee voolamise kineetiliseks energiaks, turbiinis selle pöörlemise energiaks.

Turbiiniga on ühendatud elektrigeneraator, milles indutseeritav elektromotoorjõud trans­for­mee­ri­takse trafojaamas kõrgemaks ning suunatakse vahelduvvooluvõrku.

Jaamas elektri tootmiseks  arendatav võimsus sõltub sellest milline hulk vee potentsiaalset energiat  elektrienergiaks muutub (ehk milline veekogus ajaühikus turbiinile langeb ehk kui suur on vee vooluhulk turbiinis). Seega on hüdroelektrijaamas arendatav võimsus seda suurem, mida kõrgemalt vesi kukub, aga samuti seda suurem, mida suurem on veevoolu hulk turbiinis – viimane omakorda sõltub mõistetavalt turbiinile suunatud toru läbimõõdust – mida jämedam toru, seda suurem on veevooluhulk selles.

Hüdroelektrijaamad toodavad energiat taas­tu­vast allikast, nad on reeglina ka öko­loo­gi­liselt puhtad – nende tööga ei kaasne küll keskkonna saastumist, kuid nende ehitamine muudab pöördumatult keskkonnaolusid – veega kaetakse suured, enamasti inim­te­ge­vuse sei­su­ko­halt väär­tus­likud alad.

Hüdro­jaa­made puuduseks  on ka nende kõrgendatud nõuded ümbritsevale maas­ti­kule – sobi­va­mad hüdrojaamade asukohad asuvad suurte jõgede orgudes – seetõttu on Eestis hüdro­energia kasutusele võtmine sisuliselt või­ma­tu. Samuti on hüdro­elektri­jaa­ma­de puu­du­seks nende kõrge hind neis toodetava energiaühiku (megavati) kohta. 

Eesti suurim hüdroelektrijaam – Linnamäe HEJ (Jägala jõel Jõelähtme vallas Jõesuu külas) – omab siiski pigem arhitektuurilist kui energeetilist väärtust, sest enamiku tuuleparkides olevaid tuulegeneraatorite võimsus on sellest kaks kuni kolm korda suurem.

Tuulegeneraator

Tuuleelektrijaamad (tuulegeneraatorid) too­da­vad elektrienergiat voolavate õhu­voo­lu­de – tuule – kineetilisest energiast.

Tuulegeneraatori tähtsaimad koostisosad on roo­tor koos sellele kinnitatud labadega, pöör­lemise jõuüle­kande­ süsteemist ning elekt­ri­­ge­ne­raatorist.

Tuul tekib sellest, et Päikeselt saadava energia arvelt soojenevad Maa erinevad piirkonnad eri­nevalt. Õhutemperatuuride erinevuse tule­musena tekib atmosfääris rõhkude vahe ning õhk hakkab liikuma piirkonnast, kus õhurõhk on kõrgem sinna, kus rõhk on väiksem.  

Tuul annab oma kineetilise energia rootori labadele, pannes need liikuma ning muundudes taoliselt õhuvoolude kulgliikumise kineetilisest energiast pöörlemise kineetiliseks energiaks. Pöörlemise energia antakse jõuülekande abil edasi generaatorisse, kus see elektrienergiaks muundatakse.

Saab näidata, et tuulegeneraatori poolt arendatav võimsus on võrdeline tuule kiiruse kuubiga. Seega tuleb tuuliku paigaldamisel jälgida tuuleolusid, sest kui saa­vu­tada tuule kiiruses kasvõi kahekordnegi võit, annab see muude tingimuste muutumatuks jäämise korral toodetavas elektrienergias võidu 2³ ehk 8 korda.

Ka tuulegeneraatori allikas on taastuvenergia ning sisuliselt tasuta käes. Tuulest elektri tootmisega ei kaasne keskkonna saastatust – ei teki kahjulikke jäätmeid. Samas sõltub ka tuule­ener­gia kasutamise efektiivsus mär­ga­ta­valt tuuliku asukohast – pole ju mõtet paigaldada tuulikut sinna, kus ena­mus aastast on tuulevaikne.

Õnneks asub Eesti (eriti rannikuala) piirkonnas, mis tuule puudumise üle kurta ei saa. Tuuleenergia puu­dus­teks lisaks tema sõltuvusele tuule olemasolust, on veel tuulikute suhte­li­selt väike võimsus –suuremates kogustes energia tootmiseks on tarvis rajada väga suuri tuuleparke, nendega kaasnev müra ja vibratsioon ning visuaalne reostus – ei saa just pidada visuaalselt kauniks randa, millel laiutavad kümned tuulegeneraatorid.

Tuleb tõdeda, et kui 2013. aastal toodeti Eestis umbes 513GWh elektrienergiat, mis moodustab umbes 5% Eestis toodetud energiast (u. 11 000 GWh), on tegu selgelt kasvava trendiga. Eeldatavasti toodetakse vähem kui kümne aasta pärast tuuleenergiast juba 10% Eesti elektrienergiast. Olgu siinkohal veel mainitud, et toodetud tuuleenergia moodustas enam kui 75% Eestis taastuvenergiast too­de­tud elektrienergiast (u. 675GWh).

Viru-Nigula tuulepark Eesti Põhjarannikul

Laineelektrijaam

Laineelektrijaamades muundatakse elektrienergiaks ookeanilainete energia. Käesoleval ajahetkel on tegemist veel katsetusjärgus olevate tehnoloogiatega.

Üheks võimalikuks mooduseks muundada laineenergiat elektrienergiaks on kasutada lainetel heljuvaid poisid – niinimetatud poijaamad, mille sees on Faraday katses kasutatutele sar­na­ne­vad seadmed, mis muu­davad mag­neti­te lii­ku­mise energia elektrienergiaks.

Poid võnguvad lainete rütmis üles alla ning koos nendega võngub ka poisse sisse ehitatud pool. Magneti asukoht fikseeritakse ning nii liigub pool magneti suhtes üles-alla nagu Faraday elektromagnetilise induktsiooni katses – pooli keerdusid läbib muutuv magnetvoog ning poolis tekib elektromotoorjõud.

Poijaamades muundatakse ookeanilainete võnkumise energia magneti kineetiliseks energiaks ning see omakorda elektrienergiaks.

Teine võimalus ookeanilainetusest elektrienergia saa­miseks on kasutada laineid õhu kokku suru­miseks ja hõrendamiseks ning liikuvat õhku turbiini ja generaatori pöörlema panemiseks.

Kui poijaamad ehitatakse enamasti kaugele ookeani, siis taolised lainekompressioonjaamad (ka OWC-jaamad – inglise keelest Ocean Wave Comp­res­sion) ehitatakse tavaliselt kaldale. Spetsiaalselt konstrueeritud lüüsides panevad lained võnkuma lüüsides asuva vee ning selle kohal oleva õhu. Õhk surutakse düüsides kokku ning suunatakse turbiinile, mis ise pööreldes panevad pöörlema ka elektrigeneraatori. Põhimõtteliselt tekitatakse OWC-jaamades kunstlikult tugev tuul ja kasutatakse seejärel elektri tootmiseks tuule energiat.

Üks selline eksperimentaalne laine­komp­res­si­ooni­jaam töötab Portugalile kuuluvate Assoori saar­te rannikul – vaata (http://www.pico-owc.net/).

Loodete elektrijaam

Looded on taevakeha, antud juhul Maa, kuju perioodilised moonutused, mille põhjustab teise taevakeha, antud juhul Kuu, gravitatsiooniline külgetõmme. Enamasti peetakse loodete all silmas Maa ning eriti maailmamere kuju moonutusi.

Maailmamere loodeid nimetatakse ka tõusuks ja mõõnaks, vastavalt sellele, kas meretase on loodete tõttu keskmisest kõrgemal või madalamal.

Peamiselt tekitavad Maal loodeid Kuu ja Päike, kusjuures Kuu osatähtsus on üle kahe korda suurem kui Päikesel. Ehkki Päikese gravitatsiooniline külgetõmme Maa suhtes on ca 180 korda tugevam kui Kuul, kuid erinevalt gravitatsioonilisest külgetõmbest ei sõltu loo­dete tugevus pöördvõrdeliselt mitte kauguse ruudust, vaid kuubist. Seetõttu on kõigi ülejäänud taevakehade Maal loodeid põhjustav efekt kaduvväike.

Korraga on Maal tõus nii sellel poolel, mis asub Kuu suunas, kui ka vastasküljel. Eriti tugevad looded esinevad siis, kui Päike, Kuu ja Maa paiknevad enam-vähem ühel sirgel. Tugevaimad looded esinevad ookeanide rannikutel. Suurima ulatusega looded on mõõdetud Fundy lahes (pildil), kus loodete amplituud võib ületada 15 meetrit.

Näiteks Põhja-Norras, Bodø linna lähedal tekitab tõusu ja mõõna vaheldumine Salstraumeni väinas veevoolu, mille keskmine kiirus on üle 40 km/h ning seda 3 km pikkust ja 150 meetrist väina läbiva vee kogus on iga kuue tunni tagant ca 400 mln kuupmeetrit. Võib vaid ette kujutada millist energiat see veevool endas kannab.

Sisemeredes, nagu Läänemeri, on looded nõrgemad.

Loode elektrijaam meenutab oma ehituselt tuule­ge­ne­raa­to­rit, erinevus on turbiini­­labasid liikuma panevas aines. Tuule­ge­neraatori paneb pöör­le­ma õhu­rõhu erinevusest tek­kiv tuul, loode elektrijaama generaatori aga tõusu- või tõu­su-mõõ­na­vesi.

Nii laine- kui ka loodete energia elektrijaamad on alles prototüübi staadiumis, neid täiustatakse pidevalt, sest ookeanis sisalduv energia on palju suurem kui kasvav inimkond oma toimimiseks ning arenguks vajab.

Ta on ka ökoloogiliselt puhas – elektri tootmisel ei teki kahjulikke heitmeid, samuti näitavad esialgsed uuringud, et tegu on keskkonnale täiesti ohutute jaamadega, mis ei muuda maailmamere ökosüsteemi. Küsimus võib ehk tekkida nende esteetilises sobivuses maalilisele ookeanirannale.

Kuna Eestis ei esine piisavalt suurt lainetust ega ka ka loodeid, mistõttu ei hakata neid jaamu Eestis kunagi energia tootmiseks kasutama.

Soojuselektrijaam

Soojuselektrijaamas muundatakse elektrienergiaks kütuse põlemisel vabanenud soojusenergia.

Soojuselektrijaamas muundatakse koldes kütuse siseenergia kütuse keemilisel põlemisel soojus­ener­giaks.

Siin tuleb rõhutada, et kütuste sise­ene­rgia on omakorda pärit Päike­selt – see on miljonite aastate eest elanud tai­me­desse salves­tu­nud ja bio­kee­mi­liste protsesside ta­ga­järjel muu­tu­nud kivisöeks, naf­taks, maa­gaa­siks või mis Eestis eriti oluline – põlevkiviks.

Vabanenud soojusenergia juhi­tak­se katlas olevasse vette, selle siseenergia suureneb, vesi läheb keema ning muutub veeauruks.

Veeauru siseenergia muundatakse düüsides auru kineetiliseks ener­giaks – kiiresti liikuv aur suunatakse turbiini labadele, mis panevad pöörlema turbiini rootorid – auru kineetiline energia on muundunud pöörlemise energiaks. Jõuülekandemehhanismidega antakse pöörlemise energia edasi elektri­ge­neraatorile, kus pöörlemise energia muundub elektrienergiaks, mis peale kõrgepingeks transformeerituna suunatakse vahelduvvoolu võrku.

Eestis aasta jooksul toodetavast umbes 13,3 TWh elektrienergiast (2013. a) umbes 12,8 TWh ehk 96% moodustab soojuselektrijaamades toodetud elektrienergia. Sellest omakorda umbes 11,3 TWh ehk 85% toodetakse Narvas asuvates Eesti Energiale kuuluvates elektrijaamades (pildil), milles kütusena kasu­ta­takse peamiselt põlevkivi. Siiski toodetakse küllalt suur osa soojuselektrijaamades toodetavast elektrienergiast taas­tuv­energia allikatest – peamiselt bio­massist (hakkpuidust) 0,6 TWh (4,5%), aga ka prügist 0,09 TWh (0,7%) ja prügimägedel ning mujal jäätmetest toodetud biogaasist 0,01 TWh (0,08%).

Soojuselektrijaamade efektiivsusest rääkimisel on oluline energia tootmist vaadelda kahest aspektist – kütuse kütteväärtuse ning jaama kasuteguri seisukohalt.

Kütuse kütteväärtus iseloomustab 1 kg kütuse põlemisel vabanevat soojusenergia hulka.

Mida suurem on kütuse küttevärtus, seda rohkem saadakse tema põlemisel soojusenergiat, seda vä­hem tuleb teda vajaliku energiakoguse saamiseks põletada ning seda vähem heitmeid tekib. Siiski on soojuselektrijaamades toodetava elektrienergia paratamatud kaasnähud atmosfääri paisatavad süsihappegaas, vingugaas, vääveldioksiid jpt saasteained.

Et keskkonda satuks vähem saasteaineid, tuleb pidevalt tegeleda soojuselektrijaamade täiustamisega – mida kõrgem on jaama kasutegur, seda vähem tuleb seal kütust põletada ning seda väiksem on saastatus.

Soojuselektrijaamade kasutegur jääb tavaliselt vahemikku 33 – 48%. Kui Eesti põlevkivijaamade kasutegurit õnnestuks suu­­rendada 5%, vajaksid jaamad umbes 180 tuhat tonni vähem põlevkivi (pildil põlevkivi maa-alune kaevandus) kui kulub täna, kui Eestis toodetakse kokku umbes 15 miljonit tonni põlevkivi aastas – suurem osa sellest põletataksegi elektrijaama kateldes, kuid üha enam toodetakse põlevkivist ka põlev­kiviõli, mille kütteväärtus on suurem ja see­läbi mõju keskkonnale väiksem.  

Soojuselektrijaama kasutegurit aitab suurendada see, kui koos elektrienergiaga toota nendes ka keskküttesüsteemides tarvitatavat soojusenergiat ja/või auru. Kõrvalprodukte tootvaid soojus­elektri­jaamu nimetatakse koostootmisjaamadeks.

Päikeseelektrijaam

Tegelikult on enamus Maal ka­sutatavast energiast pärit Päikeselt – nii taas­tu­va­te kui taastumatute kü­tus­te sise­energia on neis sal­ves­tu­nud Päikese ener­gia, Päikesest on põhjus­tatud Maal puhuvad tuuled, mis põhjustavad ka ooke­ani­­lai­neid jne.

Siiski käsitletakse päikese­elektri­jaamadena ainult selliseid jaamu, mis kasutavad oma töös otseselt neile langevat päikesekiirgust.

Päikesekiirgusest on elektrienergiat võimalik toota kahel viisil – päikesepatareidega, mis on oma ole­mu­selt np-siirdega pooljuht või siis jaamades, kus eriliste peeglitega koondatakse valgusenergia kokku ning soojendatakse selle abil vett – tekib veeaur, mille abil pannakse liikuma turbiinid ja elektrigeneraatorid nagu soojus­elektri­jaa­mas­ki.

Fotol päikesejaam, kus peeglid koondavad valguse “tornides” asuvatesse veesoojenditesse.

Ehkki Päikese energia on „tasuta käes“ olev piiramatu ökoloogiliselt puhas ressurss, tuleb päikesejaamade planeerimisel arvestada sellega, et need töötavad ainult päeval ja sedagi ainult selge ilmaga kui Päike otse peeglitele paistab. Taolised jaamad nõuavad suurt maa-ala, on täna veel väheefektiivsed ning nendes toodetav megavatt-tund on väga kallis.

Sama tuleb tõdeda ka päikesepatareide ehk fotodioodide kohta (pildil), mistõttu tasub Päikese energiat elektrienergia tootmiseks kasutada peamiselt lõunapoolsetes piirkondades.

Siiski on päikesepatareidel tulevikku ka Eestis – seda eriti koos tuulegeneraatoritega töötavates mik­ro­jaamades, mis varustavad ühte majapidamist või äärmisel juhul väiksemat asumit (Loe artiklit Suigu külas töötava täielikult taastuvenergial töötava mikrojaama kohta „Virumaa Teatajast“).

Tuumaelektrijaamad

Tuumaelektrijaamades muun­da­tak­se elektrienergiaks raskete uraa­­nituu­­made lõhustumisel va­ba­­ne­vat seo­se­ener­giat.

Tuumad koosevad prootonitest ja neutronitest, neid hoiavad tuu­mas koos tuumajõud. On tähe­le­panu väärne, et tuumasid moo­dus­tavate prootonite ja neut­ro­nite kogumass on alati suurem neist tekkinud tuuma massist. Seega läheb osa nukleonide mas­sist tuuma moodustamisel ka­du­ma.

Massi ja energia ekvivalentsuse printsiibi kohaselt väljendub igasugune muudatus süsteemi massis muutusena süsteemi energias ning vastupidi. Kui tuuma mass on väiksem tema koostisosakeste masside summast, siis peab „kaduma läinud“ massiga ekvivalentne energiakogus vabanema. Seda energiat nimetataksegi tuuma seoseenergiaks.

Ka uraanituuma lagunemisel tekkivate „tükkide“, milleks on tavaliselt baariumi ja krüptooni erinevate isotoopide tuumad, mass on väiksem kui algtuumal – järelikult vabaneb selle protsessi käigus pea­mi­selt soojusena aga ka valgusena energiat.

Tuumareaktsioonid toimuvad erilises seadeldises – tuumareaktoris ning seal vabanevat soojust kasutatakse põhimõtteliselt sama moodi kui soojuselektri jaamades. Nii võime öelda, et ka tuu­ma­elektrijaam on soojuselektrijaam, ainult et selle „kütmiseks“ kasutatakse tuumade lõhustumisel va­ba­nevat seoseenergiat.

Täna (2014. aastal) Eestis veel tuumajaama ei ole. Käimas on diskussioon tuumajaama vajaduse ning selle ehitamisel tema võimaliku asukoha kohta.

On selge, et kui energia tarbimine kasvab sama tem­poga kui seni, siis ei suuda 20. sajandi keskpaigast pärinevad põlevkivijaamad Eesti energia­vajadusi rahuldada. Kas selle probleemi lahenduseks on uute põlevkivijaamade, biomassi ja/või prügi­põletus­jaamade ehitamine või uute tuuleparkide rajamine või elektrienergia import piirkondadest, kus seda jääb üle (eelkõige Rootsi ja Norra, kus on toodetavast energiast moodustab märkimisväärse koguse hüdroenergia) või tuleb hakata ehitama (kasvõi koostöös Läti-Leedu-Poola või hoopis Soomega) tuumalektrijaama, tuleb otsustada juba lähiaastatel.

Maailmas toodetakse hinnanguliselt 11% elektrienergiast tuumaelektrijaamades.

Esimene tööstuslik tuuma­elekt­rijaam alustas tööd NSVL-is 1950.del aastatel.

2014.a aastal loetakse 31 riigis üle terve Maailma kokku tuuma­jaa­ma­des üle 430 reaktori võimsusega üle 370 GW (võrdluseks – Eesti kõigi elektrijaamade võimsus on kokku ca 2,5GW ehk umbes 150 korda väiksem), 70 reaktorit on ehitus­järgus. Fotol on Soome lääne­ran­nikul, mitte kaugel Rauma linnast, otse Botnia lahe kaldal asuv Olkiluoto tuumaelektrijaam, milles käesoleval hetkel töötab kolm reaktorit, koguvõimsusega 860 MW.

Lisaks tööstuslikult elektrienergiat tootvatele reaktoritele on 56 riigis kokku umbes 240 teaduseesmärkidel kasutatavat tuumareaktorit ning umbes 180 reaktorit varustavad elektri­ener­giaga laevu.

Kõige suuremas koguses toodeti 2012. aastal tuumaelektrienergiat USA-s (102 136 MWh ehk 19% riigis toodetavast elektrienergiast), Prantsusmaal (63 130 MWh, 74,85%), Jaapanis (44 215 MWh, 18,1%), Venemaal (23,643MWh, 17,8%) ja Lõuna-Koreas (20 739MWh, 30,4%).

Tuumaenergia senisest laialdasema kasutusele võtmise kasuks räägib jaamade suur väljundvõimsus ning asjaolu, et tuumakütuse varud on väga-väga suured. Ära ei saa jätta märkimata ka seda, et tuumajaamad ei tekita elektrienergia tootmisel kasvuhoonegaase.

Selle vastu räägivad aga tuuma­jäätmete uti­li­see­ri­mi­se keerukus, uraani tootmisega seonduvad kesk­kon­na­probleemid ja ohud inimestele ning ini­meste tohutu eelarvamus tuumaenergia suhtes, et „mis siis kui midagi läheb valesti“. Kartus võib olla põh­jen­datud, sest tuumajaamas toimuval õnnetusel on ülisuur kahjulik mõju väga pikaks ajaks küllalt suurele jaama ümbritsevale piirkonnale (fotol Tšernobõli tuumaelektrijaama IV plokk pärast seal toimunud plahvatust – tegu on inimkonna suurima tuumakatastroofiga Hiroshimale ja Nagasakile heidetud tuumapommide järel). Kahtlemata ongi üheks tuumaenergia laialdasema kasutusele võtmise takistuseks ka võimalus, et tuumareaktorites tekkivatest jäätmetest valmistatakse tuumapomm või kasutatakse neid muul viisil massihävitusrelvana.

Geotermaalelektrijaamad

Liikudes Maa pinnalt Maa tuuma poole, suureneb temperatuur kesk­miselt 30°C iga tuuma suunas liigutud kilomeetri kohta. Nii valitseb umbes 3km sügavusel Maa sees umbes 100°C temperatuur.

Geotermaalelektrijaamades muun­­­da­tak­se­gi elektrienergiaks maa­ sise­mis­te kihtide soojus­energia.

Külm vesi pumbatakse Maa sise­mus­se asetatud torudesse, kus see soo­je­neb keemiseni ning Maa sisemuses tekkinud kuuma auru ja/või tulist vett on võimalik kasutada nagu seda te­hakse soojus-, tuuma- või päikeseelektrijaamades – aur paneb pöörlema turbiini, turbiin elektri­ge­ne­raatori.

Paraku on taoliste torusüsteemide puurimine väga keeruline ja kallis. Kui Eestis hinnatakse maakoore paksuseks umbes 50km, siis Maailmas on piirkonnad, kus Maakoor on oluliselt õhem, mistõttu tõuseb seal maapinna temperatuur kiiremini ning vee soojendamiseks vajalik temperatuur (tavaliselt 120 – 130°C) saavutatakse 3 … 4 km sügavusel. Neid piirkondi nimetatakse „kuumadeks punktideks“ (all vasakpoolsel pildil) ning nad asuvad mandrilaamade kokkupuute piirkondades

Kuumad punktid Maa erinevates piirkondades

Islandil asuv geotermaalelektrijaam.

Geotermaalenergia on hetkel veel väga kallis, kuid kui suudetakse muuta maakoorde augu puurimine tänasega võrreldes oluliselt odavamaks, on selle kasutusele võtt (eriti kuumade punktide) piirkonnas vägagi perspektiivne. Eestis tõenäoliselt geotermaalenergiast elektrienergiat tootma kunagi ei hakata.

---

Kasvuhooneefekt ja kliima soojenemine

Kõneledes kasvuhooneefektist ja kliima soojenemisest, peame esmalt lähemalt uurima nende põhjustajat – soojuskiirgust.

Soojuskiirguse võimsus ja spekter

19. sajandil avastati, et kõik kehad, mis on soojendatud mistahes absoluutsest nulltemperatuurist erineva temperatuurini T, kiirgavad soojuskiirgust, mis on oma olemuselt elektromagnetlaine.

Keha poolt kiiratava energia võimsus (R), avaldub Stefan-Boltzmann’i seadusest:

kus e – keha pinna kiirgustegur (see on ühikuta suurus, mille väärtus jääb vahemikku 0 … 1, kui e = 1, nimetatakse keha absoluutselt mustaks kehaks, mis teoreetiliselt on suurima kiirgusvõimega keha), σ = 5,67∙10^-8  – Stefan-Boltzmann’i konstant, S – keha pindala, T – keha pinnatemperatuur.

Olgu siinkohal toodud mõnede kehade pindade kiirgustegurid:

Pinna kirjeldus	Pinna kiirgustegur
Absoluutselt must keha	1
Ookeani vesi	0,8
Kõrb	0,7
Taimedega kaetud Maapind	0,6
Jääliustik	0,1

Samal ajal kui keha temperatuuriga T₁ kiirgab soojuskiirgust, on ta ka võimeline neelama endast kõrgema tem­pe­ra­tuu­riga T₂ keha soojuskiirgust. Keha poolt neelatav kiirgusvõimsus on arvutatav samuti Stefan-Boltzmann’i seadusest.

Seega on keha poolt kiiratav netovõimsus arvutatav valemist:

Tasakaaluolekus R_net=0 kiirgab keha sama palju soojus kui ümbritsevast keskkonnast neelab – sellise keha temperatuur püsib ümbritseva keskkonna temperatuuriga võrdsena.

Tumedate või tuhmide pindadega kehadel, erinevalt heledatest ja läikivatest kehadest, on suur kiir­guse neelamise (absorbtsiooni) võime. Heledad ja läikivad kehad peegeldavad neile langevat soo­jus­kiirgust –  selle pärast kannamegi suvel heledavärvilisi riideid.

Keha soojuskiirgus sisaldab enda väga paljude lainepikkustega elektromagnetlaineid, ometi on iga kiir­gava keha jaoks olemas lainepikkus, mille kiirgusintensiivsus on kindla temperatuuri juures maksi­maal­ne. Toatemperatuuril (20°C = 293K) olevatel kehadel jääb see maksimum infravalguse spektriossa. Graafikul on absoluutselt musta keha kiirguse graafikud kolme erineva temperatuuri (273K, 300K, 350K) juures – näeme, et mida kõrgem on keha temperatuur, seda lühemalainelisem ja intensiivsem on keha kiirguse maksimum.

Kiiratava/neelatava kiirguse intensiivsus

Meie jaoks kõige suurema intensiivsusega soojuskiirguse allikas on Päike.

Päikest on võimalik käsitleda kui absoluutselt musta keha, mille kiirgusvõimsus R_ʘ=3,9∙10²⁶W. Päikese keskmine kaugus Maast on u 150 mln km (1,5∙10¹¹m).

Teades, et kiirguse intensiivsus (energia tihedus ehk pinnaühikule langeva kiirgusenergia hulk) on arvutatav valemist:

kus R – on keha (näiteks Päike) kiirgusvõimsus ja d – kaugus kiirgusallikast, saame leida igale ruutmeetrile Maal langeva Päikesekiirguse intensiivsuse i_ʘ ≈ 1400 W/m² – see on Päikese kiirgus­inten­siivsus atmosfääri ülakihtides, tuntud kui ka solaarkonstant.

Keha poolt neelatav kiirgusvõimsus on võrdeline kiirguse intensiivsuse (i) ja keha pindalaga (S)

Albeedo

Pinna albeedo – (ladina sõnast albedo ‘valgesus’) pinna peegeldumisnäitaja α – mis näitab pee­gel­du­va kiirguse intensiivsust ( võrreldes peale langeva kiirguse intensiivsusega.

Albeedo on ühikuta suurus, mille väärtus jääb vahemikku 0 ja 1 vahel (väljendatakse ka protsentides 0…100%). Heleda pinna albeedo on suurem kui tumedal.

Looduslike pindade albeedo jääb reeglina vahemikku 5…95%. Albeedo on tähtis füüsikaline suurus astronoomias ja meteoroloogias. Paljude pindade puhul oleneb albeedo valguskiirte langemis­nur­gast – ehk siis Maa puhul aastaajast. Näiteks merepinna albeedo võib muutuda vahemikus 2…99%, sõltuvalt sellest, kas Päike on seniidis või horisondil.

Maa keskmine albeedo on 37%, Kuu albeedo aga 12% – seega on Kuu märksa tumedam taevakeha kui Maa. Absoluutselt musta keha albeedo on null.

Päikeselt Maale jõudev energia hulk

Arvestades, et solaarkonstandi väärtus on umbes 1400 W/m², ning pind, millele Päikesekiirgus langeb, on võrdne Maa läbi­mõõ­duga võrdse ringi pindalaga – see omakorda on aga vaid vee­rand Maapinna pindalast, jõuab kokkuvõtteks Maapinnale Päikese­kiir­gus, mille intensiivsus on u 350 W/m². 

Kuna Maapinnalt peegeldub 37% (albeedo) Maapinna sinna langevast Päikesekiirgusest – Maa kiirgusvõimsus on u i_pgld= 130 W/m², siis on Maapinnas neelduva kiirguse netointensiivsus on 220 W/m²

Nii nagu Päikestki, saame ka Maad käsitleda absoluutselt musta kehana. Kuna Maa keskmine tem­pe­ra­tuur on (suhteliselt) muutumatu, teeme sellest järelduse, et Maal valitseb energiatasakaal – Maale Päi­keselt langev energiakogus on võrdne Maa enda poolt kos­mosesse kiiratava energiahulgaga. Joonisel on kuju­ta­tud energiaülekanded ilma, et oleks arvestatud Maa atmosfääri mõjusid.

Kasvuhooneefekt

Kasvuhooneefekt on kiirgusenergia ringkäigust tingitud elektromagnetilist kiirgust selektiivselt läbilaskva kihi all oleva keskkonna temperatuuri tõus.

Kasvuhoone soojeneb ümbritseva keskkonnaga võrreldes rohkem, sest kasvuhoonet kattev klaas või kile laseb hästi läbi Päikeselt saabuvat lühilainelist kiirgust, aga neelab tugevasti maapinna pikalainelist soojuskiirgust. Seega neeldub peenralt kiirguv soojuskiirgus kasvuhoone klaasis ja kiiratakse sealt uuesti kõigis suundades. Nii kiiratakse umbes pool peenralt soojuskiirgusega lahkuvast energiast maapinnale tagasi. Kasvuhoone jahtumist takistab lisaks veel ka see, et soojust ei juhita konvektsiooni teel soojenevast piirkonnast ära.

Ka Maa atmosfääris on gaase – niinimetatud kasvu­hoo­negaase, mis ei neela lühilainelist päikesekiirgust, aga neelavad teatud ko­gu­ses Maa soojuskiirgust.

Atmosfääri puudumisel oleks lühilainelise kiirguse neeldumisest tingitud soojenemine ja maapinna soojuskiirguslik jahtumine tasakaalus. Kasvu­hoo­ne­gaasid kiirgavad aga osa nende poolt neelatud Maa kiirgusenergiast maapinnale tagasi ning Maa keskmine tasakaaluline temperatuur tõuseb.

Nii väljendubki kasvuhoone efekt Maal maapinna ja maalähedase õhukihi temperatuuri tõusus. Hinnanguliselt on kasvuhooneefekti tõtu maapinna tasakaaluline temperatuur ca 30°C kõrgem kui see oleks ainult Päikeselt saadavast energiast.

Maa atmosfääris sisalduvatest gaasidest on kasvuhoonegaasid vee aur, süsihappegaas, osoon, metaan, dilämmastikoksiid jpt.

Veeauru hulka atmosfääris suudab inimtegevus mõjutada ainult kaudselt:  maakasutuse muutused ja metsade raiumised muudavad aurumist, atmosfääri saastamisega lisandub õhku veeauru kondenseerumist soodustavaid mikroosakesi –  kondensatsioonituumasid – need aga soodustavad sademete teket.

Fossiilsete kütuste põletamine suurendab süsihappegaasi hulka atmosfääris. Kariloomade arvu kasvuga kaasneb suurema koguse metaani atmosfääri sattumine. Nii tugevdabki inimtegevus Maa atmosfääri märgatavalt kasvuhooneefekti.

Globaalne kliima soojenemine

Globaalseks kliima soojenemiseks nimetatakse maapinnalähedase atmosfääri ja ookeanide keskmise temperatuuri tõusu.

Märkimisväärset kliima soojenemist on täheldatud just viimastel aastakümnetel, samuti oodatakse globaalse soojenemise jätkumist tulevikus.

Näiteks on 1906. ja 2005. aasta vahel maapinnalähedane õhutemperatuur tõusnud 0,74 °C. Aastad 2000–2009 olid märgatavalt kõrgema mõõdetud keskmise temperatuuriga kui 1990-ndad, mis olid omakorda soojemad kui 1980-ndad.

Globaalse kliima soojenemise peamiseks põhjuseks peetakse kasvuhooneefekti tugevnemist inimtegevuse tulemusena.  Inimtegevusest tingitud kliima soojenemine tuleneb peamiselt fossiilsete kütuste (nafta, maagaas, põlevkivi, kivisüsi) põletamisest, globaalsest metsade lageraiumisest ning põllumajanduse intensiivisumisest – eelkõige karjakasvatuse järsust suu­re­ne­misest.

Eelkõige nende tegevuste tulemusel koguneb atmosfääri senisest enam kasvuhoonegaase ning nii peegeldub rohkem maapinnalt kiiratud pikalainelist soojuskiirgust mitte kosmosesse vaid tagasi maapinnale.

Senise inimtegevuse jätkumisel ennustatakse aastaks 2100 kliima soojenemist veel 1,1…6,4 °C võrra. Selle tagajärjel kiireneb jääliustike sulamine, millega omakorda kaasneb maailmamere veetaseme tõus, muutused sademete väljakujunenud mustrites, ilmastikukatastroofide tihenemine jne.

Võimatu on hinnata täpseid tagajärgi, mille ulatus sõltub globaalse soojenemise määrast. Tempe­ratuuri prognooside suur erinevus pole tingitud mitte sellest, et ei osata aru saada looduslikest protsessidest, vaid eelkõige sellest, et ei suudeta ennustada inimkonna käitumise kohandumist uuenevates keskkonna­tingimustes.

Eestis evitav kliimapoliitika on mõjutatud Euroopa Liidu kliimapoliitikast, mille eesmärgiks, samamoodi nagu ka ülejäänud rahvusvahelise kliimapoliitika eesmärgiks on globaalse soojenemise ennetamine ja samas sellega kohandumine.

Juhtivaks autoriteediks teadus- ja ka poliitikamaastikul globaalse soojenemise alal on IPCC (inglise keeles Intergovernmental Panel on Climate Change – Valit­süste ­vaheline Kliimamuutuste Nõukogu), mis kor­ral­dab regulaarseid kliimaalaseid teadusuuringuid, diskussioone ning konverentse, teeb neist kokku­võtteid ning annab riikide valitsustele ning inimkonnale üldisemalt soovitusi oma tegevuse kohan­damiseks selleks, et vähendada globaalset kliima soojenemist.

IPCC andmed ja analüüsid põhjustavad oma keskse rolli tõttu ka palju vastuseisu ja lahkarvamusi, on koguni väidetud (näiteks USA president Donald Trump), et kliimasoojenemine on märk viimase Jääaja lõppemisest ning uue Jäävaheaja saabumisest ning inimeste rolli selle protsessi kulgemises pole põhjust üle hinnata.

Näiteks paiskab üks keskmise suurusega vulkaanipurse (videos on näha 2010. aasta kevadel Islandil Eyjafjallajökulli vulkaani purse, mis seiskas pooles Maailmas lennuliikluse enam kui nädalaks) Maa atmosfääri kordades rohkem kasvuhooneefekti tekitavaid aineid kui terve inimkond oma mitme aastase tegevusega kokku toota suudab.