Eðlis- og stjörnufræði I

Námsgagnastofnum 2015

–

07011

EÐLIS- OG STJÖRNUFRÆÐI

Ástæðan fyrir því að matarliturinn blandast heita vatninu hraðar en því kalda

er sú að vatnssameindirnar í heita vatninu eru á mun meiri hreyfingu en þær

í kalda vatninu. Sameindir í heitari efnum eru á meiri hreyfingu en í þeim

kaldari.

Allt efni getur verið í þrennskonar ham, á föstu formi, í vökvaformi og á

gasformi. Klaki er dæmi um efni á föstu formi sem er vatn á fljótandi formi og

vatnsgufa á gasformi. Ef hreyfingar sameinda eru settar í samhengi við ham

efna þá kemur í ljós að almennt gildir að hreyfing sameinda eykst við hækkað

hitastig. Vatn (H

O) bráðnar við 0 °C, þá breytist það úr ís í vökva en við 100

°C byrjar það að sjóða, breytist úr vökva í gas, eða í vatnsgufu. Þessi hamskipti

verða við breytingu á hitastigi og hreyfingar sameindanna í vatnsgufunni eru

meiri en í ísnum. Ís er fast efni þar sem vatnssameindirnar eru fastar saman.

Þegar ís hitnar fara sameindirnar í honum að hreyfast hraðar og hraðar. Að

lokum hreyfast þær svo mikið að aðdráttarkraftarnir á milli þeirra geta ekki

lengur haldið þeim föstum saman og ísinn fer að bráðna.

Hitastig er mælikvarði á meðalhreyfiorku sameinda í efni

Tóm flaska er sett í frysti og tekin út eftir a.m.k. 30 mínútur. Flaskan er sett

á borðplötu og tíukrónupeningur bleyttur öðru megin og lagður yfir stút

flöskunnar. Fylgjumst með hvað gerist.

Þegar flaskan var tekin út úr frystinum hitnaði loftið inni í henni við það

að koma í stofuhita. Með því að setja pening ofan á flöskuna þá var lokað

fyrir loftið sem var ósýnilegt inn í flöskunni. Peningurinn var bleyttur til að

þétta betur svo ekkert loft slyppi út. Hreyfing sameinda loftsins jókst við það

að koma í heitara umhverfi og við það rekast þær oftar og með meiri krafti

á peninginn. Við það að hreyfing sameindanna jókst þá jókst jafnframt

krafturinn sem þær verkuðu með á peninginn. Sameindirnar náðu loksins

að ýta með nógu stórum krafti á peninginn, þannig að hann fór að hreyfast.

Sameindirnar rekast á allt innra yfirborð flöskunnar og við það eykst

þrýstingurinn inn í henni. Þrýstingurinn í flöskunni er háður kraftinum

sem sameindirnar verka með innan á flöskuna í öllum árekstrunum.

Hlutur sem er á hreyfingu býr yfir hreyfiorku og eftir því sem hlutur

er á meiri hraða því meiri er hreyfiorka hans. Þegar við tókum flöskuna

út úr frystinum og settum hana á borð við stofuhita drógu flaskan og

loftið inní henni til sín varmaorku frá umhverfinu. Varmaorkan breyttist

í hreyfiorku sameinda í flöskunni og við það jókst hreyfing þeirra. Með

aukinni hreyfingu sameinda hækkar hitastig efna og meðalhreyfiorka

sameindanna eykst. Hitastig er ekki eingöngu aðferð til að meta hvort

hlutir séu heitir eða kaldir, heldur er hitastig mælikvarði á meðalhreyfiorku

sameinda í efni.

Varmaorkuflutningur tengist hreyfingu sameinda

Hægt er að skoða flutning varmaorku út frá hreyfingu sameinda. Með

varmaleiðingu flyst varmaorkan með beinni snertingu efna. Sameindir í

heitu efni sem hreyfast hratt rekast á sameindir annars efnis sem eru á

minni hreyfingu. Þegar hraðfara eindir og hægfara eindir rekast saman

jafnast hraðinn smátt og smátt og hluti af hreyfiorku sameinda heita

efnisins flyst yfir til sameinda kaldara efnisins. Þetta gerist síðan aftur og

aftur í miklum fjölda árekstra og þannig flyst varmaorkan á milli og kaldara

efnið hitnar og það heitara kólnar. Í varmaburði er það loft eða vökvar

sem flytja varmaorkuna á milli staða. Þegar loft kemur inn um glugga

inn í herbergi þá hitnar það í nánd við ofn, sem oftast er staðsettur undir

gluggum. Heita loftið stígur upp vegna þess að eðlismassi þess minnkar við

aukna hreyfingu sameindanna. Þegar sameindir lofts fara á meiri hreyfingu

eykst bilið á milli þeirra, þær fjarlægjast hver aðra og færri sameindir eru á

tilteknu svæði. Við það minnkar eðlismassi loftsins. Í kjölfar þess myndast

hringrás sem dreifir varmaorkunni um allt herbergið. Heita eðlislétta

loftið færist yfir herbergið, kólnar við hinn enda herbergisins og ferðast

eftir gólfinu til baka. Í varmageislun flyst varmaorkan á milli staða með

ósýnilegum bylgjum. Sem dæmi má nefna að eindir í sólinni senda frá sér

orku á formi bylgna. Við það hægja eindirnar á sér og hreyfiorka þeirra

minnkar en bylgjurnar bera varmaorku í allar áttir frá sólinni. Þessar

bylgjur lenda á sameindum efnis, meðal annars hér á jörðinni sem auka

hraða sinn þannig að hreyfiorka þeirra vex og efnið hér hitnar.

Það er meiri hreyfing

sameinda í heitara glasinu.