Seuraa 
Viestejä14

Kemiallinen energia voi muuttua lämpöenergiaksi, mutta siitä miten tämä molekyylitasolla tapahtuu, ei mainita lukion fysiikassa/kemiassa mitään. Siispä kysyisinkin, että onko seuraavassa järkeilyssä mitään järkeä, vai onko tämä järkeilyä ensinkään? :)

Otetaan esimerkiksi kalorimetrissä tapahtuva eksoterminen kemiallinen reaktio. Lähtöaineiden sidosten katkeaminenhan sitoo energiaa, ja uusien sidosten muodostumien vapauttaa energiaa. Tässä eksotermisessa reaktiossa vapautuneen energian määrä on suurempi. Tarkoittaako kemiallisten sidosten potentiaalinergian muuttuminen osittain lämpöenergiaksi nyt sitä, että tämä vapautunut "ylimääräinen energia" muuttuu rakenneosasten kasvaviksi liike-energioiksi, koska systeemin lämpöenergiahan on rakenneosasten liike-energioiden osuus sisäenergiasta? Törmäysteorian mukaan rakenneosasten törmätessä sopivasti, tapahtuu kemiallinen reaktio. Voidaanko siis ajatella niin, että lähtöaineiden sidosten katketessa rakenneosat ovat saaneet suuria liike-energioita, ja törmätessään muodostaen uusia sidoksia, osa tästä energiasta jää vielä syntyneiden rakenneosien liike-energioksi, mikä puolestaan tarkoittaisi lämpöenergian kasvamista?

 

Jatkokysymys: Miten kemiallisesta energiasta päädytään valoon (liekki)? Ymmärrän, että infrapunasäteilyä syntyy, koska rakenneosaset ovat värähdellessään kiihtyvässä liikkeessä. Eikö näkyvän valon syntyminen kuitenkin liity aina elektroniverhojen viritystilojen purkautumiseen? Vai voiko rakenneosien värähtely olla niin voimakasta, että se saa aikaan näkyvää valoa?

Saiskohan joku kiinni näistä?

Kommentit (11)

JPI
Seuraa 
Viestejä26805
tuamo

Kemiallinen energia voi muuttua lämpöenergiaksi, mutta siitä miten tämä molekyylitasolla tapahtuu, ei mainita lukion fysiikassa/kemiassa mitään. Siispä kysyisinkin, että onko seuraavassa järkeilyssä mitään järkeä, vai onko tämä järkeilyä ensinkään? :)

Otetaan esimerkiksi kalorimetrissä tapahtuva eksoterminen kemiallinen reaktio. Lähtöaineiden sidosten katkeaminenhan sitoo energiaa, ja uusien sidosten muodostumien vapauttaa energiaa. Tässä eksotermisessa reaktiossa vapautuneen energian määrä on suurempi. Tarkoittaako kemiallisten sidosten potentiaalinergian muuttuminen osittain lämpöenergiaksi nyt sitä, että tämä vapautunut "ylimääräinen energia" muuttuu rakenneosasten kasvaviksi liike-energioiksi, koska systeemin lämpöenergiahan on rakenneosasten liike-energioiden osuus sisäenergiasta? Törmäysteorian mukaan rakenneosasten törmätessä sopivasti, tapahtuu kemiallinen reaktio. Voidaanko siis ajatella niin, että lähtöaineiden sidosten katketessa rakenneosat ovat saaneet suuria liike-energioita, ja törmätessään muodostaen uusia sidoksia, osa tästä energiasta jää vielä syntyneiden rakenneosien liike-energioksi, mikä puolestaan tarkoittaisi lämpöenergian kasvamista?

Aika hyvä analyysi, noinhan se menee.

 

Jatkokysymys: Miten kemiallisesta energiasta päädytään valoon (liekki)? Ymmärrän, että infrapunasäteilyä syntyy, koska rakenneosaset ovat värähdellessään kiihtyvässä liikkeessä. Eikö näkyvän valon syntyminen kuitenkin liity aina elektroniverhojen viritystilojen purkautumiseen? Vai voiko rakenneosien värähtely olla niin voimakasta, että se saa aikaan näkyvää valoa?

Saiskohan joku kiinni näistä?

Jep, kiihtyvä liike ei ole oleellista tuossa. Varaukset säteilevät kiihtyvässä liikkeessä, se on totta, mutta tuossa ei ole kyse siitä. Kysymys tuossa on nimenomaan viritystilojen purkautimisesta ja siitä, että ne viritystilan syntyvät atomien/molekyylien törmätessä toisiinsa. Noin lyhyesti ilmaistuna siis.

3³+4³+5³=6³

tuamo
Seuraa 
Viestejä14

^ Kiitos JPI!

 

Eli siis infrapuna-alueenkin säteily on peräisin atomien/molekyylien viritystilojen purkautumisesta? Oon sitten vetänyt hieman väärän johtopäätöksen siitä, kun lukion kirjassa sanotaan infrapunasäteilyn lähteeksi molekyylien värähtely. Tästä heti ajatellut sitten, että kyseessä täytyy olla varauksellisten hiukkasten kiihtyvyydestä aiheutuvaa säteilyä.

No onko sitten näissä varauksellisten hiukkasten kiihtyvästä liikkeestä aiheutuvissa sähkömagneettisissa säteilyissä aina kyse vain mikro- ja radioaalloista? Vai mitä aallonpituusalueita tämä koskee?

Entäpä vielä käsite lämpösäteily, kuuluuko siihen kaikki virtystilojen purkautumisesta johtuva sähkömagneettinen säteily?

Ja mulle käy todella hyvin juuri nuo lyhyesti ilmaistut vastaukset. :) Tiedän, että siellä noiden asioiden takana on melko korkealentoista yliopistofysiikkaa, mutta kun sais vähän perusajatuksesta kiinni, niin hahmottais vähän isoa kuvaa.

Sisältö jatkuu mainoksen alla
Sisältö jatkuu mainoksen alla
JPI
Seuraa 
Viestejä26805
tuamo

^ Kiitos JPI!

Eli siis infrapuna-alueenkin säteily on peräisin atomien/molekyylien viritystilojen purkautumisesta? Oon sitten vetänyt hieman väärän johtopäätöksen siitä, kun lukion kirjassa sanotaan infrapunasäteilyn lähteeksi molekyylien värähtely. Tästä heti ajatellut sitten, että kyseessä täytyy olla varauksellisten hiukkasten kiihtyvyydestä aiheutuvaa säteilyä.

Molekyylien värähtely- ja rotaatiotilojen muutoksissa emittoituu myöskin säteilyä. Tuo säteily osuu kuintenkin mikroaaltojen aallonpituuksille, siis huomattavasti pitkäaaltoisempaan säteilyyn kuin infrapuna. Noissa siirtymissä ei ole kysymys elektronien siirtymisestä atomien/molekyylien orbitaalien välillä. Esimerkiksi kun pitkulainen molekyyli pyörii kohtisuoraan pisintä akseliaan vastaan, niin sillä voi kvanttimekaniikan mukaan olla vain tietty diskreetti joukko impulssimomenttia L = (h/2Π) √(l(l+1)), missä l=0,1,2... Tuo impulssimomentti voi sitten muuttua kun sopivan energian fotoni emittoittuu kantaen spinissään -h/2Π verran impulssimomenttia. Siis fotonin energia seuraa pyörimisenergioiden erosta luvun l muuttuessa määrällä -1. Noihin siirtymiin liittyvä energia sitten on molekyyleistä riippuva ja typpillisesti paljon pienempi kuin orbitaalien välisille siirtymille.

No onko sitten näissä varauksellisten hiukkasten kiihtyvästä liikkeestä aiheutuvissa sähkömagneettisissa säteilyissä aina kyse vain mikro- ja radioaalloista? Vai mitä aallonpituusalueita tämä koskee?

Koskee periaatteessa kaikkia aallonpituuksia ihan kiihtyvyydestä riippuen:

http://fi.wikipedia.org/wiki/Synkrotronis%C3%A4teily

Entäpä vielä käsite lämpösäteily, kuuluuko siihen kaikki virtystilojen purkautumisesta johtuva sähkömagneettinen säteily?

Ei kuulu, vain näkyvää valoa pitempiaaltoinen säteily on ns. lämpösäteilyä eikä tietysti kaikki sekään, koska aallonpituuden kasvaessa tullaan sitten mikroaaltoihin jne. Tärkeää on kuitenkin muistaa se, että sähkömagneettisen säteilyn nimeäminen aallonpituuden mukaan ei sisällä sinänsä mitään fysiikkaa, kaikki sm-säteily on muuten samanlaista, paitsi että sen aallonpituus vaihtelee ja vain tuosta ja intensiteetistä johtuvat eri nimisten sm-säteilyjen havaittavasti erilaiset vaikutukset.

3³+4³+5³=6³

hmk
Seuraa 
Viestejä1023
tuamo

Jatkokysymys: Miten kemiallisesta energiasta päädytään valoon (liekki)? Ymmärrän, että infrapunasäteilyä syntyy, koska rakenneosaset ovat värähdellessään kiihtyvässä liikkeessä. Eikö näkyvän valon syntyminen kuitenkin liity aina elektroniverhojen viritystilojen purkautumiseen? Vai voiko rakenneosien värähtely olla niin voimakasta, että se saa aikaan näkyvää valoa?

Saiskohan joku kiinni näistä?

Liekin lähettämä valo syntyy sekä viritystilojen purkautumisesta että lämpösäteilystä.

Elektronisten viritystilojen purkautuminen synnyttää tyypillisesti UV- ja/tai näkyvän valon alueen säteilyä.

Virittyneiden värähtelytilojen "säteilevä" purkautuminen puolestaan synnyttää tyypillisesti IR-säteilyä (toisin kuin JPI antoi ymmärtää :P). Lukion oppikirjasi on siis kyllä tavallaan hajulla asiasta. Mutta IR-säteilyä syntyy muutenkin: pääasiassa sopivan lämpöisten kappaleiden lämpösäteilynä (hitusten törmäillessä energiaa voi vapautua säteilynä). Virittyneiden värähtelytilojen purkautuminen tapahtuu itse asiassa usein "säteilemättömästi", energian siirtyessä esim. molekyylien törmäysten kautta toisille molekyyleille.

Rotaatiotilojen säteilevä purkautuminen synnyttää mikroaaltosäteilyä, mutta tässä on jälleen paikallaan samat täsmennykset kuin värähtelytilojen kohdalla. Mikroaaltosäteily voi liittyä myös elektronien spinien (ts. magneettisen momentin) kääntymiseen, kun kappale on asetettu ulkoiseen magneettikenttään.

Lämmöstä sanoisin vielä sen verran, että se ei ole (termodynaamisessa mielessä) systeemin sisältämä energiamuoto. Ei ole mielekästä sanoa, että kappaleen sisäenergiasta joku osa olisi lämpöä. Kaikki sisäenergia on sisäenergiaa :)  Lämpö on energian siirtymismuoto; siis voidaan esim. sanoa, että kappaleesta siirtyi energiaa lämpönä jollekin toiselle kappaleelle. Tämä siirtyminen näkyy toisen kappaleen sisäenergian pienenemisenä ja toisen kasvuna.

In so far as quantum mechanics is correct, chemical questions are problems in applied mathematics. -- H. Eyring

tuamo
Seuraa 
Viestejä14

Nyt menee meikäläisellä jo vähän pää pyörälle, mutta jos koittaisin vielä vetää vähän yhteenvetoa, niin korjatkaa, jos menee metsään.

 

Eli ensinnäkin on olemassa atomien/molekyylien elektronien virittymisten lisäksi myös värähtelytilojen virittymistä. Molemmissa tapauksissa viritystilojen purkautuminen saa aikaan fotonien emittoitumisen, ja virittyneiden värähtelytilojen purkautumisessa vapautuva sm-säteily on aallonpituudeltaan IF-säteilyä. Siis hiukkasten värähtelystä itsestään aiheutuva säteily on mikroaaltosäteilyä, mutta virittyneiden värähtelytilojen purkautumisessa vapautuva säteily voi olla IF-säteilyä. Tämän lisäksi IF-säteilyä syntyy, kun hiukkaset törmäilevät lämpöliikkeestä johtuen toisiinsa. Meninkö jo aivan sekaisin?

 

 

hmk

 

Liekin lähettämä valo syntyy sekä viritystilojen purkautumisesta että lämpösäteilystä.

Tämä ei aukea millään. Eikö valolla yleensä tarkoiteta sellaisella aallonpituudella tapahtuvaa säteilyä, jonka ihmissilmä voi aistia? Miten tämä siis voi olla peräisin lämpösäteilystä?

Lämmöstä sanoisin vielä sen verran, että se ei ole (termodynaamisessa mielessä) systeemin sisältämä energiamuoto. Ei ole mielekästä sanoa, että kappaleen sisäenergiasta joku osa olisi lämpöä. Kaikki sisäenergia on sisäenergiaa :)  Lämpö on energian siirtymismuoto; siis voidaan esim. sanoa, että kappaleesta siirtyi energiaa lämpönä jollekin toiselle kappaleelle. Tämä siirtyminen näkyy toisen kappaleen sisäenergian pienenemisenä ja toisen kasvuna.

Joo ymmärrän kyllä, että makrotasolla ei voida sanoa, että jollakin systeemillä on tietty lämpö. Mutta eikö kuitenkin mikrotasolla voidan puhua systeemin sisältämästä lämpöenergiasta, joka olisi liike-energioiden osuus sisäenergiasta. Näin sen ymmärsin.

JPI
Seuraa 
Viestejä26805
hmk

Virittyneiden värähtelytilojen "säteilevä" purkautuminen puolestaan synnyttää tyypillisesti IR-säteilyä (toisin kuin JPI antoi ymmärtää :P).

Joo olet oikeassa, minä puhuin tarkemmin vain rotaatiotiloista ja jäi tuo mainitsematta noista värähtelytiloista.

 

3³+4³+5³=6³

tuamo
Seuraa 
Viestejä14
tuamo

Nyt menee meikäläisellä jo vähän pää pyörälle, mutta jos koittaisin vielä vetää vähän yhteenvetoa, niin korjatkaa, jos menee metsään.

 

Eli ensinnäkin on olemassa atomien/molekyylien elektronien virittymisten lisäksi myös värähtelytilojen virittymistä. Molemmissa tapauksissa viritystilojen purkautuminen saa aikaan fotonien emittoitumisen, ja virittyneiden värähtelytilojen purkautumisessa vapautuva sm-säteily on aallonpituudeltaan IF-säteilyä. Siis hiukkasten värähtelystä itsestään aiheutuva säteily on mikroaaltosäteilyä, mutta virittyneiden värähtelytilojen purkautumisessa vapautuva säteily voi olla IF-säteilyä. Tämän lisäksi IF-säteilyä syntyy, kun hiukkaset törmäilevät lämpöliikkeestä johtuen toisiinsa. Meninkö jo aivan sekaisin?

 

Vielä korjaan itseäni. Eli mikroaaltosäteily on peräisin, niinkuin molemmat kirjoititte, hiukkasten pöyrimiseen liittyvistä muutoksista, eikä liity millään tavalla värähtelyliikkeeseen. IR-säteily puolestaan liittyy hiukkasten värähtelyliikkeisiin. Taidan sen hyväksyä tällä koulutustasolla vaan näin. Loppukaneettina voitanee siis todeta, että alkuperäinen lukiokirjan maininta "IR-säteily aiheutuu rakenneosasten värähtelyistä", on täysin paikkansa pitävä?

Kunhan jotain osaan vastata, jos pääsykokeessa satun infrapunasäteilyn syntyyn törmäämään. :)

hmk
Seuraa 
Viestejä1023
tuamo

Eli ensinnäkin on olemassa atomien/molekyylien elektronien virittymisten lisäksi myös värähtelytilojen virittymistä. Molemmissa tapauksissa viritystilojen purkautuminen saa aikaan fotonien emittoitumisen, ja virittyneiden värähtelytilojen purkautumisessa vapautuva sm-säteily on aallonpituudeltaan IF-säteilyä. Siis hiukkasten värähtelystä itsestään aiheutuva säteily on mikroaaltosäteilyä, mutta virittyneiden värähtelytilojen purkautumisessa vapautuva säteily voi olla IF-säteilyä. Tämän lisäksi IF-säteilyä syntyy, kun hiukkaset törmäilevät lämpöliikkeestä johtuen toisiinsa.

Lähes noin, paitsi että infrapunasäteilyn lyhenne on IR (Infra Red) ja "värähtelystä aiheutuva säteily" on juurikin virittyneiden värähtelytilojen purkautumisesta vapautuvaa säteilyä (joka on tyypillisesti IR-alueella). Kvanttimekaniikan mukaan säteilyä vapautuu molekyylistä vain viritystilan muutoksen yhteydessä eikä tuollaisessa ns. "stationäärisessä tilassa".

Molekyylien energia koostuu tyypillisesti niiden etenevän liikkeen energiasta ("translaatioenergia"), pyörimisenergiasta ("rotaatioenergia"), sidosvärähtelyjen/kiertymisten/yms energiasta ("vibraatioenergia"), ja elektronien energiasta ("elektroninen energia"). Nämä energiamuodot ovat kvanttimekaniikan mukaan kvantittuneet, eli vain tietyt arvot ovat mahdollisia. Puhutaan energiatasoista (tai energiatiloista). Esim. vetyatomissa elektroni voi olla elektronisella perustilallaan, siis alimmalla elektronikuorella (energia -13.6 eV), tai vaikkapa ensimmäisellä virittyneellä elektronikuorella (energia -3.4 eV), mutta näiden välissä olevat energiat eivät ole mahdollisia.

Jotta molekyyli voi siirtyä "säteilevästi" energiatasolta toiselle, täytyy sen (energian säilymislain mukaisesti) lähettää tai vastaanottaa energiatasojen erotusta vastaava energia sähkömagneettisena (SM) säteilynä. SM-säteilyn fotonien energia riippuu säteilyn taajuudesta kaavan E = hf mukaan (h on Planckin vakio). SM-säteily jaetaan eri tyyppeihin kasvavan taajuuden/energian mukaan:

radioaallot < mikroaallot < infrapuna < näkyvä < ultravioletti < röntgen < gamma

Niinpä esim. mikroaallot aiheuttavat hyvin lähekkäin olevien energiatasojen välisiä siirtymiä, ja UV-säteily puolestaan liittyy hyvin kaukana toisistaan olevien tasojen välisiin siirtymiin. Osoittautuu, että

- rotaatioenergiatasojen erotus vastaa tyypillisesti mikroaaltosäteilyn fotonien energiaa

- vibraatioenergiatasojen erotus <--> infrapunasäteilyn energia

- elektronisten energiatasojen erotus <--> näkyvän valon tai UV-säteilyn energia (sisäkuorten väliset siirtymät raskailla atomeilla ovat jopa röntgen-alueella)

hmk

 

Liekin lähettämä valo syntyy sekä viritystilojen purkautumisesta että lämpösäteilystä.

tuamo
Tämä ei aukea millään. Eikö valolla yleensä tarkoiteta sellaisella aallonpituudella tapahtuvaa säteilyä, jonka ihmissilmä voi aistia? Miten tämä siis voi olla peräisin lämpösäteilystä?

Lämpösäteilyn taajuusjakauma (ja aallonpituusjakauma) riippuu kappaleen lämpötilasta. Huoneenlämpöisten kappaleiden lämpösäteily saavuttaa maksiminsa jossain IR-alueella, mutta esimerkiksi auringon lämpösäteily osuu lähinnä näkyvän valon alueelle (kuten voidaan todeta katsomalla päiväsaikaan aurinkoon vahvat aurinkolasit päässä). Lisätietoa voit etsiä vaikkapa hakusanalla "mustan kappaleen säteily" (se on "ideaalinen" lämpösäteilijä).

tuamo
Joo ymmärrän kyllä, että makrotasolla ei voida sanoa, että jollakin systeemillä on tietty lämpö. Mutta eikö kuitenkin mikrotasolla voidan puhua systeemin sisältämästä lämpöenergiasta, joka olisi liike-energioiden osuus sisäenergiasta. Näin sen ymmärsin.

Mikrotasolla lämpö ei ole erityisen hyvin määritelty, vaan puhutaan juurikin (etenevän liikkeen) liike-energiasta, värähtelyenergiasta, pyörimisenergiasta, jne.

In so far as quantum mechanics is correct, chemical questions are problems in applied mathematics. -- H. Eyring

tuamo
Seuraa 
Viestejä14

^ Kiitos tuhannesti vaivannäöstä hmk! Aivan loistavaa rautalankaa tämmöselle pässille!

 

Tosiaan lukion fysiikan säteilykurssilla käsitellään ainoastaan noita elektronisia energioita ja niihin liittyviä muutoksia. Ja niitäkin vain kaasumaisten aineiden kohdalla. Kiinteiden ja nestemäisten aineiden kohdalla tyydytään vain toteamaan, että niiden spektrin jatkuvuus aiheutuu niissä olevien rakenneosien välisistä vuorovaikutuksista ja niihin liittyvistä virityksistä. Luulen, että sain tuosta viimeisestä viestistäsi kaiken mitä tulin hakemaan ja vähän enemmänkin! :)

hmk
Seuraa 
Viestejä1023
tuamo

^ Kiitos tuhannesti vaivannäöstä hmk! Aivan loistavaa rautalankaa tämmöselle pässille!

Tosiaan lukion fysiikan säteilykurssilla käsitellään ainoastaan noita elektronisia energioita ja niihin liittyviä muutoksia. Ja niitäkin vain kaasumaisten aineiden kohdalla. Kiinteiden ja nestemäisten aineiden kohdalla tyydytään vain toteamaan, että niiden spektrin jatkuvuus aiheutuu niissä olevien rakenneosien välisistä vuorovaikutuksista ja niihin liittyvistä virityksistä. Luulen, että sain tuosta viimeisestä viestistäsi kaiken mitä tulin hakemaan ja vähän enemmänkin! :)

Eipä kestä - enkä käyttäisi sanaa pässi kuvaamaan henkilöä, joka haluaa oppia lukion oppimäärää syvällisemmin näitä asioita ;)  Minunkin vastaukseni molekyylien energioista ja niiden eri tyypeistä liittyi lähinnä kaasumaisen aineen tapaukseen, jolloin molekyylien energiaa voidaan tarkastella yksittäin. Kiinteässä ja nestemäisessä olomuodossa rakenneyksiköiden väliset vuorovaikutukset todellakin johtavat siihen, että mahdollisia energiatasoja syntyy paljon lisää vieri viereen ja ne lähes sulautuvat yhteen energiavöiksi. Näin ollen spektreistäkin tulee jatkuvia "vyöspektrejä".

In so far as quantum mechanics is correct, chemical questions are problems in applied mathematics. -- H. Eyring

Suosituimmat

Uusimmat

Sisältö jatkuu mainoksen alla

Uusimmat

Suosituimmat