Füüsika 9.klassile

Selles kursuses õpime lähemalt tundma nähtusi, mis on igapäevakogemusest juba tuttavad. Näiteks on kõik tundnud, et tassi sang läheb tasapisi kuumaks, kui tass täita kuuma teega (sellistest nähtustest räägib soojusõpetus). Tuttav on ka see, et elekter toob tuppa valguse ning paneb käima paljud kodumasinad (kõikvõimalikud elektrinähtused).

Juba 7. klassi loodusõpetuses olete õppinud, et kõik kehad koosnevad aatomitest ja molekulidest. 8. klassi keemias õppisite tundma keemilisi reaktsioone.

Selles füüsikakursuses saate teada, kuidas on kehade siseehitusega seotud nende soojuslikud ja elektrilised omadused. Kuid kõigepealt räägime veel kord aatomistest ja molekulidest, kuna füüsika ja füüsikud tunnevad mikromaailma kõige paremini.

Milline on kaasaegne ettekujutus aatomi ehitusest? Praeguseks on paljud eksperimendid tõestanud, et aatomituum koosneb positiivselt laetud prootonitest ja laenguta neutronitest, nende ühine nimetus on nukleonid. Prootonil ja neutronil on praktiliselt sama mass, mis vesiniku aatomituumal, ning prootonid ja neutronid moodustavad suurema osa aatomi massist.

Loomulikult on aatomites ja molekulides ka elektronid. Aga seda „olemist“ ei tohiks ette kujutada kui elektronide liikumist mööda mistahes trajektoori, olgu see siis ringjoon või siksak – kaasaegne füüsika ütleb, et elektronil ei saa olla trajektoori. Pigem kujuta seda ette pilvena – elektronpilvena.

Elektronpilv on füüsikaline mudel, mis illustreerib seda, et ei ole võimalik teada täpselt, kus asub elektron, aga teada on, et ta asub kusagil selle pilve sees. Suurem tõenäosus on leida elektron sealt, kus on pilve tihedamad piirkonnad. Elektroni trajektoorist ei saa rääkida, sest kvantmehaanika seaduste järgi ei ole võimalik mõõta üheaegselt elektroni asukohta ja kiirust.

Elektronpilve kujutise tekkimist saab uurida arvutisimulatsioonis. Pilve kujutis tekib, kui mõõta palju kordi elektroni asukohta.

Ainult vesiniku aatomi elektronpilv saab olla kerakujuline. Suurema aatommassiga aatomite, samuti molekulide elektronpilved on suuremad ja teistsuguse kujuga. Siiski, aatomite ja molekulide füüsikaliselt korrektne kujutamine tähendab alati aatomituuma või tuumade asukoha tähistamist ja elektronpilve kujutamist.

L1 Aatomi mudelite areng

Teadlaste ettekujutus aatomitest on läbi käinud pika ja õpetliku arengutee. 

Loodusainetes me räägime harva üksikutest aatomitest. Keemias ja bioloogias on olulised ikkagi mitmest aatomist koosnevad molekulid. Mis saab elektronidest molekulides?

Keemias te olete juba õppinud liitaineid ehk keemilisi ühendeid. Te teate, et kovalentne side on ühiste elektronpaaride abil tekkinud side ja iooniline side on siis, kui vastasmärgilised ioonid tõmbuvad. Loomulikult saab keemiliste sidemete tekkimist ka füüsika keeles selgitada ja just füüsika on teadus, mis tungib sügavamale aine ehituse seaduspärasustesse, andes muuhulgas ka keemiale selle tööriistad. Selles kursuses me puudutame mikromaailma füüsikat vaid riivamisi, jättes seega kõrvale ka kvantarvutid, teleportatsiooni, Universumi tekkimise jms küsimused. Ütleme lihtsalt, et kovalentse sideme moodustab (väliskihi) elektronide elektronpilv, mis haarab mõlemaid sidemes osalevaid aatomeid. Ja rõhutame, et tegelikult ei saa rääkida elektronide liikumisest ümber mõlema aatomi sest elektronidel ei ole trajektoori, neid võib lihtsalt ühest või teisest kohast suurema tõenäosusega leida. Mikromaailma seadused võivad esmatutvusel veidrad tunduda.

Kuidas siis ikkagi joonistada molekuli?

Igasugust pilve, nii ka elektronpilve on keeruline joonistada – kuhu joonistada pilve piir? Sest pilv on erinevates kohtades erineva tihedusega, tihti keskel tihedam, servadelt hõredam. Lahendus on välja valida mingi konkreetne pilve tiheduse väärtus ja joonistada pilve piir mööda seda. Nii tehakse ka elektronpilvedega.

Vaatame seda protsessi ühe keerukama molekuli elektronpilve näitel. Ja võrdleme saadud pilte teada-tuntud molekulide mudelitega.

Bioloogilised molekulid on tihti väga mahukad ja keerukad. Nende struktuuri joonistamisel jäetakse üksikud aatomid tähistamata, koos sellega jäetakse tähistamata ka elektronpilved.

Selles õpikus me keskendume aine füüsikalistele omadustele. Aga tuleks endale aru anda, et ehkki füüsika, keemia ja bioloogia räägivad vahel üsna erinevates keeltes, on nende uurimisobjekti, so loodust kirjeldavad seadused universaalsed, erinevad vaid vaatepunktid. Üritame seda järgnevas ka läbi näidete demonstreerida. 

Peame siin ütlema ka mõne sõna ka valguse kohta. 8. klassis oli valgus meie jaoks valgusallika poolt kiiratav elektromagnetlaine, mille levimist saab kirjeldada kiirteoptika seaduspärasustega ja me ei uurinud, mis toimub näiteks siis, kui valgus neeldub ekraanis või valgusfiltris.

Soojusõpetuses nimetatakse kehadeks kõiki meid ümbritsevaid objekte ehk asju.

Me juba teame, et kõik kehad koosnevad kas ühest ainest või on nad ainete segud. Ained omakorda koosnevad aineosakestest. Aineosakesteks võivad olla nii molekulid, ioonid kui ka aatomid, sõltuvalt sellest, millise ainega on tegemist. Molekulidest koosneb näiteks vesi. Ka õhk koosneb molekulidest, aga see on mitme aine segu. Keedusool ning söögisooda aga koosnevad ioonidest. Tuntumateks aatomitest koosnevateks aineteks on grafiit ja teemant.

Aga mis on näiteks puit?

Komposiitmaterjale ehk komposiite valmistatakse, kombineerides omavahel kaks või enam materjali, millel on sageli väga erinevad omadused. Nii tehes saadakse enamasti uus unikaalsete omadustega materjal.

Ained võivad esineda kolmes olekus: tahke, vedel ja gaasiline.

Järgnevalt uurime lähemalt, kuidas aineosakesed erinevates aine olekutes paiknevad ning teineteist mõjutavad.

Tahkes aines paiknevad aineosakesed üksteisele väga lähedal. Kristallilistes ainetes paiknevad aineosakesed ka korrapäraselt. Näiteks soolakristallis on iga naatriumi ioon (Na⁺) ümbritsetud kuue kloori iooniga (Cl^-​) ning iga kloori ioon on ümbritsetud kuue naatriumi iooniga. Samal ajal klaasides ja polümeerides, mis on ju ka tahked ained, ei paikne aatomid korrapäraselt.

Kõik aineosakesed mõjutavad üksteist – aineosakeste vahel esinevad tõmbe- ja tõukejõud. Selliseid jõude aitab mõista see, kui kujutame ette, et aineosakeste vahele on kinnitatud vedrud. Kui lükkame kuule üksteisele lähemale, tekib vedrus tõukejõud, mis lükkab kuulid üksteisest eemale. Kui venitame kuule üksteisest eemale, tekib vedrus tõmbejõud, mis tõmbab kuulid üksteisele lähemale. Aineosakeste vastastikmõju annab aineosakestele potentsiaalse energia üsna samamoodi, nagu kõikidel kehadel on Maa gravitatsioonijõu tõttu potentsiaalne energia.

Milline salapärane jõud aineosakeste vahel mõjub? Soolakristallis ju pisikesi vedrusid ei ole?

Naatriumi ja kloori ioonide vahel mõjuv tõmbejõud on elektrijõud, millest räägime täpsemalt selle õpiku teises osas ja mida keemias nimetame iooniliseks sidemeks.  

Tõukejõu põhjustab keeluprintsiip – kaks aineosakest ei saa korraga ühes ja samas kohas olla. Nii tekib aatomite vahel tõukejõud kohe, kui aatomi kooseisus olevate elektronide elektronpilved kokku puutuvad. 

Tahkes aines võnguvad aineosakesed tõmbe- ja tõukejõudude tasakaalupunkti ümber. Aineosakeste liikumine tähendab, et neil on lisaks tõukumise–tõmbumise potentsiaalsele energiale olemas ka kineetiline energia. Sellist võnkumist saab uurida arvutisimulatsioonide abil.

Tahkistes on aineosakeste kineetiline energia palju väiksem osakeste vahel mõjuvate tõmbejõudude potentsiaalsest energiast – kui see oleks vastupidi, siis lendaks tahkis laiali.

Tänapäeval suudavad teadlased üksikute aatomite ja molekulide asukohti määrata.

Vedelikud tunneme ära selle järgi, et nad voolavad. Me ei saa valmistada vedelikest esemeid, kuna nad ei säilita oma kuju. Kallates vedeliku anumasse, võtab vedelik anuma kuju, sest gravitatsioonijõud tõmbab vedelikku maapinna poole.

Kui vedelik seisab liikumatult anumas, siis selle aineosakesed enamasti võnguvad ühe koha peal – samamoodi on see ka tahkes aines. Aga erinevalt tahkest ainest on vedelikes aineosakesed võimelised ka liikuma – aeg-ajalt nad pääsevad naaberosakeste vahelt läbi.

Vedelikes on aineosakeste kineetiline energia ligikaudu sama suur, nagu on osakeste vahel mõjuvate tõmbejõudude potentsiaalne energia.

Aineosakeste liikumist vedelikes saab uurida arvutisimulatsioonide abil.

Browni liikumine

Kuidas me teame, et aineosakesed tõepoolest liiguvad korrapäratult? Kõigile kättesaadav eksperiment on uurida Browni liikumist.

Vedelike aineosakeste liikumise simulatsioonist (küllap ka igapäevakogemustest) peaks selge olema, et ilma segamata võtab kahe vedeliku segunemine omajagu aega. Siiski segunevad vedelikud ka siis, kui nad on paigal. Näiteks kui paneme vee sisse mõne tera kaaliumpermanganaati (vees lahustuv lilla aine) ja jätame selle mõneks tunniks seisma, siis muutub vesi ühtlaselt lillaks ka siis, kui me seda ei sega. Sellist ainete iseeneslikku segunemist nimetatakse difusiooniks. Vedelikes esinev difusioon on väga oluline taimedele, kuna just difusiooni kaudu saavad taimed omale vajalikke toitaineid.

Gaasid erinevad vedelikest ja tahkistest selle poolest, et gaasides on aineosakesed üksteisest väga kaugel – keskmine vahemaa kahe aineosakese vahel gaasis on sadu kordi suurem nende osakeste raadiusest. Seetõttu on ka osakestevahelised jõud väikesed ja nende liikumine vabam. 

Gaasides liiguvad aineosakesed sirgjooneliselt ning korrapäratult. Aineosakesed muudavad oma suunda ainult siis, kui nad teise osakesega kokku põrkavad.

Gaasides on aineosakeste kineetiline energia palju suurem osakeste vahel mõjuvate tõmbejõudude potentsiaalsest energiast. 

Üllataval kombel on gaaside ja vedelike mehaanilised omadused sarnased. Seetõttu on neil olemas ka ühine nimi – voolised (ingl fluids). Näiteks difusioon ei esine ainult vedelikes, vaid isegi tugevamalt gaasides. Kui avada klassiruumi ühes otsas tugeva lõhnaga aine pudel, siis on mõne aja pärast tunda seda lõhna ka klassi teises otsas. Kui siin alapeatükis esitatud simulatsioone võrrelda, peaks selle põhjus selge olema: kuna gaasides on aineosakeste vaba tee pikkus oluliselt suurem, siis jõuavad nad ka kaugemale.

Katseliselt saab demonstreerida, et õhust raskemad (st õhust keskmiselt suurema molaarmassiga) gaasid täidavad anumaid samamoodi nagu vedelikud. Raske gaasina võime kasutada näiteks süsinikdioksiidi või eriti rasket gaasi, mille nimi on väävelheksafloriid.

Laevuke ujub raske gaasi, väävelheksafloriidiga täidetud akvaariumis.	Seebimullid ujuvad süsinikdioksiidiga täidetud akvaariumis.

Difusioon vähendab tasapisi raskete gaaside hulka lahtistes anumates.

Kõik ained ei ole ainult kas tahked, vedelad või gaasilised.

Näiteks mõned ained küll voolavad, aga väga aeglaselt. Neid nimetatakse amorfseteks aineteks või tahketeks vedelikeks. Amorfsete ainete voolamise kiirus sõltub temperatuurist, madalal temperatuuril on nende voolavus väga väike. Amorfne aine on näiteks pigi – kui justkui tahke pigi tükk jätta pikaks ajaks lauale, siis see vajub seal laiali nagu vedelik.

On olemas veelgi veidramaid aineid, näiteks mänguasjade kauplustes müügil olev nn tark plastiliin. Tark plastiliin käitub aeglasel deformatsioonil viskoosse vedelikuna, kiirel deformatsioonil elastse tahke kehana. Sellepärast on targast plastiliinist palli võimalik nii põrgatada kui ka plastiliinina vormida.

Pigi

Pigi on amorfne aine, mis koosneb põhiliselt suure molekulkaaluga polütsüklilistest aromaatsetest (mitut benseenituuma sisaldavatest) süsivesinikest.

Silly Putty

Silly Putty (“veider kitt”) on kommertsnimetus materjalile, mille põhiliseks koostisosaks on ränipolümeer polüdimetüülsiloksaan (alumisel joonisel on esitatud polümeerse ahela kaks monomeerset lüli), millele on lisatud boorhapet.

Kallame ühte klaasi 80-kraadist vett ning teise 20-kraadist vett. Lisame mõlemasse klaasi paar kristalli kaaliumpermanganaati vaatleme nõusid mõne minuti jooksul.

Märkame, et soojemas vees on aine rohkem lahustunud ning suurem osa veest on värvunud lillakaks. Külmemas anumas on tekkinud lillakas lahus ainult klaasi alumisse ossa, kristallide ümber.

Vaatame nüüd uuesti juba tuttavat simulatsiooni gaaside segunemisest ja muudame sel korral ka temperatuuri. Kuidas sõltub difusiooni kiirus temperatuurist?

Simulatsioonis näeme, et kõrgema temperatuuri juures liiguvad aineosakesed kiiremini. Seetõttu nimetatakse aineosakeste korrapäratut liikumist ka soojusliikumiseks. Kaudselt kinnitab seda seaduspärasust ka katse kaaliumpermanganaadiga – nii simulatsioon kui ka katse näitavad, et kõrgema temperatuuri juures toimub difusioon kiiremini.

Uurides simulatsiooni, on ka lihtne näha, et aineosakesed liiguvad soojusliikumises erineva kiirusega ja nende kiirus muutub põrgetes. Ühel ajahetkel võivad olla ühed osakesed peaaegu paigal (siis kui põrkavad kokku mõne teise aineosakesega), teised liiguvad aeglasemalt, kolmandad päris kiiresti. Gaasides muutuvad toatemperatuuril osakeste liikumiskiirused väga suurtes piirides, eri osakeste kiirus võib olla 100–1000 m/s, kuid enamiku osakeste liikumiskiirus jääb kuskil 400–500 m/s juurde.

Mehaanikast teame, et mida suurem on keha kiirus, seda suurem on selle liikumise energia ehk kineetiline energia. Äsja saime teada, et mida suurem on osakeste liikumiskiirus, seda kõrgem on selle keha temperatuur. Seega võime öelda, et mida kõrgem on keha temperatuur, seda suurem on aineosakeste kineetiline energia.

Aineosakeste kineetilise ja potentsiaalse energia summat nimetatakse keha siseenergiaks. Kui aine olek ei muutu, suureneb keha siseenergia temperatuuri tõustes, st muutub aineosakeste kineetiline energia. Kui aine olek muutub, siis muutub nii aineosakeste potentsiaalne kui ka kineetiline energia.

Osakeste soojusliikumise muutumist temperatuuri kasvades saab uurida arvutisimulatsioonides. 

Kuidas muutub tahke aine aineosakeste soojusliikumine, kui ainele temperatuuri tõsta?	Selles arvutisimulatsioonis saad muuta aine temperatuuri ning aineosakeste omavahelise tõmbejõu suurust ja iseloomu. Muutke neid parameetreid ja uurige, mis juhtub. Pane tähele, et simulatsioonis puudub gravitatsioon, mistõttu moodustab vedel aine tilga, mitte ei vaju alla.

Kui puhume õhupalli soojas toas täis ja läheme sellega talvel õue, märkame, et õhupall muutub väiksemaks. Tagasi tuppa minnes paisub õhupall jälle suureks. Miks?

Me juba teame, et kui temperatuur tõuseb, kiireneb aatomite ja molekulide soojusliikumise kiirus. Mida suurem kiirus, seda tugevama „müksu“ annab aatom või molekul, kui ta vastu gaasi ümbritsevat kesta põrkab. Nii juhtubki, et õhupalli saab suuremaks „puhuda“ nii sinna õhku juurde puhudes (st aineosakesi lisades) kui ka temperatuuri tõstes.

Nähtust, kus kehade suurus muutub temperatuuri muutumisel, nimetatakse füüsikas soojuspaisumiseks. Gaaside soojuspaisumine toimub alati kindla seaduspära järgi – gaasi ruumala muut on võrdeline temperatuuri muuduga.

Ka soojuspaisumise põhjuseid saab uurida arvutisimulatsioonides.

Kas ka vedelikes toimub soojuspaisumine? Selle uurimiseks tuleks täita pudel ääreni kuuma veega ning jälgida, kuidas veetase muutub, kui vesi jahtub. Selgub, et kui vesi jahtub, siis vedeliku tase alaneb.

Enamiku vedelike soojuspaisumise ja jahtumise korral kehtib seaduspärasus, et vedeliku ruumala muut on võrdeline temperatuuriga muuduga.

Tahkete kehade puhul kehtib sama seaduspärasus, mis vedelike ja gaaside korral: keha ruumala muut on võrdeline temperatuuri muuduga. Tahketel kehadel on mõõtmed, seega saame sõnastada soojuspaisumise seaduspärasuse järgmiselt: keha pikenemine on võrdeline temperatuuri muuduga.

Tahkete kehade soojuspaisumine. Külm kuul mahtus rõngast läbi. Pärast kuumutamist enam ei mahu, tuleb oodata, kuni keha temperatuur uuesti langeb.	Selles eksperimendis soojendatakse alumiiniumlatti ja see pikeneb soojuspaisumise tõttu.

Tahkete kehade paisumist ei pruugi alati näha olla, kuid sellega tuleb arvestada. Näiteks kui valada külma klaasi kuuma vett, võib klaas puruneda – kohas, kus klaas puutub kokku kuuma veega, hakkab klaas paisuma ning tekivad sisepinged. Tahke keha soojuspaisumisega tuleb arvestada ka sildade ja raudteede ehitamisel. 

Sellised ühendused lasevad raudteel soojuspaisumises pikeneda. Tänapäeval on raudteerööpad siiski üksteise külge keevitatud. Kui rööpad on tugevalt liiprite külge kinnitatud, siis soojuspaisumisel surutakse need kokku ja jahtumisel neid venitatakse.	Paisumispraod betoonplaatide vahel, mis lubavad plaatidel paisuda ja kokku tõmbuda.

Metalltraadid, mis on elektrilambis, valmistatakse raua ja nikli sulamist ehk raudniklist. See materjal paisub sama palju kui klaas, mistõttu ei lähe elektripirn soojenedes katki.	Ka sildade konstruktsioonid muudavad soojenedes oma pikkust. Sellised ühendused annavad selleks võimaluse.

Mehaanikas õppisime, et kui keha tihedus on väiksem kui seda ümbritseval keskkonnal, mõjub talle üleslükkejõud. Sarnaselt tõuseb külmema õhu keskel ülespoole soe õhk ning jahedama vee hulgas soe vesi, sest, vedelikud ja gaasid soojenedes paisuvad.

On olemas ka üks erijuht, millel on looduses erakordselt suur tähtsus. Nimelt ei ole veekogudes talvel kõige külmem vesi mitte veekogu põhjas, vaid hoopis pinna lähedal. Seetõttu ei külmu veekogud talvel põhjani kinni ja jätavad kaladele võimaluse külm aeg üle elada. Miks see nii on?

Selgub, et vee tihedus on kõige suurem mitte vahetult enne külmumist 0 kraadi juures, vaid 4 kraadi juures. Nii kogunebki talvel põhja lähedale 4-kraadine vesi, veepinnale aga 0-kraadine vesi, mis külmub.

Vesi on üks väheseid erandeid, mille puhul ei kehti vedelike soojuspaisumine. Kui me hakkame alandama toasooja vee temperatuuri, siis vee ruumala väheneb kuni 4 °C-ni. Sealt edasi jahutades hakkab vee ruumala uuesti suurenema.	Veekogu põhjas on vee temperatuur 4 °C, seetõttu jäätub vesi ainult pinnalt ja veekogud ei külmu põhjani kinni. Seda põhjustab vee eriline soojuspaisumine.

Temperatuuri mõõtmiseks saab kasutada gaaside ja vedelike soojuspaisumist. 

Vedeliktermomeetri alumises osas on väike anum, mis on täidetud vedelikuga ja ühendatud peenikese suletud toruga. Kui vedeliku temperatuur tõuseb, siis vedelik paisub ning veetase torus tõuseb. Kui temperatuur langeb, siis vedeliku ruumala väheneb ja veetase torus langeb. Toru kõrval olevalt skaalalt saame lugeda temperatuuri. Välitermomeetrites kasutatakse vedelikuna enamasti värvitud piiritust. Vett pole seal võimalik kasutada, sest vesi jäätub $0^{\circ }\text{C}$ juures – selle peale termomeeter puruneks. Meditsiinilistes termomeetrites kasutatakse vedelikuna galliumi.

Selles õpikus kasutame temperatuuri ühikuna Celsiuse kraadi (${}^{\circ }\text{C}$). Celsiuse temperatuuri skaala on paika pandud vee sulamis- ja keemistemperatuuri järgi. $0{}^{\circ }\text{C}$-ks on võetud see temperatuur, mille juures puhas vesi jäätub. $100{}^{\circ }\text{C}$-ks on võetud temperatuur, mille juures puhas vesi normaalrõhul keeb. Vahemik vee sulamis- ja keemistemperatuuride vahel on jaotatud sajaks osaks.

Celsiuse skaalat kasutatakse igapäevaelus laialdaselt. Füüsikas kasutatakse enamasti Kelvini temperatuuriskaalat (ühiku tähis $\text{K}$), mida nimetatakse ka absoluutseks temperatuuriskaalaks. Kelvini skaalas on ühe kraadi vahemik sama, mis Celsiuse skaalal, erinevus seisneb ainult nullpunktis.

Kelvini skaala $0\text{K}$ ($-273,{15}^{\circ }\text{C}$) on kõige madalam temperatuur, mida on võimalik saavutada. See on kõige madalam temperatuur seetõttu, et aine temperatuur on seotud aineosakeste liikumiskiirusega ning  $0\text{K}$ juures on aineosakesed paigal ning nende liikumist ei ole enam võimalik rohkem aeglustada.

Paljudes riikides kasutatakse tänapäeval Celsiuse temperatuuriskaalat, kuid näiteks USA-s on levinud Fahrenheiti skaala. Fahrenheiti skaala ja Celsiuse skaala erinevusi saad võrrelda alljärgneval joonisel.

Suvel päikse käes viibides tunneme, kuidas päike meid soojendab. Kuuma teed juues võime oma keele ära põletada. Toa nurgas olev ahi kütab kogu toa soojaks. Mis toimub, st kuidas füüsika selliseid nähtusi seletab? Mida tuleb tähele panna, et end mitte ära kõrvetada?

Ahi soojendab tuba, sest õhus olevad aineosakesed põrkavad vastu ahju ja osa sooja ahju aineosakeste soojusliikumise kineetilisest energiast kandub põrkes üle õhu molekulidele – õhu siseenergia suureneb ehk temperatuur tõuseb.

Siseenergia levimist ühelt kehale teisele nimetatakse soojusülekandeks.

Kui ahi soojendab tuba, siis ütleme, et ahi andis õhule teatud soojushulga.

Soojushulgaks nimetatakse keha siseenergia hulka, mis kandub ühelt kehalt teisele.

Ahi andis soojushulga toale, seega ahju enda siseenergia vähenes. Tuba sai sama suure soojushulga, kui ahi ära andis, kuna ka soojusülekande korral peab kehtima energia jäävuse seadus: nii suure soojushulga, kui üks keha ära annab, peab teine keha vastu võtma.

Soojusülekanne kehade vahel toimub ainult siis kui kehadel on erinev temperatuur. Kui kehade temperatuur on sama, siis on kehad soojuslikus tasakaalus ning soojusülekannet ei toimu.

Kuna soojushulk on võrdne keha siseenergia muuduga soojusülekandes, siis on ka soojushulga ühikuks energia ühik džaul (lühend J).

Džaulid ja kalorid

Füüsikas kasutame energia ühikuna džauli. Aga tihti kohtame ka kaloreid, näiteks toiduainete pakendite peal. Kas jutt käib ikka ühest ja sellestsamast füüsikalisest suurusest? Kuidas need kaks omavahel seotud on?

Keha siseenergiat on võimalik muuta ka tööd tehes. Näiteks saab lõket süüdata, hõõrudes pehmet ja kõvemat puud teineteise vastu – puu temperatuur tõuseb sedavõrd, et võib heina vm kergesti süttiva materjali süüdata. Sarnaselt võivad kaks metalli üksteise vastu hõõrdudes kuumeneda kuni sulamiseni. Kuna hõõrudes kehade temperatuur tõuseb, suureneb järelikult ka nende siseenergia.

Keha siseenergia arvelt on võimalik teha ka mehaanilist tööd.

Kui erineva temperatuuriga kehad on vahetus kontaktis, siis soojema keha suurema soojusliikumise kineetilise energiaga osakesed annavad osa oma energiat põrgete kaudu külmema keha väiksema energiaga osakestele, mistõttu soojem keha jahtub ja (energia jäävuse seadusest tulenevalt) külmem keha soojeneb.

Sama nähtust toimub siis, kui ühe keha erinevad osad on erinevate temperatuuridega – soojema keha osa suurema soojusliikumise kineetilise energiaga osakesed annavad põrgete kaudu osa oma energiat külmemale keha osale ja temperatuur kehas ühtlustub.

Soojusjuhtivus on selline soojusvahetuse liik, kus aine siseenergia kandub ühelt aineosakeselt teisele.

Nii soojeneb meie käsi tulist teetassi katsudes ning ühest otsast soojendatav raudvarras läheb lõpuks ka teisest otsast kuumaks. 

Soojusülekandes aineosakeste tasemel toimuvat saab uurida arvutisimulatsioonis. 

Siseenergia ei liigu hetkeliselt soojusjuhtivuse kaudu ühelt kehalt teisel või aine sees. See, kui kiiresti aineosakesed siseenergiat edasi kannavad, sõltub ainest. Metallid on üldiselt head soojusjuhid, üks paremaid soojusjuhte on vask. Gaasid on aga halvad soojusjuhid ning kannavad soojust edasi aeglaselt. Näiteks õhk juhib soojust umbes 17 000 korda halvemini kui vask.

Erinevates olukordades on vaja erineva soojusjuhtivusega materjale. Näiteks peavad soojusmaterjalid olema õhulised, kuna õhk on halb soojusjuht. Soojustus on eriti efektiivne, kui kehade vahele tekitada vaakum sest soojusülekannet ei saa siis toimuda. Mõnel teisel juhul aga on vaja soojust kiiresti ühelt kehalt teisele juhtida. Siis tuleks kasutada pigem metalle.

Läbilõige kolmekordsest aknaklaasist. Tänapäeval on aknaklaaside vahel argoon, kuna see juhib soojust veel halvemini, mistõttu toimub toa ja väliskeskkonna vahel väga aeglane soojusvahetus.	Soojustamiseks mõeldud vill - kerge ja õhuline.

Kui paneme köögis vett täis poti kuumale pliidile, siis õige varsti muutub vesi ka pinna lähedalt soojemaks. Kui toa nurgas on radiaator, siis soojeneb tuba tervikuna. See toimub palju kiiremini, kui võiks oodata soojusjuhtivuse teel soojuse levimiselt.

Tuba soojeneb põhiliselt konvektsiooni tõttu. Konvektsioon tekib sellepärast, et soe õhk on hõredam kui jahedam õhk. Järelikult on võrdse ruumala ja rõhu korral soe õhk kergem kui külm õhk ja soe õhk tõuseb ülespoole ning külm õhk langeb allapoole.

Näiteks radiaatori juures õhk soojeneb ja see tõuseb üles lae alla. Siis satub radiaatori juurde külm õhk, mis omakorda soojeneb ja ülespoole tõuseb. Kuna radiaatori juurest voolab pidevalt sooja õhku lae alla juurde, siis hakkab see lae all radiaatorist kaugemale liikuma, samal ajal jahtudes ja lõpuks uuesti allapoole vajudes.  Nii tekib õhu ringlus, mis  toimub seni, kuni toas on õhu temperatuur ühtlustunud radiaatori temperatuuriga.

Koos sooja õhuga liigub ka selle siseenergia, kandudes ühest kohast teise palju kiiremini, kui seda võimaldaks difusioon.

Konvektsioon on siseenergia levimine vedeliku- või gaasivoolude teel.

Konvektsiooni saab uurida ka arvutisimulatsioonides.

Räägitakse, et kosmoses on väga külm. Jah, temperatuur on seal tõesti madal, aga kas me tunneksime seda külmana? See on õigustatud küsimus, sest kosmoses on vaakum, seal on väga vähe aineosakesi. Aga kui ei ole aineosakesi, siis ei saa olla ka soojusjuhtivust ega konvektsiooni. Kas sellest võib järeldada, et kosmoses hulpiva kosmonaudi siseenergia ei muutu ja tal on hea soe olla?

Päris nii see siiski ei ole. Meil on rääkimata veel viimane soojusülekande liik – soojuskiirgus. Nimelt kõik kehad, sõltumata nende materjalist või temperatuurist, kiirgavad soojuskiirgust. Mida kõrgem on keha temperatuur, seda rohkem soojuskiirgust keha ajaühikus kiirgab.

Soojuskiirgus on üks osa nähtamatust valgusest, mida õppisime 8. klassis – soojuskiirgus on infravalgus.

Soojuskiirgus ja soojusliikumine

Teame, et aineosakesed on pidevas soojusliikumises. Teame ka, et kõik kehad kiirgavad infrapunakiirgust, mida nimetatakse ka soojuskiirguseks. Kuidas need kaks nähtust seotud on?

Aine ka neelab soojusenergiat soojuskiirgusena. Soojuskiirguse neeldumisel aineosakeste soojusliikumise kiirus suureneb. Just soojuskiirgus on see, mis meie käsi kamina ees istudes soojendab. Loomulikult väheneb sealjuures ka kamina siseenergia – energia on jääv suurus.

Valgusõpetuses rääkisime, et valgus pinnal kas peegeldub, hajub või neeldub. Nüüd teame, et mida suurema osa valgusest (nähtamatust ja nähtavast) keha neelab, seda rohkem see soojeneb. Hästi neelavad pinnad näivad meile tumedad, sest nendelt ei jõua meie silma valgust. Seega on suvel sobilikum kanda heledaid riideid – need neelavad vähem soojuskiirgust ja meil ei hakka nii kergesti palav.

Kui keha ja seda ümbritseva keskkonna temperatuurid on võrdsed, siis on keha poolt kiiratud ja neelatud soojushulgad võrdsed, keha on ümbritseva keskkonnaga soojuslikus tasakaalus.

Kuidas töötab kiirgustermomeeter ja termokaamera?

Infrapunatermomeeteri ja termokaamera kasutamine on petlikult lihtne - vajuta nuppu ja saad tulemuse. Lähemalt uurides on asi palju põnevam.

Sellised ongi kolm soojusülekande liiki: soojusjuhtivus, konvektsioon ja soojuskiirgus. Reaalses elu esinevad nad tavaliselt koos. Tihti on ka nii, et üks neist liikidest domineerib. Selle illustreerimiseks sobib jälle küünla leek - kui hoida kätt küünla kohal, siis tunneme konvektsioonis käeni jõudvat kuuma õhu voolu, kätt küünla küljel hoides tunneme eelkõige soojuskiirgusena käeni jõudvat soojust, kui pistame lusika leeki, siis jõuab soojus meieni soojusülekande kaudu.

Uurime olukorda, kus soojusvahetuses keha olek ei muutu. Sel korral siseenergia suurenedes tõuseb ka keha temperatuur. Aga kui palju? Kas saame elektrienergia hinda teades arvutada, kui palju läheb maksma vannivee soojendamine 20 kraadilt 40 kraadini?

Valame ühte keeduklaasi $20\text{g}$, teise $50\text{g}$ ja kolmandasse $100\text{g}$ toasooja (22 ºC) vett ning soojendame neid kolmel ühesugusel pliidil ühe minuti jooksul, mõõtes samal ajal vee temperatuure kõikides anumates.

Sellises katses on kõigile kolmele keeduklaasile antav soojushuk ühesugune. Katses saime, et $20\text{g}$ vee temperatuur oli ühe minuti möödudes 52,7 kraadi, $50\text{g}$ vee temperatuur oli 35 kraadi ja  $100\text{g}$ vee temperatuur tõusis vaid 28 kraadini. Sellest saame järeldada, et aine temperatuuri muutus sellele mingi soojushulga lisades või ära võttes sõltub aine massist.

Jätkates 100 grammi vee kuumutamist, anname veele järjest suurema soojushulga ja vee temperatuur jätkab tõusmist. Mõõtes aega, mis kulub vee temperatuuri muutmiseks $5{}^{\circ }\text{C}$ võrra, saame järgmised tulemused.

Katsest näeme, et iga viie kraadise temperatuuri muutuse jaoks kulus ligikaudu sama palju aega (34 sekundit). Kuna veele antud soojushulk on võrdeline ajaga, siis võib öelda, et aine temperatuuri muut on võrdeline ainele antava (jahtumise korral sellelt ära võetava) soojushulgaga. Mida kõrgemat temperatuuri soovime saavutada, seda suurema soojushulga peame veele andma.

Järgmises katses võtame 100 grammi toasooja (22 ºC) vett ning 100 grammi toasooja toiduõli. Soojendame mõlemaid ühe minuti jooksul ühesugustel pliitidel ning mõõdame samal ajal vedelike lõpptemperatuure.

Näeme, et õli temperatuur muutub rohkem kui vee oma. Sellest saame järeldada, et ainele antav soojushulk sõltub ka ainest endast. Aine erisoojus näitab, kui palju energiat on vaja ainele anda või sellelt ära võtta, et ühe kilogrammi aine temperatuuri suurendada või vähendada 1 kraadi võrra. Erisoojust tähistatakse tähega $c$ ning selle ühikuks on $\frac{\text{J}}{\text{kg}{\cdot }^{\circ }\text{C}}$.

Eelnevate katsete põhjal saame seega öelda, et soojushulk $Q$, mis tuleb anda ainele tema temperatuuri tõstmiseks teatud hulga kraadide võrra, sõltub aine erisoojusest $c$, aine massist $m$ ning sellest, kui suur on soovitud temperatuurimuutus.

Tähistame temperatuurimuutuse, st  aine lõpp- ja algtemperatuuride vahe $\Delta t=t_{\text{l}\tilde{\text{o}}\text{pp}}–t_{\text{alg}}$. Siin kirjeldatud katsetega analoogiliste katsete tulemuste põhjal saab kirja panna üldise seaduspärasuse:

Erinevate ainete erisoojused on võimalik leida Lisast 9.1.1, samuti usaldusväärsetest allikatest internetis, näiteks Vikipeediast.

Paneme tähele, et keha jahutamisel on temperatuuri muut $\Delta t$ negatiivne ning arvutamisel saame ka negatiivse soojushulga. Seda tuleb mõista nii, et jahutamisel me mitte ei anna ainele energiat vaid võtame seda.

Vaatame, kuidas neid teadmisi igapäevaelus kasutada.

Kuidas ikkagi juhtub nii, et Maa Päikese kiirguses parasjagu soe püsib? Teame nüüd üht-teist soojusülekandest. Tuletame ka meelde valgusõpetust ja proovime selgitada.

Päike on elektromagnetkiirguse allikas, mille kiirgus katab suure osa elektromagnetlainete spektrist - lisaks nähtavale valgusele ja soojuskiirgusele sisaldab see ka näiteks ultraviolettkiirgus ja röntgenkiirgus. Mis juhtub selle kiirgusega, kui see jõuab Maa atmosfäärini?

Maa atmosfäär toimib kui valgusfilter, mis neelab päikesevalguse teatud spektri osades. Näiteks Päikeselt Maa atmosfäärini jõudev röntgen- ja gammakiirgus neeldub peaaegu täielikult 80–500 km kõrgusel asuvas atmosfäärikihis, mida nimetatakse termosfääriks. Kui aine kiirgust neelab, siis peab selle temperatuur tõusma. Nii võibki õhutemperatuur kõrgustel 200–300 km ulatuda 1000–1500 K.

Atmosfääris neeldunud päikesekiirgus soojendab tugevalt atmosfääri ülemisi kihte, aga mitte selle alumisi kihte. See osa päikesekiirgusest, mis atmosfäärist läbi pääseb (nähtav valgus, samuti osa infravalgusest), neeldub osaliselt maapinnas, teine osa peegeldub ja jõuab tagasi kosmosesse.

Kõik kehad kiirgavad soojust, sealhulgas ka maapind. Kuna maapinna keskmine temperatuur ei muutu, siis peab maapind kiirgama sama koguse soojust, kui ta neelab (energia jäävuse seadus!). Aga maapinna kiiratud soojuskiirgus kosmosesse tagasi ei jõua.

Kuid miks ei saa valgus maapinnast kiirgudes kosmosesse tagasi, kui see ometi atosfäärist maapinnani pääses? Kasvuhooneefekti mõistmiseks on väga oluline tähele panna, et kogu maapinnas neeldunud valgus (sealhulgas nähtav valgus) kiiratakse sealt välja soojuskiirgusena, mis atmosääris neeldub. Atmosfääris sisalduvaid gaasilisi aineid, mis neelavad maapinna kiiratud infrapunakiirugust, on hakatud nimetama kasvuhoonegaasideks.

Maa atmosfääris on kasvuhoonegaasid (veeaur, metaan, osoon, süsinikdioksiid, lämmastikdioksiid), mis neelavad Maalt väljunud soojuskiirgust ning hoiavad seda kosmosesse tagasi levimast. Sellist nähtust nimetatakse kasvuhooneefektiks.

Siin kirjeldatud protsessi saab uurida ka arvutisimulatsioonis.

Kasvuhooneefekt (Maa atmosfäär) tagab selle, et Maal on öised ja päevad temperatuurid üsna ühtlased. Näiteks Marsil, kus atmosfääri kiht on väga õhuke, võivad öised ja päevased temperatuurid kõikuda kuni $100{}^{\circ }\text{C}$.

Soojusenergia liikumise Maa atmosfääris võtab kokku alljärgnev joonis.

Kuna Maa saab oma soojusenergia Päikeselt, siis võiks oletada, et Maa on Päiksele suvel lähemal kui talvel.  Tegelikult on vastupidi – suvel on Päike meist kaugemal. Teisel pool maakera on jälle vastupidi – seal on suvel Päike lähemal. Miks siis on suvel soojem?

Valgusõpetusest ja igapäevakogemusest me teame, et mida kaugemal on vaatleja punktvalgusallikas, seda nõrgemaks jääb vaatleja jaoks sellest valgusallikast silma jõudev valgus. Maa-Päike kauguse muutumise tõttu langebki lõunapoolkera atmosfääri ülapiirile suvel kuni 7% intensiivsem päiksekiirgus kui põhjapoolkera suvel. See aga ei ole aastaaegade vaheldumise põhjus.

Aastaaegade vaheldumine on tingitud sellest, et Maa pöörlemistelg on Maa orbiidi tasapinna (ehk tiirlemistasapinna ehk ekliptika) suhtes kaldu. Seetõttu ei tõuse Päike talvel nii kõrgele horisondi kohale kui suvel. Eesti laiuskraadil on päike suvisel keskpäeval ligikaudu 55 kraadi kõrgusel horisondi kohal, talvel aga vaid ligikaudu 8 kraadi kõrgusel. Miks see oluline on?

Kui päikese kõrgus vähene, langeb igale Maa pindalaühikule vähem päikeseenergiat. Selle mõistmiseks valime Maale langevast päikesekiirgusest välja 1 m² ristlõikega kimbu, mis langeb keskpäeval Tartu laiuskraadile (58,38 kraadi). Suvel katab selline kimp maapinnal 1,2 m², talvel aga tervelt 7 m². Soojusenergiat on ühes sellises kimbus ikka sama palju, seega langeb talvel ühele ruutmeetrile 7/1,2 = 6 korda vähem soojuskiirgust. See on palju suurem erinevus, kui 7%, mis on põhjustatud Maa ja Päikese omavahelise kauguse muutusest.

Termos on seade, mille ülesandeks on hoida selle sees oleva aine temperatuuri. Suvel saab termoses hoida jooki jahedana ning talvel jällegi kuuma teed või kohvi ilma, et joogi temperatuur muutuks.

Kuidas termos töötab?

Termos koosneb sisemisest ja välimisest anumast, mille vahel on hõrendatud õhk. Mida vähem õhku on termose kahe anuma vahel, seda vähem toimub soojusülekanne soojusjuhtivuse teel – kui pole aineosakesi, ei saa ka toimuda soojusjuhtivust.

Termose sisemised pinnad on peegeldavad, tavaliselt tehtud metallist. Läikiv pind tagab, et soojuskiirgus ei pääseks termosest välja – läikiv pind peegeldab soojuskiirgust tagasi. Läikivad pinnad kiirgavad ka vähem soojuskiirgust.

Miks on tuule käes jahedam? Sellepärast, et lisaks soojusjuhtivusele viib soojusenergiat ära ka õhuvoolamine ehk konvektsioon.

Tõepoolest, tuulevaikse ilmaga ümbritseb meid õhukiht, mis meie soojusenergia arvel järjest soojeneb. Tuule käes asendatakse see soojem õhukiht pidevalt külma õhuga. Mida suurem on temperatuuride erinevus, seda kiiremini kaotab keha soojusenergiat ja seda suurem on külmatunne mida tajume.

Tuule mõju kehade jahtumisele saab uurida katses, kui mõõdame jahtuva keha temperatuuri tuule käes ja ilma tuuleta. Sama katse saab läbi viia ka arvutisimulatsioonis.  

Eesti kliima on suhteliselt ebasõbralik ja viletsas majas kipub olema suvel liiga soe ja talvel liiga külm. Kui proovime sellist maja talvel rohkem kütta ja suvel jahutada, siis saame suuremad elektriarved ja suurema koormuse keskkonnale. Lahendus on energiatõhusate majade ehitamine. Aga milline maja on energiatõhus?

See ei olegi nii lihtne küsimus, kui esmapilgul paista võib. Samas põhimõtted, millest tuleks lähtuda, oleme me juba selgeks saanud – me teame, kuidas soojus majja ja majast välja saab, oskame hinnata päiksevalguse, tuule ja välistemperatuuri mõju.

Kõiki majades esinevaid soojusnähtusi korraga käsitleda on keeruline, väga palju erinevaid nähtuseid ja nendega seotud muutujaid. Teadus annab meile ka võtme, kuidas suurt ülesanneks väiksemateks osaülesanneteks jagada. Saab näiteks võtta ette aknad ja küsida, milline on nende roll ruumide temperatuurile mingisugustes konkreetsetes ilmastikuoludest.

Uurime arvutisimulatsioonis akende mõju toa temperatuurile.

Selles simulatsioonis paistab muidu kütmata majja läbi akna päikesevalgus. Toas olevad termomeetrid mõõdavad temperatuure erinevates kohtades, näha on õhu liikumine. Milliseid soojusnähtusi suudad eristada?	Selles simulatsioonis on toas küttekeha, võimalik on maja aknaid kinni ja lahti teha ning õues puhuvat tuult sisse ja välja lülitada. Nooltega on tähistatud tuule suund, õhutemperatuuri märgitakse jällegi värvikoodina - mida punasem seda soojem. Katseta ja uuri, kuidas soojus liigub.

Nüüd saame ka näiteks arutleda teemal, miks on suvel mere ääres enamasti jahedam kui sisemaal, kuid talvel seevastu soojem.

Päiksekiirgus neeldub nii merevees kui ka maapinnas. Aga vee soojusmahtuvus on suurem, kui pinnase oma. Nii kulub vee soojendamiseks kauem aega ja see ka jahtub kauem.

Seetõttu on suvel merevee temperatuur madalam kui kaldapinnasel, mere kohal olev õhk soojusvahetuses jahtub ning tuul toob jahedust ka rannikule. 

Talvel on mere ääres soojem kui sisemaal, kuna jäätumata mere temperatuur on alati kõrgem kui 0 kraadi. Merevesi soojendab õhku ja soe õhk liigub tuulena rannikule, tuues pehmema ilma.

Miks meri ka külma ilma korral kaua soe püsib? Sest vee suure soojusmahtuvuse tõttu salvestub merre suur soojushulk. Palju soojusenergiat eraldub ka jäätumisel.

Mõnikord ei ole termost käepärast, aga ikkagi tahaks teed soojas hoida. Siis hoidke vähemalt tassil kaas peal, nii jahtub tee palju aeglasemalt. 

Kuum tee soojendab vahetult enda kohal olevat õhku. Kui tass ei ole kaetud, siis selliselt soojenenud õhk tõuseb üles, asemele tuleb külmem õhk, tekib konvektsioon.

Kui tass on kaetud, siis on kaane ja tee vahel olev õhukiht „lõksus“, see soojeneb, aga ei pääse liikuma. Soojenenud õhk hakkab soojendama kaant, soe kaas omakorda ümbritsevat õhku, aga me juba nägime, et soojusjuhtivus on palju aeglasem protsess.

Kuuma tee jahtumist saab uurida kodustes katsetes, aga ka arvutisimulatsioonis.

Kas kosmoses on külm? Kerge on leida viiteid, mis ütlevad, et seal valitseb temperatuur $2,73\text{K}$ ehk $-270,{45}^{\circ }\text{C}$.

Aga see on vaid veerand lugu.

Kosmos ei ole päris tühi, aga aatomeid on seal tõesti väga vähe – kuupmeetris vähem kui üks. Sellise tihedusega aine ei saa kehade temperatuuri märgatavalt mõjutada ja energiat saab kosmoses kaotada vaid soojuskiirgusena. Kosmoses saab energiat ka juurde, kui keha neelab päikesekiirgust.

Kui palju energiat me kaotame soojuskiirgusena? Võtame siin teadmiseks ühe valemi, mis meile selle numbri annab:

Siin tähistab $Q$ soojuskadu džaulides, $t$ on aeg sekundites, $e$ on keha kiirgavus (inimkehal on see $\approx 0,98$), $\sigma$ on Stefan-Boltzmanni konstant ($\sigma =5,67\cdot {10}^{-8}\frac{\text{W}}{{\text{m}}^2{\text{K}}^4}$), $A$ on keha pindala.  Kui paneme valemisse arvud asemele, arvestades, et keha temperatuur on 34 kraadi ja kosmoses on temperatuur –270 kraadi (3 K), saame teada, et me kaotaks kosmoses soojust võimsusega 1000 W (23-kraadises toas on see number 133 W). 

Oletame, et inimene kaalub 70 kg. Kuna iga grammi vee soojendamiseks ühe kraadi võrra kulub soojust 4,18 J, jahtuksime sellises keskkonnas kümne minuti jooksul kõige rohkem kaks kraadi. Et sellist soojuskadu kompenseerida, peaksime sööma 60 000 J ehk 14 toidukalorit (kcal) minutis ja kogu see energia peaks ka soojuseks muunduma, st toit tuleb seedida. Aga üks neist küpsistest iga 2–3 minuti järel on täiesti piisav.

Teiste sõnadega, kosmos ei ole nii „külm“  koht, kui võiks arvata. Jah, seal on külm, aga seal on liiga vähe ainet, et midagi kiiresti maha jahutada.

Kui paneme vee sügavkülma, see mõne aja pärast jäätub. Kui võtame tekkinud jää sealt välja ja hoiame seda käes, siis tunneme, et käsi muutub külmaks ning tahke jää muutub osaliselt veeks.

Need protsessid on meile hästi tuttavad. Protsessi, kus tahke aine muutub vedelaks, nimetatakse sulamiseks. Vedela aine muutumist tahkeks aineks nimetatakse tahkumiseks.

Kuidas liigub energia nendes protsessides?

Meie käsi tunneb külma, kui see jahtub, ning jahtub siis, kui annab osa oma aineosakeste soojusliikumise energiast, s.o siseenergiast ära. Jää sulamisel tunneme külma. Sellest saame järeldada, et jää sulamiseks on vaja energiat, mis alati võetakse soojusvahetuse kaudu ümbritsevatelt kehadelt.

Kuidas vee tahkumist uurida? Selleks saab hästi kasutada jäävett, mida suvel palava ilmaga on mõnus juua. Kas oled kunagi mõõtnud jäävee temperatuuri?

Valame klaasi toasooja vett, lisame sinna sisse jääkuubikuid ja mõõdame siis vee temperatuuri. Temperatuur hakkab langema ning mõne aja pärast on see 0 ºC ning enam allapoole ei lange. Järelikult on meil saavutatud soojuslik tasakaal jäätükkide ja vee vahel – mõlema temperatuur on 0 ºC.

Mis juhtub kui lisada 0 ºC jäävette –20 ºC jääkuubik? Kas jäävee temperatuur langeb nüüd alla 0 ºC? Katseliselt veendume, et ükskõik, kui palju ja kui külma jääd me vette ei paneks, jäävee temperatuur on ikka 0 ºC. Samas aga hakkab lisatud jää temperatuur tõusma. Teame, et keha temperatuuri tõstmiseks on vaja energiat. Kust see energia võetakse?

Märkame, et kui lisame 0 ºC jäävette –20 ºC jääd, siis osa vett jäätub. Vesi jäätub seetõttu, et jää temperatuur hakkab tõusma ning temperatuuri tõusmiseks vajalik soojushulk saadakse vee jäätumisel ehk tahkumisel.

Aine sulamiseks on vaja energiat. Tahkumise käigus energiat alati eraldub.

Katsest saame järeldada veel seda, et sulamine/tahkumine toimub ühel kindlal temperatuuril, mida nimetatakse aine sulamistemperatuuriks. Sulamise ja tahkumise käigus aine temperatuur ei muutu, seetõttu on ka jäävee temperatuur alati 0 ºC.

Vee temperatuuri sõltuvus ajast. Alustatakse –20-kraadisest jääst ning lõpetatakse veeauruga.	Kiirendatud video katsest, kus selline soojenemiskõver saadakse.

Kuna jäävee temperatuur sulamise/jäätumise käigus ei muutu, siis järelikult ei muutu ka osakeste liikumiskiirus (kineetiline energia). Samas aine siseenergia peab sulades muutuma, kuna sulatamiseks antakse ainele energiat juurde. Seega muutub sulamise ja tahkumise käigus osakeste potentsiaalne energia: kui temperatuur tõuseb, siis osakesed nihkuvad üksteisest kaugemale ja suureneb vastastikmõju potentsiaalne energia.

Mõnedele ainetele on sulamiseks vaja rohkem energiat, teistele vähem. Seda, kui palju energiat on vaja aine sulamiseks, iseloomustab aine sulamissoojus.

Sulamissoojus näitab, kui palju energiat on vaja anda 1 kg sulamistemperatuuril olevale ainele, et see täielikult sulatada.

Sulamissoojust tähistatakse kreeka tähega $\lambda$ (loe: lambda) ning ühikuks on $\frac{\text{J}}{\text{kg}}$. Jää sulamissoojus on $330\frac{\text{kJ}}{\text{kg}}$, mis tähendab seda, et 1 kilogrammi jää sulamiseks kulub 330 000 J energiat. Kuna sulamine ja tahkumine on pöördprotsessid, siis 1 kilogrammi vee jäätumisel eraldub 330 000 J.

Aine sulamiseks vajaminevat soojushulka saab järelikult arvutada valemiga

kus $\lambda$ tähistab sulamissoojust ja $m$ aine massi. Levinumate ainete sulamissoojused leiad Lisast 9.1.2 või näiteks Vikipeediast.

Enamikul ainetel on tahke olek tihedam kui vedel olek. Taas on üks erandlikke aineid vesi: jää tihedus on väiksem kui vee oma. Sel põhjusel tõuseb jää vees pinnale ja järved saavad endale talvel jääkaane. Kuid samas kahjustab vee selline omadus paljusid ehitisi. Näiteks lõhub jää asfaltteid: vesi tungib asfalttee kivide vahele, külmaga jäätub ning paisub ja teele tekivad praod.

Vee külmumine torudes võib põhjustada torude lõhkemist.	Asfaltteed lagunevad tihti sellepärast, et pragudesse pugenud vesi külmub. Jäätudes vesi paisub ja venitab praod laiemaks. Eriti hävitav on sula ja külmumise pidev vaheldumine kevadel ja sügisel, teinekord ka talvel.

Jää ja vee struktuur

Jäätuva vee paisumine on kõigile teada-tuntud fakt. Aga miks vesi niimoodi käitub? Kõigepealt tuleb meeles pidada, et temperatuur on seotud molekulide kineetilise energiaga.

Miks me tunneme külma?

Me juba teame, kuidas töötab vedeliktermomeeter. Aga kuidas saab meie aju teada, kui meid ähvardab tugev põletus või külmetus?

Meid ümbritseb igal pool õhk, mis koosneb gaasidest, peamiselt lämmastikust ja hapnikust. Keetes vett, muutub ka vesi gaasiliseks – vesi aurustub. 

Protsessi, kus vedel aine muutub gaasiliseks, nimetatakse aurumiseks. Protsessi, kus gaasiline aine muutub vedelaks, nimetatakse kondenseerumiseks.

Kas vesi aurustub ainult keemise ajal? Kui peseme tahvli märja lapiga puhtaks, siis on tahvel märg, kuid varsti kuivab ära. Sarnaselt kuivab ära pesu nööril või veeplekk põrandal. Võime öelda, et  vedelikud aurustuvad kõikide temperatuuride juures.

Kallame ühe klaasi poolenisti täis 20 ºC vett ning teise klaasi 80 ºC vett. Kuuma veega täidetud klaasi sisepind muutub niiskeks, kuid toatemperatuuril oleva vee klaasiga seda ei juhtu. Kuuma veega klaas muutub niiskeks, sest kuum vesi aurustub kiiresti ning aurustunud vesi kondenseerub klaasi jahedale pinnale. 20 ºC klaasi pinnale nähtavat niiskust ei teki, kuna madalama temperatuuri juures toimub aurustumine aeglaselt.  Seega sõltub aurustumise kiirus vedeliku temperatuurist – mida kõrgem temperatuur, seda kiirem aurustumine.

Mõtleme nüüd aurustumisest aineosakeste soojusliikumise keeles. Me teame, et vedelikus on aineosakeste liikumiskiirused erinevad. Vedelik aurustub siis, kui mõnede aineosakeste liikumiskiirus on nii suur, et nad suudavad ületada osakestevahelised vastastikmõjud ja vedelikust välja liikuda. Katseliselt on teada, et selleks peab vee molekuli liikumiskiirus olema suurem kui 2200 m/s. Ilmselt on kõrgema temperatuuri juures selliseid aineosakesi rohkem ja aurustumine järelikult kiirem.

Aurustumise käigus vedelik ise jahtub, kuna suurema kiirusega aineosakesed tungivad vedelikust välja ning vedelikku jäävad aeglasemalt liikuvad osakesed. Osakeste liikumiskiirus aga määrab aine temperatuuri. Selleks et aurustumine saaks samal temperatuuril toimuda, tuleb ainele pidevalt energiat juurde anda. Energiat, mida on vaja, et 1 kg ainet aurustuks, nimetatakse aurustumissoojuseks.

Aurustumissoojus sõltub aurustatava vedeliku algtemperatuurist – jääkülma vee aurustumiseks tuleb see kõigepealt keemistemperatuurini soojendada ja ka selleks kulub energiat. Sellepärast kasutatakse ainete iseloomustamiseks veel üht füüsikalist suurust, mille nimi on keemissoojus (tähistatakse tähega $L$). Keemissoojus näitab, kui palju energiat on vaja anda 1 kg keemistemperatuuril olevale ainele, et see täielikult aurustada.

Keemissoojuse ühikuks on $\frac{\text{J}}{\text{kg}}$. Vee keemissoojus on $2,3\cdot {10}^6\frac{\text{J}}{\text{kg}}$, mis tähendab seda, et 1 kilogrammi 100 ºC vee aurustumiseks kulub 2,3 MJ energiat.

Aurustumiseks vajaminevat soojushulka saab leida valemiga

Erinevate ainete keemistemperatuure ja aurustumissoojuseid saab vaadata õpiku lisades olevast tabelist või usaldusväärsetest allikatest internetis, näiteks Vikipeediast.

Kasutame neid teadmisi reaaleluliste ülesannete lahendamiseks.

Küttepuid ostes on võimalik valida väga erinevate puude vahel. Müüakse kaske, leppa, mändi, kuuske jm. Kas on vahet, millist küttepuitu osta?

Internetist leiad kindlasti, et erinevatel küttepuudel on erinev kütteväärtus. Kütteväärtus näitab, kui palju energiat eraldub 1 kg kütuse põletamisel. Aga lisaks puidu kütteväärtusele tuleb küttepuude ostmisel jälgida, kas tegemist on kuivade või märgade puudega. Märgade puude kütteväärtus on väiksem, kuna osa puidu põlemisel eraldunud energiast kulub küttepuudes oleva vee aurustamiseks.

Erinevate puude kütteväärtuseid saad vaadata Lisast 9.1.4.

Destilleerimine on protsess, kus vedelik aurustatakse ning seejärel uuesti kondenseeritakse. Kuna ainete keemistemperatuurid on erinevad, saab destilleerimisega eraldada üksteises lahustunud aineid.

Näiteks piirituse keemistemperatuur on 78 ºC, vee oma 100 ºC. Kui aurustame vee ja piirituse segu ja jahutame seda 85 ºC-ni, siis vesi kondenseerub, aga piiritus mitte. Joonisel kujutatud seadmega (destillaator) on võimalik vesi ja piiritus teineteisest eraldada.

Külmkapi jahutussüsteemi kõige märgatavamaks osaks on kinnine toru. Selles torus liigub kergesti aurustuv vedelik, mida me siin nimetame jahutusseguks.

Külmkapi sees olevas toru osas on jahutussegu gaasilises olekus, auruna, kusjuures auru rõhk on madal ning auru temperatuur on veidi madalam külmkapi sees olevast temperatuurist.

Külmkapist toru kaudu väljuv jahutussegu aur satub kompressorisse, mis surub selle kõrge rõhu all olevaks ülekuumenenud auruks. Ülekuumenenud aur liigub jahtudes külmkapist väljas olevas toru osas ehk kondensaatoris ehk kondenseerijas (vanematel külmkappidel on seda võimalik näha külmkapi taha piiludes) ning kondenseerub. Selles protsessis eraldub ka soojus, mis antakse ära ümbritsevasse õhku.

Kondenseerijast väljudes on jahutussegu endiselt kõrge rõhu all, aga selle temperatuur on vaid veidi toatemperatuurist kõrgem. Nüüd surutakse jahutussegu läbi paisumisventiili, mis on tavaliselt lihtsalt väike ava. Ventiili taga olev keskkond on palju väiksema rõhu all ning seal toimub jahutussegu kiire paisumine ja aurustumine, aurustub umbes pool jahutussegust. Aurustumiseks vajalik soojus võetakse suuremalt jaolt sellelt jahutussegu osalt, mis jäi vedelasse olekusse.

Tekkinud külm ja osaliselt aurustunud jahutussegu liigub mööda torusid külmikus ja jahutab külmikut. Külmiku soe õhk soojendab torusid, mille tulemusena jahutussegu aurustub täielikult ja külmik jahtub veelgi. Täielikult aurustunud jahutussegu satub siis kompressorisse ja kogu tsükkel algab uuesti.

Tuntud katse teadusteatritest. Võtame suurema suuga pudeli, viskame sellesse (ettevaatlikult) põleva paberi ning asetame siis pudeli suule veega täidetud õhupalli. Õhupall imetakse pudelisse. Miks?

Selge on see, et õhupall läheb pudelisse siis, kui õhupallile ülalt ja alt mõjuv rõhk on erinevad (neid asju õppisime mehaanika kursuses). Et õhurõhk katse käigus ei muutu, siis saab rõhu erinevuse põhjuseks olla vaid rõhu vähenemine pudelis. 

Tihti seletatakse seda katset nii, et pudelis olev õhk paberi põlemisel tekkiva soojuseneriga toel soojeneb ja paisub, pärast paberi kustumist jälle jahtub ja tõmbub kokku. Kuna muna katab terve pudeli suu nii, et õhk pudelist välja pääseb, aga välisõhk pudelisse ei pääse, siis rõhk pudelis väheneb ja muna "imetakse" pudelisse. See on füüsikaline seletus.

Vahel ka räägitakse et küünal "kulutab põledes kogu hapniku ära" ja alarõhk tekib just sellest. Põlemine on keemiline protsess.

Milline seletus on õige? 

Teeme kontrollkatse. Paneme põleva küünla veeanumasse püsti ning asetame kummuli selle peale pudeli. Põleva paberi rolli täidab nüüd küünal ja õhupalli rolli anumas olev vesi.

Kui õhupalli pudelisse minek oleks põhjustatud õhu soojenemisest ja jahtumisest, siis peaks vesi sellises katses pudelisse tõusma pärast küünla kustumist. Hapniku "ära põlemise" teooria ennustab, et vesi tõuseb pudelisse nii kaua, kui küünal põleb, pärast seda tõus lõpeb.

Katses näeme, et vedeliku tase tõuseb ka siis, kui küünal põleb ning taseme tõus jätkub pärast küünla kustumist. Sellist tulemust ei ennustanud kumbki teooria. 

Võtame appi keemia. Põlemine on keemiline protsess ja keemia annab selle teooria arendamiseks tööriistad. Eeldame, et küünlas põleb parafiin. Siis saame kirjutada 

C₃₁ H₆₄ + 47O₂ → 31CO₂ + 32H₂O

Seega tekivad küünla põlemisel süsinikdioksiid ja veeaur. Aga kui suur on reaktsioonisaaduste ruumala? Keemiast teame, et ühe mooli ükskõik millise gaasi ruumala standardtingimustel on alati ühesugune. Parafiini põlemisel reageerib 47 mooli gaasi ja tekib 63 mooli gaasi, nii et gaasi ruumala reaktsioonis hoopis suureneb.

Paberiga on samamoodi. Siis põleb tselluloos:  

C₆H₁₀O₅ + 3O₂ → 6CO₂ + 5H₂0 

või mittetäielikul põlemisel

2C₆H₁₀O₅ + 5O₂ → 5CO + CO₂ + 5H₂0

Gaasilise aine moolide arv kasvab, järelikult põlemisel gaasi ruumala hoopis kasvab?

Kui teise katse videot tähelepanelikult uurida, siis võib märgata, et pudeli siseküljele tekivad veepiisad. Reaktsioonis eraldunud veeaur kondenseerub pudeli seinale, mistõttu põlemise käigus gaasi normaaltingimustele vastav ruumala väheneb ja veetase pudelis tõuseb.

Pärast küünla kustumist gaas jahtub ja see on põhjus, miks veetase pudelis tõuseb ka mõnda aega pärast küünla kustumist.

On ka teada, et süsinikdioksiid lahustub üsna hästi vees ja osa gaasi võib niimoodi kaotsi minna. Aga see on pigem väiksem efekt.

Seega on vee kondenseerumine ning gaasi kokkutõmbumine jahtumisel kaks peamist põhjust, miks õhupall pudelisse läheb. Lisaks füüsikale tuleb appi võtta ka keemia.

Kondenseerumisel töötab seade, mida nimetatakse udukambriks ja mille abil saab „näha“ kosmilist kiirgust. Seadme aluse keskosas asuvat metallplaati jahutatakse kuiva jääga (tahkes olekus süsinikdioksiid), mille temperatuur on alati –76 °C. Aluse servadel on soojem piirkond, kuhu valatakse isopropanool (külmumistemperatuur -89 ºC). Isopropanool aurustub ja levib kogu seadme kaanega suletud ruumis. Seadme külgedele on kinnitatud valgusallikad, mis võimaldavad seadmes toimuvat hästi näha.

Aluse külma osa kohal aur jahtub ja saavutab nn üleküllastunud oleku, kus ka kõige väiksem häiritus põhjustab selle kondenseerumise. Kui gaasiline isopropanool (aur) on läbipaistev, siis tilgakesteks kondenseerunud isopropanool on piimjas ja läbipaistmatu, moodustades aurus erineva kujuga udupilvi.

Kuna seade on sellistele häiritustele väga tundlik, siis saab udukambrit kasutada osakeste detekteerimiseks. 

Et seade on üsna lihtsa ehitusega, saab seda ise teha ning kasutada näiteks kosmilise kiirguse uurimiseks. Kosmilisest kiirgusest räägime lähemalt õpiku viimases peatükis.

Sõnaga elekter võetakse kokku suur hulk igapäevaelu, tehnika ja looduse nähtusi, mis kõik on seotud ühe aineosakeste omadusega, elektrilaenguga. Laenguga osakesed, kui neid on mõnes kehas suuremal hulgal, annavad ka sellele kehale laengu. Täpsemalt, keha laeng ongi osakeste laengute summa. Tavaliselt nimetakse seda staatiliseks elektriks või öeldakse, et asjad on elektrit täis. Laetud osakeste liikumisega seonduvad elektrivool ja elektrienergia, mida igapäevaselt nimetatakse lihtsalt elektriks. Magnetnähtused tulenevad samuti elektrilaengust ja selle liikumisest, kuigi see ei ole lihtsalt peale vaadates päris ilmne. Elekter on seega suur hulk mikroosakeste omadustest tulenevaid nähtusi, mille toime avaldub nii aatomites ja nendevahelistes sidemetes kui ka meie igapäevaste asjade maailmas.

Aatomiosakestel võib olla kahesugune elektrilaeng. Et neil vahet teha, nimetame neid positiivse ja negatiivse laenguga osakesteks. Tuumas on positiivse laenguga prootonid ja ilma laenguta ehk neutraalsed neutronid. Elektronidel on negatiivne laeng. Kui aatom kaotab mõned elektronid, jääb tuuma positiivne laeng ülekaalu. Ja vastupidi, kui aatomiga liitub elektron, annavad lisaelektronid aatomile negatiivse laengu. Selliseid laetud aatomeid nimetatakse ioonideks. Elektronid ja ioonid võivad liikuda (ioonid vedelikes ja gaasides, elektronid põhiliselt tahketes ainetes) ja kanda oma laengu teise kohta, seepärast nimetame neid vabadeks laengukandjateks.

Elektrinähtusi märgati ja uuriti juba ammu enne, kui aatomite olemusolu kindlaks tehti. Loomulikult ei teatud tol ajal midagi ka aatomite siseehitust. Ometi ei seganud see tõsist uurimistööd ega laengu mõiste kasutamist elektrinähtuste kirjeldamisel või seletamisel. Aatomiehituse tänapäevane mudel aitab siiski palju paremini elektrit mõista ja kasutada. Kuigi elektrinähtusi osatakse tänapäeval väga hästi seletada ja kasulikult rakendada, ei ole ometi teada, miks mõnedel osakestel on elektrilaeng. Ei ole ka teada, miks on prootoni ja elektroni vastasnimelised laengud võrdsed. Kui osakestel poleks laengut või isegi kui neil oleks teistsugused laengud, oleks maailm ilmselt hoopis teistsugune paik ja siin ei pruugiks olla meid neid küsimusi esitamas.

Küllap on peaaegu igaüks märganud, et kokkupuutel võivad kehad elektriseeruda, st saada elektrilaengu.  Me ütleme laetud kehade kohta, et need on elektrit täis ja nimetame kõike sellega seonduvat staatiliseks elektriks. Staatiliste ehk paigalseisvate laengutega seotud elektrinähtused on elektrivoolu nähtustest veidi erinevad. Järgnevates peatükkides tuleb juttu ka sellest, mis toimub elektrijuhtmetes, elektrijaamades, elektrivõrgus ja paljudes elektriseadmetes. Seal on tegu põhiliselt elektrilaengu liikumisega.

Kui kampsun võtta seljast üle pea, saavad elektrit täis nii juuksed kui ka kampsun. Juuksed seisavad püsti ja kampsun hoiab puhevile ega lase end algul kokkugi panna. Muidugi ei ole see elektrinähtus seotud ainult inimestega, küll aga on see tihti seotud meie väga hästi elektriseeruvast materjalist riietega.	Lastele meeldib juustega elektriseerida õhupalle. Tegelikult võib enda ja sõprade lõbustamiseks laadida ka kommipabereid, kilekotte jms. Tähtis on, et need oleksid kerged, aga suurema pindalaga asjad, siis käib elektrijõud raskusjõust üle. Juustega on lõbus elektriseerida, aga tehniliselt sobib juuste asemele ka kampsun, hari jpm.

Seda, kas keha on laetud või mitte, ei saa lihtsalt peale vaadates kuidagi määrata. Laengu olemasolu tuleb välja alles siis, kui laeng midagi teeb, st kui elektrijõud toimib. Näiteks võib juhtuda, et juuksed on elektrit täis (teaduskeeles: juustel on elektrilaeng) ja nad seisavad peas püsti. Juuksed peaksid raskusjõu tõttu alla vajuma, aga elektrijõud hoiab neid üleval – sellest võime järeldada, et need on laetud. Tihti märkame kehade laetust siis, kui laeng liigub, näiteks kehalt ära. Laengu liikumisega võivad kaasneda mitmed nähtused. Võib näha sädet, tunda kerget elektrilööki (särtsu), kuulda praksuvat heli, tunda lõhna. Kuigi ka neid nähtusi seostatakse staatilise elektriga, ei ole see päris täpne. Liikuv laeng ei ole ju enam staatiline.

Hõõrdelekter on vanim inimestele tuntud elektrinähtus. Sõna elekter pärineb ladina või vanakreeka keelest ja seostub hästi elektriseeruva merevaiguga. Ladina keeles on see electrum, kreeka keeles ηλεκτρον (elektron). Alates 20. sajandist tormiliselt arenenud plastitööstus on loonud palju materjale, mis koguvad ja säilitavad hõõrdumisel hästi laengut, vanal ajal neid aga ei tuntud üldse. Siiski oli teada, et lisaks kallile ja haruldasele merevaigule kogub laengut ka näiteks klaas, väävel ja karusnahk. 17. sajandil katsetas laetud kehadega saksa teadlane, leiutaja ja poliitik Otto von Guericke, kes on tuntud ka vaakumi, õhurõhu ja teadusliku mõtte üldküsimuste uurijana. Guericke elektrimasinas laadub tugevalt käsitsi ringiaetav väävlist kera, kui selle vastu panna näiteks kuivad käed või villane lapp. Üheks uurimise põhiküsimuseks oli, kuidas suured laetud kehad tõmbavad enda külge väiksemaid.

Tänapäevastest materjalidest ei ole kuigi keeruline Otto von Guericke stiilis masinat kokku panna. 17. sajandil saadi Guericke masina elektriseeruv kera pudelisse valatud sulaväävli tahkumisel. Pudel tuli seejärel lõhkuda. Tegelikult sobib ka ilma väävlita pudel elektriseerimiseks päris hästi.	Elektrimasina joonised aastast 1719 Francis Hauksbee füüsika-mehaanika katsete raamatust. Hauksbee arendas Guericke masinat edasi ja avastas muuhulgas, et kui hõõrdumisega laetud klaaspudelis on veidi elavhõbedat, hakkab pudel katsudes käe alt helendama. Sellel nähtusel töötavad tänapäeval luminofoorlambid (säästu- ehk päevavalguslambid), aga tol ajal avastus erilist tähelepanu ei äratanud.

Elektroskoop on seade, mis näitab, kas keha on laetud. Enamasti näitab elektroskoop enda laengut. Kui mingi laetud keha ühendada elektroskoobiga, läheb osa laengust sinna üle ja sellele üle tulnud laengule elektroskoop reageeribki. Võimalik on laetud keha elektroskoobile lähendada, aga vältida laengu üleminekut. Ka siis näitab elektroskoop laengut, kui aga viia teine keha eemale, kaob elektroskoobi näit jälle.

Elektroskoobiks kõlbab klaaspurk, mille plastkaanest on läbi pistetud näiteks sukavarras, jupp traati või suur nael. Purgi sees võib varda otsa kinnitada kerged alumiiniumfooliumist ribad. Kui varrast puudutada laetud kehaga, läheb osa laengust elektroskoobile üle ja fooliumribad liiguvad, näidates sellega laengut.	Paljudes elektroskoopides paneb laeng liikuma kerged metallplaadikesed või osuti, lehekeste üksteisest eemaldumine või osuti pöördumine oleneb laengu suurusest. Mõnikord on elektroskoobile lisatud jaotistega skaala, nii saab lisaks laengu olemasolu näitamisele ka laengute suurust hinnata.

Elektriseeritud kehad mõjutavad üksteist. Laetud kehade, sh laenguga osakeste vahelist vastastikmõju kirjeldatakse elektrijõuna. See on sarnane gravitatsioonilise vastastikmõju kirjeldamisega raskusjõuna, kui üksteist mõjutavad Maa ja meie igapäevased kehad.

Erinevalt raskusjõust, mis on alati tõmbejõud, võib elektrijõud olla nii tõmbe- kui ka tõukuejõud. Kui näiteks kampsunit üle pea seljast võttes lähevad juuksed elektrit täis, võime näha samanimeliste laengute tõukumist. Igal juuksekarval on sama laeng, seepärast tõukuvad need üksteisest ja hoiavad võimalikult harali, st seisavad peas püsti. Erinimeliselt laetud kehad tõmbuvad. Õhupalli vastu juukseid elektriseerides võib näiteks märgata, et kui elektriseerunud palli enda lähedal hoida, tõmbuvad juuksed selle külge.

Oleme harjunud mõtlema, et millegi liigutamiseks peab sellest kinni võtma, vahetult lükkama või tõmbama. Elektrijõud toimib aga teisiti, mõjudes kaugelt, ilma otsese kokkupuuteta. Sellist ilmselgelt nähtava vahendajata mõju ülekannet kirjeldatakse välja mõiste abil. Kõiki laetud kehi ümbritseb elektriväli. Veidi lihtsustatult võib öelda, et laetud kehad tõukavad ja tõmbavad üksteist elektriväljaga või elektrivälja kaudu. Välja otseselt näha ei ole, aga võttes appi jõu mõiste, saab seda siiski jõujoonete ehk väljajoontena paberile joonistada või arvutiekraanil esitada.

Laetud kehi ümbritseva elektriväljaga kirjeldatakse elektrilist vastastikmõju. Elektriväli ei ole nähtav ega tuntav, see saab nähtavaks elektrijõu kaudu. Laetud kehale (proovilaengule q) välja erinevates kohtades mõjuva elektrijõu suuna järgi saab joonistada väljajooned ja seega elektrivälja visualiseerida. Väljajoonte suunaks loetakse kokkuleppeliselt positiivsele proovilaengule mõjuva jõu suunda.

Laetud kehi ümbritsevat elektrivälja ei saa niisama lihtsalt vaadata. Selle olemasolu ja tugevust näitab vaid laengutele mõjuv elektrijõud. Lisaks sellele on võimalik elektrivälja uurida arvutisimulatsioonides.

Samanimeliselt laetud kehad tõukuvad, erinimeliselt laetud tõmbuvad, kuid elektrijõud võib end ilmutada veel ühel juhul. Laenguta kehad paistavad alati tõmbuvat laetud kehade poole. Tegelikult on ka siin tegemist erinimeliste laengute tõmbumisega. Keha mõjutamisel välise, st teise keha laenguga jaotuvad laengud ümber. Välisega samanimeline laeng tõukub keha kaugemale osale, vastasnimeline koguneb tõmbumise tõttu lähemale. Tõmbumine võidab kokkuvõttes tõukumise, sest elektrijõud sõltub kaugusest. Mida suurem kaugus, seda väiksem jõud. Vastasnimeline laeng on lähemal, samanimeline kaugemal. Laengute liikumist kehades välise mõju toimel nimetatakse mõjuelektriks ehk indutseeritud laenguks ja see on väga tavaline elektrinähtus.

Laengute armastus ehk induktsioon.	Induktsiooni nähtus arvutisimulatsioonis. Aatomist kahel pool olevaid plaate laadides aatomi elektronpilv kaldub ühele või teisele poole. Arvutisimulatsioonis ei ole näidatud aatomile mõjuvat elektrijõudu, proovi selle suund ära arvata!

Nüüd oskame ka seletada seda, miks laadumata kehad laetud kehade külge kinni jääma kipuvad.

Laengute „tekkimine“ kehas väljastpoolt läheneva suure laenguga keha toimel ehk polariseerumine võib juhtuda mitmel moel. Laeng võib nihkuda paigast terves kehas, aga see võib toimuda ka igas aatomis eraldi ehk aatomid polariseeruvad. Väljastpoolt tundub see ikka nii, et keha üks külg saab positiivselt, teine negatiivselt laetud.	Selles arvutisimulatsioonis katse, mida on võimalik kodus järele proovida – laetud õhupall jääb seina külge kinni. Õhupalli saab laadida seda näiteks juustes hõõrudes. Arvutisimulatsioon näitab, kuidas paigutuvad ümber seina molekulide elektronkatted.

Mõtleme korraks, milline oleks maailm, kui seda valitseks ainult üks tugev tõmbejõud. Arvatavasti tõmbuks kogu aine pööraselt suure tiheduseni kokku ja rohkem midagi huvitavat toimuda ei saaks. Ainuüksi tõukejõu toimel aga paiskuks kõik laiali, lahjeneks ja hõreneks lõputult. Ainult tõmbumisena toimiv jõud on tegelikult olemas – gravitatsioon. Õnneks on gravitatsioonijõud väga nõrk ja ilmutab end ainult suurte masside korral ehk siis, kui vähemalt üks kehadest on väga raske.

Osakeste maailmas, kus massid on väikesed, ei tõuse gravitatsioon üldse teemaks. Peaaegu kõik, mis meie ümber igapäevaselt toimub, käib elektrijõu kaudu. Kehad püsivad ühes tükis keemilistele sidemete tõttu, mis põhineb elektrijõul. Ainete tekkimine ja lagunemine ehk keemilised reaktsioonid toimuvad samuti elektrijõu kaudu. Elektrijõust tulevad mitmed loodusest ja tehnikast tuttavad jõud, näiteks elastsus- ja hõõrdejõud (aga mitte raskusjõud). See kõik on võimalik, sest elektrilaeng on kahenimeline ja elektrijõud võib olla nii tõmbumine kui ka tõukumine.

Ainete koospüsimist on võimalik uurida arvutisimulatsioonides.

Metalli kristalle hoiab koos metalliline side – positiivsete aatomite vahel on negatiivsed liikuvad elektronid. Kui metallvarrast painutada ja siis lahti lasta, siis see taastab oma kuju.	Keraamikat ja ka näiteks soola kristalli hoiab koos iooniline side, kus positiivselt ja negatiivselt laetud aatomid on vaheldumisi ja nende vahel mõjub tõmbejõud. Sellised kristallid on rabedad ja murduvad, kui neid painutada.

Vaatame võrdluseks ka plasti ja kummi deformatsiooni.

Plastid koosnevad pikkades molekulidest. Kui plasti painutada, siis saavad need molekulid üksteisest eralduda. Niimoodi toimub plastne deformatsioon.	Ka kumm koosneb pikkadest molekulidest. Aga erinevalt plastidest on need molekulid omavahel seotud ja kumm taastab pärast deformatsiooni oma kuju. Nii toimub elastne deformatsioon.

Miks liim liimib?

Tõepoolest?

Staatiline elekter – see kõlab halvasti. Enamasti püütakse elektriseerumist vähendada ja staatilistest laengutest lahti saada. Laengud kipuvad halvasti mõjuma arvutitele ja üldse elektroonikale. Ebamugav on olla, kui oled ise laetud ja saad igast asjast ootamatult särtsu. Sädemed, mis laaduvate materjalidega kaasnevad, võivad isegi tulekahju põhjustada, kui need kohtuvad gaasi või kütuseaurudega.

Kehade laadumise vältimiseks nähakse kõvasti vaeva elektroonikatööstuses ja lennunduses. Paljud kunstkiust riided elektriseeruvad eriti hästi pärast pesemist. Selle vältimiseks loputatakse või pritsitakse riideid nn antistaatikuga.

Seega võib staatiline elekter olla tõeline nuhtlus, aga elektrilaengud ja elektrijõud võivad osutuda ka kasulikuks.

Paljundusmasinad ja printerid jagavad tahma, värvi või tindi paberile õigetesse kohtadesse elektrijõududega. Tehaste korstendes korjavad elektrifiltrid suitsu- ja tolmuosakesi, et linnaõhku puhtamana hoida. Paljud igapäevased masinad ja seadmed on värvitud tehases – nende värvikihi kvaliteedi garanteerib elektrostaatiline värvimine. Ka kriminalistidel on näpu- ja jalajälgede otsimisel abiks elektrijõud. Kosmosetehnikas on elektrijõul mitu rakendust, arendamisel on isegi elektrijõuga läbi kosmose purjetamine.

Robotid värvivad elektrostaatilise värvimise meetodil autokeret. Kõik pihustist väljuvad värvitilgad või -pulbri osakesed on ühenimeliselt laetud. Nii nagu laetud juuksed hoiavad harali, hajub ka värvijuga laiali. See võiks tähendada, et palju värvi läheb värvitavast autost mööda, aga tegelikult tõmbab elektrijõud värvitilku kere poole. Nii on kerge värvida ka kohti, kuhu kitsast värvijuga oleks keeruline suunata ja suur osa mööda lennanud värvist pöördub isegi autokerele tagasi. Värvikulu on väiksem ja tulemus saab kvaliteetsem.

See arvutisimulatsioon on mäng, kus osake tuleb juhtida läbi elektrilaengutega tunneli. Juhtimiseks saab osakest kas positiivselt või negatiivselt laadida.

Toetudes teadmistele aine ehitusest (vt „Mis on elekter?“) võib öelda, et kui aatomitel, millest keha koosneb, on elektronide arv võrdne tuumas olevate prootonite arvuga, on keha laenguta. Laetud osakesed on küll olemas, aga kui negatiivsete ja positiivsete laengukandjate arv on võrdne, siis võib öelda, et summaarselt on laeng null või et laeng puudub. Võib ka öelda, et selline keha on elektriliselt neutraalne, aga kindlasti ei tohi öelda, et kehal on neutraalne laeng. Neutraalset laengut pole olemas.

Laenguta kehast saab laetud keha, kui lisada või eemaldada laetud osakesi. Aatomis on nii positiivse laenguga prootoneid kui ka negatiivse laenguga elektrone. Prootonid siiski ei sobi laengut ühelt kehalt teisele kandma. Aatomituumas, kus on prootonid koos neutronitega, on lisaks positiivsele laengule ka põhiosa aine ja seega ka põhiosa kehade massist. Prootonid on liiga tugevalt aatomituumadesse seotud ja neid ei ole võimalik ilma keha lõhkumata kuhugi üle kanda. Elektronid on aga kerged ja tihtipeale on osa neist aatomiga nõrgalt seotud. Need vabad elektronid võivad kehas teise kohta liikuda ja ka ühelt kehalt teisele üle minna. Nimetame nad vabadeks laengukandjateks. Elektronid kannavad seejuures muidugi kaasa oma laengu ja ka massi, aga kuna nad on väga kerged, siis kehad elektronide lisamisest või kaotamisest märgatavalt kergemaks või raskemaks ei muutu. Vedelikes ja gaasides pääsevad liikuma ka aatomid ise. Sel juhul on vabadeks laengukandjateks ioonid, elektronide liitmise või kaotamise teel laengu omandanud aatomid.

Kehad saavad laengu tihti erinevate materjalide hõõrdumisel, siis räägitakse hõõrdelektrist või triboelektrilisest efektist. Vahel võivad kokkupuutes olevad kehad laaduda ka lihtsalt lahutamisel, ilma hõõrumiseta. Hõõrdelektri laengud jaotuvad kehadele alati paariti, kui üks saab positiivse, siis teine negatiivse laengu. Seepärast pole õige öelda, et hõõrdumisel tekib laeng, tegu on ikka ainult laengute ümberjagamisega.

Autosõidul on lihtne end tahtmatult elektriseerida. Sobivast materjalist istmekatte ja sõitja riiete vahel jaotub laeng ümber. Kui inimene autost välja astub, on ta laetud, auto on samal ajal laetud vastasnimelise laenguga. Oma keha laetust on kerge märgata, kui autoust sulgedes liiguvad laengukandjad sõrmede ja auto vahel – siis on tunda kerget elektrilööki. Näha võib olla ka väikest sädet ja kuulda krõpsatust.

Kui võidusõiduauto pöördub boksi, tormab meeskond ülikiirelt tankima ja tegema vajalikke ümberseadistusi. Meeskond on oma kiiruse üle uhke, sest iga boksipeatuses kaotatud sekundisajandik võib piloodile maksta võidusõiduedu. Kuid kütusevooliku ülikiire kohalepanek on ohtlik, sest boksi sisenemisel võib auto olla laetud. Kui pidurdav auto tekitab keset kütuseauru sädeme, võib puhkeda tulekahju.

Energia ei saa tekkida ega hävida, võib vaid muutuda ühest liigist teiseks või kanduda ühelt kehalt teisele. Nii see on, energia jäävuse seadus on hästi tuntud. Kuid jääv pole mitte ainult energia. 18. sajandil sai üha selgemaks, et keemilistes reaktsioonides muutuvad küll ühed ained teisteks, aga kogumass seejuures ei muutu. See teadmine sõnastati massi jäävuse seadusena ja see oli oluline eeskätt keemiateaduse arengule. Massi kannavad aatomid. Kui miski kaotab massi, siis ta kaotab aatomeid, aga aatomid ei kao päriselt, vaid lähevad lihtsalt teise kohta ja seal mass kasvab saabunud aatomite võrra. Nagu mass, nii on ka laeng jääv. Ka laeng ei saa tekkida ega kaduda, võib vaid liikuda ühest kohast teise ja jaotuda kehade vahel. Kuid laeng on osakeste omadus, ilma osakeste ehk laengukandjateta ta liikuda ei saa.

Massi ja laengu jäävuse vahel on siiski erinevus. Mass on ühenimeline ehk nimeta suurus, sellele ei saa panna plussi ega miinust. Elektrilaeng on kahenimeline, kokkuleppeliselt nimetatud positiivne ja negatiivne. Kui kaks massi kokku saavad, saame alati suurema massi. Nii juhtub ka samanimeliste laengute kohtumisel, tulemuseks on suurem laeng. Kui aga positiivne ja negatiivne laeng näiteks ühel kehal kohtuvad, võib jääda ekslik mulje, et laengud on hävinud. Tegelikult jäävad laengud ikka alles, lihtsalt nad tasakaalustavad teineteist ja keha on laenguta ehk neutraalne. Sobival juhul võivad laengud jälle eralduda.

Laeng on mikroosakeste omadus, aga kui osakesi on palju, saab laengust ka keha omadus. See on sarnane massiga. Keha mass koosneb kõigi aatomiosakeste massidest. Nii nagu massi saab mõõta, saab mõõta ka elektrilaengut, aga enne tuleb muidugi kokku leppida ühikud. Massi ühik on kilogramm (kg), laengu ühik on kulon (C).

Kulon on saanud nime prantsuse teadlase ja sõjaväeinseneri Charles-Augustin de Coulomb’i (1736–1806) järgi, kellel õnnestus juba 1785. aastaks mõõta laetud kehade vahelisi jõude erinevatelt kaugustelt. Coulomb’i ajal ei tuntud veel piisavalt aine ehitust ega teatud laengukandjatest, aga tänapäevaks on teada nii aatomite massid kui ka elektroni ja prootoni laeng. Elektroni ja prootoni laeng on vastasnimelised, aga võrdsed, mõlemad 1,6·10^-19 C. Kuna väiksemat eraldiseisval osakesel olevat laengut pole teada, siis nimetatakse seda elementaarlaenguks. Just nii väikest laengut kannab iga elektron endaga kaasa kõigis elektrinähtustes.

Üldiselt võivad elektriseeruda kõik kehad. Me teame, et igapäevaelus on asju, mis lähevad kergesti elektrit täis. Näiteks õhupall, kilekott või plastjoonlaud elektriseeruvad tihti nagu iseenesest, aga lusikas, puuoks või märg pesu sugugi mitte. Laengute kehadele kogunemine ja püsimine sõltub aine omadustest, aga ka sellest, kuidas laengukandjad aines voolama pääsevad. Laengute püsimisel on üsna oluline õhuniiskus. Kui katsetate staatilise elektriga, valige kuiv päev ja soojendage katseriistu.

Elektrivool on füüsikaline nähtus, mille sisuks on laengu ülekanne. Laeng saab liikuda ainult koos laengukandjatega, st elektrivoolu tekitamiseks on vaja laengukandjad suunatult liikuma panna. Sõna vool saab kasutada laialt: vedelikud või gaasid voolavad torudes, vesi voolab jõgedes või hoovustes, on olemas õhuvoolud, muda- ja rusuvoolud, aga ka inimvool pikas koridoris, transpordivool tunnelis või tänaval jne. Kõiki neid voolusid ühendab see, et mass kandub ühes suunas: massiks on gaasi või vedeliku molekulid, muld ja kivid, inimesed või autod. Elektrivooluga kantakse aga edasi elektrilaengut.

Püsiv vool tekib teatud tingimustel.

• Elektrivool saab tekkida, kui on olemas vabad laengukandjad, elektronid või ioonid (vt ptk „Laengukandjad“). Näiteks metallides on vabu elektrone ja lahustes ioone, nende liikumine kannabki laengut edasi. Laengukandjad on küll alati olemas, aga kui need ei saa liikuda, siis elektrivoolu ei teki.
• Laengukandjate liigutamiseks on vaja neile jõudu rakendada. Vabad laengukandjad paneb liikuma elektrijõud. Vajaliku elektrijõu tekitamiseks ja säilitamiseks kasutatakse vooluallikaid, näiteks generaatoreid ja patareisid.
• Elektrivool tekib korraks ka siis, kui staatiline elektrilaeng kehalt lahkub, seda nimetatakse lahenduseks. Vool saab toimida püsivalt, kui on loodud vooluring.

Elektrivoolu saab märgata ja ka mõõta toime järgi. Tänapäeval tunnevad inimesed, kes elavad elektrifitseeritud maades, elektrivoolu toimet hästi.

• Soojuslik toime. Aine, materjali või keskkonna temperatuur tõuseb, kui laengukandjad selles liiguvad. Elektrivoolu soojuslikul toimel töötab elektriküte, kõik soojendavad kodumasinad ning tööriistad, elektrikeevitus jpm. Täpsemalt uurides selgub, et elektrivool soojendab paratamatult kõiki juhtmeid ja elektriseadmeid, kuigi enamasti püütakse soojuse eraldumist vähendada neis kohtades, kus seda vaja pole. Mõnel juhul soojenevad kehad elektrivoolust sedavõrd, et hakkavad ka valgust kiirgama, näiteks elektripliidi küttekeha või hõõglamp.
• Magnetiline toime. Elektrivooluga võib asju liigutada, aga ka seisma panna või kinni hoida. Magnetnähtustega seotud mehaanika rakendub mootorites, elektromagnetites, metallide prügist väljasortimisel jm (vt ptk „Elektromagnetid“).
• Keemiline ja ioniseeriv toime. Elektrivool võib põhjustada keemilisi reaktsioone, näiteks lagundada või sadestada lahusest aineid. Elektrokeemiliselt toodetakse alumiiniumi ja kloori. Elektrivoolu abil saab ühe metalli kihi kanda teise pinnale (vasetamine, nikeldamine, kroomimine, tsinkimine, kuldamine). Elektrivool võib aatomeid ja molekule ioniseerida või ergastada ka ilma keemilist reaktsiooni tekitamata. Sel moel toimivad näiteks luminofoor- ehk päevavalguslambid, aga nii toimib ka elektrilöök.

Elektrivoolu ehk laengu ülekandmist kirjeldav füüsikaline suurus on voolutugevus, selle tähis on $I$ ja ühik amper (A). Amper on SI (rahvusvahelise ühikusüsteemi) põhiühik. Nime on ühik saanud prantsuse teadlase André-Marie Ampère’i (1775–1836) järgi.

 ja 

kus $I$ on voolutugevus, $q$ on elektrilaeng ja $t$ on aeg.

Üheamprise voolutugevuse korral ($I=1\text{A}$) kandub juhtmest ühe sekundiga ($t=1\text{s}$) läbi ühe kuloni suurune laeng ($q=1\text{C}$). Võib öelda, et voolutugevus on laengu ülekandmise kiirus. Ühe kuloni ülekandmiseks on vaja liigutada umbes 6,25·10¹⁸ elektroni.

Voolutugevust saab mõõta elektrivoolu toimete järgi. Mida suurem on voolutugevus, seda rohkem soojust annab igas sekundis vooluga juhe või seda enam kroomi eraldub lahusest igas sekundis kroomitava eseme pinnale. Põhiliselt mõõdetakse voolutugevust siiski ampermeetriga, kasutades voolu magnetilist toimet.

Elektrivoolu tekkimise esimese tingimuse järgi võib ained ja materjalid jagada laias laastus kaheks. Kui aines on vabu laengukandjaid, on tegu elektrijuhi ehk lihtsalt juhiga. Kui pole laengukandjaid, mida saaks liikuma panna, on tegu isolaatoriga. Isolaatoriteks ja isolatsiooniks nimetakse elektrotehnikas ka neid seadmete osi, mis on valmistatud isoleerivast materjalist.

Kõrgepingeliinide juhtmed kinnitatakse mastidele, aga juhtme ja masti metall ei tohi elektriliselt kokku puutuda. Kokkupuudet aitavad vältida klaasist või portselanist isolaatorid, mis küll hoiavad juhtme paigal, aga elektrivoolu läbi ei lase. Klaas ja portselan on isolaatorid, samuti neist valmistatud isoleerivad detailid. Liini vaadates on selge ka see, et õhk on samuti isolaator.	Gaasid on tavaliselt isolaatorid, aga muutes tingimusi, saab gaase ka voolu juhtima ja valgust kiirgama panna. Sellest on arenenud luminofoorlambid ning valguskunstis ja reklaamides populaarsed neoontuled.

Tahketest ainetest on head elektrijuhid metallid, head isolaatorid aga näiteks plast ja klaas. Juhtmete isoleerimiseks kasutatakse ka kummi, aga igasugune kumm selleks ei sobi: sütt sisaldavad kummisordid on juhid, sest süsi on elektrijuht. Vedelikud ja gaasid juhivad voolu, kui neis on ioone. Puhas vesi ei ole juht, aga näiteks keedusoola lahus on.

Materjalid ei jagune siiski mustvalgelt juhtideks ja isolaatoriteks: kõik isolaatorid juhivad õige veidi elektrivoolu ja kõik metallid ei ole võrdselt head juhid. Vask ja hõbe on tõelised elektrijuhtimise kuningad, ka alumiinium ja kuld on päris head. Samas on metalle ja sulameid, mis on hoopis viletsamad juhid, neilgi on oma koht elektrotehnikas.

Juhtide ja isolaatorite vahele mahub veel üks rühm materjale: pooljuhid. Nagu nimigi ütleb, on tegu poolenisti juhtidega. Pooljuhtide põhiline väärtus on selles, et muutes tingimusi (temperatuur, valgustamine, lisandid), saab nende voolu juhtimise võimet oluliselt muuta. Sobivate pooljuhtide kasutamisega on võimalik saada seadmeid, mis juhivad voolu ainult ühes suunas, aga kombineerides saab tekitada ka palju muud huvitavat, mis on aluseks tänapäevasele side- ja arvutustehnikale, sh digimeediale ning internetile.

Elektrivoolus võivad liikuda nii negatiivse kui ka positiivse laengu kandjad. Näiteks keedusoola (NaCl) vees lahustumisel moodustuvad positiivse laenguga naatriumioonid (Na⁺) ja negatiivse laenguga kloriidioonid (Cl^-). Elektrijõu toimel liiguvad erinimelise laenguga osakesed vastassuundades. Metallides on vabadeks laengukandjateks elektronid, mis liiguvad kõik ühes suunas. Ajaloolistel põhjustel loetakse voolu suunaks positiivsete laengukandjate liikumise suunda. Soolases vees liiguvad laengukandjad kahes suunas, aga voolu suunaks on naatriumioonide liikumise suund. Metallides, mis on tehnikas ja igapäevases olmes väga olulised, loetakse voolu suunaks elektronide liikumisega vastupidine suund. See kõlab natuke naljakalt, et voolu suund on positiivse laengu liikumise suund, kuigi tegelikult saab liikuda negatiivne, aga nii lepiti see kokku juba neil aegadel, kui elektronid olid veel avastamata.

1820. aastal tuli ühes katses (vt ptk „Elektromagnetid“) pooljuhuslikult välja, et elektri- ja magnetjõud on mingil moel seotud. André-Marie Ampère võttis sest teatest tuld, uuris asja ja katsetas põhjalikult. 1826. aastal ilmus tema suurteos, kus ta seletab elektrivoolu magnetilist toimet. Ta märkas, et kaks paralleelset elektrivooluga juhet tõukuvad või tõmbuvad olenevalt voolude suunast. Vooluga juhtmete vahelise jõu matemaatilist kirjeldust nimetatakse Ampère’i seaduseks ja hiljem kasutati seda voolutugevuse ühiku, ampri määramiseks.