Sıcaklıklar
eşitlenince
her şey durur
Çayına buz attığında ikisi de bir yerde buluşur. Ama tam olarak nerede? Ortada değil — ısı sığası büyük olanın tarafına yakın bir yerde. Bu ünite, o noktayı bulmanın hesabı.
İki sistem arasında ısıl temas olduğunda, sıcaklığı yüksek olan sistemden düşük olan sisteme doğru ısı transferi gerçekleşir. Bu süreçte, sıcaklıklar arasındaki fark azalıp sonunda ısı alışverişi sıcaklıklar eşitlendiğinde durur. İşte bu noktada sistemler ısıl dengeye ulaşmış olur.
Isıca yalıtılmış bir ortamda, sıcaklıkları farklı iki cisim birbiriyle temas etmese bile enerji alışverişi gerçekleşir.
Isıca yalıtılmış bir ortamda, termal temas hâlinde bulunan cisimlerin sıcaklıkları eşitse aralarında ısı alışverişi olmaz.
Isı veren maddenin iç enerjisi azalır, ısı alan maddenin iç enerjisi artar. Denge kurulana kadar bir taraf enerji kaybeder, diğeri kazanır; toplam ise korunur.
Sıcaklık farkı olan cisimler birbirleriyle temas ettiğinde, sıcaklığı yüksek olan cisimden düşük olan cisme doğru ısı geçişi olur. Yani sıcak cisim ısı verirken, soğuk cisim bu ısıyı alır. Bu durumda alınan ısı miktarı, verilen ısı miktarına eşittir.
Hâl değişimi yoksa her iki taraf da Q = m·c·ΔT = C·ΔT ile hesaplanır. Soğuk cismin sıcaklık artışı ile sıcak cismin sıcaklık düşüşü buradan bulunur.
Isıca yalıtılmış ortamda sıcaklıkları T₁ > T₂ olan iki cisim temas ettiğinde her ikisi de Tdenge sıcaklığına gelir. Sıcak cisim (T₁ − Td) kadar soğur, soğuk cisim (Td − T₂) kadar ısınır.
Bu denklemden Td çekilir. C = m·c olduğu için aynı denklem m₁·c₁·(T₁ − Td) = m₂·c₂·(Td − T₂) biçiminde de yazılabilir.
Dondurma, oda sıcaklığındaki bir ortama bırakıldığında, çevresinden ısı alarak erir. Bu süreçte dondurma erirken, çevresindeki hava veya diğer cisimlerin sıcaklığı düşer. Isı alışverişi, dondurma tamamen eriyene kadar devam eder çünkü dondurma erime işlemi sırasında çevresinden sürekli olarak ısı almaya devam eder. Ancak dondurmanın tamamen erimesi ve sıcaklık farkının ortadan kalkmasıyla birlikte cisimler ısıl dengeye ulaşır ve ısı alışverişi durur.
Isı alışverişi sırasında hâl değişimi yoksa denge sıcaklığı (Tdenge) maddelerin ilk sıcaklıkları (T₁ ve T₂) arasında bir değer alır: T₁ > Tdenge > T₂. Peki tam olarak nerede? Aşağıdaki tezgâhta ısı sığalarını oynat ve gör.
X cismi: kütlesi 2m, öz ısısı 4c, sıcaklığı TX · Y cismi: kütlesi 3m, öz ısısı c, sıcaklığı TY
Buna göre CX > CY'dir.
X sıcak, Y soğuk cisimdir.
Eğer iki cismin ısı sığası eşit olsaydı X ve Y cisimlerinin denge sıcaklığı ilk sıcaklıklarının ortalaması olan (TX + TY) / 2 olacaktı.
Ancak CX > CY olduğundan denge sıcaklığı, ısı sığası daha büyük olan X cisminin sıcaklığına daha yakın olacaktır.
Isı sığası büyük olan cisim, aynı miktar ısı alıp verdiğinde daha az sıcaklık değiştirir (ΔT = Q/C). Bu yüzden denge kurulurken o cisim yerinden az kımıldar, karşı taraf ise büyük bir sıcaklık değişimi yaşar. Sonuç: denge sıcaklığı ısı sığası büyük olanın sıcaklığına yakın çıkar.
Isı alışverişi sırasında hâl değişimi yoksa denge sıcaklığı, maddelerin ilk sıcaklıkları arasında bir değer alır.
Maddelerden biri ya da ikisi hâl değişimi sıcaklığında ise denge sıcaklığı maddelerin ilk sıcaklıklarına eşit olabilir.
Çünkü hâl değişimi sırasında verilen ısı sıcaklığı değiştirmez; madde ısı alsa bile sıcaklığı sabit kalabilir.
Verilen durumda ısı akışının yönünü ya da denge sıcaklığının nerede oluşacağını seç.
Isıl denge, farkında olmadan günde onlarca kez şahit olduğun bir süreç.
Buz ısı alarak erir, çay ısı vererek soğur. Alınan ısı, verilen ısıya eşittir. Buzun tamamı erimeden bardağın sıcaklığı 0 °C'te takılı kalabilir — çünkü maddelerden biri hâl değişimi sıcaklığındaysa denge sıcaklığı ilk sıcaklıklara eşit olabilir.
Dondurma çevresinden ısı alarak erir ve bu sırada çevresindeki havanın sıcaklığı düşer. Isı alışverişi dondurma tamamen eriyene kadar sürer; sıcaklık farkı ortadan kalkınca cisimler ısıl dengeye ulaşır ve alışveriş durur.
Termometre vücudunun sıcaklığını ancak onunla ısıl dengeye geldiğinde doğru gösterir. Erken çıkarırsan düşük okursun. Ölçüm dediğimiz şey aslında denge sıcaklığını okumaktır.
Termos, içindeki çayın odayla ısıl dengeye gelmesini geciktirmek için tasarlanır. Dengeyi engelleyemezsin, sadece yavaşlatırsın: yeterince beklersen termostaki çay da oda sıcaklığına iner.
Bir bardak sıcak suya bir damla soğuk su eklersen sonuç neredeyse sıcak suyun sıcaklığıdır. Denge sıcaklığı, ısı sığası daha büyük olan cismin sıcaklığına daha yakın olur. Isı sığaları eşit olsaydı sonuç tam ortalama olurdu.
Denize girdiğinde vücudun ısı verir, su ısı alır; ilk anda hissettiğin soğukluk bu enerji transferidir. Bir süre sonra "alışırsın" — cildinin sıcaklığı ile su arasındaki fark azaldığı için transfer yavaşlar.
Isıca yalıtılmış bir ortamda, sıcaklıkları farklı iki cisim birbiriyle temas etmese bile enerji alışverişi gerçekleşir. Kapalı bir kutuda yan yana duran sıcak ve soğuk iki cisim, birbirine değmeden de dengeye gelir.
Isı veren maddenin iç enerjisi azalır, ısı alan maddenin iç enerjisi artar. Ilıyan çorbanın kaybettiği enerji yok olmadı; kaşığa, kaba ve odaya dağıldı.
Hâl değişimi yoksa T₁ > Tdenge > T₂'dir. Şıkta ilk sıcaklıklardan büyük ya da küçük bir denge sıcaklığı görürsen hesabı yapmadan eleyebilirsin — soğuk cisim, sıcak cismin ilk sıcaklığını geçemez.
30 sorudan oluşan bu test ile "Isıl Denge" ünitesini ne kadar kavradığını gör. Her sorudan sonra anında geri bildirim alacaksın.
İki sistem arasında ısıl temas olduğunda sıcak olandan soğuk olana ısı akar; sıcaklıklar eşitlendiğinde sistemler ısıl dengeye ulaşır.
Isıl dengeye ulaşan cisimlerin son sıcaklıkları birbirine eşittir ve bu sıcaklığa denge sıcaklığı denir.
Sıcak cisim ısı verirken soğuk cisim bu ısıyı alır; alınan ısı miktarı verilen ısı miktarına eşittir.
Hâl değişimi yoksa denge sıcaklığı, maddelerin ilk sıcaklıkları arasında bir değer alır.
Maddelerden biri ya da ikisi hâl değişimi sıcaklığında ise denge sıcaklığı maddelerin ilk sıcaklıklarına eşit olabilir.
CX > CY ise denge sıcaklığı X cisminin sıcaklığına daha yakın olur. Isı sığaları eşitse tam ortalamadır.
Isı veren maddenin iç enerjisi azalır, ısı alan maddenin iç enerjisi artar.
Isıca yalıtılmış bir ortamda sıcaklıkları farklı iki cisim birbiriyle temas etmese bile enerji alışverişi gerçekleşir.
Isıca yalıtılmış ortamda termal temas hâlindeki cisimlerin sıcaklıkları eşitse aralarında ısı alışverişi olmaz.