Varmaorka

1. Varmaorka

2. 2-1 Sameindir og hreyfing • Joule komst að því að eftir því sem hreyfingin var meiri þeim mun meiri varmi myndaðist.   • Á dögum James Joules var vísindamönnum ljóst að það þurfti orku til þess að skapa hreyfingu. Varmi er ein mynd orkunnar. • Allt efni er úr örsmáum eindum sem kallast frumeindir og sameindir.   • Það varð því niðurstaða vísindamanna að varminn tengdist hreyfingu sameinda.

3. Varmaflutningur • Varmaorka flyst frá heitum hlutum til þeirra sem eru kaldari.   • Þeir kólna því þeir tapa varma. • Tilfærsla á varma kallast varmaflutningur. • Varmi getur flust á þrjá vegu milli hluta: með varmaleiðingu, varmaburði og varmageislun.

4. VARMALEIÐING • Við varmaleiðingu flyst varmi gegnum efni, eða frá einu efni til annars, með beinni snertingu milli sameinda.  • Orkan berst frá einni sameind til annarrar. • Þetta gerist þegar sameindir rekast á. • Þegar sameindirnar skella saman flyst hluti orkunnar sem býr í "heitari" sameindunum yfir til sameindanna sem eru "kaldari".

5. VARMALEIÐING • Sameindir sem verða fyrir árekstri orkumeiri sameinda öðlast meiri orku og þess vegna hreyfast þær hraðar eftir áreksturinn. • Varmaleiðing á sér stað í föstu efni, vökvum og lofttegundum, enda eru þau öll gerð úr sameindum. • Sum efni leiða varma betur og hraðar en önnur og þau eru sögð góðir varmaleiðarar. • Silfur er einn besti varmaleiðarinn. Viður og plast leiða varma illa.

6. Varmaburður • Þegar varmi flyst með varmaburði berst hann með straumi straumefnis, en straumefni er samheiti á lofttegundum og vökvum. • Þegar straumefnið hitnar taka sumar sameindir þess að hreyfast hraðar og lengra verður milli þeirra en áður. • Þetta leiðir til þess að eðlismassi þessa hluta straumefnisins minnkar.

7. Varmaburður - frh • Heitt loft er eðlisléttara en kalt og stígur því upp og skapar strauma sem bera með sér varma. • Þetta er ekki vegna þess að "hitinn" leiti upp, heldur vegna þess að hlýtt loft er eðlisléttara en kalda loftið fyrir ofan. • Kalda loftið "sekkur" niður og heita loftið flýtur upp.

8. VARMAGEISLUN • Þegar orka flyst gegnum rúmið á varmageislun sér stað.   • Orkan er í mynd ósýnilegra rafsegulbylgna sem kallast innrauðar bylgjur (innrautt ljós).   • Varmi berst hingað frá sólu með varmageislun.

9. 2-2 Hiti og varmi • Hiti og varmi er EKKI ÞAÐ SAMA. • Hiti er mælikvarði á meðalhreyfiorku sameinda í efni en varmi er hinsvegar mælikvarði á þá orku sem tiltekið efni inniheldur.   • Tvö efni með sama hitastig geta þannig innihaldið mismikla orku. • 100 gráðu heitt vatn innileldur t.d. mun meiri orku en 100 gráðu heitt loft.

10. Hreyfiorka • Orka sem felst í hreyfingu kallast hreyfiorka. Því hraðar sem hluturinn hreyfist því meiri hreyfiorku hefur hann. • Sameindir hafa hreyfiorku sem byggist á hreyfingu þeirra.   • Hiti er mælikvarði á meðalhreyfiorku sameindanna. • Eftir því sem efni er heitara þeim mun hraðar hreyfast sameindir þess að meðaltali.

11. Hreyfiorka og eðlisvarmi • Sameindir vatns sem er 90 gráðu heitt hreyfast hraðar en sameindir vatns sem er 70 gráðu heitt. • Eitt gramm af 90 gráðu heitu vatni inniheldur mun meiri orku en sami massi af 90 gráðu heitu lofti eða járni. Hér er talað um að eðlisvarmi vatns sé meiri en eðlisvarmi lofts og járns.

12. Hitamælingar • Vísindamenn nota oft hitakvarða sem er hluti SI-kerfisins og nefnist kelvinkvarði. • Á þeim kvarða er hiti mældur í einingum sem kallast kelvin (K). • Núll á kelvin er mínus 273 gráður á celsíus. • Ein celsíusgráða er jöfn einni kelvin. • Vatn frýs við 273 K og sýður við 373K.

13. Hitamælingar og alkul • Kelvinkvarðinn er hentugur vegna þess að lægsta gildi á honum, 0 K er lægsti hiti sem til er.   • Þessi hiti er gjarnan nefndur alkul. • Við alkul eru allar frumeindir og sameindir fullkomlega stopp. Því getur efnið ekki kólnað meira.

14. Hitaþensla • Hiti hefur áhrif á stærð hluta.   • Því heitari sem hlutur er þeim mun meiri hreyfiorka býr í sameindum hans og þær hreyfast hraðar og taka meira pláss. • Kvikasilfrið sem notað er í hitamæla þenst út í réttu hlutfalli við aukinn hita. • Þetta gerir okkur kleift að bera lengd kvikasilfurssúlunnar saman við gráðukvarða og lesa hitann þannig af.

15. Tvímálmur - Tvímálmþynna • Efni eru mismunandi hvað varðar þenslu við hitun.   • Tvímálmur er áhald sem grundvallast á því að föst efni þenjast mismikið út þegar þau hitna. • Þetta er ræma þar sem tveir mismunandi málmar eru festir saman. • Þegar tvímálmurinn hitnar eða kólnar þenjast málmarnir mismikið út eða þeir dragast mismikið saman og það veldur því að hann svignar. • Málmurinn sem þenst meira út er á ytra borði ræmunnar þegar hún svignar.

16. Tvímálmur - Tvímálmþynna • Tvímálmsþynnur eru meðal annars hafðar í rofum í tækjum sem notuð eru til þess að stilla hita.  • Hitastillar eru nytsamlegir til þess að halda jöfnum hita  • Þegar tvímálmurinn svignar eða réttist rýfur hann eða tengir straumrás sem stjórnar viðkomandi tæki.

17. Vatn -hitaþensla og eðlismassi • Almennt eykst eðlismassi efna jafnt og þétt þegar þau kólna. Enda taka þau minna pláss en sama massa þegar þau kólna.  • Við ákveðinn hita víkur vatn frá meginreglunni um minna "pláss" við aukinn kulda og vaxandi eðlismassa. • Þetta gerist þegar vatn breytist úr vökva í fast efni - FRÝS. • Þetta er afar sérstæð hegðun. • Eðlismassi vatns minnkar (í stað þess að aukast) þegar það kólnar úr 4 °C, (eðlismassi þess er mestur við 4 gráður), og niður í 0 °C. • Eðlismassi vatns minnkar enn frekar þegar það frýs enda þenst það þá töluvert út og þar sem rúmmálið eykst minnkar eðlismassinn. • Ís er því eðlisléttari en fljótandi vatn og flýtur af þeim sökum á því.

18. Hitamælingar, varmi og mælieiningar • Varmaorka er forsenda þess að breytingar verði á hita.  • Varmaorka er oft mæld í einingum sem kallast kaloríur (kal) eða hitaeiningar (he.). • Ein kaloría (hitaeining) er skilgreind sem sá varmi sem þarf til þess að hita eitt gramm af vatni um eina gráðu, úr 14,5 °C í 15,5 °C (hitastig sem var ákveðið að miða við!)

19. Frh. • Einingin júl (J) yfirleitt notuð fyrir orku og vinnu í vísindum en kJ er notað yfir orkuinnihald matvæla. • Eitt júl er 0,24 kaloríur og kalorían er 4,2 júl. • Hve margar kalóríur þarf til þess að breyta hita efnis ræðst af massa efnisins. Þannig þarf til dæmis tíu kaloríur til þess að hita eitt gramm af vatni um tíu gráður. • Ef tíu grömm af vatni væru hituð í stað eins gramms nægðu tíu kaloríur aðeins til þess að hita vatnið um eina gráðu.

20. Eðlisvarmi • Sum efni taka betur við varma en önnur. • Mælikvarði á það hversu vel efni taka við varma nefnist eðlisvarmi en það er sá varmi sem þarf til þess að hita eitt gramm efnisins um eina celsíusgráðu. • Mældur í kaloríum á gramm fyrir hverja gráðu (eða júlum á gramm fyrir hverja gráðu). • Eðlisvarmi efna er mismunandi. • Eðlisvarmi vatns er 1 kal/g ∙ °C • Eðlisvarmi kopars er 0,093 kal/g ∙ °C

21. Varmi • Varmi er ekki meðalstærð eins og hitinn. • Varminn grundvallast á þeim efnismassa sem er til staðar. • Fimm grömm af 90 °C heitu vatni búa yfir meiri varmaorku en eitt gramm af jafn heitu vatni.

22. Varmi- efnaorka - stöðuorka • Efnaorka er til staðar í ýmsum efnum, til dæmis eldsneyti.   • Þessi orka er leyst úr læðingi þegar efnunum er brennt. • Orka býr líka í efnum fæðunnar. • Þegar sykrur eða önnur fæðuefni brenna í líkamanum fær hann varma (orku).

23. Lögmálið um varðveislu orkunnar • Samkvæmt lögmálinu um varðveislu orkunnar er hvorki hægt að skapa orku né eyða henni, heldur aðeins breyta mynd hennar.   • Þannig breytist varmaorka í aðrar orkumyndir, til dæmis vélræna orku eða ljósorku. • Þegar eldsneyti brennur losnar efnaorka úr læðingi sem breytist í varmaorku sem er síðan breytt í vélræna orku (hreyfiorku).

24. Kafli 2-3Hitun, kæling og einangrun Hitakerfi: Þær aðferðir sem kæli- og hitakerfi grundvallast á byggjast á þekkingu á varmaflutningi og breytinguorkunnar úr einni mynd í aðra. Hitakerfi eru mismunandi gerð og ræðst af gerðin af varmagjafanum. Helstu varmagjafar eru; eldsneyti (kol, olía, timbur),rafmagn og jarðvarmi.

25. Jarðvarmi er nýttur til húshitunar, raforkuframleiðslu,til ylræktar og í iðnaði. Fyrsta hitaveitan á Íslandi kom 1930 úr þvottalaugum í Reykjavík. Jarðhitasvæðum er skipt í lághita- og háhitasvæði og ákvarðast af hitastigi vatnsins á 1000 m dýpi. Lághitasvæði = / > 150°C. Háhitasvæði = / < 150°C

26. Einangrun: Einangrun er leið til að koma í veg fyrir að varmi sleppi út úr því rými sem hitinn á að nýtast í. Einangrunarefni leiða varma illa t.d. einangrunarplast, glerull og steinull. Léleg varmaleiðni stafar af loftbólum sem í efninu er og loft leiðir varma illa t.d. tvöfalt gler sem hefur loft á milli.

27. Kælikerfi: Kælikerfi er m.a. notað kæla matvæli og auka geymsluþol og í vistaverum fólks. Í kælikerfi er raforka notuð til þess að fjarlægja varmaorku úr rými. Varminn er leiddur út og sleppt út í andrúmsloftið úti fyrir með vökva sem er dælt gegnum kælikerfið með rafknúinni dælu. Í kælikerfum kæliskápa og annarra tækja er kælivökvinn ýmis efnasambönd; kolefnis og flúors,própan- eða ísóbútangas eða ammoníak. Í kæliferlinu breytist kælivökvinn í lofttegund og sú breyting útheimtir varma rétt eins og það útheimtir varma að sjóða vatn.