Energia

Autor Madis Reemann

Retsenseerinud Jaan Paaver, Uku Pütsepp
​​​​​​​Toimetanud Kaido Reivelt
Keeletoimetaja Piret Põldver
Korrektuuri lugenud Lauri Kaldamäe
Joonised teinud Nils Austa
Pildid joonistanud Urmas Nemvalts

Käesolev õpik käsitleb energiat, mille liikidest on inimese jaoks olulisemad soojus- ja elektrienergia. Energia tarbimise kasv on lahutamatult seotud tsivilisatsiooni arenguga ja uute ressursside kasutuselevõtt pole üksnes tehnoloogiline, vaid globaalne probleem.
Õpiku põhitekst koosneb 25st õppetükist. Energiakursuse omandamist peaksid soodustama õpiku teises pooles õppetükkide kaupa toodud täiendused: lisamaterjal, ajalooline taust, pisut keerukamad probleemid ja kokkuvõte. Raudvara ja indeks on e-õpikus veel arenduses, paberõpikus asuvad nad õpiku lõpus lk 98–104. Raamatus on antud ka viiteid teistele õpikutele, kusjuures FLA – „Füüsikalise looduskäsitluse alused”, M – „Mehaanika”, EM – „Elektromagnetism” ja MM – „Mikro- ja megamaailma füüsika”.

Õpikust paberversioon saate endale hankida raamatupoest või otse kirjastusest Maurus.

Energilist õppimist!

28.01.2022 Väiksemad parandused läbi terve õpiku, K.Reivelt

31.01.2022 Kõik valemid ja tähised latexisse pandud, Stiina

Läbivalt valemite ja tekstisisese matemaatika konverteerimine latex formaati.

Valgus-, soojus-, toiduainete, tuule- ja voolava vee energia on pärit Päikeselt. Energia jõuab Maa atmosfääri välispiirini elektromagnetkiirgusena, mille võimsus ruutmeetri kohta on umbes $1400kW$. Atmosfäär laseb läbi nähtavat valgust ning soojuskiirgust. See energia käivitab fotosünteesi ja hoovused, paneb liikuma õhu, põhjustades tuule ning aurustades vett, mis kondenseerub kõrgemates kohtades, tekitades vee loodusliku ringkäigu. Päikeselt tulnud energia arvel on toimunud väga pika aja jooksul fossiilsete kütuste tekkimine maakoores. Päritolult on eriline tuumaenergia, sest arvatakse, et näiteks uraan on tekkinud umbes $6,6$ miljardi aasta eest supernoovas. Fossiilseid kütuseid ja tuumaenergiat loetakse taastumatuks energialiigiks.

Organismi eksistentsiks on vajalik nii aine- kui ka energiavahetus väliskeskkonnaga. Inimese päevane energiatarve toidus on viimase $100000$ aasta jooksul olnud oluliste muutusteta ligi $10MJ$ ($2400kcal$). Küll aga on ühiskonna arenguga väga palju kasvanud üldine energiatarve, eeskätt seoses uute energialiikide kasutuselevõtuga. Tule tegemine soojendamiseks ja toidu valmistamiseks suurendas energiavajadust üle kahe korra. Paikseks jäänud põllumees ja käsitööline tarbis juba $50MJ$ energiat päevas. Edasi võeti kasutusele veoloomad, purjelaevad, tuulikud ja vesiveskid. Olulise muutuse energiatarbes andis aurumasina ja elektrienergia kasutuselevõtt. Inimesed hakkasid rohkem reisima ja soovisid koduses majapidamises suuremaid mugavusi. 20. sajandi esimesel poolel oli majanduslikult arenenud riikides energiakulu inimese kohta päevas jõudnud üle $300MJ$. Tänapäevase tehnika- ja infoühiskonna liige tarbib keskmiselt $1000MJ$ ööpäevas, millest maailma keskmine on umbes viis korda väiksem.

Termin energiaallikas pole füüsikalises mõttes täpne, sest tegelikult ei toimu energia tekitamist, vaid üks energialiik muutub teiseks. Päikeses toimub
näiteks tuumaenergia muundumine soojusenergiaks. Põhilised inimese kasutatavad energialiigid on soojus- ja elektrienergia. Soojusenergiat kasutatakse ruumide kütmiseks ja vee soojendamiseks. Üle $80\%$ elektrienergiast saadakse soojus- ja tuumaelektrijaamades, kus vahelduvvoolugeneraatori paneb käima auruturbiin. Tööstuses ja viimasel ajal ka transpordis eelistatakse elektrienergiat, mida saab suhteliselt hea kasuteguriga muundada jõumasinates mehaaniliseks tööks ja mis ei saasta oluliselt ümbritsevat keskkonda. Inimeste energiatarve pole ajalises plaanis ühtlane ning see tekitab energia salvestamise vajaduse. Naftat, kivisütt ja põlevkivi võib koguda tagavaraks, kuid elektrienergia salvestamine suures koguses on keeruline ja kallis. Soojusenergia salvesta mine mitte eriti kõrgel temperatuuril pole kasulik, kuna sellise energia muundamine mehaaniliseks tööks oleks väikse kasuteguriga.

Energia tarbimises on valitsenud kogu aeg ebavõrdsus. Väga palju inimesi piirdub ka kaasajal eluks vajaliku miinimumiga. Samuti on ressursid piiratud ja jaotunud riigiti väga erinevalt. Need vastuolud on põhjustanud energiakriise ja riikidevahelisi konflikte. Maailma rahvastiku kasv ja nõudmiste suurenemine pingestab ka tulevikus energiaprobleemide lahendamist. Tehniliste küsimuste kõrval on kõige raskem muuta inimese mõtteviisi ja panna teda vähem ja säästlikumalt tarbima. Mõiste energia tänapäevases mõttes toodi füüsikasse 19. sajandi keskel. Energia jäävuse seadus on kirja pandud ka esimeses eestikeelses füüsikaõpikus 1855. aastal:

Elektrivooluks nimetatakse laengukandjate suunatud liikumist. Elektrivoolu iseloomustavaks suuruseks on voolutugevus, mis näitab, kui suur elektrilaeng läbib juhtme ristlõiget ajaühikus. Voolutugevuse SI -ühik on $1$ amper ($1A$). Juhi ristlõiget läbib sel juhul $1$ sekundi jooksul laeng $1$ kulon. Voolu suunaks on kokku lepitud positiivsete laengute suunatud liikumise suund. Joonisel 1.1. on kujutatud ühte vooluringi lõiku pikkusega $l$, milles liiguvad elektrivälja sihis ühesugused osakesed laenguga $q$ keskmise kiirusega $v$.

Olgu vabade laetud osakeste arv juhtme ruumalaühikus ehk kontsentratsioon $n$ ja aja $t$ jooksul jõuavad kõik osakesed läbida juhtmelõigu parempoolse otsa pindalaga $S$. Laetud osakeste arv

milles

ja juhtme ristlõiget läbinud kogulaeng

Voolutugevuse leidmiseks tuleb kogulaeng jagada ajaga, seega

Saadud valemist on näha, millised suurused määravad voolutugevuse juhis. Kolm nendest, $q$, $n$ ja $v$, on mikroosakesi iseloomustavad suurused. Metallide puhul on laengukandjateks tuuma mõjupiirkonnast vabanenud juhtivuselektronid, mis liiguvad positiivsete laengukandjate liikumise vastassuunas ning nendel on elementaarlaeng $q=-e=-1,60\cdot {10}^{-19}C$. Vabade elektronide kontsentratsioon $n$ välistingimustest oluliselt ei sõltu, küll aga elektronide triivimise kiirus v metalli kristallvõre aatomite vahel. Vabade elektronide puhul tuleb eristada kahte arvväärtuse poolest oluliselt erinevat kiirust, kaootilise soojusliikumise kiirus ja elektrivälja poolt tekitatud triivikiirus. Esimene nendest on palju suurem, aga kaootilisuse tõttu triivliikumisse mingit panust ei anna. Elektrivoolu tugevuse määrab elektrivälja poolt tekitatud aeglane triivikiirus. Kui $1mm$ diameetriga vaskjuhtmes triivivad elektronid kiirusega $0,1mm/s$, on voolutugevus umbes $1A$. Elektronide kaootilise liikumise kiirus on toatemperatuuril ligi miljard korda suurem.

Võib jääda mulje, et taskulambi sisselülitamisel võtaks süttimine kaua aega, kuni elektronid patareist lambini triivivad. Nii see ei ole, sest vabu elektrone on kogu vooluringi ulatuses ning elektriväli levib väga kiiresti, valguse kiirusega.

Kui mõõta metallist juhti läbiva voolutugevuse sõltuvust tema otstele rakendatud pingest (joonis 1.2. a), siis on näha, et voolutugevus juhis on võrdeline pingega juhi otstel (joonis 1.2. b).

Joonis 1.2. a	Joonis 1.2. b

Seega on antud juhi jaoks pinge ja voolutugevuse suhe sama ning seda suhet, takistust $R$, võib kasutada metallist keha iseloomustamiseks voolu takistamise seisukohalt. Seos ongi valemi kujul esitatud Ohmi seadus.

Kui sama kehaga korrata katset kõrgemal temperatuuril, jääb sõltuvus võrdeliseks, kuid graafiku tõus on väiksem. Temperatuuri tõus suurendab metallist keha takistust. Saksa füüsiku Georg Simon Ohmi poolt korraldatud katsed näitasid, et metalli takistus sõltub juhi pikkusest, ristlõikepindalast ja materjalist, ning hilisemate mõõtmistega leiti seos, kus $\rho$ on materjali eritakistus, mis määratakse katseliselt.

Võrdeline sõltuvus pinge ja voolutugevuse vahel pole üldkehtiv. Näiteks ioone sisaldavas lahuses, pooljuhis ja elektrivoolu juhtivas gaasis on sõltuvus keerulisem.

Eritakistuse järgi võib aineid ja materjale jaotada juhtideks, isolaatoriteks ja pooljuhtideks. Juhtidel on eritakistus suhteliselt väike ja isolaatoritel (dielektrikutel) suur. Pooljuhtide eritakistus on vahepealne, kusjuures see sõltub olulisel määral temperatuurist, valgustatusest ja lisanditest.

Elektrimõõteriistu võib jaotada osutmõõteriistadeks ja numbrilisteks mõõteriistadeks. Vastavad sünonüümid on analoog- ja digitaalmõõteriist.

Joonis 1.3. a Osutmõõteriist	Joonis 1.3. b Osutmõõteriista tööpõhimõte

Vooluga raamile mõjub magnetväljas jõud ja voolutugevust saab mõõta magnetväljas vooluga raamile mõjuva jõu kaudu (joonis 1.3.). Raami vastaskülgedele mõjuvad jõud pööravad seda päripäeva. Raami külge pannakse osuti ja jõu tasakaalustamiseks spiraalvedrud.

Osuti kaldenurga järgi saab määrata voolutugevuse. Kui laseme voolu läbi takistuse, saame määrata ka pinget, mis on võrdeline voolutugevusega. Digi­taalses mõõteriistas muudetakse pinge muunduriga kahendkoodiks ja see omakorda ekraanil numbriliseks näiduks (joonis 1.4.).

Joonis 1.4. a Digitaalmõõteriista põhimõtteline skeem	Joonis 1.4. b Multimeeter

Elektriliste suuruste mõõtmisel esinevad erineva päritoluga vead FLA. Elektrimõõtmistel on tegemist B-tüüpi mõõtemääramatusega, mis saadakse mõõteriista tootja poolt antud mõõteriista täpsuse hinnangust. Ebatäpsust iseloomustatakse absoluutse ja relatiivse piirveaga. Üleskirjutus katse protokollis $I=(1,26\pm 0,05)A$ tähendab seda, et voolutugevuse mõõdetud väärtus on $1,26A$, absoluutne piirviga $\Delta I=0,05A$ ja voolutugevuse tegelik väärtus asub vahemikus $1,21A$ kuni $1,31A$. Relatiivne piirviga on absoluutse piirvea ja mõõtetulemuse suhe, mis antud juhul on umbes $4\%$ ning iseloomustab ka mõõtmise täpsust.

Osutmõõteriistale on kirjutatud täpsusklass (joonis 1.3. a). See on arv, mis näitab mõõteriista suhtelist piirviga protsentides maksimaalse näidu korral. Täpsusklassid võivad olla $4$; $2,5$; $2,0$; $1,5$; $1$; $0,5$; $0,2$; $0,1$; $0,05$ ja $0,02$. Mida väiksem arv, seda täpsem mõõteriist. Kui laboratoorses töös kasutataval amper- meetril on täpsusklass $2,5$ ja mõõtepiirkond $2A$, siis ampermeetri mõõtemääramatus (absoluutne piirviga) $\Delta I=\pm 0,05A$. Numbrilise mõõteriista passis on esitatud mõõtemääramatus näiteks kujul $\pm 0,5\%\pm 2D$. See tähendab, et piirviga on $0,5\%$ näidust pluss näidu viimase numbri $2$ ühikut.

Elektrimõõtmistel tuleb arvestada, et mõõteriistad on samuti elektrivoolu tarbijad (tarvitid). Mõõteriistade ühendamisel vooluringi peaks riistade põhjustatud muutused olema võimalikult väiksed. Voolutugevust mõõdetakse ampermeetriga, mis ühendatakse tarvitiga jadamisi. Ampermeetril endal on samuti takistus ja see muudab voolutugevust vooluringis. Selleks, et muutus oleks väike, peaks ampermeetri takistus olema tarviti omast oluliselt väiksem. Voltmeeter seevastu ühendatakse rööbiti ja tema takistus peaks olema võimalikult suur.

Elektrimõõtmisi kasutatakse ka mitteelektriliste suuruste kaudseks mõõtmiseks. Selleks tuleb mõõdetav suurus muuta pingeks või vooluks. Termopaar koosneb kahest erinevast metallist vardast, mille ühed otsad on kokku joodetud. Kui jootekohta kuumutada, tekib vabade otste vahel pinge, mille väärtus oleneb jootekoha temperatuurist. Teades pinge ja temperatuuri seost, saame määrata temperatuuri kaudselt pinge mõõtmise abil. Lisaks toodud näitele on palju füüsikalisi nähtusi, kus mehaaniline, soojuslik või kiirguse energia muudetakse elektrienergiaks.

Elektrimõõtmiste eeliseks on asjaolu, et mõõtetulemusi on hea üle kanda, salvestada, töödelda ja kasutada protsesside automaatseks juhtimiseks.

Vigade arvutamise ja katsetulemuste esitamise näide

Mõõdame osutmõõteriistaga, mille mõõtepiirkond on $250V$ ja täpsus­klass $2,5$, võrgupinget ja saame tulemuseks $232V$. Arvutame absoluutse piirvea $\Delta U=250\cdot 2,5/100=6,25V$. Mõõdetud pinge viimaseks numbriks on ühelised. Ka vea ümardame ühelisteks, aga alati ülespoole $\Delta U=6,25V\approx 7V$. Seega võrgupinge on $U=(232\pm 7)V$.

Kaudse mõõtmise korral võib viga arvutada erinevate meetoditega. Vaatame ülem- ja alamtõkke meetodit, mida kutsutakse ka halvima võimaluse meetodiks. Oletame, et määrame järgneval joonisel toodud vooluringiga takisti takistust pinge ja voolutugevuse kaudu. Mõõtes voltmeetriga pinge takisti otstel ja ampermeetriga voolutugevuse, saame Ohmi seadusest arvutada takistuse valemiga

$R=\frac{U}{I}$

Kui tahame hinnata takistuse mõõtemääramatust, siis tuleb arvestada mõlema mõõteriista viga. Lahendame ülesande konkreetse näite põhjal.

Voltmeeter mõõtepiirkonnaga $6V$ ja täpsusklassiga $4$ näitas pinget $4,3V$ ning ampermeeter mõõtepiirkonnaga $2,5A$ ja täpsusklassiga $2,5$ näitas voolutugevust $2,25A$. Arvutades voltmeetri ja ampermeetri absoluutse piirvead, saame $\Delta U=0,24V$ ja $\Delta I=0,0625A$. Suurima takistuse väärtuse ehk ülemtõkke saame siis, kui pinge on kõige suurem ja voolutugevus kõige väiksem. 

$R_{\ddot{\text{u}}}=\frac{U_{\ddot{\text{u}}}}{I_{\ddot{\text{u}}}}=\frac{4,3+0,24}{2,25-0,0625}=2,075\Omega$

Vähima takistuse ehk alamtõkke saame siis, kui pinge on vähim ja voolutugevus suurim.

$R_a=\frac{U_a}{I_a}=\frac{4,3-0,24}{2,25+0,0625}=1,756\Omega$

Takistuseks oleks mõistlik võtta nende aritmeetiline keskmine $R=1,916\Omega$ ja absoluutseks piirveaks pool nende erinevusest.

$\Delta R=\frac{R_{\ddot{\text{u}}}-U_a}{2}=0,160\Omega$

Absoluutne piirviga ümardatakse ülespoole ühe tüvenumbrini ($0,160\approx 0,2$). Määratud suuruse väärtus ümardatakse nii, et viga parandab selle viimast numbrit. Lõpuks kirjutame takistuse koos absoluutse piir­veaga $R=(1,9\pm 0,2)\Omega$.

Takistuse arvutamiseks tuleb pinge jagada voolutugevusega. Saab näidata, et jagatise ja korrutise relatiivne piirviga avaldub suuruste relatiivsete piirvigade summaga. 

$\frac{\Delta R}{R}=\frac{\Delta U}{U}+\frac{\Delta I}{I}$

Kui asetada ülaltoodud andmed valemisse, avaldada takistuse absoluutne piirviga ja esitada takistus koos veaga parajasti ümardatult, saab veenduda, et erinevus halvima võimaluse meetodiga saadud tulemusest on tühine.

Temperatuuri tõustes väheneb metallis vabade elektronide triivikiirus, kuna intensiivistub kristallvõre aatomite võnkumine. See takistabki elektronide liikuvust ja metalli takistus kasvab. Katsed näitavad, et metalli takistuse sõltuvus temperatuurist on ligikaudu lineaarne (joonis 1.5. a).

Selle sõltuvuse võib kirja panna valemiga, kus $R_0$ on takistus $0^{\circ }C$ juures, $a$ (${}^{\circ }{C}^{-1}$ või $K^{-1}$) takistuse temperatuuritegur ja $t$ temperatuur Celsiuse kraadides.

Takistuse temperatuuritegur on puhastel metallidel suurusjärgus ${10}^{-3}{}^{\circ }{C}^{-1}$, näiteks volframil $0,0045{}^{\circ }{C}^{-1}$.

Lülitades toas põlema algul toatemperatuuril oleva hõõglambi, tõuseb volframist hõõgniidi temperatuur kiiresti rohkem kui kaks tuhat kraadi ja hõõgniidi takistus ligi kümme korda. Hõõglamp kipubki läbi põlema sisselülitamisel, mil tema takistus on veel väike ja lambis eralduv võimsus umbes $10$ korda suurem kui stabiliseerunud tööolukorras. Elektrilistes küttekehades kasutatakse tavaliselt sulameid, mille takistuse temperatuuritegur on väike. Näiteks nikeliinil on see umbes ${10}^{-4}{}^{\circ }{C}^{-1}$ ja elektripliidi takistus on külmalt ja kuumutatult praktiliselt ühesugune. On aineid, mille takistuse temperatuuritegur on negatiivne, st takistus temperatuuri tõustes väheneb. Elektrolüütide, grafiidi ja pooljuhtide takistus väheneb mittelineaarselt.

Teades keha takistuse sõltuvust temperatuurist, saame seda keha kasutada näiteks takistustermomeetri andurina: vooluallikaga ühendatud anduri temperatuuri muutus põhjustab takistuse ja voolutugevuse muudu. Voolu muutust on aga mugav mõõta, salvestada, töödelda ning protsesside automatiseeritud juhtimisel rakendada.

20. sajandi alguses avastati nähtus, kus metalli takistus muutus väga madalal temperatuuril hüppeliselt nulliks. Tahke elavhõbedaga toimus see temperatuuril $–269{}^{\circ }C$ (joonis 1.5. b). Sellises olukorras voolu soojuslik toime kaob ja kord liikuma pandud vool ei lakkagi. Hiljem avastati ülijuhtivus veel paljudel ainetel ja ka kõrgematel temperatuuridel. Kui saaksime ülijuhtivuse tekitada looduses esinevatel temperatuuridel, saaksime elektrienergia edastamisel esinevaid soojuslikke kadusid vältida. On valmistatud aineid, milles ülijuhtivusele üleminek toimub kõrgemal temperatuuril, näiteks $HgBaCuO–138{}^{\circ }C$ juures.

Joonis 1.5. b

Vooluring koosneb vooluallikast, tarbijatest ja ühendusjuhtmetest. Et tekiks püsiv vool, peab vooluring olema suletud. Kui positiivne laeng on jõudnud vooluallika plussklemmilt läbi vooluringi miinusklemmile, peab voolu säilitamiseks mingi kõrvaljõud $F_k$ (joonis 1.6. a) elektriväljale vastu töötades selle laengu uuesti plussklemmile viima.

Joonis 1.6. a	Joonis 1.6. b

Selle kõrvaljõu töö arvelt saabki vooluringis eralduda soojushulk. Kõrvaljõud teevad tööd vooluallikas, kus toimub mingi teise energialiigi (mehaanilise, keemilise vms) muutmine elektrienergiaks positiivsete ja negatiivsete laengute lahutamise teel. Vooluallika elektromotoorjõud on võrdne kõrvaliste jõudude tööga ühikulise laengu ümberpaigutamisel kogu suletud voolu­ringi ulatuses.

Elektromotoorjõu ühik on sarnaselt pinge ühikuga volt, sest

Kõrvaljõudude töö muutub vooluringis soojushulgaks, mis eraldub nii voolu- ringi välisosas kui ka vooluallikas (joonis 1.6. b). $A_k=\epsilon q=\epsilon It=I^{2}Rt+I^{2}rt$, kus $R$ on vooluringi välisosa takistus ja $r$ vooluallika sisetakistus. Avaldades viimasest võrdusest voolutugevuse, saame:

Saadud seos väljendab Ohmi seadust kogu suletud vooluringi kohta. Voolutugevus suletud vooluringis on võrdne vooluallika elektromotoorjõu ja vooluringi kogutakistuse suhtega.

Vooluringi kogutakistus koosneb vooluallika sisetakistusest $r$ ja vooluringi välisosa takistusest $R$. Üldjuhul tuleb viimase hulka arvestada ka ühendusjuhtmete takistus.

Vooluallika elektromotoorjõudu ja sisetakistust võib vaadelda kui vooluallikat iseloomustavaid suurusi, mis lühikese aja jooksul ei muutu. Kui aga keemiline vooluallikas vananeb, väheneb pisut tema elektromotoorjõud ja suureneb oluliselt sisetakistus.

Avaldades valemist 1.6. elektromotoorjõu, saame $\epsilon =IR+Ir$, milles suurus $IR=U$ on vooluallika klemmipinge $U=\epsilon –Ir$. Viimasest valemist on näha, et elektromotoorjõud on vooluallika maksimaalne klemmipinge ja voolu kasvades vooluallika klemmipinge väheneb. Joonisel 1.7. a on klemmipinge mõõtmise vooluringi skeem ja katsetulemuste graafik 1.7. b.

Joonis 1.7. a	Joonis 1.7. b

Kui vooluringi välisosa takistus muutub nulliks, tekib lühis. Lühisvoolu tugevus on määratud vooluallika elektromotoorjõu ja sisetakistuse suhtega

Keemiliselt puhas vesi on dielektrik (isolaator). Ohutustehnika juhib tähelepanu ohtudele elektriseadmete kasutamisel vesistes ja niisketes kohtades. Hoiatus on õigustatud, kuna vesi, lahustades aineid, tekitab ioone. Juba väike lahustatava aine kogus (${10}^{-8}\%$) muudab puhta vee elektrijuhiks. Elektro­lüüt on aine, milles laengukandjateks on ioonid.

Kui näiteks vaskkloriidi lahustada vees, siis veemolekulide toimel laguneb sool ioonideks $CuC{l}_2=C{u}^{2+}+2C{l}^{-}$. Sellist protsessi nimetatakse elektrolüütiliseks dissotsiatsiooniks ja tekkinud lahus on elektrolüüt. Paneme lahusesse elektroodid, näiteks söepulgad. Katoodiks nimetatud elektrood on ühendatud vooluallika miinusklemmiga ja anood plussklemmiga (joonis 1.8.).

Vooluallika tekitatud elektriväli paneb ioonid lahuses triivima elektroodide poole. Positiivselt laetud vase ioonid liiguvad katoodile, saavad puuduvad elektronid ja vask sadestub katoodile. Negatiivselt laetud kloori ioonid liiguvad anoodile, annavad seal ära liigse elektroni ja eralduvad gaasilise kloorina. Selliseid elektrivoolu toimel kulgevaid redoksreaktsioone nimetatakse elektrolüüsiks. Elektrivool elektrolüütides on ioonide suunatud liikumine. Vooluga elektrolüütides kaasneb ainete eraldumine elektroodidel. Esimesena võeti elektrolüüs kasutusele esemete katmisel kulla- või hõbedakihiga. Elektrolüüsi seaduse avastas Michael Faraday. Elektrolüüsil eraldunud aine mass on võrdeline elektrolüüti läbinud laenguga, kus võrdetegurit nimetatakse aine elektrokeemiliseks ekvivalendiks.

Katsest saadud vase elektrokeemiline ekvivalent on $0,33mg/C$. See tähendab, et eelnevalt kirjeldatud katses eraldub iga elektrolüüti läbinud $1C$ laengu kohta katoodile $0,33mg$ vaske.

Ka metallimaagi või soola sulatamisel tekivad ioonid ja seda asjaolu saab kasutada näiteks alumiiniumi elektrolüütiliseks tootmiseks boksiidist või naatriumi saamiseks keedusoolast. Alati ei ole elektrolüüsil toimuvad protsessid nii lihtsad kui eespool kirjeldatud. Sõltuvalt metalli aktiivsusest ja elektroodide materjalist võivad eralduda erinevad ained. Näiteks sulatatud $NaCl$ elektrolüüsil eralduvad naatrium ja kloor, kuid $NaCl$ vesilahuse elektrolüüsil eralduvad hoopis vesinik ja kloor.

Kõrgepingeliine ei kaeta isoleeriva kihiga, sest õhk on tavaoludes isolaator. Ent kui isoleerimata juhtmed piisavalt lähestikku viia, tekib nende vahel elektriline läbilöök. Püüame uurida, millistel tingimustel elektrivool gaasis tekib. Anname hõõrdumisega elektriseeritud eboniitpulgaga elektroskoobile laengu. Laengu saavad ka elektroskoobiga ühendatud metallist plaadid – katood ja anood. Näeme, et laeng võib püsida küllaltki kaua. Viies plaatide vahele leegi, märkame laengu kahanemist (joonis 1.9. a), aga leegi eemaldamisel laengu kahanemine jälle seiskub.

Joonis 1.9. a	Joonis 1.9. b

Õhus vabad laengukandjad praktiliselt puuduvad. Kuid leegilt saadud energia arvelt toimub elektronide vabanemine õhus olevatest neutraalsetest gaasi molekulidest. Tekivad vabad elektronid ja positiivselt laetud ioonid. Seda nähtust nimetatakse ionisatsiooniks. Plaatidevaheline elektriväli paneb elektronid ja ioonid vastassuunaliselt liikuma ning vähendab laengut ja osuti hälvet. Leegi kustutamisel hakkavad elektronid ja positiivsed ioonid plaatide vahel uuesti neutraalseteks molekulideks ühinema – rekombinatsioon – ja gaas muutub jällegi isolaatoriks.

Neutraalse molekuli võib ioniseerida ka sellega põrkav elektriväljas piisavalt suure kineetilise energiani kiirendatud elektron (joonis 1.9. b). Nähtust nimetatakse põrkeionisatsiooniks ja selle tekkimiseks peab elektroni energia olema vähemalt võrdne elektroni väljumistööga gaasi molekulist.

Joonisel 1.10. on esitatud voolutugevuse sõltuvus pingest gaasis. Graafiku algus on sarnane metalliga, kuid teatavast pingest alates voolutugevus enam ei kasva. Seda voolu nimetatakse küllastusvooluks $I_k$ ja põhjuseks on asjaolu, et kõik ajaühikus tekkinud vabad laengukandjad jõuavad elektroodidele. Pinge edasisel suurenemisel tekib põrkeionisatsioon ja voolutugevus kasvab järsult.

Elektroni energiat saab suurendada elektrivälja tugevdamise või gaasi hõrendamisega. Hõrendamine suurendab elektroni vaba tee pikkust ja aega järgmise põrkeni. Sellisel juhul saab elektron koguda põrkeionisatsiooniks vajalikku energiat.

Elektrivoolu gaasis nimetatakse gaaslahenduseks, mis jaotatakse sõltuvaks ja sõltumatuks lahenduseks. Eeltoodud katses sõltus lahendus leegist, kõrvalisest ioniseerivast energiaallikast. Ionisatsiooni tekitajaks võib olla ka valgus ja radioaktiivne kiirgus. Üks viis mõõta radioaktiivset kiirgust on loendada kiirguse poolt gaasis põhjustatud vooluimpulsse. Pärast põrkeionisatsiooni on tegemist juba sõltumatu gaaslahendusega, sest vabad laengukandjad tekitatakse elektriväljas saadud energia arvelt.

Pooljuhid on kaasaegse elektroonika kõige olulisemaks lähtematerjaliks. Neist valmistatakse transistore, dioode ja teisi pooljuhtseadeldisi.

Kõige olulisem pooljuhi omadus on eritakistus, mis sõltub tugevalt lisanditest ning on kergesti mõjutatav väliste energiaallikatega. Kõrgem temperatuur, valgustatus ja lisandid parandavad oluliselt pooljuhi juhtivusomadusi.

Olulisteks pooljuhtmaterjalideks on räni ja germaanium, mis paiknevad elementide perioodilisuse süsteemis 14. ehk IV A rühmas. Nende aatomite väliskihis on $4$ elektroni ja nad on omavahel seotud kovalentsete sidemetega (joonis 1.11. a).

Joonis 1.11. a Pooljuhtide elektrijuhtivus	Joonis 1.11. b pooljuhtide elektrijuhtivus

Madalatel temperatuuridel on sidemed tugevad ja pooljuht käitub isolaatorina. Kõrgemal temperatuuril räni aatomiga nõrgalt seotud elektronid vabanevad. Struktuurist lahkunud elektronide asemele jäävad nn augud (joonis 1.11. b), mida võime vaadelda positiivsete laengutena. Pooljuhti on tekkinud elektron-auk paarid.

Rakendades pooljuhile elektrivälja, hakkavad vabanenud elektronid liikuma. Positiivse laenguga auk tõmbab enda kohale kõrvalaatomi elektroni, tekitades omakorda kõrvalaatomis augu. Elektrivool pooljuhis on vabade elektronide ja aukude suunatud liikumine. Sellist puhaste pooljuhtide juhtivust, kus vastassuunas liigub sama hulk elektrone ja auke, nimetatakse omajuhtivuseks. Nähtust rakendatakse termo- või fototakistis, mida omakorda saab kasutada temperatuuri ja valgustatuse elektrilisel registreerimisel.

Viies pooljuhti sobivaid lisandiaatomeid, saab tekitada lisandjuhtivuse. Kui neljavalentsele ränile lisada pisut viievalentset lisandit, näiteks fosforit (joonis 1.12. a), siis jääb räniaatomitest ümbritsetud fosforil üks elektron üle, sest talle ei leidu struktuuris kindlat kohta.

Joonis 1.12. a pooljuhtide elektrijuhtivus	Joonis 1.12. b Pooljuhtide elektrijuhtivus

Iga lisandiaatomi kohta jääb vabaks üks elektron, mis hakkab elektrivälja rakendamisel pooljuhis triivima. Sellises pooljuhis on põhilisteks laengukandjateks elektronid ja vastavat juhtivust nimetatakse laengukandjate negatiivse laengu tõttu n-juhtivuseks. Sünonüümideks on ka elektronjuhtivus ja doonorjuhtivus.

Lisades neljavalentsele põhiainele kolmevalentset lisandit (joonis 1.12. b), näiteks ränile boori, jääb räniaatomil booriga üks side moodustamata ja tekib auk. Vastavat juhtivust nimetatakse p-juhtivuseks, millel on veel samatähenduslikeks terminiteks auk- ja aktseptorjuhtivus.

Koos lisandjuhtivusega kaasneb alati ka omajuhtivus, mida püütakse üldjuhul võimalikult vähendada. Enamuslaengukandjateks on n-juhtivuse korral elektronid ja p-juhtivuse korral augud. Pooljuhtide elektrijuhtivus on seotud oluliselt ainete kristallstruktuuriga ja seetõttu algab pooljuhtseadiste tehnoloogia eriti puhaste ainete saamisest.

Kui tekitada pooljuhis kaks erineva juhtivusega osa, siis p- ja n-juhtivusega osade üleminekupiirkonda nimetatakse p-n siirdeks. Selline olukord saavutatakse erinevate lisandite sisseviimisega pooljuhtkristalli (dopeerimine ehk legeerimine). Siirdel hakkab toimuma laengukandjate vahetus. Doonorlisandiga n-osas on hulk elektrone, millel puudub kristallvõres sobiv koht. Need kohad on olemas aga kõrvalolevas p-osas. Elektronid hakkavad soojusliikumisest põhjustatud difusiooni toimel liikuma p-osas olevatele vabadele kohtadele, mille tulemusel enne neutraalne p-osa saab negatiivse laengu ja n-osa, kaotades elektrone, samasuguse positiivse laengu (joonis 1.13. a). Laengukandjate difusioon toimub ainult siirdes, sest seda hakkab takistama tekkiv elektriväli $\overrightarrow{E}$. See elektriväli soodustaks vähemuslaengukandjate liikumist läbi siirde, st elektronide liikumist p-osast n-ossa ja aukude liikumist n-osast p-ossa. Piirkihis puuduvad voolu tekkimiseks vajalikud laengukandjad ja olukorda võime vaadelda kui takistava kihi tekkimist erineva juhtivusega osade piiril.

Kui ühendada pooljuhi p-osaga vooluallika miinusklemm ja n-osaga plussklemm, siis siirde elektriväli tugevneb veelgi (joonis 1.13. b). Enamuslaengukandjad ei saa siiret üldse läbida. Väike hulk vähemuslaengukandjaid saab siiret läbida, põhjustades nõrga nn vastuvoolu. Pingestades p-n siirde päripidiselt (joonis 1.13. c), muudetakse elektrivälja suund siirdes eelnevaga võrreldes vastupidiseks, mis soodustab enamuslaengukandjate liikumist läbi siirde. Tekkinud pärivool on vastuvoolust oluliselt tugevam.

Joonis 1.14.

Joonisel 1.14. on graafik, mis näitab p-n siiret läbiva voolutugevuse sõltuvust pingest (pinge-voolu tunnusjoon). Eelpoolkirjeldatud p-n siiret rakendatakse pooljuhtdioodis. Pooljuhtdiood töötab ventiilina, mis laseb elektrivoolu läbi praktiliselt ainult ühes suunas.

p-n siirdel on peale pooljuhtdioodi mitmeid muid rakendusi. Siirde päripidisel pingestamisel võib eralduda valgus (valgusdiood) ja vastupidi, siirde valgustamisel võib tekkida elektromotoorjõud (fotorakk).

Hõõglambis muutub väga väikene osa, umbes $4\%$ elektrienergiast valguseks. Paremaid tulemusi, umbes $15\%$, võib saavutada säästulambiga. Viimasel ajal saab poest osta ka LED-valgusteid, mille tehnilised näitajad on veel paremad. Valgusdiood – LED, lühend sõnast light emitting diode – on pooljuhtseadis, mis muudab elektrienergia optiliseks kiirguseks (infravalgus, nähtav valgus või ultravalgus). Valgusdioodis nagu tavaliseski dioodis on p-n siire. Traditsioonilises pooljuhtdioodis on pärivoolu korral energia eraldumist siirdes püütud minimeerida. Seevastu valgusdioodis muudetakse p-n siirdel elektronide ja aukude rekombineerumisel eralduv energia vahetult valguseks. Päripinge rakendamisel läbivad siiret enamuslaengukandjad. Ained püütakse valida selliselt, et toimuks võimalikult paljude elektronide ja aukude rekombinatsioon ning et selle protsessi käigus kiirguks just vajaliku värvusega valgus. Konstruktsioon peab tagama, et siirdel tekkinud kiirgus pääseks välja. Valgusdioodid võivad kiirata erinevat värvi või ka valget valgust. Nende eeliseks on väikesed mõõtmed, põrutuskindlus, pikk eluiga (tuhat korda pikem kui hõõglampidel), kiire süttimine ja vastupidavus sisse-välja lülitamistele. Puuduseks on kõrge hind ja kõrgete temperatuuride mittetalumine.

Joonis 1.15 a,b LEDi ehitus ja skeemitähis.	Joonis 1.15 c LED-lamp

Vastupidine protsess toimub fotorakus, kus siirdele langev valgus eraldab erimärgilised laengud, tekitades elektromotoorjõu. Seda nähtust kasutatakse valgusenergia muutmiseks elektriks. Kui fotorakud ühendada suuremaks süsteemiks, saame näiteks päikesepatarei või digikaamera pildisensori – CCD (charge-coupled device). Kui kaamerale on kirjutatud $10Mpx$, siis tähendab see, et sensoril on $10$ miljonit imepisikest kujutist salvestavat fotorakku.

Joonis 1.16 b Päikesepatarei.	Joonis 1.16 c Fotoraku skeemitähis.

Inimene saab olulise osa informatsioonist valgusest nägemisaistingu abil. Selle info salvestamiseks saame kasutada ka digikaamerat, kus CCD muudab kujutise elektrisignaaliks ja salvestab selle mälus. Vajadusel saame salvestise uuesti taastada kujutisena näiteks LEDide abil. Nobeli 2009. aasta füüsikapreemia antigi CCD ja optilise kaabli arendamise eest.

Päikeselt saabub Maale hiiglaslik kiirgusenergia hulk, õhkkonna ülakihtides umbes $1400J/s$ iga ruutmeetri kohta. Kui me suudaksime selle muuta elektrienergiaks, kaoksid inimkonna energiaprobleemid. Päikesepatareide efektiivsuse kasv võib muuta nende kasutamise Eestis majanduslikult efektiivseks.

Vahelduvvool on elektrivool, mille tugevus ja suund perioodiliselt muutuvad. Energiasüsteemides kasutatakse sinusoidaalset voolu (joonis 1.17.), mida väljendab voolutugevuse ajas muutumise võrrand, kus i on voolutugevuse hetkväärtus, $I_m$ voolutugevuse maksimaalne väärtus ja $\omega$ ringsagedus (võngete arv $2\pi$ sekundis).

Tegemist on elektromagnetilise harmoonilise sundvõnkumisega, sest sinusoidaalselt muutuv vool tekib perioodiliselt muutuva elektromotoorjõu mõjul.

Vahelduvvoolu toodetakse vahelduvvoolugeneraatoriga, mille töö põhineb elektromagnetilise induktsiooni nähtusel. Kui asetada juhtivast materjalist kontuur (juhtmekeerd) pindalaga $S$ magnetvälja magnetinduktsiooniga $B$, siis läbib kontuuri magnetvoog

EM. Nurk $\alpha$ kirjeldab kontuuri asendit magnetvälja jõujoonte suhtes. Magnetvoo muutumisel indutseeritakse kontuuris elektromotoorjõud, mille suurus sõltub magnetvoo muutumise kiirusest

Tehniliselt lihtsaim viis magnetvoogu muuta on panna kontuur magnetväljas pöörlema. Joonisel 1.18. a kujutatud asendis on kontuuri läbiv magnetvoog maksimaalne, sest $\alpha =0$ ja $\cos \alpha =1$. Magnetvoog muutub harmooniliselt ja kõige kiiremini siis, kui kontuur on teinud veerand pööret. Sellel hetkel on ka indutseeritud elektromotoorjõud maksimaalne. Kui kontuur pöörleb nurkkiirusega

siis tekib temas samuti harmooniliselt muutuv elektromotoorjõud

Joonis 1.18. a) Vahelduvvoolu generaatori tööpõhimõte.	Joonis 1.18. b) Pinge graafik

Elektromotoorjõu maksimaalne väärtus εm sõltub võrdeliselt magnetinduktsioonist, pindalast ja nurkkiirusest. Elektromotoorjõud on magnetvoo suhtes veerand perioodi nihkes nagu siinuse ja koosinuse graafikud.

Kui pöörleva kontuuri otsad ühendada tarbijaga, läbib teda vahelduvvool. Voolu tugevus on Ohmi seaduse järgi (valem 1.6.) määratud elektromotoorjõu ja vooluringi kogutakistuse suhtega

Voolu maksimaalväärtuse ja pinge maksimumi valemid on analoogsed alalisvoolu vastavate seostega.

Vooluallika sisetakistuseks r võime lugeda antud juhul generaatori pöörleva mähise takistust. 

Euroopa vahelduvvooluvõrkudes kasutatakse sagedust $f=50Hz$, seega $\omega =314rad/s$.

Kui paigalolevat juhti läbib vool, eraldub temas elektrivoolu tööga võrdne soojushulk

Valem kehtib alalisvoolu korral, kuid vahelduvvoolu tugevus ajas muutub. Seetõttu tuleb vahelduvvoolu puhul valemisse panna voolutugevuse ruudu keskmine väärtus. Trigonomeetriliste teisendustega saab näidata, et siinuse absoluutväärtuse keskmine ühe perioodi jooksul on $1/\sqrt{2}$.

Kui üheoomist takistit läbib alalisvool tugevusega $1A$, eraldub takistis $1$ sekundi jooksul $1$ džaul energiat. Kui sama takistit läbib sama aja jooksul vahelduvvool maksimaalväärtusega

eraldub ka sama hulk energiat (joonis 1.19.). Vahelduvvoolu tugevuse efektiivväärtuseks nimetatakse sellist alalisvoolu tugevust, mille korral eraldub vahelduvvooluringis võrdse aja jooksul sama suur soojushulk kui alalisvoolu korral.

Vahelduvvoolu pinge muutub ajas samuti siinuseliselt ja pinge efektiivväärtus on

Koduse pistikupesa klemmidel peaks olema pinge $230V$. Siin on tegemist pinge efektiivväärtusega. Teataval hetkel on vastava siinuseliselt muutuva pinge maksimaalväärtus $\sqrt{2}$ korda suurem, st $U_m\approx 325V$. Takistil eraldunud võimsuse saame arvutada valemiga

Alalisvoolu korral kehtisid Ohmi seadused vooluringi osa ja kogu suletud vooluringi kohta vastavalt 

ja

Seosed kehtivad ka vahelduvvoolu hetkväärtuste jaoks, sest väga väikese ajavahemiku jooksul pinge ja voolutugevus ei jõua oluliselt muutuda. Hetkväärtusi tähistame väikeste tähtedega. Voolutugevuse hetkväärtus on

Kui voolutugevuse maksimum saabub samal ajal pingemaksimumiga, saame voolutugevuse maksimumi

millest voolutugevuse efektiivväärtuse jaoks saame

Efektiivväärtused on kasutusele võetud seetõttu, et nende abil saame vahelduvvoolu arvutustes kasutada alalisvoolu valemeid.

Vahelduvvoolu ampermeeter ja voltmeeter näitavad meile samuti efektiivväärtusi. Oluline tingmärk mõõteriista skaalal on vooluliik. Vahelduvvoolu tähiseks on $\sim$ ja alalisvoolul $–$.

Kui vahelduvvooluringis on induktiivpool, siis pinge kasvades voolutugevuse kasv eneseinduktsiooni (EM lk 69) tõttu hilineb. Voolutugevuse maksimum jääb pingemaksimumist maha ja vooluringis eralduvat võimsust ei saa valemi 1.14. abil enam arvutada. Aga kui vahelduv­voolu­­ahelas on kondensaator, siis voolutugevuse maksimum saabub pingemaksimumist varem ja voolutugevus ei võngu samuti sünkroonselt pingega.

Elektrienergiat on mugav kasutada, aga keeruline suurel hulgal salvestada. Seetõttu tarnitakse elektrienergia jaotusvõrgu vahendusel elektrijaamast otse lõpptarbijani. Ent mida pikemad on liinid, seda suuremad on ka kaod. Ülekandmisel suurtele kaugustele ja paljudele tarbijatele esineb ebasoodsaid asjaolusid. Koos pikkusega kasvab juhtme takistus ja soojuslikud energiakaod ning väheneb pinge. Tarbijad ühendatakse rööbiti, mis suurendab voolutugevust generaatoris ja vähendab tarbimise kasvamisel klemmipinget. 19. sajandi lõpukümnendil jõuti järeldusele, et oleks parem kasutada vahelduvvoolu ja tõsta selle pinge enne ülekannet võimalikult kõrgele. Pinge tõstmiseks oli äsja leiutatud transformaator ehk trafo.

Juhis eralduv soojushulk on võrdeline voolutugevuse ruuduga ($Q=I^{2}Rt$). Vähendades voolutugevust ülekandeliinides $2$ korda, vähenevad soojuskaod $4$ korda. Kui aga tahame edastada eelnevaga võrdset võimsust $P=UI$, peame pinget tõstma $2$ korda.

Trafo on elektromagnetilise induktsiooni nähtusel põhinev seadis vahelduvpinge muutmiseks. Trafo koosneb vähemalt kahest erineva keerdude arvuga $n_1$ ja $n_2$ raudsüdamikule keritud mähisest (joonis 1.20. a). Vooluallikaga ühendatud mähist nimetatakse primaarmähiseks ja tarbijaga ühendatud mähist sekundaarmähiseks.

Primaarmähist läbiv vahelduvvool tekitab muutuva magnetvälja, mida mähise sees olev raudsüdamik annab edasi sekundaarmähisesse. Muutuv magnetväli tekitab sekundaarmähises muutuva elektromotoorjõu. Kui sekundaarmähisega ühendada tarbija, läbib teda muudetud pingega vahelduv­vool.

Magnetvoo muut on mõlemas mähises ligikaudu võrdne. Seega mähiste pinged on võrdelised keerdude arvuga ja ligikaudu pöördvõrdelised voolutugevustega.

Kui vahetada vooluallika ja tarbija kohad, saame pinget vähendava trafo (joonis 1.20. a) asemel pinget tõstva trafo.

Generaatori pinge ei ole ülekande jaoks piisav ja seetõttu tõstetakse elektrijaamas trafoga pinge vajalikule tasemele (näiteks $330kV$). See rakendatakse kõrgepinge ülekandeliinidele. Lähenedes tarbijatele, vähendatakse alajaamades järk-järgult pinget, kuni pistikupessa jõudva $230V$-ni. Elektrijaamad ei tegutse eraldi, vaid on ühendatud ühtsesse võrku teiste Eestis asuvate jaamadega ja ka Venemaa ning Lätiga. Soomega saame vahetada elektrienergiat kõrgepingelise alalisvooluna kahe merekaabli kaudu.

Trafos puuduvad liikuvad osad, energiakaod mähistes ja südamikus on püütud viia minimaalseks. Võimsate trafode kasutegur

küünib kuni $99\%$-ni.

Elektrimootor muudab elektrienergia mehaaniliseks tööks. Elektrimootori töö põhineb voolu ja magneti ning kahe voolu vahelise vastastikmõju kasutamisel.

Paigutame magneti pooluste vahele juhtivast materjalist raami (mähise), mis saab pöörelda ja millest saab elektrivoolu läbi juhtida (joonis 1.21. a). Paigalolev osa staator ja pöörlev osa rootor on elektriliselt ühendatud kommutaatori abil. Kommutaator koosneb paigalolevatest harjadest, mis on surutud vastu poolrõngakujulisi lamelle. Harjad on ühendatud vooluallikaga ja lamellid rootorimähisega.

Vooluga juhile mõjub magnetväljas jõud (EM lk 29). Jõu suunda saab määrata nn vasaku käe reegliga. Raami vastaskülgedele mõjuvad jõud on vastassuunalised. Tekkinud jõudude paar pöörab raami veerand pööret päripäeva. Selles asendis (joonis 1.21 b) jõud raami enam ei pööra, kuid inertsi tõttu pöörleb lamellidega ühendatud raam edasi ja muudab voolu suuna raamis vastupidiseks. Raamile hakkab uuesti mõjuma teda päripäeva pöörav jõudude paar, st raam jääbki pöörlema.

Joonis 1.21. a	Joonis 1.21. b

Eeltoodud põhimõttel töötab nii alalisvoolumootor kui ka nn universaalmootor (joonis 1.22. a), milles pöörleva rootorimähisega jadamisi on ühendatud magnetvälja tekitav paigalseisev staatorimähis. Kui rakendame mootorile vahelduvpinge (joonis 1.22. b), siis muutub voolu suund mõlemas mähises ja rootori pöörlemissuund jääb samaks.

Joonis 1.22. a) Universaalmootor	Joonis 1.22. b) Lülitusskeem

Universaalmootor on kasutatav nii alalisvoolu kui ka vahelduvvoolu korral. See pole küll kõige parema kasuteguriga, kuid pöörlemiskiiruse reguleeritavuse ja odavuse tõttu leiab sageli rakendust kodumasinates ja elektrilistes käsitööriistades. Tööstuses kasutatakse rohkem vahelduvvoolu asünkroonmootoreid (vt lisandused lk 82).

Elektrikahjus­tus­teks on kõige sagedamini tulekahjud, elektrilöögid ning pingekõikumistest ja voolukatkes­tustest põhjustatud arvutite jm rikked. Tulekahjud tekivad tavaliselt juhtmete halbade kontaktide, küttekehade järelevalve puudumise ja vanade elektrisüsteemide ülekoormamise tõttu. Elektrilöögi saanud inimese kahjustusteks on põletus, gaasi tekkimine veres, südame seiskumine või lämbumine lihaste krambi tagajärjel. Inimese närvisüsteemi ja lihaste talitus põhineb elektrisignaalidel, mille elektrilöök võib rivist välja viia, seetõttu ongi inimese jaoks ohtlikum vahelduvvool. Voolutugevus $100mA$ on juba surmavalt ohtlik.

Elektrist tulenevate õnnetuste levinumad põhjused on elektriliste majapidamisriistade isolatsiooni rikkiminek, elektri kasutamine niisketes ruumides, tormide tõttu ülekandeliinide mahalangemine, välgulöök, töötamine elektriliinide vahetus läheduses ja tähelepanematus.

Tihti kasutatakse vestluses sõnu soe ja külm. Kumb on soojem, kas soe talv või külm suvi? Ütlus „kraanivesi on kuum” tähendab, et vesi on soojem kui seda katsuv käsi. Täpsemate väidete korral kasutatakse mõistet temperatuur, mille määramiseks on juba väga ammu valmistatud mõõteriistu – mitmesuguseid termomeetreid. Termomeeter mõõdab soojuspaisumist, termoelektromotoorjõu tekkimist, infrapunakiirgust või muud temperatuurist sõltuvat suurust. Arusaam temperatuuri olemusest tekkis aga hiljem, 19. sajandil koos teadmiste avardumisega ainete siseehitusest.

Joonis 1.23.

Oletame, et õnnevalamisel kallasime külma vette teatava koguse sulatina (joonis 1.23.). Vee temperatuur tõusis kiiresti ja sai võrdseks toatemperatuuriga ning edasi mingeid muutusi enam ei toimunud. Kuum keha (tina) andis teatud hulga soojust külmale kehale (veele). Tina temperatuur alanes ja vee temperatuur tõusis seni, kuni nende temperatuurid võrdsustusid. Kuna nende ühine temperatuur osutus võrdseks toatemperatuuriga, siis edasisi muutusi ei toimunud ja süsteem jäi tasakaalu. Soojus läheb iseenesest üle soojemalt kehalt külmemale, kuni nende temperatuurid võrdsustuvad. Selline olek vastab soojuslikule tasakaalule. Keha temperatuur iseloomustab soojusliku tasakaalu olekut. Tal on ühesugune väärtus soojuslikus tasa­kaalus oleva süsteemi kõikides osades.

Temperatuur oleneb keha koostisosakeste energiast – siseenergiast.

Euroopas kasutatakse temperatuuri mõõtmisel ühikuna Celsiuse kraadi. Temperatuurile $0{}^{\circ }C$ vastab jää sulamine ja $100{}^{\circ }C$-le vee keemine normaalrõhul.

Joonis 1.24. a) Piirtemperatuur - absoluutne null	Joonis 1.24. b) Celciuse ja Kelvini võrdlus

17. ja 18. sajandi vahetusel uuris prantsuse füüsik Guillaume Amonton gaasi rõhu sõltuvust temperatuurist jääval ruumalal (joonis 1.24. a). Ta leidis, et temperatuuri vähenedes kahanes rõhk lineaarselt. Mingil temperatuuril, $–273,15{}^{\circ }C$, peaks gaasi rõhk muutuma nulliks. Seda temperatuuri alumist piiri nimetatakse absoluutseks nulliks. Inglise füüsik lord Kelvin võttis kasutusele nn absoluutse temperatuuriskaala FLA. Selle skaala nullpunktiks on absoluutne null ja ühik $1K$ (üks kelvin) on võrdne Celsiuse skaala ühikuga. Temperatuur $T$ Kelvini skaalas on alati positiivne ja Celsiuse temperatuurist $273$ võrra suurem.

Rõhu telje nihutamisel absoluutsesse nulli saame lineaarsest sõltuvusest võrdelise. Jääval ruumalal on gaasi rõhk võrdeline absoluutse temperatuuriga.

Reaalset looduses esineva gaasi lihtsamaks uurimiseks ja mõistmiseks kasutatakse ideaalse gaasi mudelit. Ideaalse gaasi puhul ei arvestata molekulide mõõtmeid ja nendevahelist vastastikmõju. Selle tingimuse ligikaudseks täitmiseks peaks gaas olema piisavalt hõre ja mitte liiga madalal temperatuuril. Ideaalseks gaasiks võib näiteks lugeda kuiva õhku tavalisel temperatuuril ja rõhul.

Olgu suletud anumas (joonis 1.25.) ideaalne gaas, mille molekulid liiguvad kaootiliselt ja põrkuvad elastselt anuma seintega. Mõtteliselt eraldatud osas ruumalaga $V$ on $N$ molekuli igaüks massiga $m_0$. Anuma seinale pindalaga $S$ lähenevate molekulide keskmine kiirus on $v$.

Proovime hinnata molekulide põrgetest tulenevat anuma seinale avaldatavat rõhku. Seinaga jõuavad aja $t$ jooksul põrkuda pooled molekulidest, mis ei asu kaugemal kui

Mehaanikast on teada (M), et impulsi muut elastsel põrkel on $2m_{0}v$. Kehale mõjuv jõud (M) on võrdne impulsi muutumise kiirusega.

ja ühe molekuli poolt seinale avaldatav jõud on

Kogu seinale mõjuva jõu saame, korrutades selle põrgete arvuga $N/2$. Seinale avaldatav jõud

Arvestades, et molekulide kontsentratsioon

saame rõhuks

Arutluses eeldasime, nagu liiguksid molekulid ühes sihis. Tegelikult pole kaootilise liikumise korral ükski suund eelistatud ja täpsema tuletuskäigu korral saame:

Valem annab ideaalse gaasi rõhu sõltuvuse mikroparameetritest: kontsentratsioonist, molekuli massist ja kiirusest. Rõhk kui makroparameeter on mõõdetav näiteks baromeetri või manomeetriga.

Kui võtame kasutusele mõiste molekulide keskmine kineetiline energia  

saame:

Ideaalse gaasi rõhk on võrdeline molekulide kaootilise liikumise keskmise kineetilise energiaga.

Eelmises õppetükis saime teada, et gaasi rõhk oli ka võrdeline absoluutse temperatuuriga. Kokkuvõtvalt saab järeldada, et ideaalse gaasi molekulide keskmine kineetiline energia on võrdeline gaasi absoluutse temperatuuriga:

kus suurust $k=1,38\cdot {10}^{-23}J/K$ nimetatakse Boltzmanni konstandiks.

Valemis 4.17 esinev suurus $v^2$ on molekulide kiiruste ruutude keskmine väärtus. Ruutjuur sellest on ruutkeskmine kiirus:

Gaasiga toimuvate protsesside käigus võivad muutuda selle rõhk, ruumala ja temperatuur – olekuparameetrid. Näitame, et ideaalse gaasi olekuparameetrid on omavahel seotud nn ideaalse gaasi olekuvõrrandiga.

Valemitest  1.17, 1.18 ja 1.19 saame rõhu jaoks:

Molekulide arvu saame avaldada ainehulga ja Avogadro arvu järgi:

kus $m$ on gaasi mass ja $M$ molaarmass. Asendades ja avaldades, saame rõhu ja ruumala korrutiseks:

Suurust $R=N_{A}k=8,31J/(mol\cdot K)$ nimetatakse gaasikonstandiks ja seega:

Ideaalse gaasi rõhu ja ruumala korrutis on võrdeline tema absoluutse temperatuuriga. Kui me vaatleme antud gaasikogust kahes erinevas olekus, saame olekuvõrrandi teise kuju:

Antud gaasikoguse rõhu ja ruumala korrutis jagatud absoluutse temperatuuriga on jääv suurus. Viimase valemi kontrolliks on vaja määrata gaasi ruumala, mõõta manomeetriga rõhk ning termomeetriga temperatuur (joonis 1.26.). Valemi 1.21. kontrollimiseks peab määrama gaasi massi ja teadma molaarmassi (piisab ka ainehulgast).

Joonis. 1.26. Katseseade gaasi seaduste uurimiseks.	Kass ja kamin

Gaaside omadused sõltuvad temperatuurist ja õhurõhust. Seetõttu on võetud kasutusele mõiste normaaltingimused: temperatuur $0{}^{\circ }C\approx 273K$ ja rõhk $760mmHg\approx 1,01\cdot {10}^{5}Pa$. Ühe mooli gaasi ruumala normaaltingimustel on $22,4$ liitrit.

Isoprotsessi käigus ei muutu üks olekuparameetritest ja vastav parameeter taandub gaasi olekuvõrrandist välja.

Isotermilise protsessi käigus ei muutu temperatuur. Saame ideaalse gaasi jaoks võrrandi:

millest järgnev valem annab pöördvõrdelise sõltuvuse rõhu ja ruumala vahel (joonis 1.27. a).

1.27a Isoterm	1.27b Isobaar

Isobaarilise protsessi käigus ei muutu rõhk. Saame gaasi jaoks võrrandi:

millest järgnev valem väljendab ruumala võrdelist sõltuvust absoluutsest temperatuurist (joonis 1.27. b).

Isohoorilise protsessi käigus ei muutu ruumala. Saame võrrandi:

millest järgnev valem väljendab ideaalse gaasi rõhu võrdelist sõltuvust absoluutsest temperatuurist (joonis 1.27. c).

Isoprotsessidest koosnev ringprotsess

Joonisel on kujutatud erinevatest isoprotsessidest koosnev lõpuks samasse olekusse tagasi jõudev ringprotsess $pV$-teljestikus. $AB$ on isobaariline paisumine, $BC$ isotermiline paisumine, $DE$ isobaariline kokku­surumine ning isohooriline protsess $EA$ lõpetab ringprotsessi ühe tsükli.

Kõik ained koosnevad osakestest, mis liiguvad kaootiliselt ja mõjutavad üksteist. Järelikult omavad kehade koostisosad nii kineetilist kui ka potentsiaalset energiat. Keha siseenergiaks nimetatakse tema kõikide koostisosakeste kineetiliste ja potentsiaalsete energiate summat. Seda energiat vaadeldakse kehaga seotud taustsüsteemi suhtes.

Vastastikmõju potentsiaalset energiat on raske arvutada. Seepärast toome näite ideaalsest gaasist, mis koosneb ühesugustest üksikuna esinevatest aatomitest, ehk üheaatomilisest ideaalsest gaasist. Ideaalse gaasi molekulid ei mõjuta üksteist (potentsiaalne energia on $0$) ja sellise gaasi siseenergia on kõikide molekulide kineetiliste energiate summa. Siseenergia leidmiseks tuleb molekuli keskmine kineetiline energia korrutada molekulide (antud juhul aatomite) arvuga.

Üheaatomilise ideaalse gaasi siseenergia on võrdeline absoluutse temperatuuriga. Kui ideaalse gaasi molekulis on rohkem aatomeid, siis võrdelisus absoluutse temperatuuriga jääb kehtima, aga võrdetegur on erinev. Näiteks kaheaatomilise gaasi korral on see $3/2$ asemel $5/2$. Siseenergia on suurem seetõttu, et kaheaatomilise gaasi puhul lisanduvad võnkumise ja pöörlemise energiad.

Siseenergia sõltub ainult keha või kehade süsteemi siseolekust. Siseenergia hõlmab kõigi süsteemi osakeste, näiteks molekulide, aatomite, ioonide ja vabade elektronide liikumise, kineetilise ning vastastikmõju potentsiaalse energia, samuti nende sisestruktuuriga seoses oleva elektronkatte, tuuma jne energia. Rakenduste korral on oluline siseenergia muut, seetõttu jäetakse tavaliselt arvestamata need komponendid, mis uuritavas protsessis ei muutu. Soojusliku tasakaalu olekus on siseenergial kindel väärtus, siseenergia on olekufunktsioon. Siseenergia seob omavahel makro- ja mikrosuurused ning soojusõpetuse mehaanikaga.

Kui keha on soojusvahetuses teiste kehadega soojusjuhtivuse, konvektsiooni ja soojuskiirguse kaudu, nimetatakse saadud või ära antud siseenergiat soojushulgaks.

Soojushulk on siseenergia hulk, mille keha saab või annab ära soojusülekandel.

Jalgrattakummi pumpamisel kokkusurutud õhk ja pump soojenevad. Kuum gaas teeb mootoris paisudes tööd siseenergia vähenemise arvelt ja jahtub. Keha siseenergia muutmiseks on kaks võimalust – soojushulga saamine või äraandmine ja mehaaniline töö. Järgnevatel fotodel on raudlati temperatuuri ja siseenergia suurendamine soojushulga saamisega koldes ning lati töötlemisel ketaslõikuriga.

Metall hõõgub punaselt	Ketassaag lõikab

Joonisel 1.28a on pealt lahtine gaasi täis silinder, milles saab hõõrdevabalt liikuda kolb. Kui gaasi piirituslambiga kuumutada, siis gaas paisub ja lükkab kolbi ülespoole. Kolvile mõjuv jõud teeb tööd

milles $\Delta V$ on ruumala muut. Isobaarilise protsessi korral on gaasi töö

1.28a	1.28b

Joonisel 1.28. b on selle protsessi graafik $pV$-teljestikus. Graafikult on näha, et $p\Delta V$ on ühtlasi arvuliselt võrdne graafiku ja ruumala telje vahelise ristküliku pindalaga. Sama kehtib ka teiste protsesside, näiteks isotermilise korral (joonis 1.28. c).

1.28c

Mehaanilist tööd tehakse alati mingi teise energia arvel. Joonisel 1.28. a on selleks piirituse põlemisel eraldunud soojushulk. Kui gaasil lastakse paisuda, aga mingit energiat juurde ei anta, toimub protsess gaasi siseenergia vähenemise arvel ja gaasi temperatuur väheneb. Toodud näidete põhjal järeldub, et nii töö kui ka soojushulk muudavad keha siseenergiat.

Kütuse põlemise, gaasi kondenseerumise, vedeliku tahkumise ja keha jahtumisega kaasneb soojushulga eraldumine. Need soojushulgad on võrdelised keha massiga. Keha jahtumisel eraldunud soojushulk on lisaks võrdeline temperatuuri muuduga. Vt alljärgnevaid valemeid.

Põlemine

kus $r$ – kütuse kütteväärtus

Aurustumine ja kondenseerumine

kus $L$ – aurustumissoojus

Sulamine ja tahkumine

kus $\alpha$ – sulamissoojus

Temperatuuri muutus

kus $c$ – erisoojus

18. sajandi teisest poolel alanud tööstuslik pööre soodustas uute jõumasinate konstrueerimist ja nende tehniliste näitajate parandamist. Vesi- ja tuuleveskitele lisandusid aurumasinad, mille kasutegur oli esialgu väike, ühe protsendi lähedal. 19. sajandi esimesel poolel uurisid paljud teadlased tule nn liikumapanevat jõudu. Uurimuste käigus tekkis ja täpsustus füüsikaline suurus energia, mis osutus looduslike protsesside kirjeldamisel väga üldiseks. Selgusid mehaaniliste ja soojuslike protsesside seosed ja erinevused. Uuriti, kuidas saab muuta mehaanilist ja elektrienergiat soojuseks ning vastupidi. Sajandi keskel jõuti üldistatud arusaamani energia jäävusest ja muundumisest – sõnastati termodünaamika 1. seadus.

Keha siseenergia muut on võrdne kehale antud soojushulga ja väliste jõudude poolt tehtud töö summaga

Kõik seaduse valemis esinevad suurused võivad olla nii positiivsed kui ka negatiivsed. Joonisel 1.29. on kujutatud olukord, kus silindris olevale gaasile antakse soojushulk ja samal ajal suruvad välised jõud gaasi kokku.

Tavaliselt loetakse saadud soojushulka positiivseks ja äraantud soojushulka negatiivseks. Töö on negatiivne siis, kui keha ise teeb tööd oma siseenergia kahanemise arvel. Joonisel on nii soojushulk kui ka väliste jõudude töö positiivsed.

Protsessi, mille korral ei toimu soojusvahetust väliskeskkonnaga, nimetatakse adiabaatiliseks protsessiks. Selles protsessis $Q=0$ ja keha siseenergia muutub üksnes mehaanilise töö tõttu. Isohoorilise protsessi korral ei tehta tööd, $A=0$, ja keha siseenergia muut on võrdne saadud või ära antud soojushulgaga. Mehaanikast on teada, et hõõrde- ja takistusjõudude esinemisel keha mehaaniline koguenergia väheneb, muutudes teiseks energialiigiks – siseenergiaks M. Augustikuise meteoorivoolu juures on näha, kuidas suure kiiruse, takistusjõu ja temperatuuritõusu tõttu meteoor Maa atmosfääris süttib ja aurustub.

Paljude katsete põhjal on sõnastatud ka üldine energia jäävuse seadus. Suletud süsteemi koguenergia on jääv. Energia liik pole oluline, oluline on vaid see, et ei toimu energiavoolu süsteemist välja või sisse FLA M. Samuti võib toimuda süsteemi sees ühe energialiigi muutumine teiseks.

Temperatuuri peatükis 4.1 on kirjas, et soojus läheb iseenesest soojemalt kehalt külmemale, kuni soojusliku tasakaalu saabumiseni. Äsja sõnastatud termodünaamika esimene seadus ei keela ka vastupidise protsessi toimumist, aga millegipärast vette visatud sulatina iseenesest uuesti soojaks ei lähe. Iseeneslikud (spontaansed) soojuslikud protsessid toimuvad soojusliku tasakaalu suunas. Termodünaamika 2. seadus väidab, et soojus ei saa minna iseeneslikult külmemalt kehalt soojemale. Külmkapis ja soojapumbas toimub küll soojuse ülekanne külmemalt kehalt soojemale, kuid see ei toimu spontaanselt, vaid välisjõudude töö tulemusel.

Olgu meil anum ruumalaga $V$. Jaotame selle mõttes $n$ võrdseks osaks. Kui anumas on üks molekul, siis on selles ruumalaosas

molekuli leidmise tõenäosus

Kui anumas on $2$ molekuli, siis on nende üheaegse leidmise tõenäosus samas osas

Kui anumas on $N$ molekuli, on nende kõigi leidmise tõenäosus samas

Oletame, et esimeses olekus (joonis 1.30. a) on kõik gaasi molekulid koondunud anuma vasakusse ossa, mille ruumala on $V_I$, ja teises olekus on kõik molekulid anuma osas $V_{II}$ (joonis 1.30. b). Leiame nende olekute tõenäosuste suhte:

1.30a Molekulid anuma osas V1	1.30b Molekulid anuma osas V2

Kui anumas on $10$ molekuli ja ruumalad $V_{II}$ ja $V_I$ suhtuvad nagu $1/2:1/3=3/2$, on tõenäosuste suhe $(3/2{)}^{10}\approx 58$, st teise oleku tõenäosus on esimese omast u $58$ korda suurem. Kui molekule oleks $100$, siis teise oleku tõenäosus oleks esimese omast u $4\cdot {10}^{17}$ korda suurem ja $500$ molekuli korral oleks teine olek ligikaudu $1,1\cdot {10}^{88}$ korda tõenäosem. Siit võib järeldada, et suure arvu molekulide puhul on kõige suurema tõenäosusega olek selline, kus osakesed on jaotunud ühtlaselt kogu anuma ulatuses. Sellele vastab soojusliku tasakaalu olek. Iseeneslikud protsessid viivad süsteemi suurima tõenäosusega olekusse.

Ideaalne gaas saab temperatuuril $T$ soojushulga $\Delta Q$. Saadud soojushulga ja absoluutse temperatuuri suhet nimetatakse entroopia muuduks:

Entroopia ja tema muudu ühikuks SI-s on $J/K$. Sama ühik on ka Boltzmanni konstandil. Saab näidata, et entroopia muutu võib arvutada ka tõenäosuste suhte põhjal valemist

kus $k$ on Boltzmanni konstant ja $\ln w$ naturaallogaritm tõenäosuste suhtest.

Soojuslikke protsesse jaotatakse pööratavateks ja pöördumatuteks. Pööratav protsess koosneb üksteisele järgnevatest tasakaaluolekutest ja entroopia muut nendes on $0$. Protsessidele, milles entroopia kasvab, vastavad pöördumatud muutused süsteemis, mis vähendavad süsteemi võimet teha tööd, sest osa energiast on pöördumatult muundunud soojuseks. Suletud süsteemis ei saa entroopia kahaneda.

Viimane lause ja võrratus on oma sisult termodünaamika 2. seadus, mis väljendab teiste sõnadega asjaolu, et soojus saab iseenesest (spontaanselt) levida ainult kõrgema temperatuuriga kehalt madalama temperatuuriga kehale.

Soojusmasin muundab soojushulga mehaaniliseks tööks. Ajalooliselt oli esimeseks soojusmasinaks aurumasin, mida kasutati alates 17. sajandi lõpust kaevandusest vee väljapumpamiseks ja õhutamiseks. 19. sajandi algul oli aurumasin piisavalt väike, et kasutada teda jõumasinana transpordis, auruvedurites ja aurulaevades. Hiljem leiutati sisepõlemismootorid, auruturbiinid, reaktiivmootorid jne. Soojusmasinal on alati kolm põhilist osa: soojendi, töötav keha ja jahuti (joonis 1.31. a).

Töötavale kehale, milleks on tavaliselt gaas, antakse soojendist soojushulk $Q_1$. Gaas teeb paisudes mehaanilist tööd $A$. Pideva töö tegemiseks peab töötava keha olek taastuma teatava aja – tsükli – jooksul, milleks tuleb soojendist saadud soojushulgast anda osa $Q_2$ jahutile. Jahutiks on üldjuhul ümbritsev keskkond. Tsükli lõpus on gaas jälle algolekus ja siseenergia muut $0$. Termodünaamika esimese seaduse kohaselt on mehaaniline töö gaasi paisumisel $A=Q_1–Q_2$. Soojusmasina kasutegur $\eta$ on mehaanilise töö ja soojendist saadud energia suhe, mida väljendatakse tihti protsentides.

Prantsuse teadlane Carnot näitas 19. sajandi alguses, et nn ideaalse soojusmasina kasutegur on

kus $T_1$ ja $T_2$ on vastavalt soojendi ja jahuti absoluutsed temperatuurid.

Valem 1.29. näitab, et ülekantavast soojushulgast saab seda rohkem mehaanilist tööd, mida suurem on temperatuuride vahe soojusülekandel.

Ideaalse soojusmasina tsükkel koosneb kahest isotermilisest ja kahest adiabaatilisest protses­sist (joonis 1.31. b).Ideaalse soojusmasina kasutegur on suurim antud temperatuurivahemikus töötavate masinate hulgas.

Gaas teeb paisudes tööd, mis on arvuliselt võrdne kujundi $ABC{C}^{\prime }{A}^{\prime }$ pindalaga. Osa sellest tööst tuleb aga kulutada gaasi kokkusurumiseks protsessis $CDA$. Selleks vajalik töö on arvuliselt võrdne sinisega viirutatud kujundi $CDA{A}^{\prime }{C}^{\prime }$ pindalaga. Kasuliku töö hulk on võrdne punasega viirutatud osa $ABCD$ pindalaga.

Soojusmasinate tegelik kasutegur ei ole suur, sest soojendi temperatuur on piiratud materjali sulamistemperatuuriga ja jahuti temperatuur ümbritseva keskkonna omaga.

Soojusmasinateks loetakse ka vastassuunalise tsükliga töötavaid masinaid (külmuti, soojuspump), mis tööd tehes liigutavad soojust külmemalt kehalt soojemale. Mõiste kasutegur omandab nende juures teise tähenduse.

Kasutades soojusmasina mõistet, võime anda termodünaamika 2. seadusele uue sõnastuse. Ei ole võimalik ehitada soojusmasinat, mis muudab soojuse täielikult tööks.