Soojusmasinad

Sise-energiat võib muuta töö. Kui miski teeb tööd, siis ta jahtub ja vastupidi, kui millegi kallal töötada, siis ta soojeneb. Soojusmasinad ei ole masinad, mis annavad soojust. Soojusmasinad teevad soojuse arvel tööd. 

Rocket ja Паровоз Гр-319

Ta sõidab! Nad teevad häält!

Vanameeste peale võib ikka loota, seda muidugi.

Soojusmasinad, skeem ja kasutegur

 

Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796 – 1832) kirjutas raamatu tule liikumapanevast jõust. Kuigi aurumasinad olid juba tuntud, polnud neil sinnamaani head teooriat. Carnot pooldas algul vananevat soojusvedeliku teooriat, aga see ei seganud teada loomast päris korralikku soojusmasinate teooriat. Tõsi, matemaatilise kuju andsid tema tööle teised insenerid.

Asja põhisisu on selles, et soojusmasina tööks on vaja temperatuuride vahet, siis „voolab“ soojus soojendilt jahutile (tänapäevases kõnepruugis, soojushulk läheb soojendilt jahutile üle) ja osa sellest muutub mehaaniliseks tööks. Nii on, teisiti soojusmasin töötada ei saa.

Skeem, kõige lihtsam

Carnot tsükkel videos

Heroni kera

Varemalt kutsuti neid meie kõige tavalisemaid mootoreid (autod, motikad, muruniidukid, saed jne) plahvatusmootoriteks. See on päris õige teminoloogia, aga mis ja kuidas seal siis plahvatab, seda on Destin juba aastaid näha tahtnud? Just, 5:15 parimad kaadrid.

Energia kontseptsioon. Elekter. Võib-olla ka soojusest veidi. Kursuse lõpetamiseks vajalik kodune ülesanne.

Leia üks elektriseade.

Elektriseade (aparaat, masin jne) muudab elektrienergiat teisteks energia liikideks, seega – energiamuundur.

Tee leitud energiamuundurist pilt ja laadi üles.

Tee kindlaks, kui suur on selle seadme võimusus. Hinda, kui kaua seade ühes päevas (nädalas, kuus, aastas) töötab. Uuri välja, kui palju elekter maksab.

Kui olla täpne ja korralik, tuleks öelda – kui palju maksab töö, mida energiamuundur teeb (päevas, nädalas jne).

Arvuta tehtud töö ja kulunud raha. Vormista arvutus. Kasuta valemeid, füüsikaliste suuruste üldlevinud tähiseid ja mõistlikke ühikuid. Vormistamiseks on kas võimalust: A) Tee tekstifail (.doc, .docx, .odt, .rtf, .pdf). B) Kui ei oska tekstifailis valemeid ja arvutusi teha, võib hädapärast kirjutada paberile ning pildistada.

Lisa arvutusele:

1) Millisteks energialiikideks muutub elektrienergia selles seadmes? Pane tähele, et väga harva, peaaegu mitte kunagi ei muutu elektrienergia ainult üheks energialiigiks.

2) Kuidas leidsid seadme, selle võimuse ja töötamise aja?

Laadi ka arvutus üles.

Tähtaeg 18. oktoober, Moodle kursus FÜ4.

Klasside võtmed: 12Dklass ja 12Eklass.

Gaasid, gaasid, gaasid!

Ideaalgaas ja ideaalne gaas

Mudel, Falstad

Mudel, PhET

Kütteväärtused

Sise-energia muutus, mida me kirjeldame temperatuuri tõusu või langusena võib tulla soojusülekandest. See võib käia soojusjuhtivuse, konvektsiooni või kiirguse kaudu. Tihti, liiga tihti saame vajalikud soojushulgad kütuste põletamisest. Kõik kütused ei ole võrdsed, mõned on väärtuslikumad, näiteks annavad ühest kilogrammist või ühest eurost suurema soojushulga:

Q = k·m

Soojushulk, energia, mida kantakse üle ühelt kehalt teisele – Q [J], kütteväärtus – k [J/kg], põletatud kütuse kogus, st mass – m [kg].

A) Kütused, mida saab kaevandada ja toota: 

Vesinik 142 MJ/kg – parim, aga seda küll loodusest ei leia

Metaan 55,5 MJ/kg

Vedelkütused 45-47 MJ/kg – väga jube asi, seda leiab küll maa alt, aga enamasti vajab töötlemist

Piiritus, üldisemalt alkoholid (mõni neist üsna jube) 30 MJ/kg

Süsi 15-33 MJ/kg

B) Midagi me võime ikka oma loodusest ka leida: 

Puit 13-17(24) MJ/kg

Pelletid 19 MJ/kg

Turvas 15 MJ/kg

Põlevkivi 4,9-11,3 MJ/kg

C) Kaugete maade loodusest:

Kaamelisõnnik, oluline kütteaine, väidetavalt umbes 15 MJ/kg.

D) Ei ole hea kütus, aga oluline mingil teisel põhjusel:

Püssirohi 3 MJ/kg

Dünamiit 7,5 MJ/kg

TNT 14,5 MJ/kg

TNT plahvatusel 2,8-4,2 MJ/kg

Vedelkütus+hapnik 10,4 MJ/kg – õhus põletamisel ei loeta hapnikku massi hulka, aga näiteks lõhkeainel ja kosmoseraketis tuleb see paratamatult arvestada.

Põlevkivi, oh seda põlevkivi!

Nonii, mis edasi?

Soojusbilanss

 Termoses on 500 grammi 20-kraadist vett.

Termosesse kallatakse juurde 100 grammi sooja vett, mille tulemusena tõusis vee temperatuur termoses 30 kraadini.

Milline oli juurde lisatava sooja vee temperatuur?

Külm-külm

Станция Восток, −89,2 °C, 21. juulil 1983
Satelliitidelt −93.2 °C 10. august 2010

Oimjakon, Öymököön, Өймөкөөн

Jakutsk

Kuidas läheb?

Eesti külmarekordiga segased lood
  

Madalaim temperatuur, 100pK

Gran Sasso labor, 1m³ vasknõu temperatuuril -273.144°C (0.006 K) 15 päeva 

Bumerangi udukogu 1K, taustkiirgus 2,73K


Kas me räägime kehatemperatuurist? Ei me ei räägi kehatemperatuurist, ikka kehade temperatuurist. Kehatemperatuurist võib muidugi ka rääkida, näiteks sellest, kuidas mõned inimesed nii hästi külma kannatavad.

Väga külm vesi

Wim Hof - Iceman

Uus rekord 2019

Natuke kuuma kah

Surmaorg – 10. juuli 1913 (1922) +56,7 °C.

Võru – 11. august 1992 +35,6 °C.

Narva-Jõesuu jäi vaid 0,2°C alla 7. augustil 2010, sest Venemaal läks mets põlema ja õrn suitsuvine ei lasknud päikesekiirgusel maapinda piisavalt soojendada.

Päikese sees 1,57 · 10⁷ K, fotosfääris (pinnal) 5772 K

Temperatuuriskaalad

Iga lapski teab, et Celsiuse skaala järgi vesi keeb 100°C juures ja jää sulab 0°C juures. See on muidugi õige, aga pole täpne. Ja Celsius ei leiutanud omanimelist skaalat. Mille Fahrenheit leiutas? Sellest on nii palju segast juttu kokku keerutatud, et ei tea keda uskuda. Vaata, mida Derek on välja uurinud.

Täpsemalt skaaldest

Online ühikud

Derek käis Rootsis asja uurimas:

  Mida Celsius ei teinud...

Derek lasi multika teha: Mida Fahrenheit tegi...

Mis oli Kelvini nimi? William Thomson muidugi.

Ilus termomeeter, R nagu Réaumur

ITS-90 on tegelikult tänapäevane temperatuuri kindlate punktide süsteem. Neid punkte on palju rohkem kui „jää sulab ja vesi keeb“. Veega on nüüd seotud ainult üks punkt ja see ei ole sulamis- ega keemistemperatuur vaid kolmikpunkt. Sellest kunagi hiljem.

Molekulaarnähtusi

Kõige üldisemalt on nii, et molekulaarfüüsika, soojusfüüsika, soojusõpetus ja isegi termodünaamika on kõik ühe lapse nimed. Termodünaamika, õpetus soojuse (tänapäevases terminoloogias enamasti soojushulga) üleminekust ühelt kehalt teisele, on neist kõige auväärsem ja vanem. Kõik see

 püsib püsti molekulaarkineetilisel teoorial:

1) Kõik kehad koosnevad molekulidest. (Vabandust, keemikud. Me lihtsalt modelleerime seda nii ja õigustame end sellega, et kosmoloogid on veel hullemad.)

2) Molekulid osalevad lakkamatus, iseeneslikus, kaootilises liikumises, mida nimetatakse soojusliikumiseks. See „näeb välja“ korratu ringikihutamise või mõttetu kohapeal rabelemisena ja see ei ole soojuse liikumine.

Tegelikult see ei ole mingi teoretiseerimine vaid päris tõeline kogum mudeleid ehk teaduslik teooria. Teatud piirini seletuvad sellega paljud nähtused, molekulaarnähtused.

BROWNI LIIKUMINE, on küll äge ja ajaloolistel põhjustel oluline molekulaarnähtus, aga tuleb tunnistada, et täiesti kasutu. Näiteks nii võib Browni ja tema liikumise ära seletada, aga kasumlikku Browni masinat pole siiski leiutatud. Hea lugu siiski.

Neile, kes pole seda kuulsat liikumist veel näinud, selline ta on:

Browni liikumine ja seesama nanoosakestega

DIFUSIOONI DEFINITSIOON
Difusioon, segunemise ja ühtlustumise nähtus, kus molekulid liiguvad iseenesest sealt kus neid on palju (kõrge kontsentratsioon), sinna kus neid on vähe (madal kontsentratsioon). Difusioon viib süsteemi alati termodünaamilise tasakaalu poole, jaa-jaa.

Temperatuuri mõju difusioonile. Molekulaarnähtused on temperatuuritundlikud.

See imevigur on OSMOOS, eriti võimas värk bioloogias:

SOOJUSPAISUMINE lõhub kive ja rasket rauda.

TEHNIKAVAATLUS silla all

Mine Laia tänavat mööda Emajõe äärde ja leia Vabadussild. Silla alt läbi viidud kõnniteel (paremkaldal, botaanikaaia ja HTG pool) on üles vaadates näha, kuidas sild kaldasambale toetub. Seal on isegi skaala, millelt võib vaadata, kui pikk sild parasjagu on. Talvel lühem, suvel pikem. Silla peal on samas kohas näha paisumisvahe.

Peagi kerkib veel küsimusi, näiteks:

Kas tuul, lained ja hoovused on molekulaarnähtused?

AC/DC

 Pesumasin. Nagu teada, seletatakse elektrivoolu teket ja toimeid vee voolamise analoogia abil. Kuidas siis vahelduvvoolu seletada? Edasi tagasi voolava veega, ütleb kontseptuaalse füüsika õpetaja Paul Hewitt.

Elekrtrivoolu mehaaniline analoog on ka täitsa olemas. Juhe on näiteks kettülekanne, takistus on höördumine, patarei laadimine on vedru ülekeeramine jne.

Kas 60 Hz või 50 Hz? Meil küll 50, aga vaadake, mis Jaapanis on juhtunud. Pool riiki ühel, pool teisel sagedusel.

Trafo ja tõesti, siit ta tuleb.

Generaator

Miks faasinihe?


And Now for Something Completely Different

Ja vastupidi?

Hübriidauto ja kiirrong

Twike

7. juulil 1998. a. saabus Tallinna 7-st Šveitsi mini-elektriautost Twike koosnev karavan. Ühekohalise keskkonnasõbraliku miniauto propageerijad sõitsid Bernist Nordkapini ja sealt tagasi, läbides 10000 km. Twike, mida võib käitada ka pedaalidega tallates, kulutab  5kW·h elektrienergiat 100 km koha.

• Kui pika tee saaks Twikega läbida, kui selle käitmiseks kasutada kümmet tavalist autoakut, igaüks 60 A·h ja 12 V?
• Kui suurt võimsust tarbib Twike, sõites keskmise kiirusega 70 km/h?

ICE rong

Saksamaa raudteel sõitvate ülikiirete elektrirongide (ICE-rongide) maksimaalne võimsus on 4,2 MW. Liinijuhtme ja rööbaste vaheline pinge on 15 kV.

• Kui suur on voolutugevus sellel võimsusel?
• Rongi pidurdamisel töötavad mootorid generaatoritena, andes elektrivõrku tagasi energiat kasuteguriga umbes 50%. Milline on võrku suunduva voolu keskmine tugevus, kui rong, mille mass on 320 t ja kiirus 300 km/h, peatub 2,5 minuti jooksul?

Valgusest elekter

Päikesejaam

 

Footonid

Aga mis see kütuselement on, vesinikuga?

Midagi tõeliselt kasulikku!

Elektrist valgus

Nobel 1921

Nobel 1923

Nobel 2009

Nobel 2014



Leuchtdiode

Light-emitting diode, LED

V Õ I M A T U !

Üks minut? Ei, pigem kolm.

Raadio

Marconi, Tesla, Popov

Miks kass?

Kuhu edasi? Bluetooth, WiFi jt.

Hedy Lamarr – lennukitiiva lugu

Miseeon?

Transistor

Veritasiumis mängitakse aatomeid

Revolutsiooniline tehnoloogia

Texas Instruments - 12. september 1958

Jack Kilby (1923 - 2005)

Robert Noyce 1927 – 1990

pn-siire

Nii on!

Pooljuht

Elektron ja auk

Töö ja võimsus

Joule'i-Lenzi seadus

Q = I²Rt = IUt = U²t / R

ˇ

Üks vana diagramm elektri hinna kujunemisest. Ajad on muutunud, enam sellist sõõrikut joonistada ei saa, aga hind kujuneb laias laastus ikka samamoodi. 

Elektrit ei saa lattu toota. Või saab?

Taum Sauk

Aga siiski...

Elektienergia, päriselt elektrivälja energiana.

Kütust õhust ja päikesest?

Elektriga on päris mõnus,

aga see pole alati nii olnud. Vanad ajad, hirmasad lood. Me oleme väga mugavaks ja hooletuks läinud kõigi oma kaitsemaanduste ja rikkevoolukaitsmetega.

Elektrivool tööl ja kodus

Elektrilöök pole nali

Voldid loevad, aga miks just voldid.

Elektrikaru

Harry F. Mcgrew 340 kV

Brian Latasa 230 kV

Vatsakeste fibrillatsioon

>1000V, 100 – 150ms (avatult ~ 5ms), 0,016 mA/g

Sammupinge

Kui suur on pliiaku lühisvoolu võimsus?

Kas elekter on tuli?

Ei ole, aga miks selline küsimus?

Kuidas tundub?

Kas te teate kedagi, kes teaks kedagi..?

Nonii, miks autost särtsu saab?

In 1754, Prokop Diviš, a Czech priest, attempted to control the weather but ended up inventing the lightning rod instead.