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

We know that the particles of matter are in constant thermal motion. We also know that all bodies emit infrared radiation, also known as thermal radiation. How are these two phenomena related?

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?

Using the infrared thermometer and thermal camera is deceptively simple - press the button and you will get the result. On closer inspection, it's much more exciting.

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.