Isı, Mekanik İş ve İç Enerji

2.BÖLÜM: İÇ ENERJİ
Her sistemin ya da maddenin bir iç enerjisi vardır. Bu enerji sistemin sahip olduğu kinetik ve
potansiyel enerjileri toplamına eşittir. Bir sistemdeki tüm taneciklerin kinetik enerjileri ile taneciklerin
birbirleriyle etkileşimlerinden doğan potansiyel enerjilerinin toplamı sistemin iç enerjisidir. İç enerji “U”
ile gösterilir.
*Örneğin buzun erimesi sürecinde sistemin iç enerjisi artar(Endotermik Olay). Suyun katı hale
geçmesi sürecinde ise sistemin iç enerjisi azalır(Ekzotermik Olay).
ENERJİ: Yunancadan gelen bir terimdir. “İçteki iş anlamına gelir. Enerji iş yapabilme
kapasitesi olarak tanımlanabilir.
İŞ: Bir süreçten kaynaklanan enerji değişimi olarak tanımlanır.
ENERJİ ÇEŞİTLERİ:
KİNETİK ENERJİ: Hareketli bir cismin enerjisine denir. Maddeyi oluşturan taneciklerin,
yaptıkları titreşim, dönme ve öteleme hareketleri nedeni ile belli bir kinetik enerji değerine sahip
oldukları söylenebilir.
POTANSİYEL ENERJİ: Bir cismin konumundan dolayı sahip olduğu enerjidir. Potansiyel enerji
cisimler arasındaki itme ya da çekme kuvvetlerinden, konumundan ve bileşiminden ileri gelir.
Bu enerji türü, özellikle maddede hal değiştirirken değişir.
ELEKTRONİK ENERJİ: Isıtılan demir bir çubuğun akkorlaşıp çevreye ışın yayması olayında
gözlemleyebileceğimiz bu enerji, elektronların çekirdeğe göre olan konum ve hareketlerinden
kaynaklanan enerjidir. Bu enerji, maddelerin farklı renklerde görülmesine neden olan enerjidir.
ÇEKİRDEK ENERJİSİ: Çekirdekte bulunan protonların birbirine göre olan konum ve
hareketlerinden kaynaklanan enerjidir. Maddelerin bu enerji türünün değiştirilebilmesi için ortamdan
sisteme çok büyük enerji alınması ya da sistemden ortama çok büyük enerji verilmesi gerekir.
Sonuçta alınan veya verilen enerji, sistemin tüm enerji türlerini etkiler. Sistemin enerjisi, mikro
düzeydeki enerjilerin toplamına eşittir.
Utop = Utit + Uöte + Udön + Uelek + Uçek + Upot
Utop= sistemin toplam iç enerjisi
Uöte = öteleme enerjsi
Uelek = elektronik enerji
Utit = titreşim enerjisi
Udön = dönme enerjisi
Uçek = çekirdek enerjisi
Upot = potansiyel enerji
İç enerjiye, taneciklerin kinetik enerjileri (öteleme, dönme, titreşim hareketlerinden kaynaklı),
potansiyel enerjileri ile atomların çekirdek ve elektronik enerjileri katkı sağlar. Taneciklerin mikro
düzeydeki enerji türleri, taneciğin büyüklüğüne ve küresel, çizgisel ya da açısal olmasına göre değişir.
*He, Ne, Ar gibi tek atomlu gaz tanecikleri sadece “öteleme” hareketi yapar.
*N2, Cl2, HCl ve CO2 gibi çizgisel ya da H2O, NH3 ve CH4 gibi açısal moleküllerde “öteleme”, “dönme”
ve “titreşim” enerjileri de vardır.
*Asal gaz atomları, CO2, H2O, NH3 ve CH4 moleküllerine oranla daha fazla öteleme ve dönme
hareketi yapabilir.
Bir sistemin iç enerjisi tek başına ölçülemez. Sistemin farklı iki durumu arasındaki iç enerjiler
arasındaki fark ölçülebilir.
3.ISI VE İŞ
Kimyasal ve fiziksel değişmelerde ısı alışverişi yanında mekanik iş alışverişi de olur. Mekanik
işin ısıya, ısının da mekanik işe dönüşebileceğini ilk defa “Benjamin Thomson(Benjamin Tamsın)” ileri
sürmüştür. Isının, sürtünmeden ileri gelen kuvvetlerin ortaya çıkardığı bir iş olduğunu düşünmüştür.
Isı ve işin birbirine eşit olduğu ise ancak
1843 yılında “James Joule(Ceymıs Jul)”
tarafından doğrulanmıştır. Joule, şekildeki
düzenekte suyun ısındığını fark etmiş ve bu
ısınmanın sebebini mekanik enerjinin ısıya
dönüşmesiyle açıklamıştır. Yaptığı çalışmalarla
aynı miktardaki işin daima aynı miktarda ısıya
dönüştüğünü bulmuştur.
Isı ve işin her ikisi de sistemle ortam arasındaki enerji aktarma yoludur. Isı, sistemle ortam
arasındaki sıcaklık farkından dolayı aktarılan enerjidir. Sıcaklık termal hareketin bir sonucudur.
İş ise sıcaklık farkından bağımsız yollarla aktarılan enerjidir. Enerjinin iş olarak aktarılmasına,
sistemin çevresine uyguladığı dış kuvvetlerin yaptığı mekanik iş örnek verilebilir. Bu mekanik iş "W"
sembolü ile gösterilir.
Mekanik iş, bir kuvvetin belirli bir yol
alırken yaptığı iştir.
İş = kuvvet x yol bağıntısı ile gösterilir.
W=Fxd
Gazların genleşmesiyle yapılan iş,
mekanik işe örnektir. Kapalı bir silindir içindeki
ideal bir gazın ısıtılarak genleşmesi sırasında
serbest hareketli pistonu iterek ötelemesi
sonucu yaptığı iş gösterilmiştir.
Sabit basınçlı sistemlerde iç enerji değişimi:
(a)
(b)
Şekilde kapalı bir silindir içindeki ideal
bir gazın ısıtılarak genleşmesi sırasında
serbest hareketli pistonu iterek ötelemesi
sonucu yaptığı iş gösterilmiştir.
(a)’da sıcaklığı yükseltilen gaz, iç
basınç dış basınca eşit olana kadar genleşir.
(b)’de genleşme sırasında hareketli
pistonun yukarı itilerek gazın hacmindeki artış
görülmektedir. Bu durumda gazın sabit
basınca karşı genleşirken yaptığı iş (W) o
andaki hacim değişikliğine sebep olan gaz
basıncındaki değişimin sonucudur.
Sabit basınç altında ısıtılan bir gazın genleşmesinde gaza verilen ısı (Qp) sıcaklık yükselmesi
ve genleşme olarak sistemde iki değişikliğe sebep olur.
Başlangıçta gazın sahip olduğu iç enerji (Uilk), sıcaklığın artmasıyla daha büyük bir değer alır
(Uson). Sistemin ilk ve son halleri arasındaki iç enerji değişimi (ΔU) ölçülebilir. (iç enerji doğrudan
ölçülemez).
ΔU = Uson - Uilk
Sisteme verilen ısı, iç enerji değişimine sebep olurken basınca karşı yapılan iş için de
kullanılmıştır.
Qp = ΔU + W
Verilen ısı malzemenin iç enerjisinin artmasının yanı sıra ağırlığın kaldırılmasını da sağlar.
Dolayısıyla PV işi de yapılmış olur.
Sabit hacimli sistemlerde iç enerji değişimi:
İşin yapılabilmesi için sistem hacminin
değişmesi gerekir. Hacim sabit olduğundan
sistemin yaptığı iş “W=0” olur. Bu durumda
sisteme verilen ısı sadece iç enerjinin artışında
kullanılmıştır. Sisteme verilen ısı (Qv), iç enerji
değişimine eşit olur.
Qv = ΔU + W
W=0 olduğundan;
Qv = ΔU olur. Bu durumda Qp ≠ Qv olur.
Qp ve Qv değerlerinin Karşılaştırılması
Qv  U  mCv t
Qp  U  PV  mC p t
Qp  Qv
TERMODİNAMİĞİN SIFIRINCI YASASI
Termodinamiğin sıfırıncı yasası iki ayrı maddenin, üçüncü bir madde ile ısıl dengede olmaları
durumunda kendi aralarında da ısıl dengede olacaklarını belirtir. Bu tanımlama sıcaklıkları farklı olan
maddelerin ısıl dengeye gelinceye kadar ısı akışı yapacaklarını da söyler. Termodinamiğin sıfırıncı
yasası termometrelerin ve sıcaklık ölçeklerinin geliştirilmesinde kullanılmıştır ve sıcaklığı tanımlayan
bir yasadır.
A ve B ısıl dengede, B ile C de ısıl dengede ise A ile C ısıl dengededir. B burada bir
termometre gibi davranmıştır ve A ile C’nin sıcaklıklarının aynı olduğunu söyler. Bu yasa,
termodinamiğin diğer yasaları ile kanıtlanamadığından ayrı bir yasa olarak ele alınmıştır. Bu yasanın
değeri termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının ortaya konmasından elli yıl kadar sonra
anlaşılmıştır. Birinci ve ikinci yasalardan da önce gelmesi gerektiği için sıfırıncı yasa denmiştir.