BÖLÜM 5 ISI, SICAKLIK ve TERMODİNAMİK

•Termal
Genleşme
•İdeal Gazlar
•Isı
•Termodinamiğin 1. Yasası
•Entropi ve Termodinamiğin 2. Yasası

Sıcaklık, bir gaz molekülünün kütle merkezi
hareketinin ortalama kinetic enerjisinin bir
ölçüsüdür. Sıcaklık, termometre ile ölçülür.
Çeşitli sıcaklık eşellerinde ayarlanabilen
birçok termometre vardır. Bunlardan üçü
aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Bu üç
sıcaklık eşeli arasındaki bağıntı,


Bir termometreyi bir cisme değdirdiğimiz zaman, termometre
kısa bir süre sonra cismin sıcaklığını veren sabit bir değere
ulaşır. Bu durumda cismin ve termometrenin birbiriyle termal
(ısıl) dengede olduğu söylenir. Yani aynı sıcaklıkta olan cisimler
termal dengededir. Bu Termodinamiğin 0. (sıfırıncı) yasasını ifade
eder:
“Bir üçüncü sistemle ayrı ayrı ısıl dengede olan iki sistem
birbiriyle ısıl dengededir”
T(A)=T(C) ve T(B)=T(C)
T(A)=T(B)

Bütün maddeler, ısıtıldığı zaman genişler
soğutulduğu zaman ise büzüşür. Katı bir
maddenin sıcaklığı T kadar değişirse, L
uzunluğundaki artış yani yeni boyunda
meydana gelen artış ilk boyu L0 ile T’nin
çarpımıyla orantılıdır:
L= L0 T

, boyca genleşme katsayısıdır.
L= L0 T

Sıcaklığı T kadar değiştiği zaman bir A0
alanı, A0+A’ya genişlerse, o zaman
A= A0 T
şeklinde olur.
Burada  yüzey genleşme katsayısıdır. İzotropik
katılar için =2’dır.
A= A0 T

Bir maddenin sıcaklığını T kadar değiştiği
zaman bir V0 hacmi V kadar değişirse, o
zaman
V= V0 T
olur. , hacimce genleşme katsayısıdır.
İzotropik katılar için =3’dır.
V= V0 T

İdeal gaz, karşılıklı etkileşmeleri hemen hemen
önemsenmeyecek kadar küçük olan moleküllerin
gazıdır. Bir V hacmindeki bir gazın mol sayısı (n)’nın
mutlak basıncı, mutlak sıcaklık ile ilişkilidir:
PV=nRT

Burada R=8,31 J/mol.K olan evrensel gaz sabitidir.
Sıcaklık ise T(Kelvin)=TC+273 ile verilmektedir. n ise
mol sayısı olup bir maddenin kütlesinin (m) molar
ağırlığına (M) oranıdır. Bütün şartlar altında PV=nRT
hal denklemine uyan bir gaza ideal gaz denir. P, V ve
T niceliklerine bir sistemin termodinamik değişkenleri
denir.
n, T = sabit
n, P = sabit
n, V = sabit
PV=sabit (Boyle Yasası)
V/T=sabit (Charles Yasası)
P/T=sabit (Guy-Lussac Yasası)

Bir kap içindeki bir gaz karışımının basıncının,
gazların yalnız başlarına kabı doldurdukları
zaman yapacakları basınç toplamına eşittir:
P=PA+PB+PC+...=(nA+nB+nC+...)RT/V








Termal (ısıl) enerji, parçacıklardan(elektron, iyon, atom ve
moleküller) oluşanbir sistemin rastgele kinetik enerjisidir. Isı,
maddenin tüm atom veya moleküllerinin potansiyel ve kinetic
enerjilerinin toplamıdır. Isı ile ilgili bir takım özellikleri şöyle
sıralayabiliriz:
Isı bir enerji (iç enerji) şeklidir.
İç enerji, kinetic ve potansiyel enerjinin toplamıdır ve Q harfi ile
gösterilir.
Birimi, daha çok kalori ile ölçülür. 1 Cal=4,18 joule
Isı enerjisinin mekanik enerjiye dönüşüm değeri, mekanik
enerjinin ısı enerjisine dönüşüm değerine eşittir.
Isı, sıcaklığı yüksek olan sistemden daha düşük olan sisteme
doğru akar.
Sıcaklıkları farklı olan ve etkileşen iki system arasındaki ısı alış
verişi iki system ortak sıcaklığa gelinceye kadar surer.
Enerji korunumundan, alınan ısı verilen ısıya eşittir.

Isı aktarımı işleminde enerji, maddenin
rastgele hareket eden moleküllerinin
çarpışmasıyla aktarılır. Yüksek sıcaklıktaki
uçta bulunan moleküller düşük sıcaklıktaki
moleküllere gore daha hızlı hareket ederler.
Çarpışmayla birlikte, yavaş moleküller enerji
kazanacak ve hızlı moleküller enerji
kaybedeceklerdir. Bu çarpışmaların ortalaması
alındığında bu sıcaklık farkından dolayı net
bir ısı aktarımı vardır. Isı aktarımı üç şekilde
gerçekleşir: İletim, Dolaşım ve Işınım.

İki sistem arasındaki ısı aktarımı bağlayıcı bir
ortam aracılığıyla olur. Isınan madde
taneciklerinin titreşimleriyle birbirlerine
iletilmesidir. Örneğin, yalıtılmış bir ortamda
birbirine dokundurulan farklı sıcaklıktaki iki
metalin zamanla aynı denge sıcaklığına
gelmesi.

Enerji, maddenin makroskopik hareketiyle
dolaşım akımı şeklinde olur. Örneğin, bir
odada yanan bir sobadan çıkan ısının tüm
odayı ısıtması.

Isının elektromanyetik dalgalar halinde
yayılmasıdır. Örneğin, güneşin dünyamızı
ısıtması.

Katı bir cismin ısı alarak
sıvı hâle geçmesine
“erime”, sıvı bir cismin ısı
vererek katı hâle
geçmesine “donma”
denir. Diğer hâller ile
ilgili durumlar şekilde
görülmektedir. Erime
noktası, donma noktası,
kaynama noktası ve
yoğunlaşma noktası katı
sıvı ve gazlar için
ayırtedici özelliklerdir.

Bir sistemden içeri veya dışarı ısı aktarımını
içeren enerjinin korunumunun bir ifadesidir:
Q=U+W=U+PV



Q pozitifse sisteme ısı verilir
W pozitifse sistem tarafından iş yapılır
Pozitif W, her zaman hacimde bir genleşmeyi
gösterir, negative iş ise sıkışma ve system
üzerinde bir dış kuvvtin iş yaptığı anlamına gelir





Bir nicelik sabit kalırken meydana gelir. Bu
değişimler,
İzobarik (sabit basınç)
Q=U+PV
İzovolumetrik (sabit hacim)
Q=U
(W=0)
İzotermal (sabit sıcaklık)
Q=W
(U =0)
(38)
Adyabatik (sistem ve çevresinde ısı transferi
yok)
U=-W
Entropi (s)

Bir termodinamik durum fonksiyonudur ve
herhangi bir durumun olma olasılığı  cinsinden
s=k ln 
olur. Burada k Boltzman sabitidir. Sisteme ısı
verildikçe entropi artar, sistemden ısı alındıkça
entropi azalır. Eş sıcaklıklı bir işlemde entropi
değişimi
s=Q / T
ile verilir. Entropi, düzensizliğin bir ölçüsüdür.




Isı transferi, daima yüksek sıcaklıktan düşük
sıcaklığa doğru akar.
Yalıtılmış bir sistem, maksimum düzensizliğe
sahip olan bir durumu tercih eder. Bu aynı
zamanda olasılığın maksimum olduğu
durumdur.
Yalıtılmış bir system değişime uğradığında,
sistemin entropisindeki değişim sıfırdan
büyük ya da sıfır olur.
Bir ısı makinesinin ısıl enerjiyi %100 verimle
işe çevirmesi mümkün değildir