If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Bağlandığınız bilgisayar bir web filtresi kullanıyorsa, *.kastatic.org ve *.kasandbox.org adreslerinin engellerini kaldırmayı unutmayın.

Ana içerik

Isı ve Sıcaklık

Termodinamikte ısı ne anlama gelir ve ısı kapasitesini kullanarak ısıyı nasıl hesaplayabiliriz?

Önemli noktalar

  • Isı (start text, q, end text), temas içinde olan daha sıcak bir sistemden daha soğuk bir sisteme transfer edilen ısı enerjisidir.
  • Sıcaklık, sistemdeki atom veya moleküllerin ortalama kinetik enerjisinin ölçümüdür.
    • Termodinamiğin sıfırıncı yasasına göre, termal dengede olan iki cisim arasında herhangi bir ısı transferi gerçekleşemez; bu nedenle, bu iki cismin sıcaklıkları aynıdır.
  • Ortaya çıkan ya da soğurulan ısıyı, denklemdeki özgül ısı kapasitesini (start text, C, end text), maddenin kütlesini (start text, m, end text) ve sıcaklıktaki değişimi (delta, start text, T, end text) kullanarak hesaplayabiliriz:
start text, q, end text, equals, start text, m, end text, times, start text, C, end text, times, delta, start text, T, end text

Termodinamikte ısı

Bir fincan kahvenin mi yoksa bir bardak soğuk çayın mı ısısı daha fazladır? Üzgünüm ancak, kimya dersinde olsaydık, ki öyleyiz, bu aslında şaşırtmalı bir soru olurdu. Termodinamikte kullanılan ısı kavramının, günlük hayatımızda sıklıkla kullandığımız ısı kelimesinin anlamından faklı bir anlamı vardır. Bilim insanları ısıyı temas halinde olan farklı sıcaklıklardaki iki sistem arasında aktarılan ısı enerjisi olarak tanımlarlar. Isı q ya da Q sembolü ile yazılır ve birimi de Jul'dür (start text, J, end text).
Aynalı bir yüzey üzerindeki bir su birikintisi içerisinde erimekte olan üç buz küpü.
Çevresinden, buza ısı transferi gerçekleşir ve buz, su haline geçer. Buz küplerine ait bir fotoğraf from flickr, CC BY 2.0.
Isı, enerjinin aktarıldığı süreçler bağlamında tanımlandığı için zaman zaman süreç miktarı olarak da adlandırılır. Bir fincan kahvenin sahip olduğu ısıdan değil ancak, kahve fincanından elimize aktarılan ısıdan bahsederiz. Ek olarak, bir sisteme aktarılan ısı sonucu ortaya çıkan sıcaklık değişiminin, sistemde kaç tane molekül bulunduğuna bağlı olmasından dolayı, ısının, miktara bağlı bir özellik olduğunu da söyleyebiliriz.

Isı ve sıcaklık arasındaki ilişki

Isı ve sıcaklık birbirleriyle alakalı olmalarına rağmen aslında farklı kavramlardır. Öncelikle, birimlerinin farklı olduğuna dikkatinizi çekmek istiyoruz: sıcaklık için tipik olarak derece Selsiyus (degrees, start text, C, end text) ya da Kelvin (start text, K, end text) birimlerini, ısı için de tipik olarak bir enerji birimi olan Jul (start text, J, end text) kullanılır. Sıcaklık, sistemdeki atom ya da moleküllerin ortalama kinetik enerjisinin ölçümüdür. Bir fincan sıcak kahvenin içinde bulunan su moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri ve dolayısıyla hızları, bir fincan soğuk çayda bulunan su moleküllerinden ortalama kinetik enerjilerinden daha yüksektir. Sıcaklık, her bir molekül aynı sıcaklıkta olduğu sürece, elimizdeki maddenin miktarına bağlı değişen bir özellik değildir. Kimyagerler bu yüzden saf maddeleri belirlemek için erime noktasını yani bir maddenin erimeye başladığı sıcaklığı, kullanırlar ve bu özellik, maddenin kütlesine bağlı değişebilen bir özellik değildir.
Bir cismin içindeki moleküller, atom düzeyinde, sürekli olarak hareket eder ve birbirleri ile çarpışırlar. Moleküller her çarpıştıklarında, kinetik enerji transfer edilir. İki sistem temas halinde olduğunda, ısı, daha sıcak olan sistemden daha soğuk olan sisteme moleküler çarpışmalar aracılığıyla transfer edilir. Isı enerjisi, iki cisim de aynı sıcaklığa ulaşana kadar, sıcak cisimden soğuk cisme doğru akmaya (transfer edilmeye) devam eder. Temas halindeki iki sistem aynı sıcaklığa ulaştığında, termal dengede (ısı dengesinde) olduklarını söyleyebiliriz.

Termodinamiğin sıfırıncı yasası: Isı dengesini tanımlayalım

Termodinamiğin sıfırıncı yasası, yalıtılmış bir sistemdeki ısı dengesini tanımlar. Sıfırıncı yasaya göre, ısı dengesinde olan iki cisim temas halinde olduğunda cisimler arasında net ısı transferi gerçekleşmez ve bu sebeple cisimlerin sıcaklıkları aynıdır. Sıfırıncı yasayı, iki cismin de ayrı olarak üçüncü bir cisimle ısı dengesinde olmasının, cisimlerin birbiri ile de ısı dengesinde olması olarak da ifade edebiliriz.
Sıfırıncı yasa, cisimlerin sıcaklıklarını ölçebilmemizi sağlar. Termometreyi her kullanışımızda, termodinamiğin sıfırıncı yasasını kullanmış oluruz. Bir benmarinin sıcaklığını ölçtüğümüzü farz edelim. Gösterge değerinin doğru olduğundan emin olmak için, genellikle gösterge değerinin sabit kalmasını beklemek isteriz. Bu, termometrenin ve suyun ısı dengesine ulaşmasını beklediğimiz anlamına gelir! Isı dengesinde, termometre haznesinin ve benmarinin sıcaklığı aynı olaur ve bir cisimden, diğerine net ısı transferi gerçekleşmez (bu esnada sistemin çevresine ısı kaybetmediğini varsayıyoruz).

Isı kapasitesi: Isıyı kullanarak sıcaklıktaki değişimi bulabilir miyiz?

Isıyı nasıl ölçebiliriz? Isıya dair şu ana kadar öğrendiklerimizi şu şekilde listeleyebiliriz:
  • Bir sistem ısıyı soğurduğunda (aldığında) ya da kaybettiğinde, moleküllerin ortalama kinetik enerjisi değişecektir. Bu da, ısı aktarımının, sistem bir hal değişimine uğramadığı müddetçe, sistemin sıcaklığında bir değişime sebep olacağı anlamına gelir.
  • Bir sisteme verilen ya da sistemden alınan ısı sebebiyle ortaya çıkan sıcaklık değişimi, sistemde ne kadar molekül bulunduğuna bağlıdır.
Bir sistemin sıcaklığındaki değişimi ölçmek için termometre kullanabiliriz. Peki, verilen ya da alınan ısıyı hesaplamak için sıcaklıktaki değişimi nasıl kullanabiliriz?
Bir sisteme aktarılan ısının, sistemin sıcaklığını nasıl değiştireceğini bulmak için, en az aşağıdaki 2 şeyi bilmemiz gerekir:
  • Sistemdeki moleküllerin sayısı
  • Sistemin ısı kapasitesi
Isı kapasitesi (ısı sığası olarak da adlandırılır), bize, madde hal değiştirmediği müddetçe, bir maddenin sıcaklığını değiştirmek için ne kadar enerji gerektiğini verir. Isı kapasitesi, iki şekilde kullanılır: Özgül ısı kapasitesi (özgül ısı olarak da adlandırılır ve start text, c, end text veya start text, C, end text sembolüyle gösterilir), bir gram maddenin sıcaklığını 1, space, degrees, start text, C, end text veya 1, start text, K, end text yükseltmek için gereken enerji miktarıdır. Özgül ısı kapasitesi için genelikle start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, g, r, a, m, end text, dot, start text, K, end text, end fraction birimi kullanılır. Molar ısı kapasitesi (start text, C, end text, start subscript, start text, m, end text, end subscript veya start text, C, end text, start subscript, start text, m, o, l, end text, end subscript) ise, bir mol maddenin sıcaklığını 1, space, degrees, start text, C, end text veya 1, start text, K, end text yükseltmek için gereken ısı enerjisi miktarını ölçer ve start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, dot, start text, K, end text, end fraction birimini kullanır. Örneğin, kurşunun ısı kapasitesi, özgül ısı kapasitesi (0129, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, g, end text, dot, start text, K, end text, end fraction) veya molar ısı kapasitesi (26, comma, 65, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, m, o, l, end text, dot, start text, K, end text, end fraction) kullanılarak ifade edilebilir.

Isı kapasitesini kullanarak start text, q, end text'yu hesaplayalım

Aşağıdaki denkleme göre, bir maddenin yaydığı ya da soğurduğu ısıyı hesaplamak için ısı kapasitesini kullanabiliriz:
start text, q, end text, equals, start text, m, end text, times, start text, C, end text, times, delta, start text, T, end text
burada, start text, m, end text, maddenin gram cinsinden kütlesini; start text, C, end text, özgül ısı kapasitesini ve delta, start text, T, end text de ısı transferi süresinde ortaya çıkan sıcaklık değişimini ifade eder. Kütle ve özgül ısı kapasitesinin her ikisinin de yalnızca pozitif değerler alabileceğine dikkatinizi çekmek istiyoruz. Bu nedenle start text, q, end text'nıun işareti, delta, start text, T, end text'nin işaretine bağlı olur. Aşağıdaki denklemi kullanarak delta, start text, T, end text'yi hesaplayabiliriz:
delta, start text, T, end text, equals, start text, T, end text, start subscript, start text, s, o, n, end text, end subscript, minus, start text, T, end text, start subscript, start text, i, l, k, end text, end subscript
burada, start text, T, end text, start subscript, start text, s, o, n, end text, end subscript ve start text, T, end text, start subscript, start text, i, l, k, end text, end subscript'nin birimlerispace, degrees, start text, C, end text ya da start text, K, end text olabilir. Bu denkleme göre, eğer start text, q, end text pozitif ise (yani sistemin enerjisi artıyorsa), sistemin sıcaklığı artar ve start text, T, end text, start subscript, start text, s, o, n, end text, end subscript, is greater than, start text, T, end text, start subscript, start text, i, l, k, end text, end subscript olur. Eğer start text, q, end text negatif ise (yani sistemin enerjisi azalıyorsa), o zaman sistemimizin sıcaklığı düşer ve start text, T, end text, start subscript, start text, s, o, n, end text, end subscript, is less than, start text, T, end text, start subscript, start text, i, l, k, end text, end subscript olur.

Örnek problem: Bir fincan çayı soğutalım

Farz edelim ki, elimizde 250, start text, m, L, end text sıcak çay var ve içmeden önce soğumasını istiyoruz. Çayın sıcaklığı şu an 370, start text, K, end text, biz ise 350, start text, K, end text'ye düşmesini istiyoruz. Çayı soğutmak için çaydan çevresine ne kadar ısı enerjisi transfer edilmelidir?
Beyaz bir çay fincanındaki bir dilim limonlu siyah çay.
Sıcak çay soğurken çevresine ısı transfer eder. Fotoğraf, Photozou, CC BY-NC-ND 2,5
Çayın çoğunlukla su olduğunu varsayıp, hesaplamalarımızda suyun yoğunluğu ve ısı kapasitesini kullanacağız. Suyun özgül ısı kapasitesi 4, comma, 18, start fraction, start text, J, end text, divided by, start text, g, end text, dot, start text, K, end text, end fraction, suyun yoğunluğu ise 1, comma, 00, start fraction, start text, g, end text, divided by, start text, m, L, end text, end fraction'dır. Aşağıdaki adımları uygulayarak çayın soğuma sürecinde transfer edilen enerjiyi hesaplayabiliriz:

1. Maddenin kütlesini hesaplayalım

Suyun hacmini ve yoğunluğunu kullanarak çayın/suyun kütlesini hesaplayabiliriz:
start text, m, end text, equals, 250, start cancel, start text, m, L, end text, end cancel, times, 1, comma, 00, start fraction, start text, g, end text, divided by, start cancel, start text, m, L, end text, end cancel, end fraction, equals, 250, start text, g, end text

2. Sıcaklık değişimini (delta, start text, T, end text) bulalım

İlk ve son sıcaklık değerlerinden yararlanarak, sıcaklık değişimini (delta, start text, T, end text) hesaplayabiliriz:
ΔT=TsonTilk=350K370K=20K\begin{aligned}\Delta \text T&=\text T_{\text{son}}-\text T_{\text{ilk}}\\ \\ &=350\,\text K-370\,\text K\\ \\ &=-20\,\text K\end{aligned}
Çayın sıcaklığı düştüğü ve delta, start text, T, end text negatif olduğu için, sistemimiz ısı enerjisi kaybediyordur ve bunun sonucu olarak da, start text, q, end text'nun da negatif olmasını bekleriz.

3. start text, q, end text'yu bulalım

Şimdi de ısı denklemini kullanarak, sıcak çaydan çevresine aktarılan (transfer edilen) ısıyı bulabiliriz:
q=m×C×ΔT=250g×4,18JgK×20K=21000J\begin{aligned}\text q &= \text {m} \times \text C \times \Delta \text T\\ &=250\,\cancel{\text g} \times4,18\,\dfrac{\text J}{\cancel{\text g} \cdot \cancel{\text K}} \times -20\,\cancel{\text K}\\ &=-21000\,\text J\end{aligned}
O halde, çay 370, start text, K, end text'dan 350, start text, K, end text'ya soğuduğunda, çevresine 21000, start text, J, end text enerji transfer eder diyebiliriz.

Sonuçlar

Termodinamikte ısı ve sıcaklık, belirli tanımları olan ancak birbiri ile yakından ilişkili kavramlardır.
  • Isı (start text, q, end text), temas içinde olan daha sıcak bir sistemden daha soğuk bir sisteme transfer edilen ısı enerjisidir.
  • Sıcaklık, sistemdeki atom veya moleküllerin ortalama kinetik enerjisinin ölçümüdür.
    • Termodinamiğin sıfırıncı yasasına göre, termal dengede olan iki cisim arasında herhangi bir ısı transferi gerçekleşemez; bu nedenle, bu iki cismin sıcaklıkları aynıdır.
  • Ortaya çıkan ya da soğurulan ısıyı, denklemdeki özgül ısı kapasitesini (start text, C, end text), maddenin kütlesini (start text, m, end text) ve sıcaklıktaki değişimi (delta, start text, T, end text) kullanarak hesaplayabiliriz:
start text, q, end text, equals, start text, m, end text, times, start text, C, end text, times, delta, start text, T, end text