dfcl3 – fysiikan hahmottava kokeellisuus 8. aihekokonaisuus

DFCL3 – FYSIIKAN HAHMOTTAVA KOKEELLISUUS8. AIHEKOKONAISUUS – LÄMPÖOPPI I TILANYHTÄLÖKIRJALLINEN ESITYSRYHMÄ P8Marita IntonenAnne-Marian Majavatoukokuu 2002

B4. Kvantifiointi .........................................................................................................................13NOSTE .............................................................................................................................................14B5. Kvantifiointi .........................................................................................................................14ILMANPAINE....................................................................................................................................16B6. Ilmanpaineen määrittäminen...............................................................................................16KYLLÄISEN HÖYRYN PAINE .............................................................................................................17A35. Perushahmotus 1................................................................................................................17A36. Perushahmotus 2................................................................................................................17B7. Esikvantifiointi .....................................................................................................................17LÄMPÖTILA .....................................................................................................................................18B8. Kvantifiointi .........................................................................................................................18LÄMPÖTILAKERTOIMET...................................................................................................................19B9. Pituuden lämpötilakertoimen kvantifiointi ..........................................................................19KAASUJEN TILANYHTÄLÖT: BOYLEN LAKI, CHARLESIN LAKI, GAY-LUSSACIN LAKI →ABSOLUUTTINEN LÄMPÖTILA ..........................................................................................................21B10. Boylen laki: paineen riippuvuus tilavuudesta vakiolämpötilassa......................................21B11. Charlesin laki: paineen riippuvuus lämpötilasta vakiotilavuudessa.................................22B12. Gay-Lussacin laki: tilavuuden riippuvuus lämpötilasta vakiopaineessa...........................24LAKIEN YHDISTÄMINEN...................................................................................................................26C. STRUKTUROINTIA ..................................................................................................................27PROSESSIN KUVAUS....................................................................................................................28KÄSITTEENMUODOSTUS...........................................................................................................29

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaA. Perushahmotus ja esikvantifiointiLämpöopissa tutkitaan lämmittämisen, jäähdyttämisen ja puristuksen vaikutuksia aineidenominaisuuksiin. Kappaleet lämpenevät ja jäähtyvät, laajenevat ja kutistuvat, kun ympäristönlämpötila tai paine muuttuvat. Aineen olomuoto voi myös muuttua.Lämpöopissa tarkasteltavaa kohdetta sanotaan termodynaamiseksi systeemiksi. Systeemi onvuorovaikutuksessa ympäristönsä (olosuhteiden) kanssa.Lämmittämisen, jäähdyttämisen ja puristuksen vaikutukset aineiden ominaisuuksiin, aineiden jailmiöiden luokittelu ja tunnistus.Lämmittäminen yleensä suurentaa aineen tilavuutta, voi aiheuttaa kiinteän aineen muuttumisennesteeksi tai nesteen muuttumisen kaasuksi. Jäähdyttäminen aiheuttaa päinvastaiset ilmiöt.Puristaminen pienentää tilavuutta ja voi myös lämmittää. Yleisesti: kun yhtä näistä kolmesta(aineen lämpötila, puristustila tai tilavuus) muutetaan, niin toinen muista kahdesta tai ne molemmatmuuttuvat myös.A1. Kiinteän aineen laajeneminenTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:A2. Nesteen laajeneminen iMetallinen pallo ja reikälevy, kuumennusvälineetNäytetään, että huoneenlämpötilassa olevametallipallo sopii metallilevyssä olevan reiänläpi (Kuva 1). Kuumennetaan palloakaasupolttimen liekillä ja sovitetaanuudestaan metallilevyssä olevaan reikään.Havaitaan, ettei pallo enää mahdu reiästä.Kun pallo taas jäähtyy, se sopii.on näyttää, että kiinteä aine laajeneelämmitettäessä ja kutistuu jäähtyessään.Kuva 1Työvälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:Kolme lämpömittarin aihiota, paloöljyä, spriitä ja vettä, väriainetta,vesihaudeOtetaan kolme lämpömittarin aihiota, joista ensimmäisessä on värjättyävettä, toisessa värjättyä spriitä ja kolmannessa värjättyä paloöljyä.Merkitään tussilla viiva nestepintojen yläreunoihin. Upotetaanlämpömittarin aihiot kuumaan veteen ja merkitään nesteen uusi yläpinta.Nostetaan aihiot pois vesihauteesta ja tarkastetaan tilanne hetken kuluttua.on näyttää, että nesteet laajenevat lämmetessään ja kutistuvat jäähtyessään.Samalla voidaan alustavasti hahmottaa eri nesteiden erilaista laajenemista.A3. Kaasun laajeneminen 1 iiTyövälineet:Työn suoritus:kaksi samanlaista ilmapalloa, hiustenkuivain, pakastinKaksi samanlaista ilmapalloa puhalletaan yhtä täyteen. Toinen viedäänpakastimeen ja toista lämmitetään varovasti hiustenkuivaajalla. Havaintojen1

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaA9. Puristuksen vaikutuksia nesteen ominaisuuksiinTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:muoviruisku, kuumaa vettäOtetaan muoviruisku puolilleen kuumaa vettä. Suljetaan sormella ruiskunpää ja vedetään mäntää ulospäin. Tarkkaillaan vettä.on havaita, että vesi alkaa kuplia (kiehua). Paineen pienentäminen alentaalämpötilaa, jossa neste kiehuu.A10. Puristuksen vaikutuksia kaasun ominaisuuksiin ivTyövälineet:Työn suoritusTyön tavoite:polkupyörän pumppuPainetaan polkupyörän pumpun mäntää voimakkaasti ja samalla estetäänilmaa pääsemästä pumpusta esim. sormella painamalla. Tunnustellaanpumpun ulkopintaa.on näyttää, että puristaminen pienentää tilavuutta ja lämmittää.A11.Puristaminen aiheuttaa kiinteän aineen muuttumisen nesteeksiTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:Huomioita:Suorakulmaisen särmiön muotoinen jääpala, punnus, metallilankaaJääpala tuetaan molemmista päistään esim. kahden pöydän väliin. Jäänympärille laitetaan ohut metallilanka ja suuri punnus laitetaan roikkumaanlangan varaan painoksi. Lanka menee jään läpi ja lanka on senkin jälkeenyhtenäinen kimpale.on näyttää, että puristaminen voi aiheuttaa kiinteän aineen muuttumisennesteeksi ja puristamisen lakkaaminen aiheuttaa päinvastaisen ilmiön.Ulkopuolisten tekijöiden poistaminen vaatisi oikeastaan työn tekemistäpakkasessa.A12. Puristaminen aiheuttaa kaasun muuttumisen nesteeksiTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:nestekaasupullo (kerrottu empiria)Ravistellaan nestekaasupulloa ja loiskumisesta huomataan, että sen sisälläon nestettä. Kuitenkin pullosta tulee ulos kaasua.on näyttää, että puristaminen voi aiheuttaa kaasun muuttumisen nesteeksi japuristamisen lakkaaminen aiheuttaa päinvastaisen ilmiön.Mistä lämpimän ja kylmän aistimus aiheutuuIhminen aistii ihonsa lämpötilan. Koskettamalla voimme tuntea, että esim. vesi on kylmää, viileää,lämmintä tai kuumaa. Aineella on jokin ominaisuus, joka aiheuttaa erilaisia lämpöaistimuksia. Ihoakoskettava kappale muuttaa ihon lämpötilaa, mutta myös iho muuttaa kappaleen lämpötilaa.Esimerkiksi kuuma puu tai ilma jäähtyy ihoa koskettavalta osaltaan nopeasti, eikä polta, muttakuuma vesi tai metalli polttaa.A13. Ihminen aistii ihonsa lämpötilan vTyövälineet:Työn suoritus:Kylmä, kuuma ja haalea vesi, astiatPidetään ensin toista kättä kylmässä ja toista kuumassa vedessä ja kastetaansitten molemmat samaan haaleaan veteen.3

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusTyön tavoite:A14. LämpötilaerotRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian Majavaon havaita kylmän ja lämpimän tuntemukset sekä alustavasti se, ettätuntoaistin perusteella ei kuitenkaan voida sanoa, kuinka kylmää tailämmintä jokin aine on. Tätä varten tarvitaan jokin uusi suure, sekä väline,jolla mittaus voidaan tehdä.Työvälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:metallipalloJäähdytetään metallipallo esim. jääkaapissa ja otetaan se sieltä käteen.Puristetaan pallo nyrkin sisään.on havaita, että ihoa koskettava kappale muuttaa ihon lämpötilaa, muttamyös iho muuttaa kappaleen lämpötilaa. Käden ja pallon lämpötilattasoittuvat.A15. Materiaalin vaikutus lämpöaistimukseenTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:löylykauha, sauna (kerrottu empiria)Tutkitaan, miltä metallisen, puuvartisen kuuman löylykauhan eri osattuntuvaton havaita, että kuuma metalli polttaa ihoa enemmän kuin saman lämpöinenpuu. Lämpöenergia johtuu metallista käteen nopeammin kuin puusta käteen.Tasapainotila ja tilanmuuttujien perushahmotusA16. Kappaleiden lämpötilaerojen tasoittuminenTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:Kuten työ A5Kuten työ A5on huomata, että jos erilämpöisiä kappaleita asetetaan toistensa kanssakosketuksiin, ne ennen pitkää saavuttavat saman lämpötilanA17. Kappaleiden puristustilojen tasoittuminenTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:IlmapalloPuhalletaan ilmapallo täyteen, jolloin sen sisällä on suurempi ilmanpuristustila kuin ympäristössä. Avataan ilmapallon suu, jolloin ilmapurkautuu pois.on huomata, että jos puristustilaltaan erilaiset kaasut asetetaan toistensakanssa kosketuksiin, niiden puristustilat tasoittuvat.A18. Termodynaaminen systeemi 1Työvälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:Vesilasi, vettä, jääpaloja, kalorimetriLaitetaan vettä ja jääpaloja lasiin suljettavaan kalorimetriin. Tarkkaillaantulosta jonkin ajan kuluttua.on havainnollistaa, että jääpalat ja lasissa oleva vesi ovat systeemi, jokahakeutuu termiseen tasapainotilaan, jossa sen ominaisuudet pysyvätmuuttumattomina.4

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusA19. Termodynaaminen systeemi 2Ryhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:Termospullo, vettä, jäätäLaitetaan vettä ja runsaasti jäätä termospulloon. Suljetaan pullo ja tutkitaantilannetta hetken kuluttua.on havainnollistaa, että tasapainotilassa voi esiintyä samalla kertaa eriolomuotoja: jäätä, vettä sekä vesihöyryä.Töiden perusteella havaitaan, että aineen lämpötilan muuttaminen, puristustilan muuttaminen jatilavuuden muuttaminen vaikuttavat toisiinsa. Määritellään nämä aineen tilanmuuttujiksi jakutsutaan tilannetta, jossa ne eivät muutu systeemin tasapainotilaksi.Olomuodon muutoksetOlomuodon muutoksia ovat: sulaminen, jähmettyminen, höyrystyminen, tiivistyminen,sublimoituminen ja härmistyminen. Aineen olomuotoa voidaan muuttaa lämmittämällä taijäähdyttämällä. Myös paine vaikuttaa olomuodon muutospisteeseen.A20. HaihtuminenTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:alkoholia, vettä, käsiTiputetaan kämmenselälle muutama pisara alkoholia ja toisellekämmenselälle muutama pisara vettä. Tarkkaillaan.on huomata, että alkoholi haihtuu nopeasti. Samalla voidaan havainnoidakylmän tuntemusta kämmenselässä ja todeta, että aineet haihtuvat erinopeuksilla.A21. Veden olomuodon muutoksetTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:jäätä, tislauslaitteisto, kuumennusvälineet, pakastinKuumennetaan tislauspullossa olevaa jäätä, kunnes se sulaa. Jatketaankuumentamista kunnes vesi höyrystyy ja kulkeutuu jäähdyttimeen, jossa setiivistyy vedeksi. Kerätään jäähdyttimestä saatava vesi astiaan japakastetaan se.on havainnollistaa veden sulaminen, höyrystyminen tiivistyminen jajähmettyminen. Myös molemmat höyrystymistavat: haihtuminen jakiehuminen ovat havaittavissa. Olomuodon muuttaminen vaatiilämmittämistä tai jäähdyttämistä.A22. SublimoituminenTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:märkä lakana, pakkanen (kerrottu empiria)Ripustetaan märkä lakana pakkasella ulos kuivumaan. Lakana jäätyy.Muutaman päivän kuluttua lakana on kuiva.on havainnollistaa olomuodon muutosta suoraan kiinteästä kaasuksi.5

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusA23. HärmistyminenRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:ihminen (esim. parrakas mies), pakkanen (kerrottu empiria)Pakkasella ulos hengitetty vesihöyry härmistyy kuuraksi.on havainnollistaa olomuodon muutosta suoraan kaasusta kiinteäksi.A24. Puristuksen vaikutus olomuodon muutoksiin 1Työvälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:Huomioita:virvoitusjuomapullo, pakastinVirvoitusjuoma, joka pakastimesta otettuna on vielä nestettä, jäätyy äkkiäkun pullo avataan ja puristustila pienenee.on havainnollistaa, että puristustila voi vaikuttaa olomuodon muutokseen.Vesi käyttäytyy puristustilan muuttuessa eri tavalla kuin muut aineet. Muillaaineilla sulamispiste laskee, kun puristustila pienenee.A25. Puristuksen vaikutus olomuodon muutoksiin 2Työvälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:keitinlasi, vettä, tyhjöpumppuLaitetaan huoneenlämpöistä vettä keitinlasiin ja keitinlasi tyhjöpumpunkuvun alle. Poistetaan ilma pumppaamalla Vesi alkaa kiehua.on havainnollistaa, että puristustilan muutos vaikuttaa aineen olomuodonmuutokseen.Tiheyden, paineen, ilmanpaineen ja nosteen perushahmotusA26. Tiheyden perushahmotusTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:samankokoiset styroksikuutio ja metallikuutio”Punnitaan” kädessä samankokoisia styroksi ja metallikuutioita jahuomataan niiden tuntuvan eri painoisilta.on havainnollistaa eri materiaalista valmistettujen kappaleiden erilaistamassaa.A27. Tiheyden esikvantifiointiTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:kuutioita: esim. puu, alumiini, rauta, messinki, vaakaPunnitaan kuutioita, sekä sama koko/eri aine että sama aine/eri koko.on huomata, että suurempi tilavuus jotain ainetta on, sitä suurempi onainemäärän massa. Toisaalta samankokoisilla eriaineisilla kappaleilla on erimassa.A28. Puristustilojen eron vaikutus voimiin 1Työvälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:ruiskuVedetään ruiskun mäntä auki. Painetaan sormi ruiskun suulle ja työnnetäänmäntää sisäänpäin.on havainnollistaa puristustilan kasvamisen aiheuttamia voimia. Mitäsyvemmälle mäntä halutaan painaa, sitä enemmän voimaa tarvitaan ruiskunpainamiseen.6

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusA29. Puristustilojen eron vaikutus voimiin 2Työvälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:A30. Nosteen perushahmotus viMagdeburgin puolipallot, tyhjöpumppuAsetetaan puolipallot vastakkain. Imetäänilma tyhjöpumpulla pois pallon sisältä.Yritetään irrottaa puolipalloja toisistaanvetämällä eri suuntiin (Kuva 3).on havainnollistaa miten suuren voimanpuristustilojen ero voi synnyttää.Ryhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaKuva 3Työvälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:kappale, jousivaaka, vesiastiaMitataan kappaleen paino ilmassa, osittain vedessä ja vedessä erisyvyyksillä.on havaita, että mitä suurempi osa kappaleesta on veden alla, sitä pienempion paino. Kun kappale on kokonaan veden alla, paino ei riipu siitä, mitensyvällä kappale on. On siis olemassa jokin ylöspäin suuntautuva voima, jotakutsutaan nosteeksi.A31. Kelluminen ja sen riippuvuus kappaleen muodostaTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:Huomioita:sinitarraa, vesiastiaMuovataan sinitarraa eri muotoiseksi, kunnes löydetään muoto, jossasinitarra kelluu.on havainnollistaa kappaleen muodon vaikutusta kellumiseen. Noste riippuukappaleen muodosta.Sopivanmuotoinen (venemäinen) sinitarrapalan kellumiseen vaikuttaatietysti myös sen sisällä oleva ilma.A32. Kelluminen ja sen riippuvuus nesteestäTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:uimari, suolainen ja makea vesi (kerrottu empiria)Uimarin on helpompi kellua suolaisessa (esim. Kuollut Meri) kuin makeassavedessäon havainnollistaa erilaisten nesteiden vaikutusta kellumisen7

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaB. Kvantifiointi ja kvantitatiiviset kokeetTiheysB1. Tiheyden kvantifiointi viiTyövälineet:Työn suoritus:vaaka, mittalasi, eri ainetta olevia kappaleita (esim. puu, metalli,muovailuvaha) ja nesteitä (esim. vesi, suolaliuos, alkoholi)Tehdään sarja kokeita, jossa määritetään samanaineisten,erikokoisten kappaleiden tilavuus ja massa. Esitetään tuloksetjokaiselle aineelle erikseen (V,m) –koordinaatistossa.Havaitaan, että mittauspisteet asettuvat (V,m) –koordinaatistossa suoralle. Suorat ovat jyrkkyydeltään erilaisia.Suoran jyrkkyys, eli fysikaalinen kulmakerroin ρ=m/V, onkutakin ainetta kuvaava, sille ominainen suure, tiheys. Mitäjyrkempi suora, sitä suurempi on aineen tiheys.Kiinteinä aineina käytimme puuta, alumiinia ja kuparia(Taulukko 1). Puu- ja kuparikappaleet olivat kuutioita, jotenniiden tilavuuden määritimme mittaamalla.Alumiinikappaleiden tilavuus määritettiin mittalasiinupottamalla (Kuva 4).Kuva 4Kulmakertoimista (Kuvaaja 1) saimme tiheyksiksi ρ puu = 0,68 g/cm³, ρ alumiini= 2,64 g/cm³ (taulukkoarvo 2,7 g/cm³) ja ρ kupari = 9,55 g/cm³ (taulukkoarvo8,96 g/cm³).Taulukko 1Tiheyden kvantifiointi - Kiinteät aineetpuu alumiini kuparim (g) V (cm 3 ) m (g) V (cm 3 ) m (g) V (cm 3 )6,4 9,3 48 17 88 9,313,1 18,6 96 35 177 18,619,4 27,9 144 52 266 27,925,6 37,2 193 72 355 37,231,9 46,5 241 90 443 46,58

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaTiheyden kvantifiointi - Kiinteät aineetm (g)600500y = 9,5484x - 0,64003002001000y = 2,6381x + 4,0554y = 0,6828x + 0,230 20 40 60 80 100V (cm 3 )Kuvaaja 1PuuAlumiiniKupariNesteinä käytimme vettä, etanolia (Industol) ja suolavesiliuosta. Tilavuudetmääritimme mittalasin avulla ja massat vaa’alla (Taulukko 2). Asetimme tyhjänmittalasin digitaalivaa’alle ja taarasimme sen.Kulmakertoimista (Kuvaaja 2) saimme tiheyksiksi ρ vesi = 0,99 g/cm³ (taulukkoarvo1,00), ρ etanoli = 0,80 g/cm³ (taulukkoarvo 0,79 g/cm³) ja ρ suolavesi = 1,12 g/cm³.Taulukko 2Tiheyden kvantifiointi - Nesteetvesi etanoli suolavesim (g) V (cm 3 ) m (g) V (cm 3 ) m (g) V (cm 3 )19 21 16 20 23 2138 40 31 40 43 4057 60 47 60 66 6078 80 63 80 89 8097 100 71 90 111 10080 1009

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaTiheyden kvantifiointi - Nesteet14012010080m (g)6040200y = 1,1214x - 1,1054y = 0,9899x - 1,792y = 0,7979x - 0,5298VesiEtanoliSuolavesi0 20 40 60 80 100 120V (cm3)Kuvaaja 2Huomioita:Kiinteiden kappaleiden tilavuus määritettiin viivaimella mittaamalla ja siitälaskemalla. Ehkä olisimme saaneet parempia tuloksia työntömittaakäyttämällä. Erityisesti kuparin tiheys poikkeaa taulukkoarvosta.PaineA33. PerushahmotusTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:terottamaton (tasapaksu) lyijykynä, terävä lyijykynäPistetään tasapaksu kynä etusormien väliin ja puristetaan sitä kevyesti javoimakkaammin. Pistetään toisesta päästä terotettu kynä etusormien väliinja puristetaan sitä.on havaita omin aistein, miten tuntemus sormenpäissä muuttuu, kunkosketuspinta-ala ja voima muuttuvat.B2. Esikvantifiointi viiiTyövälineet:Työn suoritus:Yhteen kytketyt eripaksuiset ruiskut.Yhdistetään kaksi eripaksuista vedellä täytettyä ruiskua letkulla toisiinsa japainetaan molempia mäntiä samanaikaisesti. Havaitaan, että suurempaamäntää on painettava suuremmalla voimalla, jotta se pysyisi paikallaan.Todetaan, että voiman suurentaminen suurentaa painetta, vakiopaineenaiheuttama voima riippuu pinta-alasta.B3. KvantifiointiTyövälineet:Työn suoritus:Yliopiston laitteisto: kulhot, kelmut jakannet.Neljän kulhon sarja(Kuva 5). Valitaankulhoista yksi standardiksi. Laitetaansen kannen päälle punnuksia.Kytketään vuorotellen kukin kolmesta10Kuva 5

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian Majavamuusta testikulhosta standardikulhon kanssa Y-letkulla yhteen japuhalletaan letkuun. Etsitään testikulhon kannelle punnukset joillatestikulhon ja standardikulhon kannet nousevat yhtä aikaa. Muutetaanstandardikulhon punnuksia ja toistetaan koesarja. Saadaan seuraavattulokset (Taulukko 3) ja niistä kuvaajat (A,F)-koordinaatistoon (Kuvaaja 3).Taulukko 3Paineen kvantifiointikulho d (cm) r (cm) A (cm 2 )1 pienin 11,2 5,6 982 toiseksipienin 14,5 7,25 1653 toiseksisuurin (standardi) 17,8 8,9 2494 suurin 20 10 314kulho A (cm 2 ) m (g) m (g) m (g)1 98 20 40 602 165 32 65 1003 249 50 100 1504 314 60 125 200kulho A (cm 2 ) F (N) F (N) F (N)1 98 0,2 0,4 0,62 165 0,32 0,65 13 249 0,5 1 1,54 314 0,6 1,25 22,52Paineen kvantifiointiy = 0,0062xF (N)1,51y = 0,004xy = 0,002x0,500 100 200 300 400A (cm 2 )Kuvaaja 3Havaitaan, että mittauspisteet asettuvat (A,F)-koordinaatistossa suoralle,Suoran kulmakerroin p=F/Aon kaasun puristustilaa kuvaava suure, paine.11

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusHuomioita:Hydrostaattinen paineRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaKalvojen nousun silmämääräinen arviointi oli todella vaikeaa, jotenlaskimme ennakkoon tarvittavien painojen suuruusluokan. Työn suoritus olihauskaa.Käytännöstä tiedetään, että syvälle sukellettaessa korvat menevät lukkoon, koska paine kasvaa.Syvänmeren tutkimuslaitteiden on kestettävä suuria paineita.Neste pyrkii oman painonsa vaikutuksesta levittäytymään, mutta astian seinämät estävät sitä janeste aiheuttaa niihin paineen. Tätä nesteen omasta painosta aiheutuvaa painetta kutsutaanhydrostaattiseksi paineeksi.A34. PerushahmotusTyövälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:Korkea purkki (esim. tennispallopurkki), jossa on reikiäeri korkeuksilla, vettäAsetetaan purkki juoksevan vesihanan alle (säädetäänvedentulo niin, että vesi ei valu yli)on havaita, että vesi suihkuaa pisimmälle astianalimmasta reiästä, koska veden paine kasvaa syvemmällementäessä (Kuva 6).Kuva 612

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusB4. KvantifiointiRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaTyövälineet:Työn suoritus:muoviputki (1,5 m), vettä, väkevää suolaliuosta,barometri, tietokonemittausjärjestelmä (ULI jaLogger Pro)Mitataan veden painetta muoviputkessa erisyvyyksillä tietokoneen paineanturilla (barometri)kuvan (Kuva 7) mukaisesti. Toistetaan mittauksetväkevällä suolavedellä. Saadaan seuraavat tulokset(Taulukko 4).Taulukko 4Hydrostaattisen paineen kvantifiointivesisuolavesih (m) p (Pa) p (Pa)0 99414 997070,1 100701 1008670,2 101608 1018520,3 102603 1030610,4 103734 1040260,5 104748 1051090,6 105547 106298Kuva 7Pisteet (h,p) -koordinaatistossa asettuvat suoralle (Kuvaaja 4).Hydrostaattisen paineen kvantifiointip (Pa)10700010600010500010400010300010200010100010000099000y = 10868x + 99728suolavesivesiy = 10220x + 995560 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7h (m)Kuvaaja 4Saadaan laki p~h. Suoran jyrkkyys riippuu nesteen tiheydestä.Mittaustulokset suolavedessä asettuvat jyrkemmälle suoralle kuin vedessä,sillä suolaveden tiheys on suurempi.13

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaMittaamalla saadut tulokset voidaan selittää seuraavalla päättelyllä.Tarkastellaan nesteestä erotettua suoraa lieriötä (Kuva 8), jonka pohjanpinta-ala on A, korkeus h ja tilavuus V=Ah.Kuva 8Nesteen tiheysm m ρ = = , jolloin lieriön massa on m = ρAh.V AhLieriön paino voidaan ilmaista nesteen tiheyden avulla.G = mg = ρ Ahg .Lieriöön vaikuttaa sen oman painon lisäksi vain ilman ja ympäröivännesteen paineesta aiheutuvia voimia, jotka ovat joka kohdassa sen pintaavastaan kohtisuoria.Ilmanpaine pipainaa lieriötä alaspäin voimalla Fi = piA . Nestelieriöpainaa alustaansa voimalla F + G = p A + ρAhgja aiheuttaa siten paineen:iFi+ G piA + ρAhgp = == pi+ ρhg. Nesteessä vallitseva paine on siisA Ailmanpaineen ja hydrostaattisen paineen summa. Hydrostaattinen painep h= ρgh riippuu vain nesteen tiheydestä ρ ja syvyydestä h ja kohdistuuyhtä suurena kaikkiin suuntiin.iNosteNesteeseen upotetun kappaleen alapintaan vaikuttaa suurempi hydrostaattinen paine kuinyläpintaan. Noste aiheutuu tästä paine-erosta. Se riippuu vain kappaleen koosta ja muodosta, ei siitämitä ainetta kappale on.B5. KvantifiointiTyön suoritus:Täydennetään perushahmottavaa työtä (A30) upottamallajousivaakaan ripustettuja tilavuudeltaan tunnettuja kappaleitaerilaisiin nesteisiin (Kuva 9). Tutkitaan kappaleen painonvähenemisen riippuvuutta upotustilavuudesta (Taulukot 5-7).14Kuva 9

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaTaulukko 5Taulukko 6Nosteen kvantifiointiNeste: vesialumiinikupariV(cm 3 ) F(N) ilma F(N) vesi ∆F (N) V(cm 3 ) F(N) ilma F(N) vesi ∆F (N)17 0,50 0,30 0,20 18 1,65 1,45 0,2035 1,00 0,60 0,40 36 3,25 2,90 0,3552 1,50 0,90 0,60 54 5,00 4,35 0,6569 1,95 1,20 0,75 72 6,50 5,90 0,6086 2,40 1,55 0,85 90 8,20 7,30 0,90Nosteen kvantifiointiNeste: ruokaöljyalumiinikupariV(cm 3 ) F(N) ilma F(N) ruokaöljy ∆F (N) V(cm 3 ) F(N) ilma F(N) ruokaöljy ∆F (N)17 0,50 0,30 0,20 18 1,65 1,50 0,1535 1,00 0,65 0,35 36 3,25 2,93 0,3252 1,50 0,95 0,55 54 5,00 4,40 0,6069 1,95 1,25 0,70 72 6,50 5,95 0,5586 2,40 1,59 0,81 90 8,20 7,40 0,80Taulukko 7Nosteen kvantifiointiNeste: alkoholialumiinikupariV(cm 3 ) F(N) ilma F(N) etanoli ∆F (N) V(cm 3 ) F(N) ilma F(N) etanoli ∆F (N)17 0,50 0,35 0,15 18 1,65 1,55 0,1035 1,00 0,70 0,30 36 3,25 2,95 0,3052 1,50 1,00 0,50 54 5,00 4,45 0,5569 1,95 1,30 0,65 72 6,50 6,00 0,5086 2,40 1,70 0,70 90 8,20 7,45 0,75Todetaan, että F~V, ei riipu kappaleen aineesta. Sen sijaan se riippuunesteestä (Kuvaaja 5).15

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaNosteen kvantifiointi - riippumattomuus aineesta∆F (N)1,000,900,800,700,600,500,400,300,200,10y = 0,0096x + 0,0626y = 0,0092x + 0,045y = 0,0091x + 0,0491y = 0,0085x + 0,025y = 0,0084x + 0,023y = 0,0083x - 0,01alumiini (vesi)kupari (vesi)alumiini (etanoli)kupari (etanoli)alumiini (ruokaöljy)kupari (ruokaöljy)0,0015 35 55 75 95V (cm3)Kuvaaja 5Havaitaan että verrannollisuuskerroin on nesteen tiheys → Arkhimedeenlaki: Nesteessä tai kaasussa olevaan kappaleeseen vaikuttava noste on yhtäsuuri kuin kappaleen syrjäyttämän neste- tai kaasumäärän paino.Huomioita:Jouduimme käyttämään mittauksissa kolmea eri jousivaakaa,mittaustarkkuus siis vaihtelee. Upottaminen oli hankalaa, koska tarpeeksisuurta mittalasia oli vaikea löytää. Punnukset koskettivat mittalasinseinämiä. Mittaustulokset eivät siis ole kovin ”hääppöisiä”.IlmanpaineIlmanpaineen aiheuttaa ilmakehän ilman paino.B6. Ilmanpaineen määrittäminenTyövälineet:Työn suoritus:jousivaaka tai voimamittari, ruiskuVedetään jousivaa'alla mäntä ulos ensinavoimesta ruiskusta., jolloin voima on männänkitkavoima. Tukitaan ruisku ja toistetaan koe(Kuva 10). Tällöin voima on kitkavoima +ilmanpaineen mäntään kohdistama voima.16Kuva 10

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaF tukittu =17NF avoin = 5,5 Nr = 0,006 mP =FA=Ftukittu− Fÿr2avoin=17 N − 5,5 Nÿ ⋅( 0,006 m)2≈ 100 kPaKylläisen höyryn paineVeden pinnasta haihtuu vettä vesihöyryksi pinnan päällä olevaan ilmaan. Samalla myös vesihöyryätiivistyy takaisin vedeksi. Tiivistyminen on sitä voimakkaampaa, mitä enemmän vesihöyryä ilmanyläpuolella on. Kun astia on avoin, vesihöyry kulkeutuu pois. Kun astia peitetään kannella,vesihöyryn määrä lisääntyy, kunnes tiivistyminen on yhtä nopeaa kuin haihtuminen. Tällöin ilmanvesihöyry on kylläistä ja sen paine on saavuttanut arvon, jota sanotaan kylläisen vesihöyrynpaineeksi. Koska tiivistyminen nyt tasapainottaa haihtumisen, tämä paine ilmaisee samalla nesteenhöyrystymispyrkimyksen voimakkuuden.A35. Perushahmotus 1Työvälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:kattila ja kansi, keittolevy, vettäKuumennetaan vettä ensin kannettomassa kattilassa. Tutkitaan haihtumista.Laitetaan sitten kattilan päälle kansi ja tutkitaan eroa.on havainnollistaa, että haihtuminen ja tiivistyminen ovat vastakkaisiaprosesseja, jotka pyrkivät tasapainottamaan toisensa.A36. Perushahmotus 2Työvälineet:Työn suoritus:Työn tavoite:aerosolipullo (kertova empiria)Ravistellaan aerosolipulloa, kuullaan, että aine on pullossa nesteenä. Ulossuihkuava aine on kuitenkin kaasua. Suihkutetaan pullo tyhjäksi jahuomataan, että suihku on samanlainen aineen loppumiseen saakka.on huomata, että aerosolipullosta saadaan ainetta tasaisena virtana, koskaaine on pullossa nesteenä, jonka höyrynpaine säilyy samana niin kauan kuinsitä on vähänkin jäljellä. Ilmeisesti nestettä kaasuuntuu niin, että painepullossa pysyy vakiona.B7. EsikvantifiointiTyövälineet:Työn suoritus:ruisku, lämmintä vettä, voimamittariImetään lämmintä vettä ruiskuun ja alennetaan painetta vetämällä mäntääulospäin, kunnes vesi kiehuu. Kiehumisen loputtua mitataan paine (mäntäänkohdistuva voima, joka aiheutuu ruiskun sisäisen ja ulkoisen paineenerotuksesta). Havaitaan että ruiskussa paine > 0, joten sinne on syntynytkaasua. Se ei ole ilmaa vaan sen on pakko olla vesihöyryä. Kun mäntäpäästetään painumaan takaisin, havaitaan että vesihöyry "katoaa"(nesteytyy).17

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusLämpötilaRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaAikaisemmin on havaittu, että lämpöaistin perusteella ei voida sanoa, kuinka kylmää tai lämmintäjokin aine on. Tätä varten tarvitaan suure, lämpötila, ja lämpömittari, jolla tämä suure voidaanmitata. Lämpötilan mittaaminen perustuu lämpöopin nollanteen pääsääntöön: Eristetyssäsysteemissä kaikki lämpötilaerot tasoittuvat. Lämpömittariksi kelpaa periaatteessa mikä tahansalaite, jonka jokin mitattava ominaisuus riippuu lämpötilasta. Tämä ominaisuus ilmaisee silloinlämpömittarin oman lämpötilan. Lämpömittari sijoitetaan kohteeseen ja odotetaan kunnes niidenlämpötilaero on tasoittunut. Tällöin mittarin näyttämä ilmaisee myös kohteen lämpötilan.Lämpömittarin valinta riippuu tutkittavasta kohteesta, lämpötila-alueesta ja halutustamittaustarkkuudesta. Eri lämpötiloissa voidaan käyttää hyväksi erilaisia lämpötilasta riippuviailmiöitä. Yleisimmin käytetään neste- ja kaksoismetallilämpömittareita, jotka perustuvatlämpölaajenemiseen.B8. KvantifiointiTyön suoritus:Nesteen lämpölaajenemista voidaantutkia ns. lämpömittarin aihion avulla.Otetaan kylmää vettä (a) ja kuumaavettä (e), ja sekoitetaan niitä suhteessa1:1. Intuitio sanoo, että seoksen (c)lämpötilan täytyy olla alkulämpötilojenkeskiarvo. Vastaavasti sekoitetaankylmää vettä (a) ja seosta (c), saadaanseosta (b). Ja vielä kuumaa vettä (e) jaseosta (c), saadaan seosta (d). Laitetaanlämpömittarin aihioon vuorotellen kuhunkin veteen(a)..(e). (Kuva11).Piirretään tussilla lämpömittarin aihion nestepatsaankorkeus jokaisessa lämpötilassa (Kuva12). Mitataanpatsaiden korkeudet (Taulukko 8).Havaitaan että nestepinnan korkeuden muutos onverrannollinen lämpötilan muutokseen, ∆t ~ ∆h(Kuvaaja 6).Taulukko 8Kuva 11Lämpötilan kvantifiointivesih (cm)1 6,32 73 7,84 8,65 9,5Kuva 1218

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaLämpötilan kvantifiointi11109h (cm)87650 1 2 3 4 5 6vesiKuvaaja 6Täydellinen lämpötilan kvantifiointi vaatisi vielä peruspisteidenmäärittämisen. Emme voineet tehdä tätä osiota, koska fysiikan laitoksella eiollut käytettävissä jäitä. Voitaisiin kuitenkin todeta, että sulavaa jäätäsisältävässä seoksessa lämpömittarin mallin nestepinta asettuu aina samalletasolle. Vastaavasti kiehuvassa vedessä nestepinta asettuu aina vakiotasolle.Tällöin yleisesti kahden peruspisteen 1 ja 2 avulla määritellyn lämpötilant2− t1lausekkeeksi tulee tx= ( hx− h1) .h − h21LämpötilakertoimetEri aineiden pituudet, pinta-alat ja tilavuudet muuttuvat eri tavoin lämpötilan funktiona.B9. Pituuden lämpötilakertoimen kvantifiointiTyön suoritus:Kootaan Pascon Thermal Expansion –mittauslaitteisto oheisen kuvanmukaisesti(Kuva 13).Kuva 13Metalliputki kiinnitetään alustaan ja sen läpi johdetaan virtaavaa vettä.Putken lämpötila määritetään mittaamalla yleismittarilla resistanssi jalukemalla lämpötila laitteessa olevasta taulukosta. Pituuden muutoksen19

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian Majavamittari nollataan ensin käyttäen mahdollisimman kylmää vettä. Vedenlämpötilaa muutetaan portaittain ja jokaisessa vaiheessa luetaan pituudenmuutos. Mittaukset suoritetaan kupari, alumiini ja teräsputkilla, joidenpituudet ovat 70 cm. Saadaan seuraavat mittaustulokset (Taulukko 9):Taulukko 9Pituuden lämpötilakertoimen määrittäminenkuparit(°C) ∆L (mm) alumiini teräs24 0 t (°C) ∆L (mm) t(°C) ∆L (mm)46 0,3 20,5 0 18,5 034 0,115 30,5 0,18 29 0,10529 0,06 24,5 0,075 40,5 0,21538 0,195 44,5 0,465 46 0,2737,5 0,28 25 0,05Tutkitaan, miten metalliputkien pituus muuttuu lämpötilan funktiona.Piirretään kuvaajat (∆t,∆L)-koordinaatistoon. Saadaan seuraavat kuvaajat(Kuvaaja 7):0,60,5Pituuden lämpötilakerroinkuparialumiiniteräs0,4∆ L (mm) 0,30,2y = 0,0187x - 0,3881y = 0,0139x - 0,3399y = 0,01x - 0,18920,1015 20 25 30 35 40 45 50t (°C)Kuvaaja 7Koska kuvaajat ovat suoria, niin ∆L ~ ∆t, verrannollisuuskerroin riippuuaineesta. Jos oletetaan että putki venyy ja kutistuu tasaisesti koko mitaltaan,niin pituuden lämpötilariippuvuuden laiksi saadaan ∆L = α L ∆t, missä L onputken pituus alussa, ∆t on lämpötilan muutos ja α on kyseisen aineenpituuden lämpötilakerroin. Kokeellisten mittausten lämpötilakertoimetsaadaan suorien kulmakertoimista: kupari 13,9 ⋅ 10 −61 (taulukkoarvoK16,8 ⋅ 10 −61 ), alumiini 18,7 ⋅ 10 1K−6(taulukkoarvo 23,2 ⋅ 10 1K−6)jaKteräs 10 ⋅ 10 −61 (taulukkoarvo 11,7 ⋅ 10 1K−6)K20

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaHuomioita:Veden lämpötilan säätämisessä oli ongelmia. Kylmää vettä oli lähesmahdotonta saada. Käyttämämme lämpötila-alue on siksi melko suppea.Kaasujen tilanyhtälöt: Boylen laki, Charlesin laki, Gay-Lussacin laki → absoluuttinenlämpötilaKiinteiden kappaleiden ja nesteiden tilavuuksia voidaan muuttaa lämmittämällä ja puristamallamutta vain hyvin vähän. Sen sijaan kaasut, jotka ovat yleensä paljon harvempaa ainetta, pyrkivätitsestään laajenemaan. Ne pysyvät koossa vain umpinaisessa säiliössä. Ne täyttävät säiliönsätasaisesti ja aiheuttavat sinne tietyn paineen. Kaasua on myös helppo puristaa kokoon, jolloin senpaine nousee. Tilavuus, lämpötila ja paine ovat kaasusysteemin tilanmuuttujia. Kaksi niistä määrääkolmannen. Kaasusysteemin tilanyhtälöä voidaan tutkia vakioimalla yksi muuttuja kerrallaan jamäärittämällä kahden muun välinen riippuvuus.B10. Boylen laki: paineen riippuvuus tilavuudesta vakiolämpötilassa.Työn suoritus:Tutkitaan, miten lääkeruiskussa olevan ilmanpaine riippuu ruiskun tilavuudestavakiolämpötilassa. Kytketään paineanturiletkun avulla ruiskuun (Kuva 14). Kunmäntää työnnetään sisään, säiliössä olevanilman tilavuus pienenee ja paine kasvaa. Kunmäntää vedetään ulospäin, tilavuus kasvaa japaine pienenee. Saadaan seuraavat tulokset(Taulukko 10)Kuva 14Taulukko 10Boylen laki: Paineen riippuvuus tilavuudestavakiolämpötilassaV (ml)1/V (1/ml) p (kPa)20,00 0,05 97,9115,00 0,07 123,5812,00 0,08 150,6310,00 0,10 175,187,00 0,14 237,675,00 0,20 313,544,00 0,25 379,93Havainnollistetaan paineen ja tilavuuden välistä riippuvuutta (1/V,p)–koordinaatistossa. Saadaan suora (Kuvaaja 8), joka voidaan asettaakulkemaan origon kautta: paine on verrannollinen tilavuudenkäänteisarvoon. P~1/V.21

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaBoylen lakip (kPa)4504003503002502001501005000,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,301/V (1/ml)Kuvaaja 8Jos Boylen koe toistettaisiin korkeammassa lämpötilassa, saataisiin (1/V,p)-koordinaatistossa kuvaajaksi jyrkempi suora.B11. Charlesin laki: paineen riippuvuus lämpötilasta vakiotilavuudessa.Työn suoritus:Upotetaan paineanturiin kytkettykeittopullovesihauteeseen, jota lämmitetäänuppokuumentimella. Lämpötilaa mitataanlämpötila-anturilla (Kuva 15). Mitataanumpinaisessa kaasusäiliössä olevan kaasun paineeri lämpötiloissa (Taulukko 11) ja esitetääntulokset (t,p)-koordinaatistossa (Kuvaaja 9).Kuva 1522

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaTaulukko 11Charlesin laki: paineen riippuvuuslämpötilasta vakiotilavuudessat (s) p (kPa) t (°C)4,5 98,469 23,57235 98,748 26,05260 99,585 28,60488 100,143 31,084118 100,701 34,584160 101,817 38,231190,5 102,654 40,71226,5 102,933 43,408258 103,769 46,034288 104,606 48,951340,5 105,164 53,983369,5 106,559 56,462410,5 107,396 59,963435,5 107,675 62,223463 108,233 64,484Charlesin lakip (kPa)112110108106104102100989620 30 40 50 60 70 80t (°C)Kuvaaja 9Mittauspisteet osuvat suoralle, joten kaasun paineen muutos onverrannollinen lämpötilan muutokseen ∆p~∆t. Yleisemmin tutkittaessa onosoittautunut, että suora on riippumaton käytetystä kaasusta..Ekstrapoloidaan suoraa pienempiin lämpötiloihin. Jos siis kaasunjäähtyminen voisi jatkua samanlaisena, sen paine häviäisi kokonaan siinälämpötilassa, jossa suora leikkaa lämpötila-akselin. Mittauksissamme tämälämpötila on n. -380°C (Kuvaaja 10).23

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaCharlesin laki, absoluuttisen lämpötilan määritys12010080p (kPa)6040-400 -300 -200 -100 0 100-20t (°C)200Kuvaaja 10Tämä laki on ensimmäinen havainto, joka viittaa alimpaan mahdolliseenlämpötilaan. Sen perusteella voidaan ottaa käyttöön absoluuttinen lämpötilaasteikko,jonka nollakohtana on Celsius-asteikon piste –273°C, jotasanotaan absoluuttiseksi nollapisteeksi. Tällä asteikolla kaasun paine onverrannollinen lämpötilaan.Huomioita:Koejärjestely oli poikkeuksellinen, koska laitoksen muuton vuoksitavallisesti käytettävää vesihaudetta ei ollut käytössä. Ongelmaksimuodostui veden epätasainen lämpeneminen. Uppokuumennin olisekoitettaessa eri etäisyyksillä lämpötila-anturista ja saattoi jopa osua siihen.Lämpötila vaihteli epämääräisesti. Mittaustulokset ovat tämän vuoksiepätarkkoja. Absoluuttiselle lämpötilalle saamamme arvio on huono, koskalämpötilan mittausalueemme on kovin suppea ekstrapolointiin verrattuna.B12. Gay-Lussacin laki: tilavuuden riippuvuus lämpötilasta vakiopaineessaTyön suoritus:100 ml keittopullo, johon on kytketty ruisku, upotetaan uppokuumentimellalämmitettävään veteen. Mitataan pullon painetta ja systeemin lämpötilaa.Paine pyritään pitämään vakiona kasvattamalla ruiskun tilavuutta. Mitataankaasun lämpötila (anturilla) ja tilavuus (ruiskusta lukien) sopivin väliajoin(Taulukko 12).24

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaTaulukko 12Gay-Lussacin laki: tilavuuden riippuvuus lämpötilastavakiopaineessap (mbar) t (°C) V (ml)1010,622 28,604 1001013,157 35,314 1021011,207 40,273 1041011,5 51,722 1081011,305 56,9 1101010,915 63,171 1121011,11 70,537 114Kun ilmaa lämmitetään vakiopaineessa, tilavuuden muutos onverrannollinen lämpötilan muutokseen. Sen lämpölaajenemista esittää (t,V)-koordinaatistossa suora (Kuvaaja 11).V (ml)1181161141121101081061041021009896Gay-Lussacin laki20 30 40 50 60 70 80t (°C)Kuvaaja 11Vakiopaineessa V~t. Tulos on riippumaton kaasusta ja sen määrästä. Kuntätä suoraa ekstrapoloidaan kohti matalia lämpötiloja, se leikkaa t-akselin(V=0) absoluuttisessa nollapisteessä (Kuvaaja 12).25

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaGay-Lussacin laki140V (ml)y = 0,3434x + 90,14412010080604020Lakien yhdistäminen-300 -200 -100-200 100t (°C)Kuvaaja 12Ratkaisemalla suoran yhtälöstä muuttujan x arvo, kun y = 0, saadaanÿabsoluuttiselle lämpötilalle likiarvo t = −263C .Töissä B10, B11 ja B12 käyttämämme mittauslaitteisto oli ULI jamittausohjelma Logger Pro.Boylen ja Gay-Lussacin lait voidaan yhdistää. Edellisen mukaan kaasun isotermisessa prosessissa(T=vakio) on pV=vakio. Jälkimmäisen mukaan isobaarisessa muutoksessa (p=vakio) onV= vakio. Sen vuoksi on tarkoituksenmukaista tarkastella lausekettaTpV kaasun tilanmuutoksissa.TKaasusysteemi voidaan muuttaa tilasta p1 ,V1, T1tilaan p2 ,V2, T2muuttamalla sen tilavuutta ensinisotermisesti, kunnes sen paine on p2, sitten isobaarisesti, kunnes sen lämpötila on T 2.Ensimmäinen muutos noudattaa Boylen lakia:p1V1p2V'= , missä V’ on kaasun tilavuusT1T1ensimmäisen muutoksen jälkeen. Toinen muutos noudattaa Gay-Lussacin lakia:p2V'p2V2= .T1T2Kaasusysteemin alku- ja lopputilan tilanmuuttujat toteuttavat siis tilanyhtälön:p V p VT001 1 2 2= .1T2Kaasusysteemi noudattaa Boylen lain pätevyysalueella tilanyhtälöäTpV =vakio.26

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusC. StrukturointiaRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaIdeaalikaasu on teoreettinen mallikaasu, jonka ideaalikaasun tilanyhtälö määrittelee. Ideaalikaasunoudattaa Boylen ja Gay-Lussacin lakeja kaikissa paineissa ja lämpötiloissa. Sen tilavuus pieneneerajattomasti paineen kasvaessa tai lämpötilan laskiessa. Se ei siis nesteydy, kuten jokainentodellinen kaasu. Kaikki kaasut noudattavat ideaalikaasun tilanyhtälöä, kun ne ovat riittävänharvoja. Italialainen Amadeus Avogadro esitti vuonna 1822 hypoteesin, jonka mukaan samassatilavuudessa, paineessa ja lämpötilassa kaikki kaasut sisältävät saman määrän molekyylejä. Boylenlain pätevyysalueella kaikki kaasusysteemit noudattavat samaa tilanyhtälöä pV=nRT, missä R =moolinen kaasuvakio ja n = ainemäärä.27

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaProsessin kuvausValitsimme lämpöopin kokonaisuuden, koska siinä oli paljon yläasteen opetukseen kuuluvia töitä.Valintamme oli yksimielinen. Teimme työsuunnitelman jo ennen lämpöopin LAB-luentoja, jotenjouduimme käyttämään siihen paljon aikaa ja vaivaa. Meillä oli käytettävissä lukuvuotisten labluennonrunko, joten suunnittelu lähti käsitteellisistä tavoitteista, joita tukemaan pyrimmelöytämään töitä.Suurimman osan töistä teimme helmikuun viikonloppujaksolla. Fysiikan laitoksen muutto olikesken, joten jouduimme joissakin töissä käyttämään korvaavia laitteistoja. Lab-luento oli vastatyövuoron jälkeen. Luento selkeytti entisestään kuvaamme kokonaisuudesta. Muita kokonaisuuteenkuuluvia töitä teimme vähitellen kevään ja kesän aikana. Kokonaisuuden valmiiksi saattaminenvenyi pahasti osittain henkilökohtaisten syiden, osittain sen takia, että huomasimme, ettemmevoikaan tehdä kaikkia aikomiamme töitä omalla koululla. Viimeiset työt teimme vasta elokuunintensiivijaksolla. Raportin kirjoittaminen oli työlästä, koska töiden suorittaminenvenyi.Kokonaisuus oli todella työläs ja aikaa vievä. Teimme töitä hampaat irvessä (Kuva16). Kuitenkin kokonaisuus opetti meille paljon ja koimme sen hyödylliseksiomassa työssämme. Toisaalta kokonaisuuden teoreettinen tausta oli meille riittävänhelppo, joten uskomme ymmärtäneemme kaiken tekemämme.Työnjaon roolit ovat kurssin kestäessä vakiintuneet: tietotekniikka on Intosenvastuulla, kun taas tarkkuutta ja huolellisuutta vaativat mittaukset ja niidenkirjaaminen ovat Majavan alaa. Työskentelytapamme on parityö, emme siis jaatöitä itsenäisesti suoritettaviin osiin.Kuva 1628

DFCL3/Fysiikan hahmottava kokeellisuusRyhmä P8:Marita Intonen jaAnne-Marian MajavaKäsitteenmuodostusA23A21A21KiinteäsulamispisteHydrostaattinenpaineA21TiheysA22B6MassaA34,B4erotA26, A27B1TilavuusA25A24MateriaalisublimoituminenKaasumainenA20,A21NestemäinenhärmistyminensulaminentiivistyminenjähmettyminenhöyrystyminenkiehumispisteVoimaNosteKylläisenhöyrynpaineA35,A36,B7PainePuristustilaA15IlmanpaineB8LämpötilaB8A33,B2,B3A28,A29A30,A31,A32,B5OlomuotoOlomuodonmuutosA13AineA5,A6A5,A6A7A17SupistuminenTasoittuminenA14,A16A19YmpäristöA16,A17Lämpene-minenA1,A2,A3,A4 A1,A2,A3,A4PuristuminenLaajeneminenLämpöopin0:spääsääntöTermodynaaminensysteemiA8,A9,A10terminentasapainotilaA18, A19LämpömittariVuorovaikutusLämpimyysLämpöilmiötJäähtyminenA11,A12TilavuusB10BoylenlakiTilanmuuttujatLämpötilaB11CharlesinlakiKaasujenyleinentilanyhtälöPaineB12Gay-LussacinlakiA7B9IdeaalikaasuAvogadronlakiPituudenlämpötilakerroinLähdeluetteloi Hirvonen et al: Aine ja energia, Fysiikan opettajan opas 2, s. 94ii MFKA: Kylmää ja lämmintä, s. 37iii Hirvonen et al: Aine ja energia, Fysiikan opettajan opas 2, s. 92iv Lavonen, Kurki-Suonio, Hakulinen: Galilei 2, Lämpö ja energia, s. 33v Lavonen, Kurki-Suonio, Hakulinen: Galilei 2, Lämpö ja energia, s. 23vi Lavonen, Kurki-Suonio, Hakulinen: Galilei 2, Lämpö ja energia, s. 18vii Lavonen, Kurki-Suonio, Hakulinen: Galilei 1, Fysiikka luonnontieteenä, s. 16viii Lavonen, Kurki-Suonio, Hakulinen: Galilei 2, Lämpö ja energia, s. 929