Loodusteaduste alused. PhD Jaanis Priimets

Transkript

1 Loodusteaduste alused PhD Jaanis Priimets

2 Füüsika ja keemia Füüsika ja keemia kui teadus kujutab endast filosoofilist süsteemi, kus reaalsetele loodusnähtustele seatakse vastavusse nende matemaatilised mudelid. Igat eset või protsessi püütakse kirjeldada kvantitatiivselt määratavate parameetrite - füüsikaliste suuruste abil. Parameetrite arvulised väärtused - mõõdud - on omavahel seotud matemaatiliste seoste - valemitega. See arvude- valemite kompleks kannab nime matemaatiline mudel.

3 Füüsika ja keemia 1. Füüsika ja keemia ei kasuta kvalitatiivseid määratlusi, vaid asendab need kvantitatiivselt määratavate suurusteg.. Füüsika ja keemia seadused kujutavad endast matemaatilisi seoseid nimetatud suuruste vahel. 3. Iga füüsika ja keemia seaduse juurde kuulub ka sõnaline kirjeldus, mis viitab põhjuslikule seosele.

4 Füüsika ja keemia 1. Empiirilised valemid saadakse mingi katseseeria üldistusena.. Teoreetilised valemid - põhiseadused - saadakse empiiriliste valemite üldistamise teel. 3. Rakenduslikud seosed saadakse eespool toodute konkretiseerimise tulemusena.

5 Ühikud Füüsika kasutab SI-d (Système International). SI omab 7 põhiühikut. Kõik ülejäänud SI ühikud on tuletatud nendest. Suurus Mõõtühik Tähis Hetkel kehtiv etalon Pikkus meeter 1 m Valguse poolt 1 / sekundiga vaakumis läbitav vahemaa Aeg sekund 1 s Tseesiumi 133 Cs aatomi teatud kiirguse võnkeperioodi Mass kilogramm 1 kg Plaatina-iriidiumi sulamist silindrikujuline prototüüp Temperatuur kelvin 1 K 1 73,16 vee kolmikpunkti termodünaamilisest temperatuurist Voolutugevus amper 1 A Voolutugevus, mille korral 1m pikkused juhtmed mõjutavad teineteist 1 m kauguselt jõuga 10 7 N. Valgustugevus kandela 1 cd Valguslaine sagedusega Hz, mis kiiratakse võimsusega W ruuminurka 1 sr Ainehulk mool 1 mol Aatomite arv 1 grammis süsinikus 1 C Suurus Mõõtühik Tähis Tasanurk radiaan 1 rad Ruuminurk steradiaan 1 sr

6 Ühikud Teisi füüsikaliste suuruste ühikuid saab tuletada seitsmest põhiühikust. Dioptriat on lubatud kasutada paralleelselt SI-ga SI ühikutest sõltumatult määratletud ühikud: Mass Aatominassi ühik u 1 aatommassiühik on 1/1 1C aatomi massist: 1 u on ligikaudu 1, kg Energia Elektronvolt ev 1 elektronvolt on kineetiline energia, mille elektron saab läbides vaakumis potentsiaalide vahe 1 V: 1 ev on ligikaudu 1, J

7 Ühikute eesliited Kõik SI ühikud v.a kg on eesliiteta! Tähis Eesliide Arvkordaja Y jotta = Z zetta = E eksa = P peta = T tera = G giga = M mega = k kilo = 1000 h hekto- 10 = 100 da deka = 10 d detsi = 0,1 c senti = 0,01 m milli = 0,001 μ mikro = 0, n nano = 0, p piko = 0, f femto = 0, a atto = 0, z zepto = 0, y jokto = 0,

8 USA mõõtühikute süsteem inch (in), toll =.54 cm (jämeda sõrmelüli pikkus) foot (ft), jalg = 1 in = cm (talla pikkus) yard (yd), jard = 3 ft = cm mile (mi), miil = 1760 yd = 580 ft = 1.6 km (loetakse kõiki pikkusi ja auto kiirusi) ounce (oz), unts = 8.35 g pound (lb), nael = 16 oz = 450 g pint (pt), pint= 16 fl. oz = 0.47 l quart (qt), kvart= pt = 0.95 l gallon (gal), gallon= l (näiteks küttust müüakse gallonites) oil barrel (br), nafta vaat= 158,99 l (puistaine jaoks 115,67 l, on veel suhkru-, rukki, jõhvika- jne barrelid l) Farenheit (F)

9 Mehaanika Mehaanikaks nimetatakse õpetust liikumise lihtsaimast vormist, mis seisneb kehade või nende osade ümberpaiknemises üksteise suhtes. Mehaanika jaguneb kinemaatikaks, dünaamikaks ja staatikaks. KIIRUS: v lim0 t r d r dx. v. t dt dt

10 Kiirendus Kiirenduseks nimetatakse kiiruse muutumist ajas. Kiirendus näitab kui kiiresti muutub kiirus ajaühikus. Kiirendus on määratud kiiruse muutumisega ajaühikus. a k v t v dv d ds d s a lim t dt dt dt dt t0 v dv adt at c1 s ds at ( at c1 ) dt c1t c v v 0 at at s s0 v0t svt vs. t v v v t t a 0 v a s v 0

11 ja ÜLESANDED 1.1 Punkt liigub mööda x-telge vastavalt seadusele x 5t. Andmed on antud SI-s Kui suur on punkti kiirus? 1. Mööda telge liigub kaks punkti vastavalt võrrandiltee x1 10 t x 4 5t. Millisel ajahetkel need punktid kohtuvad? (Andmed on antud SI-s)

12 ja ÜLESANDED

13 ÜLESANDED

14 Ülesanded

15 Ülesanded

16 Ülesanded

17 Newtoni seadused. Newtoni I seadus Iga keha püsib paigal või liigub ühtlaselt ja sirgjooneliselt seni, kuni kehale ei mõju jõudu või mõjuvate jõudude summa on võrdne nulliga. Taustsüsteemi mille suhtes kehtib Newtoni I ehk inertsi seadus nimetatakse inertsiaalseks. Newtoni II e dünaamika põhiseadus Keha liikumishulga (impulss) muutus on võrdeline rakendatava liikumapaneva jõuga ja toimib pikki jõu toime suunaga ühtivat sirget Kasutades impulssi saab Newtoni II seadust kirjutada kujul: d p dt dv m dt d ( mv) F dt Kui keha mass on konstantne m=const: dv m ma F dt Newtoni III seadus Kehade igasugune mõju teineteisesse on alati vastastikune; jõud millega kehad teineteist mõjutavad, on alati suuruse poolest võrdsed kuid suunalt vastupidised. F 1 F

18 Newtoni seadused. Newtoni ülemaailmne gravitatsiooni seadus. Jõud, millega kaks keha tõmbuvad on võrdeline nede kehade masside korrutisega ja pöördvõrdeline nende kehade masskeskmete vahelise kauguse ruuduga. m m F r 1

19 . Töö ja energia. Kuna energia on keha võime teha tööd. Kineetiline energia: mv E k E p Fs cos. Energia ühikuks on kgm [ 1J 1 ; kasutatakse ka SI põhist 1eV ja väliseid 1kW h, 1cal, vanasti ka 1erg] s Potentsiaalne energia näitab, kui palju on keha võimeline tegema tööd kehade vastastikmõju tulemusel. Gravitatsioonilist vastastikmõjus Maaga: E p mgh, kuna F ja s on sama suunalised, siis 0 cos 1 Energia jäävuse seadus: Energia ei tekki ega ei kao vaid muundub ühest liigist teise. E E p E k

20 . Töö ja energia

21 . Töö ja energia

22 . Rõhk

23 . Ülesanded

24 . Ülesanded

25 . Rõhk V S1l1 Sl const S 1 l1 l S t t S 1v1 Sv Sv const

26 Rõhk. Bernoulli võrrand. pot kin pot kin E E E E E E E , Vgh mgh E Vv mv E pot kin Vgh Vv Vgh Vv E E E E E E E pot kin pot kin V p p s S p s p S s F s F A ps F V s S p gh v p gh v const p gh v

27 . Rõhk. Bernoulli võrrand

28 . Rõhk. Bernoulli võrrand

29 . Rõhk. Bernoulli võrrand Kõrgem rõhk Häälepaelad Madalam rõhk Sama efekt keelpillidega!

30 . Rõhk. Bernoulli võrrand

31 . Rõhk. Bernoulli võrrand. Kavitatsioon Kiirel voolamisel võib rõhk langeda alla kriitilise, mis vastab tema küllastatuse aururõhule (keemine). Tema voolavuse pidevus katkeb ja tekkivad väga madala rõhuga auru mullid. Nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. Kavitatsiooni mullid, sattudes kõrge rõhuga piirkonda plahvatavad tekitades lokaalsed plahvatuslained. Kavitatsioonimullide kadumise piirkonnas tõuseb märgatavalt temperatuur. Kavitatsiooni mullide plahatuslained, kõrge temperatuur ja auru keemiline mõju tekitab temaga kokkupuutuvate metallide keemilist erosiooni (isegi keemiliselt väheaktiivsed kuld ja klaas), mis võib hävitada sõudekruvisid, turbiine, alveetiivikuid, pumba detaile, torusid jne Lisaprobleeme tekitab kavitatsiooni mullide kokkulöömise poolt tekitatav vibratsioon (müra, metalli väsimine jne) Kavitatsiooni negatiivne mõju piirab oluliselt kiirusi ja suurendab nõudeid konstruktsioonile. Kavitatsioonitorpeedodes kasutatakse kavitatsioonimulle veetakistuse vähenemiseks torpeedo liikumisel vee all.

32 . Kavitatsioon

33 . Rõhk. Bernoulli võrrand 3.1 Allveelaeva mass on ja selle ruumala on. Allveelaeva mootorid ei tööta ja allveelaev vajub muutumatu kiirusega. Kui palju tuleb vähendada allveelaeva massi, et allveelaev hakkaks tõusma pinnale sama suure kiirusega? Allveelaeva vaadelda silindrina, mille telg on horisontaalne. Vee takistus allveelaevale on võrdeline kiirusega. Vee tihedus on ρ. 3. Anumasse valatakse vett kiirusega Vt=0,l/s. Mitme sentimeetrine peab olema anuma põhjas oleva ava diameeter d, et vee tase anumas oleks muutumatult h=8,3cm? 3.3 Õhupall, mille ruumala on, täideti heeliumiga. Õhupalli kesta mass on. Kui kõrgele tõuseb õhupall? Õhu tiheduse sõltuvus kõrgusest maapinnalt on toodud graafikul ja lihtsuse mõttes loeme palli ruumala konstantseks.

34 Gaasid Ideaalse gaasi mudel Aineosakesi vaadeldakse punktmassidena Osakeste vahelised jõud puuduvad Põrked osakeste vahel on absoluutselt elastsed Clapeironi võrrand pv m =RT, V m 1 mol gaasi ruumala (molaarne ruumala) [1 m /mol] p gaasi rõhk (gaasi osakeste põrked anuma seintega) [1 Pa] T gaasi absoluutne temperatuur [1 K] R universaalne gaasi konstant R=8,314 J/(K mol) Universaalne gaasi konstant on seotud Boltzmanni konstandiga Avogaadro arvu kaudu: R=N A k, N A Avogadro arv N A =6, k Boltzmanni konstant k=1, (4) 10-3 J/K

35 Gaasid pv m =RT. Bayle Mariotte i seadus: konstantsel temperatuuril on gaasi rõhu ja ruumala korrutis ka konstantne suurus. pv = const kui T = const. Isotermiline protsess Gay-Lussaci seadus: Konstantsel rõhul on ruumala ja temperatuuri suhe konstantne suurus. V T = const kui p = const. Isobaariline protsess. Charlesi seadus: Konstantsel ruumalal on rõhu ja temperatuuri suhe konstantne suurus: p T = const kui V = const. Isohooriline protsess

36 Gaasid Clapeironi võrrand (ideaalne gaas) pv m =RT. van der Waalsi gaas Aineosakesed hõivavad ruumiosa b, seega vaba ruumi suurus on V-b. Osakeste vahel mõjuvad van der Waalsi jõud, mis tekitavad lisarõhu a/v. van der Waalsi võrrand: p + a V m V b = RT, a antud gaasi osade vastastikmõju iseloomustav konstant b gaasi osakeste ruumala.

37 Vedelikud õõnsused Lähikord Kaugkord Gaas

38 Vedelikud Viskoosus F s S = η dv dr. F s sisehõõrdejõud [1N] η viskoosus [1Pa s] dv dr kiiruse gradient [1m/s ]

39 Tahkised Amorfsed ained on füüsikalisi omaduste poolest lähedased tahkistele, kuid struktuuri poolest suure viskoossusega vedelikud Tahkiseid iseloomustab kristallvõre olemasolu Tahkise omadused on suuresti tingitud võre struktuurist ja sõlmpunktide vahelistest jõududest.

40 Termodünaamika I seadus Esimest liiki perpetum mobile on võimatu. Suletud süsteemi siseenergia U on muutumatu ehk du=0 Energia ei tekki ega ei kao, vaid muundub ühest liigist teise. Sisuliselt on tegemist energia jäävuse seadusega. ΔU=Q-A. (.1) ΔU siseenergia muut [1J] Q väliskeskkonnast saadav (>0)/antav (<0) soojushulk [1J] A välisjõudude poolt (>0)/vastu (<0) tehtav töö [1J]

41 Termodünaamika II seadus Teist liiki perpetum mobile on võimatu. (Oswald) Soojus ei saa iseenesest üle minna külmalt kehalt kuumemale. (Clausius) Ei ole võimalik ehitada perioodiliselt töötavat masinat, mis muudab pidevalt soojust tööks, ainult ühe keha jahtumise arvelt. (Kelvin) Isoleeritud süsteemis kulgevad kõik protsessid entroopia kasvu suunas. (Clausius) Kui te avate purgi, mis on täis usse, siis ainus viis neid purki tagasi saada on võtta suurem purk (Murphy). Entroopia S on ekstensiivne suurus, mis kirjeldab vaadeldava süsteemi erinevate võimalike juhuslike ümberpaigutuste arvu. Tegemist on korratuse mõõduga.

42 Monokomponentne süsteem C=3- Φ

43 Monokomponentne süsteem

44 Faasiüleminekud

45 Siirdesoojused Q = cm T c - erisoojus (ka erisoojusmahtuvus) on soojushulk, mis on vajalik ühikulise massiga ainekoguse temperatuuri tõstmiseks 1 kraadi võrra. SI-s [J/kg K] Q = λm λ sulamissoojus on ühikulise massiga ainekoguse sulatamiseks kuluvav või tahkumisel eralduv soojushulk. SI-s [J/kg] Aurumissoojus on soojushulk, mis kulub 1 massiühiku vedeliku muutmiseks auruks antud rõhul. Keemissoojus on aurumisoojus keemistemperatuuril Termodünaamika seadused omavad statistilist iseloomu

46 Molekulide arv Siirdesoojused Termodünaamika seadused omavad statistilist iseloomu Maxwelli jaotus Osakese kiirus Kergemate (lamedam) ja raskemate (teravam) gaasiosakeste liikumiskiiruste jaotus kindlal temperatuuril

47 Ülesanded 5.1 Leida õhu mass, mis täidab ruumi, mille kõrgus on m pikkus 5 m ja laius 3 m. Õhurõhk 100kPa t=0ºc. Õhu molaarmass on µ õhk =0,09kg/mol. 5. Mis kaalub rohkem, tonn pliid või tonn korki? t=17ºc, õhurõhk 100kPa, ρ kork =00kg/m 3, ρ plii =1, kg/m Gaas sai soojushulga 100 J ja tegi tööd 140 J. Kuidas ja kui palju muutus tema siseenergia? 5.4 Gaas sai soojushulga 800 J ja tema siseenergia suurenes 1, kj võrra. Kui palju tööd tegid gaasile mõjuvad välisjõud? 5.4 Adiabaatilisel protsessil vähenes gaasi siseenergia 3,8 kj võrra. Kui suur oli gaasi poolt tehtud töö? 5.5 Gaasi temperatuuri tõsteti ühe ja sama kraadide arvu võrra, ühel juhul jääval ruumalal, teisel juhul aga jääval rõhul. Kui suur soojushulk anti gaasile siis kui gaas paisus jääval rõhul, kui jääval ruumalal anti gaasile soojushulk 60 J ja paisumisel tegi gaas tööd 40 J? 5.6 Kui palju muutus liitri vee siseenergia, kui seda soojendati temperatuurilt 0 C temperatuurini 60 C? 5.7 Hapniku moolsoojus jääval ruumalal on 0,1 J/(mol K). Kui suur on hapniku erisoojus jääval ruumalal? 5.8 Ideaalne gaas paisub isobaariliselt rõhul 500 kpa ruumalalt 1 l kuni ruumalani 6 l. Arvutada gaasi paisumise töö. Hinnata, kuidas muutus seejuures gaasi siseenergia? 5.9 Milline oleks ideaalse soojusmasina maksimaalne kasutegur, kui ta töötab polaaraladel merevee (+3 C) siseenergial ja kui oletada, et jahutina kasutatakse atmosfääriõhku (-30 C)?

48 Ülesanded

49 Ülesanded 6.1 Mis temperatuuri T omab g lämmastiku, mis omab rõhul p= 0, MPa ruumalat V=80 cm Temperatuuril t=50 C on küllastunud auru rõhk p=1,3 kpa. Leida vee auru tihedus ρ. 6.3 Leida jõud tõmbejõud F vesiniku aatomi tuuma ja elektroni vahel, kui on teada, et aatomi raadius r=0, m. 6.4 Näitliku kujutluse laengust 1C annab jõud, millega mõjutavad teineteist 1C laenguga keha, kui nende vaheline kaugus on 1 km. Arvutame laengute vahelise jõu. 6.5 Kumb on suurem, kas elektronide vaheline elektrostaatiline või gravitatsiooniline jõud? Mitu korda? 6.6 Kaks 5g massiga kera asetsevad teineteisest eemal tühjuses. Kui suured võrdsed laengud tuleks neile anda, et laengute vaheline tõukejõud tasakaalustaks gravitatsioonilise jõu kerade vahel? 6.7 Elektroni ja massi suhet iseloomustab näide. Oletame, et kaks laengut asuvad teineteisest 100 milj. km kaugusel ning kummagi laengu moodustab 1g elektrone. Millise jõuga mõjutavad laengud teineteist? 6.8 Petrooliumis (ε=) paiknevad punktlaengud q 1 =6,67nC ja q =4,0nC. Arvutada laengutele mõjuv jõud, kui laengute vaheline kaugus on r=10cm.

50 Näidis ülesanne õige vormistamisega 6.1 Mis temperatuuri T omab g lämmastiku, mis omab rõhul p = 0, MPa ruumalat V = 80 cm 3. Antud: m = g = 10-3 kg p = 0, MPa = 0, 10 6 Pa V = 80 R=8,31 J/K mol μ N = 8 g/mol = 0,08 kg/mol T=? T või 6 0,080, ,31 10 T 0,08 kg mol 6 0, 10 Pa ,31 J Kmol 6 10 kg T m V pv N pv Rm m 70,K m N RT 0,080, 80 0,080, , ,31 Vastus: Lämmastiku temperatuur antud tingimustel on 70, K , ,6 3 70, K

51 Näidis ülesanne õige vormistamisega 6. Temperatuuril t=50 C on küllastunud auru rõhk p=1,3 kpa. Leida vee auru tihedus ρ. Antud: T = 50 C = 33,15 K p = 1,3 kpa = 1, Pa R = 8,31 J/K mol μ HO = 18 g/mol = 0,018 kg/mol ρ=? 0,0181,310 8,3133,15 3 m V m pv H O p V m RT m H O p V RT 8,4 H O RT 0,018 3 kg 3 kg mol 1,310 Pa kg või 8, 4 3 m 8,31 J Kmol 33,15K m Vastus: Küllastunud veeauru tihedus antud tingimustel on 8,4 kg/m 3. NB! Ringliikumise kinemaatika ja dünaamika ülesanded omandatakse iseseisvalt samal tasemel, mis sirgjoonelise liikumise puhul (valemid on vaid veidi erinevad ja leitavad siin samas kaustas olevas tabelis).

52 Elektromagnetism. Elektriväli Elektrivälja tugevus näitab, kui suur jõud mõjub selles väljas ühikulise positiivse laenguga kehale. F E 1 q1q1 F Qq Q Colombi seadusega F E k k q 4 r q r q r 0 N E - elektriväli [1 ] C

53 Elektriväli Igas elektrijuhis leidub alati palju vabalt liikuvaid laengukandjaid. Tavaliselt liiguvad laengukandjad juhi sees kaootiliselt. Elektriväljas hakkavad laengud liikuma suunatult. Laengukandjate suunatud liikumine toimub alati nii, et väli juhi sees nõrgeneb. Liikunud elektronide arv tühine võrreldes üldarvuga! E v E s E v E s 0

54 Elektromagnetism Sõltumata elektriseerimise viisist ei ole laengute tasakaalu korral juhi sees välja ja juhi kõigis punktides on potentsiaal ühesugune ja laengute ülejääk tasakaalu korral elektriseeritud keha pinnal. Sellest järeldub, et juhi pind on ekvipotentsiaalpind.

55 Elektriväli

56 Välja potentsiaal. Pinge Kuna elektriväljas olevale laengule mõjub jõud, tuleb selle nihutamiseks tegema tööd. Elektrivälja potentsiaal on töö, mida tuleb teha (positiivse) ühiklaengu viimiseks antud väljapunktist sinna, kus väli ei mõju. Näitab, kui suur potentsiaalne energia mõjub selles punktis ühikulise positiivse laenguga kehale. A q 1J - välja potentsiaal 1C 1V Elektrivälja kahe punkti potentsiaalide vahet nimetatakse elektriliseks pingeks U. U 1 1J U - pinge 1V 1C

57 Mahtuvus Seade, mille abil saame eraldada suuremas koguses laengut on kondensaator, mille põhi näitajaks on mahtuvus. q C U C kondensaatori elektriline mahtuvus 1C 1 F 1V Mida suurem plaadi pindala, seda suurem mahtuvus. Mida lähemal on teineteisele plaadid seda suurem on mahtuvus. Mida suurem dielektriline läbitavus on dielektrikul, seda suurem on mahtuvus. C 0 S d E E 1 E

58 Mahtuvus Kuna elektriväljas olevale laengule mõjub jõud, tuleb selle nihutamiseks tegema tööd. Elektrivälja potentsiaal on töö, mida tuleb teha (positiivse) ühiklaengu viimiseks antud väljapunktist sinna, kus väli ei mõju. Potentsiaal näitab, kui suur potentsiaalne energia mõjub selles punktis ühikulise positiivse laenguga kehale. Elektrivälja kahe punkti potentsiaalide vahet nimetatakse elektriliseks pingeks U.

59 Elektrivool Laengute suunatud liikumist nimetatakse elektrivooluks. i dq dt q q dq 0 t 0 idt i dq dt dq dt, I q t Elektrivoolu suunaks loetakse positiivselt laetud osakeste liikumissuunda. Et vool ei katkeks peavad laengud liikuma mööda kinnist teed e. vooluringi. Voolu alalhoidmiseks peavad vooluringis olema piirkonnad, kus laengud liiguvad suurema potentsiaaliga piirkondade suunas. Selline ümberpaiknemine saab toimuda vaid mitteelektrostaatiliste kõrvaljõudude abil. Suurust, mis on võrdne positiivse ühiklaengu kohta tuleva kõrvaljõudude tööga, nimetatatkse elektromotoorjõuks (emj) ε [1V]. A q

60 Takistus Ohmi seadus: mööda homogeenset metallijuhti kulgeva voolu tugevus on võrdeline pingega U juhis. I U U R Juhtivus 1 1A 1V 3 s A 1 kg m 1S 1V kg m R takistus A s A jadaühendus rööpühendus I I I... 1 I n I I I... 1 I n U U U... 1 R R R... 1 U n R n U U U... 1 R 1 R R... 1 R n U n 1... n

61 Kontrolltöö Variant 1 Variant Variant 3

62 Ülesanded 10.1 Kuldtraadi pikkus on,5 m ning tema takistus on 1, Ω. Leida traadi diameeter, kui kulla eritakistus on 0,0 Ω mm /m. 10. Volframtraadi ρ W =0,053 Ω mm /m pikkus on 30 m. Milline on selle traadi ristlõikepindala, kui tema otstele rakendatud pinge 49,5V, tekitab temas voolu tugevusega 1,5A Vool juhis muutub vastavalt võrrandile i=t+t, kus kõik on antud SI ühikutes. Milline laeng q läbib juhet t 1 =s ja t =3s vahel? 10

63 Ülesanded

64 Joule-Lenzi seadus Töö voolu ahelas: U A q q It A UIt Kui kogu voolu energia muutub tööks kasutame Ohmi seadust I=U/R: U t A R A Q I Rt Joule-Lenzi seadus: Juhis elektrivoolu toimel eraldunud soojushulk on võrdeline voolutugevuse ruuduga, juhi takistuse ja voolu toimumise ajaga. 8. K Akuga, mille sisetakistust ei arvestata, ühendati kord üks, siis aga teine takisti. Esimesel ühendamisel oli vool I 1 =3A ning teisel I =6A. Arvuta vool, kui akuga ühendada mõlemad takistid korraga jadamisi.

65 Elektrivoolu võimsus N A t U t A R N U R A UIt N UI Q I Rt N I R

66 Vool metallides

67 Elektrivool metallides Metallis olles asub elektron potentsiaali augus, sellest väljumiseks peab ta tegema tööd: A E p Minimaalset tööd, mida elektron peab tegema kineetilise energia arvel, et sellest metallist väljuda nimetatakse väljumistööks. Kahe metalli kokkupuutel, metallid elektriseeruvad kahel põhjusel. 1. Erinevatel metallidel on erinev väljumistöö A.. Elektron gaaside erinev tihedus eri metallidel.

68 Elektrivool gaasides Sõltuv gaaslahendus. Gaas ioniseeritakse välisel toimel. Termoionisatsioon Fotoiononisatsioon jne Sõltumatu gaaslahendus. Vool gaasis tekkib välise ionisaatori toimeta, suure E elektsivälja mõjul. Sädelahendus Huumlahendus Elektrikaar Koroonalahendus Iseseisvalt saada selgeks vool vedelikes ja pooljuhtides sh pn-siire, aukjuhtivus jne jne

69 Ülesanded 9.1 Elektrimootor suudab tõsta ühe tonnise koorma minuti jooksul 1 m kõrgusele. Leida mootori mähist läbiv vool, kui ta töötab alalisvoolu pingel 100 V. 9. Vooluelement emj-ga ε=6v võimaldab maksimaalselt saada elektrivoolu I=3A. Milline on vooluallika sisetakistus ja palju soojust on võimeline temaga ühendatud väline takisti eraldama ajaühikus? 9.3 Voolu patarei emj-ga ε=40v ja sisetakistusega r=1ω on ühendatud vooluahelaga, mille takistus on R=3Ω. Leida patarei täisvõimsus N 0, kasulik võimsus N ja kasutegur η. 9.4 Taskulambi patarei ε=4,5v ja sisetakistus r=3,5ω. Mitu sellist patareid tuleb ühendada jadamisi, et toita lampi võimsusega 60W, mis on arvestatud 17V. 9.5 Lahenda eelmine ülesanne, kui lambi nimivõimsus on 00W. 9.6 Arvuta 100W hõõglambi poolt 1h jooksul eraldatav soojus, kui on teada, et 95% energiat kulub otseselt soojuseks. Milline on energiahulk kw h-s? Kui palju vett saab selle abil keema ajada, kui vee algtemperatuur on 0 C. Vee erisoojus on c=400j/(kg K). 9.7 Milline veemass peab langema m kõrguselt tammilt, et kindlustada 60W hõõglambi kasutamist 1h jooksul? Elektritootmise kasutegur on 50%. 9.8 Elektrikeetjal on kahe sektsiooniga ümberlülitatav mähis. Esimese sektsiooni sisselülitamisel kulub vee soojendamiseks aega 10 minutit, teise sektsiooni sisselülitamisel 5 minutit. Kui palju kulub aega (min.-s), kui need sektsioonid on omavahel lülitatud a) jadamisi b) rööbiti

70 Ülesanded 10.1 Kuldtraadi pikkus on,5 m ning tema takistus on 1, Ω. Leida traadi diameeter, kui kulla eritakistus on 0,0 Ω mm /m. 10. Volframtraadi ρ W =0,053 Ω mm /m pikkus on 30 m. Milline on selle traadi ristlõikepindala, kui tema otstele rakendatud pinge 49,5V, tekitab temas voolu tugevusega 1,5A Vool juhis muutub vastavalt võrrandile i=t+t, kus kõik on antud SI ühikutes. Milline laeng q läbib juhet t 1 =s ja t =3s vahel? 10.4 Arvuta järgmiste kehade takistused (puudujäävad andmed leia ise): 100 m pikkune ja 1 mm ristlõike pindalaga vasktraat; 400 m pikkune ja 0,5 mm ristlõike pindalaga alumiiniumtraat Leia voolutugevused ülesandes 10.4 kirjeldatud traatides, kui kõigi nende otstele on rakendatud ühesugune pinge 1 V.

71 Magnetism Samasuunalise vooluga juhtmed tõmbuvad, vastassuunalised tõukuvad. Jõud mis mõjub kahe paralleelse juhtme vahel on arvutatav: 0I1I F r I voolutugevused 1. ja. juhtmes [1 A]; l juhtmepikkused [1 m]; l r kahe juhtme vaheline kaugus [1 m]; μ antud keskkonna magnetiline läbitavus (näitab mitu korda on jõud antud keskkonnas suurem, kui vaakumis); μ o antud keskkonna magnetiline läbitavus: μ o =4π 10-7 H/m. Kui kahe paralleelse, vaakumis asuva, ühesuguse muutumatu voolutugevusega, lõpmata pikka ja lõpmata peenikese, sirgjuhtme vahel tekkib iga meetripikkuse lõigu kohta jõud, N, siis nendes oleva elektrivoolu tugevus on 1A. Jõu vahendajaks oli juhtmete ümber tekkiv magnetväli.

72 Magnetism Vooluga juhtmete vahel mõjuv jõud F A sõltub juhi pikkusest l, selles juhtmes voolava elektrvoolu tugevusest I ja magnet väljast milles see juhe asub: F A BIl sin α nurk magnetvälja suuna ja voolutugevuse suuna vahel. B magnetinduksioon, mis iseloomustab magnetjõude antud punktis: FA N B 1 1T Il. B on vektoriaalne suurus. A m Vasaku käe reegel. Kui panna vasak käsi nii, et magnetvälja jõujooned on suunatud peopessa ning sõrmed näitavad voolu suunda (positiivsete osakeste liikumise suunda), siis väljasirutatud pöial näitab juhtmele mõjuvat suunda.

73 Alalisvoolu mootor Magnetvälja paigutatud raamile (mähisele) mõjub Amperei jõud. F A BIl sin

74 Magnevälja kuju ja suund

75 Magnevälja kuju ja suund Kui kruvi kulgemise suund (parema käe väljasirutatud pöial) näitab voolu suunda, siis selle pöörlemise (kõverdatud sõrmede) suund näitab magnetvälja jõujoonte suunda.

76 Lorentzi jõud Ampere i jõud näitab jõudu, mis mõjub kõigile l pikkusega juhis olevatele laengutele mõjuvat summaarjõudu. Jagades F A laetud osakeste koguarvuga N ja saame ühele laetud osakesele mõjuva jõu. F L F A N qvbsin kus v on laenguga q laetud osakese kiirus, mis liigub magnetväljas induktsiooniga B. Kehtib vasaku käe reegel!

77 Iseseisvalt Faraday elektrolüüsi seadused Faraday induktsiooni seadus sh Lenzi reegel. Valguse täielik sisepeegeldus NB! Selgeks tuleb saada ka asjade sisu!

78 Optika Φ valgusvoog (ingl k luminous flux) on valgussuurus, mis väljendab kiirgusvoo valguslikku toimet silmale. [1 lm] I v valgustugevus väljendab punktikujulisest valgusallikast lähtuva valgusvoo suurust antud ruuminurgas [1 cd=1 lm/sr] E v valgustatus (valgustihedus või valgus tugevus) väljendab valgustatava pinna ühikule langevat valgusvoogu [1 lx = 1 lm/m ] L v valgustatus väljendab valgustatava pinna ühikule langevat valgustugevust [1 lx = 1 lm/m ]

79 Elektromagnetlained Elektromagnetlained laetud osakeste kiiratav ja neelatav energia, mis kandub ruumis edasi lainena, milles elektri- ja magnetvälja komponendid võnguvad teineteise ja laine levimise suuna suhtes risti, olles üksteisega samas faasis. Valguse levimiskiirus vaakumis c = m/s. Valguse interferents lainete liitumise nähtus Valguse difraktsioon lainete levimine tõkete taha

80 Elektromagnetlained

81 Valguse peegeldumine ja murdumine Langemisnurk on alati võrdne peegeldumisnurgaga. α = β Snelliuse valem: sin sin n n 1 Murdunud kiir

82 Kujutise konstrueerimine F F

83 Kujutise konstrueerimine Nõgusläätse fookuskaugus ja optiline tugevus on negatiivne.

84 Kujutise konstrueerimine f r f r Kumerpeegli fookuskaugus ja optiline tugevus on negatiivne.

85 Kujutise konstrueerimine f r f r

86 Ülesanded 11.1 Leida valguse kiirus teemandis, kui me teame, et tema murdumisnäitaja on n =, Lambi valgus, mille valgustugevus I=00cd, langeb töökohale nurga all α=45, tekitades valgustatuse E=141lx. Millisel kaugusel r töökohast asub lamp ja milline on lambi kõrgus töölauast märtsil, kevadisel pööripäeval, asub Nordkappi neemel Päike keskpäeval α=10 nurga all horisondi suhtes. Mitu korda suurem on sellises situatsioonis vertikaalse pinna valgustatus võrrelduna horisontaalse pinnaga. 11.4K Kevadise ja sügisese pööripäeva ajal on päike ekvaatoril seniidis. Mitu korda on sellel ajal Maa valgustatus ekvaatoril suurem, kui Maa valgustatus Tallinnas laiuskraadil φ=60? 11.5 Kaugusel a 1 =15 cm kaksikkumerast läätsest, mille optiline tugevus on D=10 dptr, on pandud ese kõrgusega h 1 = cm. Leida kujutise asend a ja kõrgus h. KT graafiliselt! 11.6 Kus a ja millise suurusega h kujutis tekkib Päikese kujutis reflektor teleskoobis, mille peegli kõverusraadius R=16 m. Päikese diameeter on 1, m kaugus Päikeseni 1, m Läätse fookuskaugus on f= cm ja eseme kõrgus 1,5 cm. Arvuta kujutise kõrgus ja kaugus läätsest, kui ese asub läätsest: 1 cm, cm, 4 cm ja 5 cm kaugusel. Loo 1:1 joonis (konstrueeri kujutis) Läätse fookuskaugus on f=- cm ja eseme kõrgus 4 cm. Arvuta eseme kõrgus ja kaugus läätsest, kui ese asub läätsest: 1 cm, cm, 4 cm ja 5 cm kaugusel. Loo 1:1 joonis (konstrueeri kujutis).

87 Ülesanded

88 Ülesanded

89 Thomsoni aatomimudel Positiivne lauguga aatomis on ühtlaselt jaotatud negatiivsed elektronid nagu rosinad pudingis; Elektronide kogulaeng on tuuma positiivse laenguga sama suur ja aatom on kokku neutraalne. Läks vastuollu huljem Rutherfordi poolt sooritatud katsega.

90 Rutherfordi planetarne aatomimudel Rutherford pommitas õkukest kullaplaati enda poolt avastatud alfa osakestega (heeliumi tuumad). Osakeste hajumise pilt läks vastuollu Thomsoni mudeliga ja näitas, et enamus aatomi ainest on koondunud väga väikesesse positiivse laenguga tuuma. Ootatud pilt Thomsoni mudeli korral Reaalne pilt

91 Rutherfordi planetarne aatomimudel Osakeste hajumise pilt läks vastuollu Thomsoni mudeliga ja näitas, et enamus aatomi ainest on koondunud väga väikesesse (aatomist X väiksem) positiivse laenguga tuuma.

92 Rutherfordi planetarne aatomimudel Positiivse tuuma ümber tiirlevad negatiivsed elektronid justkui planeedid ümber päikese; Kui elektronid oleksid liikumatud tõmbaks neid kulooniline jõud tuuma külge. +

93 Rutherfordi planetarne aatomimudel KIIRGUSPROBLEEM: Elektroni tiirlemist ümber tuuma võib vaadelda võnkumisena; Võnkuv laetud osakene tekitab energiat kandva elektromagnetkiirguse; Kiirgav elektron kaotab energiat ja tema orbiidi kõrgus väheneb; Kõik elektronid peaksid langema tuumale vähem kui 10-9 s jooksul.

94 Bohri aatomimudel BOHRI POSTULAADID: Elektonid aatomis võivad asuda ainult diskreetsetel (kindlatel) orbiitidel, mis on määratud aatomi statsionaarsete olekutega; Diskreetsel orbiidil olles elektron ei kiirga: Üleminekul ühest statsionaarsest olekust teise aatom kiirgab või neelab energiakvandi (footoni). Neelates liigub kõrgema energiatasemega orbiidile Liikudes madalama energiatasemega orbiidile kiirgab Kiiratava/neelatava footoni energia vastab ülemineku orbiitide energiate vahega: ΔE=E -E 1

95 Bohri aatomimudel Footoni kiirgamine ja neeldumine aatomis

96 Bohri aatomimudel Mida suurem on orbiitide energia erinevus, seda suurema energiaga (suurem sagedus ja väiksem lainepikkus) footon kiiratakse.

97 Pauli keeluprintsiip PAULI KEELU PRINTSIIP: Ühes aatomis ei saa olla kahte samasuguse kvantarvuga elektroni; Igas elektronkihis on aatomorbitaalid, mille peal paiknevad elektronid.

98 de Broglie lainepikkus Elektron on nagu footongi osake, mis omab lainelisi omadusi; Aatomis olles, on elektron suletud laine ja seetõttu ta ei kiirga. Orbiitidel, kuhu ta ei mahu täisarv laineid ei saa elektron eksisteerida.

99 de Broglie lainepikkus de Broglie lainepikkus Elektron on nagu footongi osake, mis omab lainelisi omadusi; Aatomis olles, on elektron suletud laine ja seetõttu ta ei kiirga; de Broglie lainepikkust omavad kõik massiga osakesed.

100 Elektronpilv

101 Tunneli efekt Tõenäosus ühel pool pot. barjääri kahaneb 0-ni ja teisel pool suureneb 100%.

102 Perioodilisuse tabel RÜHMAD

103 Perioodilisuse tabel Perioodid määravad orbitalide arvu; Rühmad määravad väliskihi elektronide konfiguratsiooni; Ühte rühma kuuluvatel elementidel on sarnased keemilised omadused. Järjekorra number aatomis näitab elemendi tuuma laengut, mis tuleneb prootonite arvust tuumas (sama suur on elektronide kogulaeng aatomis).

104 Keemilised sidemed Iga aatom koosneb elektronkihtidest. Igas elektronkihis on aatomorbitaalid, mille peal paiknevad elektronid; Aatomorbitaale jaotatakse s-, p-, d- ja f-orbitaalideks, millel on iseloomulikud kujud; Esimese elektronkihi moodustab üks s-orbitaal, teise elektronkihi üks s- orbitaal ja kolm p-orbitaali, kolmanda elektronkihi üks s-orbitaal, kolm p-orbitaali ja viis d-orbitaali jne; Orbitaalid on üksteise suhtes paigutatud kindla suunaga; Kõrgema energiaga orbitaal ei hakka enne elektronidega täituma kui madalama energiaga orbitaal ei ole veel täis; Elektronegatiivsus on aatomi fundamentaalne omadus, mis näitab aatomi võimet nihutada enda poole teiste aatomite elektronpaare (pöördvõrdeline aatomi raadiusega, suurim elementidel, mille kõrgema energiaga orbitaal on p-orbitaal, madalaim s-orbitaliga)

105 Kovalentne side ehk aatomside Omavad ühe ja sama mittemetalli aatomid või väikse elektronegatiivsusega aatomid; Kandvat osa etendab elektronkatte väliskihi elektronide (valentselektronide) vastastikune toime, mille tagajärjel hakkavad kaks aatomit jagama väliskihi elektronide paari.

106 Metalliline side Valentselektronid moodustavad metallides n-ö elektrongaasi; Elektronid liiguvad vabalt positiivse laenguga metalliioonide vahel olles justkui kõikide ioonide ühises omandis; Sideme moodustamiseks peab elektronegatiivsus olema madal.

107 Iooniline side Tekkib kui kahe lähedalasuva aatomi elektronegatiivsuste vahe on väga suur (näiteks metalli ja mittemetalli aatom); Väikese elektronegatiivsusega aatom, ei suuda hoida elektronpaari ja selle omandab täielikult suurema elektronegatiivsusega aatom: Elektronpaari kaotanud aatom muutub positiivseks iooniks; Elektronpaari omandanud aatom muutub negatiivseks iooniks; Kahe vastastikuse laenguga iooni vahel mõjub kulooniline jõud, mis moodustab ioonide vahel püsiva sideme.

108 Mere keemia ja füüsika Mere soolsus on 35 ; Merevee soolsuse põhjusel pole ühist seletust, on mitmeid teooriaid;

109 Mere keemia ja füüsika Mere soolsus on 35 ; Enamus soolast moodustab NaCl; Soolsus sõltub vee juurdevoolust, aurumisest, sademetest; Kõrgeim Punases meres (4 ); Madalaim Soome lahes (1- ); On ka kõrgema soolsusega veekogusid;

110 Mere keemia ja füüsika Mere vee tihedus on soola sisalduse tõttu suurem pinnal oleva vee keskmine tihedus on 105 kg/m 3 ; magedal veel 1000 kg/m 3, seetõttu on üleslükke jõud merevees seda suurem, mida soolasem on vesi; Merevesi jäätub madalamal temperatuuril kui mage vesi 35 juures on jäätumis temperatuur - C; mere pinnale tekkinud jää on väga väikese soola sisaldusega, enamus soola jääb vette, seetõttu soolsus vähesel määral suureneb; Merevee ph on vahemikus 7,5-8,4 (kergelt leeliseline) Kõike suurem ph on pinna kihtides, sügavamates kihtised ph väheneb, magestatud mereveel võib olla neutraalne (ph 7) või isegi kergel happeline; Helikiirus merevees on ~1500 m/s (magedas vees kergelt väiksem; õhus 300 m/s); Madalaim Soome lahes (1- ) Merevees on alati lahustunuid mingi hulk gaase, hapnik, lämmastik jt. (difusiooni teel atmosfäärist ja loomastik, taimestikust, jõgedest) Kuna hapniku lahustuvus vees on suurem kui lämmastikul, siis selle kontsentratsioon on suhteliselt kõrgem kui õhus;

111 Mere keemia ja füüsika Mere hoovused on põhjustatud eri merede soolsuse ja temperatuuri erinevustest, sammuti mõjutab selle tekkimist tuuled (kuni 100 m sügavusele); Kõrvalekaldeid otsesuundadest põhjustavad Coriolisi jõud, rannajoone kuju ja põhja reljeef; Nende järgi saab jaotada hoovusi: pinna, süva, ranniku, loode, triiv, soojad, külmad, soolased, magedad, püsivad, ajutised jne.

112 Disperssed süsteemid ehk pihused Eripindala (S eri ) faasidevaheline pindala ruumalaühiku kohta või dispersse faasi massi kohta:

113 Disperssed süsteemid ehk pihused S eri Eripindala S eri sõltuvus osakeste mõõtmetest: I tõelised lahused; II kõrgdisperssed süsteemid (kolloid); III keskdisperssed süsteemid; IV jämedisperssed süsteemid. Pihuste klassifikatsioon osakeste mõõtmete järgi: jämedisperssed osakeste suurus > 10-5 m; keskdisperssed ehk mikroheterogeensed osakeste suurus m; kõrgdisperssne ehk kolloidne osakeste suurus > m. a (m)

114 Pihuste klassifikatsioon Klassifikatsioon dispersoidi (DF) ja dispersiooni keskkonna (DK) agregaatoleku agregaatoleku järgi: DF DK Tähis Näited Gaasiline T/G Tolm, suits, sudu Tahke Vedel T/V Kolloidlahused, suspensioonid Tahke T/T Tahked kolloidlahused Gaasiline V/G Aerosoolid Vedel Vedel V/V Emulsioonid Tahke V/T Vedelik poorses kehas Gaasiline Gaasiline G/G Gaasilised süsteemid tiheduse fluktuatsiooniga Vedel G/V Gaasilised emulsioonid, vahud Tahke G/T Poorsed ja kapillaarsed kehad

115 Pihuste klassifikatsioon Klassifikatsioon dispersoidi ja dispersse keskkonna faaside vahelise jõudu alusel Lüofiilsed Tugev vastastikmõju DF/DK vahel (tugev faasidevaheline vastastikmõju) Termodünaamiliselt püsivad (tasakaalulised) ΔG 0 Võib saada spontaanse dispegreerimisega Näited: želatiinilahus, vesilahustuvad valgud vees, kautšuk benseenis, seep vees, kolloidsed PAA, kriitilised emulsioonid, mõned jahutavad määrde vedelikud jt. Lüofoobsed Nõrk vastastikmõju DF/DK vahel (nõrk faasidevaheline vastastikmõju) Termodünaamiliselt ebapüsivad Nende saamiseks tuleb teha tööd Näited: metallide kolloidlahused vees, vähelahustuvate ainete osakesed vees, vee tilgad orgaanilises lahustis jt.

116 Pihuste klassifikatsioon Klassifikatsioon dispersoidi osakese liikuvuse järgi Vabadisperssed dispersoidi osakesed pole omavahel seotud ja asuvad teineteisest suurel kaugusel, saades vabalt liikuda teineteise suhtes. Siia kuuluvad suspensioonid, emulsioonid, kolloidlahused. Seosedisperssed dispersoidi osakesed on teineteisega seotud molekulide vaheliste jõududega, moodustades dispersses keskkonnas omapäraseid ruumilisi struktuure.

117 Pihuste saamise meetodid Lõhustamise meetod: Mehaaniline, elektriline jne. Lihtsustamiseks kasutatakse kõvaduse vähendajaid ained, mis suurendavad dispergeerimise efektiivsust mikropragude tekitamise arvelt (Rebinderi efekt). Kondensatsiooni meetod: kondensatsiooni meetodid põhinevad molekulide assotsieerumisel agregaati tõelisest lahusest. võib sõltuvalt tingimustest saada suvalise dispersusastmega süsteemi.

118 Pihuste optilised omadused Disperssete süsteemide optiliste omaduste juurde kuuluvad: valguse neeldumine, peegeldumine, murdumine, läbipaistvus, valguse hajutamine; Kolloidkeemia objektide optiliste omaduste eripärad on määratud nende kahe põhitunnusega: heterogeensus ja disperssus; Optiliste omaduste uurimine on kõige kiirem ja kättesaadavam vahend osakeste mõõtmete, kuju ja kontsentratsiooni määramisel. Kolloidsüsteemide jaoks on kõige iseloomulikumad valguse neeldumine ja hajutamine.

119 Valguse hajumine pihustes Opalestsents Tyndall i efekt

120 Valguse hajumine pihustes

121 Valguse hajumine pihustes

122 Iseseisvalt õppida Osmoos Browni liikumine Pindaktiivsed ained Pindpinevus