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 L 0 ile T nin çarpımıyla orantılıdır: L= L 0 T, boyca genleşme katsayısıdır.
L= L 0 T
Sıcaklığı T kadar değiştiği zaman bir A 0 alanı, A 0 + A ya genişlerse, o zaman A= A 0 T şeklinde olur. Burada yüzey genleşme katsayısıdır. İzotropik katılar için =2 dır.
A= A 0 T
Bir maddenin sıcaklığını T kadar değiştiği zaman bir V 0 hacmi V kadar değişirse, o zaman V= V 0 T olur., hacimce genleşme katsayısıdır. İzotropik katılar için =3 dır.
V= V 0 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)=T C +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 PV=sabit (Boyle Yasası) n, P = sabit V/T=sabit (Charles Yasası) n, V = sabit P/T=sabit (Guy-Lussac Yasası)
Bir kap içindeki bir gaz karışımının basıncının, gazların yalnız başlarına kabı doldurdukları zaman yapacakları basınç toplamına eşittir: P=P A +P B +P C +...=(n A +n B +n C +...)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