IX. SISEENERGIA

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.

Siseenergiaks nimetataksegi kehade koostisosakeste kineetiliste ja potentsiaalsete energiate summat. Siseenergia kineetilise energia komponenti nimetatakse soojusenergiaks ehk lihtsalt soojuseks. Edaspidi kõnelemegi kehade siseenergiast rääkides peamiselt keha soojusest.

Soojusülekanne

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:

  • Otsene soojusvahetus ehk soojusjuhtivus
  • Konvektsioon
  • Soojuskiirgus

Otsene soojusvahetus – soojusjuhtivus

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

Image result for heat transfer

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. 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.

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

Image result for heat transferSoojuskiirgus on eriline kiirgus (elektromagnetlaine), mis tekib kehades nende koos­tis­osa­kes­tele energia lisandumisel (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 keha temperatuurist (mida kõrgem temperatuur, seda rohkem kiirgab), keha pindalast (suurema pinnaga kehad kiirgavad rohkem) ning keha värvist (tumedamad kehad kiirgavad rohkem).

Soojuskiirgus 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 keha soojenemisel ja jahtumisel

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=cm Δt

kus Q – soojushulk, mõõdetuna džaulides (1J), m – keha mass, mõõdetuna kilogrammides (1kg) ning Δt = t2 – t1 – temperatuuri muutus (t2 ja t1 on soojusülekande käigus soojenenud/jahtunud keha vastavalt lõpp- ja algtemperatuurid) – kõiki temperatuure mõõdetakse kraadides (1°), c – on keha materjali ise­loo­mus­tav erisoojus..

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

Soojusliku tasakaalu võrrand

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 + …+ QN = 0 

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