6.4:
Isı Ölçümü
6.4:
Isı Ölçümü
Termal Enerji
Mikroskobik olarak termal enerji, atomların ve moleküllerin rastgele hareketi ile ilişkili kinetik enerjidir. Sıcaklık, termal enerji miktarına bağlı olan “sıcak” veya “soğuk” için nicel bir ölçüdür. Bir nesnedeki atomlar ve moleküller hızlı hareket ettiğinde veya titreştiğinde, daha yüksek bir ortalama kinetik enerjiye (KE) (ya da yüksek termal enerjiye) sahip olurlar ve nesne “sıcak” olarak algılanır veya daha yüksek bir sıcaklıkta olarak tanımlanır. Atomlar ve moleküller yavaş hareket ettiklerinde, daha düşük ortalama KE’ye (veya daha düşük termal enerjiye) sahiptirler ve nesne “soğuk” olarak algılanır veya daha düşük bir sıcaklıkta şeklinde tanımlanır.
Herhangi bir kimyasal reaksiyon veya faz değişikliğinin (erime veya buharlaşma gibi) meydana gelmediğini varsayarsak, bir madde örneğindeki termal enerji miktarının arttırılması sıcaklığının artmasına neden olurken, bir madde örneğindeki termal enerji miktarının azaltılması sıcaklığının düşmesine neden olur.
Isı
Isı (q), farklı sıcaklıklarda iki cisim arasındaki termal enerjinin transferidir. Isı akışı, bir cismin termal enerjisini arttırır ve diğerinin termal enerjisini azaltır. Isı kendiliğinden sıcaktan soğuğa (yani sadece bir yönde) akar ve iki madde aynı sıcaklıkta olana kadar devam eder. Isı değişimleri sıcaklık değişimleri ile açıklanabilir.
Isı, iş ve enerjinin SI birimi joule’dur. Bir joule (J), 1 newton’luk kuvvetin nesneyi 1 metre hareket ettirdiğinde kullanılan enerji miktarı olarak tanımlanır. İngilizce fizikçi James Prescott Joule’in onuruna bu isim verilmiştir. Bir joule, 1 newton–metre olarak da adlandırılan 1 kg m2/s2‘ye eşittir. Bir kilojoule (kJ) 1000 joule’dür. Tanımını standartlaştırmak için, bir kalori 4,184 joule eşit olacak şekilde ayarlanmıştır.
Termal Enerji Transferi
Bir maddenin ısı kapasitesi (C), 1 C derecelik (veya eşdeğer olarak, 1 kelvin) sıcaklık değişikliği (ΔT) yaşadığında absorbladığı veya dışarı bıraktığı ısı miktarıdır:
Isı kapasitesi, ısıyı emen veya serbest bırakan madde türü ve miktarı ile belirlenir. Bu nedenle, ısı kapasitesi kapsamlı bir özelliktir — ısı kapasitesinin değeri, maddenin miktarı ile orantılıdır. Örneğin, iki dökme demir tavanın ısı kapasitelerini göz önünde bulunduralım. Büyük tavanın ısı kapasitesi, küçük tavadan beş kat daha büyüktür, çünkü her ikisi de aynı malzemeden yapılmış olsa da, büyük tavanın kütlesi küçük tavanın kütlesinden beş kat daha büyüktür. Daha fazla kütle, daha büyük tavada daha fazla atom olduğu anlamına gelir, bu nedenle tüm bu atomların daha hızlı titreşmesini sağlamak için daha fazla enerji gerekir. Küçük dökme demir tavanın ısı kapasitesi, tavanın sıcaklığını 50,0 °C (ΔT) yükseltmek için 18.140 J enerji (q) gerektiğini göstermektedir:
Aynı maddeden yapılmış daha büyük dökme demir tava, sıcaklığını 50,0 °C (ΔT) yükseltmek için 90,700 J enerji (q) gerektirir. Daha büyük tava (orantılı olarak) daha büyük bir ısı kapasitesine sahiptir çünkü daha fazla malzeme miktarı, aynı sıcaklık değişimini sağlamak için (orantılı olarak) daha büyük miktarda enerji gerektirir:
Genelde “özgül ısı” olarak adlandırılan bir maddenin özgül ısı kapasitesi (c), 1 gram maddenin sıcaklığını 1 santigrat derece (veya 1 kelvin) yükseltmek için gereken ısı miktarıdır:
Özgül ısı kapasitesi yalnızca ısıyı alan veya açığa çıkaran maddenin türüne bağlıdır. Yoğun bir özelliktir —dolayısıyla maddenin miktarına bağlı değildir. Örneğin, küçük dökme demir tavasının kütlesi 808 g olsun. Demirin özgül ısısı (tavayı yapmak için kullanılan malzeme), bu nedenle:
Büyük tavanın kütlesi 4040 g olsun. Bu tava için elimizdeki bilgileri kullanarak, demirin özgül ısısını da hesaplayabiliriz:
Her ne kadar büyük tava küçük tavadan daha büyük olsa da, her ikisi de aynı malzemeden yapıldığından, her ikisi de özgül ısı için aynı değeri verir (yapıldığı malzeme, demir için). Özgül ısının, kütle başına sıcaklık başına enerji birimi cinsinden ölçüldüğünü ve iki kapsamlı özelliğin (ısı ve kütle) oranından türetilen yoğun bir özellik olduğunu unutmayın. Aynı zamanda yoğun bir özellik olan molar ısı kapasitesi, belirli bir maddenin mol başına düşen ısı kapasitesidir ve J/mol⋅°C birimlerine sahiptir.
Su, nispeten yüksek özgül ısıya sahiptir (sıvı için yaklaşık 4,2 J/g⋅°C ve katı için 2,09 J/g⋅°C); çoğu metalin özgül ısıları çok daha düşüktür (genellikle 1 J/g⋅°C’den az). Bir maddenin kütlesini (m) ve özgül ısısını (c) bilerek, ısı kazanılmadan veya kaybolmadan önce ve sonra sıcaklık değişimini (ΔT) ölçerek, maddeye giren veya çıkan ısı miktarını, q belirleyebilir:
Bir madde termal enerji kazanırsa, sıcaklığı artar, son sıcaklığı başlangıç sıcaklığından yüksekse, Tfinal − Tinitial pozitif bir değere sahiptir ve q değeri pozitiftir. Bir madde termal enerjiyi kaybederse, sıcaklığı düşer, son sıcaklık başlangıç sıcaklığından daha düşüktür, Tfinal − Tinitial negatif bir değere sahiptir ve q değeri negatiftir.
Isı, özgül ısı, kütle ve sıcaklık değişimi arasındaki ilişkinin, diğer üçü biliniyorsa veya çıkarılabiliyorsa, bu miktarlardan herhangi birini (sadece ısı değil) belirlemek için kullanılabileceğini unutmayın.
Bu metin bu kaynaklardan uyarlanmıştır: OpenStax Chemistry 2e, Section 5.1: Energy Basics ve OpenStax Chemistry 2e, Section 5.3: Enthalpy.