Energia, työ ja lämpö

Yksinkertaisimmillaan fysiikka kuvaa yksittäisen jäykän kappaleen liikettä. Liike muuttuu vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa ja fysiikan mallien avulla liikettä voidaan ennustaa hyvinkin tarkasti. Sama pätee yksittäisen hiukkasen liikkeeseen, hiukkasfysiikan teorioiden ennusteet ovat uskomattoman tarkkoja.

Jos kaiken aineen kuvitellaan koostuvan hiukkasista, voisi siten ajatella fysiikan pystyvän ennustamaan kaikenlaisten systeemien kehitystä ajan kuluessa hyvällä tarkkuudella. Mihin enää tarvitaankaan muita tieteitä, jos kaikki on pohjimmiltaan fysiikkaa ja fysiikka kuvaa kaikkea?

Käy kuitenkin niin, että kahden kappaleen (tai hiukkasen) liikkeen ennustaminen vielä onnistuu, mutta jo kolmen kappaleen kanssa alkaa tulla ongelmia. Kappaleiden välisten vuorovaikutusten määrä kasvaa nopeasti kappaleiden lukumäärän mukana ja jokaisen yksittäisen kappaleen liikkeen ennusteisiin liittyvät epävarmuudet kertautuvat. Monen hiukkasen järjestelmistä tulee nopeasti kaoottisia, jolloin niiden kehitystä ei enää osata ennustaa kovinkaan pitkälle tulevaisuuteen.

Aineen ominaisuuksien tarkastelua sen rakenneosasten tasolla kutsutaan mikroskooppiseksi kuvaukseksi. Makroskooppinen kuvaus taas tarkastelee suuren hiukkasjoukon keskimääräisiä ominaisuuksia. Osaamme esimerkiksi ennustaa taivaankappaleiden liikkeitä varsin hyvin ottamatta millään tavalla kantaa jokaisen yksittäisen atomin liikkeeseen.

Vesilasillisessa on suuruusluokaltaan noin 10²⁵ vesimolekyyliä. Tämän systeemin mikrotason mallintamiseen tarvittaisiin jokaisen molekyylin paikka ja nopeus erittäin suurella tarkkuudella - ja senkin jälkeen systeemin kehitys olisi erittäin herkkä näiden pienillekin alkuperäisille epätarkkuuksille. Edes supertietokoneet eivät pysty tähän, mutta se ei tarkoita sitä etteikö fysiikan avulla voisi ollenkaan ennustaa vesilasillisen ominaisuuksia.

Makrotasolla meitä voisi kiinnostaa esimerkiksi vesimolekyylien keskimääräinen nopeus ja sen kehitys. Tähän tarvitaan vain yhden suureen arvo ja siihen fysiikka kykenee. Keskimääräinen nopeus liittyy vesilasin lämpötilaan, joten se on itseasiassa jopa kotikonstein mitattavissa.

Systeemejä voi luokitella esimerkiksi sen mukaan miten ne vuorovaikuttavat ympäristönsä kanssa: ne voivat olla joko avoimia, suljettuja tai eristettyjä.

Vesilasi on esimerkki avoimesta systeemistä, joka voi vaihtaa ympäristönsä kanssa sekä energiaa (esimerkiksi lämpöä) että ainetta (esimerkiksi vesihöyryä). Jos lasi suljetaan kannella ja estetään siten aineen siirtyminen lasin ja ympäristön välillä, tulee systeemistä suljettu. Jos vielä energiankin siirtyminen saadaan estettyä esimerkiksi vaihtamalla lasi hyvään termosmukiin, on kyseessä eristetty systeemi.

Luonnossa systeemit ovat lähes aina avoimia, jos niitä katsotaan riittävän tarkasti. Täysin eristettyjä systeemejä taas on hankala löytää. Eristetyn systeemin mallintaminen on kuitenkin huomattavasti helpompaa kuin avoimen systeemin, joten useimmiten pyritään tutkimaan systeemejä, jotka ovat riittävän lähellä eristettyä, jotta eristetyn systeemin mallia voidaan käyttää.

Täysin eristetyn systeemin ongelma on myös se, ettei sen kanssa voi vuorovaikuttaa. Tämä taas tekee mittaamisesta ja siten fysiikasta mahdotonta.

Kiinteässä aineessa sidokset ovat voimakkaimmat. Esimerkiksi jäässä vesimolekyylit muodostavat jäykän säännöllisen hilan, jossa vierekkäiset molekyylit ovat kiinni toisissaan eivätkä molekyylit pääse liikkumaan toistensa suhteen. Kiinteille aineille tyypillistä onkin, että niiden muotoa on usein vaikea muuttaa - toisin kuin nesteet ja kaasut, kiinteät aineet voivat murtua.

Nesteissä rakenneosasten väliset sidokset ovat edelleen voimakkaat, mutta osaset eivät ole lukittuina paikalleen, vaan ne pääsevät liikkumaan toistensa suhteen. Esimerkiksi nestemäisessä vedessä molekyylit pääsevät liikkumaan vapaasti, mutta kullakin hetkellä toisiaan lähellä olevien molekyylien välillä on voimakkaat vetysidokset

Kaasuissa molekyylit pääsevät liikkumaan kaikkein vapaimmin ja rakenneosasten väliset sidokset ovat kaikkein heikoimmat. Osasten väliset etäisyydet ovat huomattavasti suuremmat kuin kiinteissä aineissa tai nesteissä, mistä samalla seuraa kaasujen suurempi tilavuus.

Myös muita olomuotoja on olemassa kuin nämä kolme. Esimerkiksi plasmassa aine ei enää muodostu atomeista, vaan atomiytimet ja elektronit ovat irtautuneet toisistaan. Tähdissä oleva aine on pääosin plasmaa ja siksi lopulta vain pieni osa kaikesta näkyvästä aineesta on meille tutuissa kolmessa olomuodossa.

Kun lämpötila kasvaa riittävän korkeaksi (normaalipaineessa nollaan celsiusasteeseen), on vesimolekyylien keskimääräinen lämpöliike riittävän suuri rikkomaan kiinteässä hilassa olevat sidokset ja vesi muuttuu nesteeksi. Nestemäisen veden lämpöenergiaa voidaan edelleen lisätä, kunnes sitä on riittävästi (normaalipaineessa sata celsiusastetta) ja vesi höyrystyy vesihöyryksi ja molekyylien väliset sidokset muuttuvat lähes olemattomiksi.

Nesteissä ja kaasuissa aineen lämpötila T voidaan liittää aineen rakenneosasten keskimääräiseen liike-energiaan, eli käytännössä niiden keskivauhtiin. Esimerkiksi huoneenlämpötilassa (20 ℃) ilmamolekyylien keskimääräinen vauhti on noin v ≈ 464 m/s. Nopeudesta puhuminen ei tarkalleen ottaen ole mielekästä, sillä molekyylit liikkuvat eri suuntiin (jos suuntajakauma on tasainen, on keskinopeus nolla, mutta keskivauhti nollasta poikkeava). Samalla käy selväksi, että lämpötila on olemassa vain suurelle joukolle hiukkasia, sillä se on hiukkasjoukon keskimääräinen ominaisuus. Lämpötilasta voidaan puhua vain makroskooppisissa systeemeissä, eikä yksittäisille hiukkasille voida määrittää lämpötilaa.

Kiinteissä aineissa lämpötilan määritteleminen keskimääräisen vauhdin avulla ei ole ihan yhtä yksinkertaista, mutta silloinkin sen voi ajatella vastaavan samassa lämpötilassa olevan kaasun tai nesteen molekyylien keskivauhtia.