İç Enerji, Isı ve Sıcaklık Arasındaki İlişki
İç enerji, bir maddenin moleküllerinin sahip olduğu kinetik ve potansiyel enerjilerin toplamıdır. Isı ise, iki madde arasında sıcaklık farkı olduğunda bir maddeden diğerine aktarılan enerjidir. Sıcaklık ise bir cismin termal enerji seviyesini gösterir ve moleküllerin ortalama kinetik enerjisi ile doğru orantılıdır.
- İç Enerji: Maddenin içinde depolanan enerjidir.
- Isı: Sıcaklık farkı nedeniyle enerjinin maddeye aktarılmasıdır.
- Sıcaklık: Maddelerin ne kadar ısındığını veya soğuduğunu ölçen büyüklüktür.
İç enerji ile sıcaklık arasında doğrudan bir ilişki vardır; sıcaklık arttıkça iç enerji de artar. Ancak ısı, sadece bir enerji transferi olup, sıcaklığı değiştirmez.
Isı, Öz Isı, Isı Sığası ve Sıcaklık Farkı Arasındaki İlişki
- Öz Isı (c): Bir maddenin birim kütlesinin sıcaklığını 1°C artırmak için gerekli ısı miktarıdır.
- Isı Sığası (C): Bir maddenin tüm kütlesinin sıcaklığını 1°C artırmak için gerekli ısı miktarıdır. Isı sığası, kütle ile öz ısının çarpımı ile elde edilir:
- C = m × c (m = kütle, c = öz ısı)
- Isı Transferi: Isı aktarımı, sıcaklık farkından dolayı gerçekleşir. Bir maddenin aldığı veya verdiği ısı miktarı, maddenin kütlesine (m), öz ısısına (c) ve sıcaklık farkına (ΔT) bağlıdır:
Termometreler
Termometreler, sıcaklık ölçüm cihazlarıdır ve farklı fiziksel özelliklere (genleşme, direnç) göre çalışır. Cıvalı ve alkol dolu termometreler, sıcaklık değişiminde genleşen sıvıları kullanarak sıcaklık ölçümü yaparlar.
Öz Isı ve Isı Sığası
Öz ısı, maddenin ısıl kapasitesini gösterir. Yüksek öz ısıya sahip maddeler, sıcaklık değişimlerine daha dayanıklıdır. Isı sığası ise, bir cismin tüm kütlesi için gerekli toplam ısı miktarını gösterir.
Hâl Değişimi
Hâl değişimi, bir maddenin katı, sıvı ve gaz hallerinde dönüşüm geçirmesidir. Maddeler hal değiştirirken sıcaklık sabit kalır ve tüm enerji iç enerjide depolanır. Erime, buharlaşma, yoğunlaşma ve donma gibi süreçler hâl değişimlerine örnektir.
- Erime: Katıdan sıvıya geçiş.
- Buharlaşma: Sıvıdan gaza geçiş.
- Donma: Sıvıdan katıya geçiş.
Isıl Denge
Isıl denge, iki sistem arasındaki sıcaklık farkı ortadan kalktığında, enerji alışverişinin durduğu durumdur. İki cisim bir araya getirildiğinde, sıcaklığı yüksek olan cisimden düşük olan cisme enerji geçer. Isıl denge sağlandığında iki cismin sıcaklığı eşit olur.
Isı Aktarım Yolları
Isı, üç temel yolla aktarılır:
- İletim: Enerjinin moleküller arası doğrudan temas yoluyla aktarılmasıdır. Genellikle katı maddelerde görülür.
- Taşınım (Konveksiyon): Sıvı veya gaz akımlarıyla enerjinin aktarılmasıdır.
- Işıma (Radyasyon): Isının elektromanyetik dalgalarla aktarılmasıdır. Güneş'ten Dünya'ya gelen ısı buna örnektir.
Isı İletim Hızı
Isı iletimi, malzemenin türüne, kalınlığına, sıcaklık farkına ve alanına bağlıdır. İyi iletken maddeler (metaller) ısıyı hızlı bir şekilde iletirken, yalıtkan maddeler (ahşap, plastik) ısı iletimini yavaşlatır.
İş: Bir cisim uygulanan kuvvet doğrultusunda hareket ediyor ise cisim üzerinde fiziksel anlamda bir iş yapılmıştır. Fiziksel anlamda iş, cisme etki eden kuvvet ile kuvvet doğrultusunda alınan yolun çarpımı demektir.
İş = Kuvvet x Yol
W = F . x
KİNETİK ENERJİ: Enerji; fizikte iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanır. Bir cismin sahip olduğu potansiyel ve kinetik enerjilerin toplamına mekanik enerji denir. Hareket halindeki cisimlerin sahip olduğu enerjiye kinetik enerji denir.
Yerçekimi Potansiyel Enerjisi: Bir cismin bulunduğu yerden yükselmesi sonucu bulunduğu konumu nedeniyle sahip olduğu enerji yerçekimi potansiyel enerjisidir. Ağırlığı mg olan bir cismin yerden h kadar yüksekte sahip olduğu potansiyel enerji bağıntısı ile bulunur.
Birimi --> Joule = Newton . metre
Potansiyel enerji skaler bir büyüklüktür.
Esneklik Potansiyel Enerjisi: Serbest haldeki bir yay sıkıştırıldığında ya da gerildiğinde yayda potansiyel enerji depolanmış olur. Yayda depolanan potansiyel enerji yayın sertlik derecesine (yay sabitine) ve yayın sıkıştırılma ya da gerilme miktarına bağlıdır. Yayda depolanan potansiyel enerji esneklik potansiyel enerjisi bağıntısı ile bulunur.
k: Yay sabiti
X: Yayın sıkışma veya gerilme miktarı
VERİM: Enerji harcayan tüm sistemlerde, sisteme verilen enerji, sistemde harcanan enerjiden daha büyüktür. Çünkü verilen enerjinin bir kısmı sistemde sürtünmeden dolayı ısıya dönüşür. Sistemde hiç enerji kaybı olmasaydı verim %100 olurdu. Ancak doğada verimin %100 olduğu bir makine yoktur. Sisteme verilen enerjinin bir kısmı mutlaka ısı enerjisine dönüşür.
ENERJİNİN KORUNUMU: Enerji yoktan var edilemez ancak var olan enerji başka türde enerjilere dönüşebilir. Bir sistemdeki mekanik enerji sistemdeki potansiyel ve kinetik enerjilerin toplamıdır.
Mekanik enerji = Toplam enerji
ET = EP + EK
Sistemin mekanik enerjisi sabit olduğu halde sahip olduğu enerjinin türü değişebilir cismin sahip olduğu potansiyel enerji azalıyor ise kinetik enerjisi aynı oranda artabilir, aynı şekilde kinetik enerjisi azalırken, potansiyel enerjisi artabilir. Buna "mekanik enerjinin korunumu yasası" denir.
