Isı (Fizik): Tanım, Formül ve Örnekler

Herkes çok sıcak veya çok soğuk olma ya da sıcak bir günde güneşten gelen ısıyı hissetme kavramına aşinadır, ancak "ısı" kelimesi özellikle ne anlama geliyor? "Sıcak" bir şeyin özelliği mi? Sıcaklıkla aynı şey mi? Isının, fizikçilerin kesin olarak tanımladığı ölçülebilir bir nicelik olduğu ortaya çıktı.

Isı, bilim adamlarının farklı sıcaklıktaki iki malzeme arasında aktarılan enerji biçimi olarak adlandırdıkları şeydir. Bu enerji transferi, iki malzemede molekül başına ortalama translasyon kinetik enerjisindeki farklılıklar nedeniyle oluşur. Isı, ısıl dengeye ulaşılana kadar, sıcaklığı yüksek olan malzemeden daha düşük sıcaklığa sahip malzemeye akar. SI ısı birimi, 1 joule = 1 newton × metre olmak üzere joule'dür.

Bu enerji aktarımı gerçekleştiğinde neler olduğunu daha iyi anlamak için aşağıdaki senaryoyu hayal edin: İki farklı kap, her yerde zıplayan minik lastik toplarla doldurulur. Kaplardan birinde, topların ortalama hızı (ve dolayısıyla ortalama kinetik enerjileri), ikincideki topların ortalama hızından çok daha büyüktür. kap (her ne kadar herhangi bir bireysel topun hızı, herhangi bir zamanda herhangi bir şey olabilir, çünkü çok sayıda çarpışma, toplar arasında sürekli bir enerji transferine neden olur toplar.)

Bu kapları kenarları birbirine değecek şekilde yerleştirir ve içindekileri ayıran duvarları kaldırırsanız ne olmasını beklersiniz?

Birinci kaptaki toplar, ikinci kaptaki toplarla etkileşime girmeye başlayacaktır. Toplar arasında gittikçe daha fazla çarpışma meydana geldikçe, her iki kaptaki topların ortalama hızları yavaş yavaş aynı olur. Bu yeni dengeye ulaşılana kadar birinci kaptaki toplardan gelen enerjinin bir kısmı ikinci kaptaki toplara aktarılır.

Bu, farklı sıcaklıktaki iki nesne birbiriyle temas ettiğinde mikroskobik düzeyde olan şeydir. Daha yüksek sıcaklıktaki nesneden gelen enerji, ısı şeklinde daha düşük sıcaklıktaki nesneye aktarılır.

Sıcaklık, bir maddedeki molekül başına ortalama öteleme kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür. Konteyner içindeki top analojisinde, belirli bir kaptaki top başına ortalama kinetik enerjinin bir ölçüsüdür. Moleküler düzeyde, atomlar ve moleküller titreşir ve etrafta sallanır. Bu hareketi göremezsiniz çünkü çok küçük bir ölçekte gerçekleşir.

Ortak sıcaklık ölçekleri, Kelvin'in bilimsel standart olduğu Fahrenheit, Celsius ve Kelvin'dir. Fahrenheit ölçeği, Amerika Birleşik Devletleri'nde en yaygın olanıdır. Bu ölçekte su 32 derecede donar ve 212 derecede kaynar. Dünyanın birçok yerinde yaygın olan Celsius ölçeğinde su 0 derecede donar ve 100 derecede kaynar.

Ancak bilimsel standart Kelvin ölçeğidir. Kelvin ölçeğindeki bir artışın boyutu, Celsius ölçeğindeki bir derecenin boyutuyla aynı iken, 0 değeri farklı bir yerde ayarlanır. 0 Kelvin, -273,15 santigrat dereceye eşittir.

0 için neden bu kadar garip bir seçim? Görünüşe göre bu, Celsius ölçeğinin sıfır değerinden çok daha az garip bir seçim. 0 Kelvin, tüm moleküler hareketin durduğu sıcaklıktır. Teorik olarak mümkün olan en düşük mutlak sıcaklıktır.

Bu açıdan Kelvin ölçeği, Celsius ölçeğinden çok daha anlamlıdır. Örneğin, mesafenin nasıl ölçüldüğünü düşünün. 0 değerinin 1 m işaretine eşdeğer olduğu bir mesafe ölçeği oluşturmak garip olurdu. Böyle bir ölçekte, bir şeyin başka bir şeyin iki katı uzunluğunda olması ne anlama gelir?

Bir maddenin toplam iç enerjisi, tüm moleküllerinin kinetik enerjilerinin toplamıdır. Maddenin sıcaklığına (molekül başına ortalama kinetik enerji) ve maddenin toplam miktarına (molekül sayısı) bağlıdır.

Tamamen farklı sıcaklıklara sahipken iki nesnenin aynı toplam iç enerjiye sahip olması mümkündür. Örneğin, daha soğuk bir nesne, molekül başına daha düşük bir ortalama kinetik enerjiye sahip olacaktır, ancak moleküller büyükse, daha sıcak bir nesnenin aynı toplam iç enerjisine sahip olabilir. moleküller.

Toplam iç enerji ve sıcaklık arasındaki bu ilişkinin şaşırtıcı bir sonucu, büyük bir Bir buz bloğu, kibrit başı o kadar sıcak olsa da, yanan bir kibrit kafasından daha fazla enerji ile sonuçlanabilir. ateş!

Isı enerjisinin bir nesneden diğerine aktarıldığı üç ana yöntem vardır. Bunlar iletim, konveksiyon ve radyasyondur.

​İletimbirbirleriyle termal temas halindeki iki malzeme arasında doğrudan enerji transferleri olduğunda meydana gelir. Bu, bu makalenin önceki bölümlerinde açıklanan lastik top benzetmesinde gerçekleşen aktarım türüdür. İki nesne doğrudan temas halindeyken, enerji molekülleri arasındaki çarpışmalar yoluyla aktarılır. Bu enerji, termal denge sağlanana kadar, başlangıçta daha soğuk olan nesnenin geri kalanına temas noktasından yavaşça yol alır.

Bununla birlikte, tüm nesneler veya maddeler enerjiyi bu şekilde eşit derecede iyi iletmez. İyi termal iletkenler olarak adlandırılan bazı malzemeler, iyi termal yalıtkanlar olarak adlandırılan diğer malzemelere göre ısı enerjisini daha kolay aktarabilir.

Muhtemelen günlük yaşamınızda bu tür iletkenler ve yalıtkanlarla ilgili deneyiminiz olmuştur. Soğuk bir kış sabahında, çıplak ayakla karo zemine basmak halıya yalın ayak basmakla nasıl kıyaslanır? Muhtemelen halı bir şekilde daha sıcak gibi görünüyor, ancak durum böyle değil. Her iki zemin de muhtemelen aynı sıcaklıktadır, ancak karo çok daha iyi bir termal iletkendir. Bu nedenle ısı enerjisinin vücudunuzu çok daha hızlı terk etmesine neden olur.

​Konveksiyongazlarda veya sıvılarda meydana gelen bir ısı transferi şeklidir. Gazlar ve daha az ölçüde sıvılar, yoğunluklarında sıcaklıkla değişiklikler yaşarlar. Genellikle ne kadar sıcak olursa, o kadar az yoğun olurlar. Bu nedenle ve gazlar ve sıvılardaki moleküller serbestçe hareket edebildiğinden, alt kısım ısınırsa genleşecek ve dolayısıyla yoğunluğu düşük olduğu için yukarı çıkacaktır.

Örneğin ocağa bir kap su koyarsanız, tencerenin altındaki su ısınır, genişler ve soğuyan su alçaldıkça yukarıya doğru yükselir. Soğuyan su daha sonra ısınır, genişler ve yükselir ve böylece ısı enerjisinin karıştırma yoluyla sistem içinde dağılmasına neden olan konveksiyon akımları yaratır. sistem içindeki moleküllerin sayısı (moleküllerin hepsi aşağı yukarı aynı yerde dururken ileri geri sallanırken, her birine sıçrayan moleküllerin aksine) diğer.)

Konveksiyon, ısıtıcıların zemine yakın yerleştirildiğinde bir evi ısıtmak için en iyi şekilde çalışmasının nedenidir. Tavana yakın bir ısıtıcı, tavana yakın havayı ısıtır, ancak bu hava sabit kalır.

Isı transferinin üçüncü şekli,radyasyon. Radyasyon, enerjinin elektromanyetik dalgalar yoluyla aktarılmasıdır. Sıcak olan nesneler elektromanyetik radyasyon şeklinde enerji yayabilir. Örneğin, güneşten gelen ısı enerjisi Dünya'ya böyle ulaşır. Bu radyasyon başka bir nesneyle temas ettiğinde, o nesnedeki atomlar onu emerek enerji kazanabilir.

Aynı kütleye sahip iki farklı malzeme, aynı toplam enerjiye sahip olmalarına rağmen farklı sıcaklık değişimlerine uğrayacaktır.özgül ısı kapasitesi. Özgül ısı kapasitesi, söz konusu malzemeye bağlıdır. Tipik olarak bir malzemenin özgül ısı kapasitesinin değerini bir tabloda ararsınız.

Daha resmi olarak, özgül ısı kapasitesi, sıcaklığı bir santigrat derece yükseltmek için birim kütle başına eklenmesi gereken ısı enerjisi miktarı olarak tanımlanır. Spesifik ısı kapasitesi için SI birimleri, genellikle şu şekilde gösterilir:c, J/kgK'dır.

Şöyle düşünün: Tam olarak aynı ağırlıkta ve tam olarak aynı sıcaklıkta olan iki farklı maddeniz olduğunu varsayalım. Birinci maddenin öz ısı kapasitesi yüksek, ikinci maddenin öz ısı kapasitesi düşüktür. Şimdi her ikisine de tam olarak aynı miktarda ısı enerjisi eklediğinizi varsayalım. Birinci madde – ısı kapasitesi daha yüksek olan – ikinci madde kadar sıcaklıkta yükselmez.

Belirli bir miktarda ısı enerjisi aktarıldığında bir maddenin sıcaklığının nasıl değişeceğini etkileyen birçok faktör vardır. Bu faktörler, malzemenin kütlesini (daha küçük bir kütle, belirli bir miktarda eklenen ısı için daha büyük bir sıcaklık değişikliğine uğrayacaktır) ve özgül ısı kapasitesini içerir.c​.

Güç sağlayan bir ısı kaynağı varsaP, daha sonra eklenen toplam ısı bağlıdırPve zamant. Yani ısı enerjisiSeşit olacakP​ × ​t​.

Sıcaklık değişim oranı, dikkate alınması gereken bir başka ilginç faktördür. Nesneler sıcaklıklarını sabit bir oranda değiştirir mi? Değişim hızının, nesne ve çevresi arasındaki sıcaklık farkına bağlı olduğu ortaya çıktı. Newton'un soğuma yasası bu değişikliği açıklar. Bir nesne çevre sıcaklığına ne kadar yakınsa, dengeye o kadar yavaş yaklaşır.

Sıcaklık değişimini bir cismin kütlesi, özgül ısı kapasitesi ve eklenen veya çıkarılan ısı enerjisi ile ilişkilendiren formül aşağıdaki gibidir:

Ancak bu formül yalnızca, madde bir faz değişikliği geçirmiyorsa geçerlidir. Bir madde katıdan sıvıya veya sıvıdan gaza geçerken ona verilen ısı Bu faz değişikliğine neden olan kullanmak ve faz değişikliği gerçekleşene kadar bir sıcaklık değişikliğine neden olmaz. tamamlayınız.

Gizli füzyon ısısı olarak adlandırılan bir miktar,L_f, bir maddeyi katıdan sıvıya dönüştürmek için birim kütle başına ne kadar ısı enerjisi gerektiğini açıklar. Özgül ısı kapasitesinde olduğu gibi, değeri söz konusu malzemenin fiziksel özelliklerine bağlıdır ve genellikle tablolarda aranır. Isı enerjisini ilişkilendiren denklemSbir malzemenin kütlesinemve gizli füzyon ısısı:

Aynı şey sıvıdan gaza geçerken de olur. Böyle bir durumda, gizli buharlaşma ısısı olarak adlandırılan bir miktar,L_v, faz değişimine neden olmak için birim kütle başına ne kadar enerji eklenmesi gerektiğini açıklar. Ortaya çıkan denklem, alt simge dışında aynıdır:

İçsel enerjiEbir malzemedeki toplam iç kinetik enerji veya termal enerjidir. Moleküller arasındaki herhangi bir potansiyel enerjinin ihmal edilebilir olduğu bir ideal gaz varsayıldığında, aşağıdaki formülle verilir:

neredenmol sayısıdır,TKelvin cinsinden sıcaklık ve evrensel gaz sabitidir$= 8.3145 J/molK. Mutlak 0 K'da iç enerji 0 J olur.

Termodinamikte, iç enerjideki değişiklikler, aktarılan ısı ve bir sistem üzerinde veya sistem tarafından yapılan iş arasındaki ilişki şu şekilde ilişkilidir:

Bu ilişki termodinamiğin birinci yasası olarak bilinir. Özünde, enerjinin korunumu ifadesidir.