9. Sınıf Fizik Isıl denge kavramının sıcaklık farkı ve ısı kavramı ile olan ilişkisini a v 2

Isıl denge, günlük hayatta çok gözlemlediğimiz ama bazen karıştırdığımız önemli bir fizik kavramıdır. Anlatımımızı başta “sıcaklık, sıcaklık farkı ve ısı” üçlüsünü doğru kavramalıyız. Sıcaklık (T), bir cismin moleküllerinin ortalama kinetik enerjisinin göstergesidir; Kelvin (K) ya da Celsius (°C) birimleriyle ölçeriz. Isı (Q) ise sıcaklık farkı nedeniyle sistemler arasında geçen enerji akışıdır; birimi Joule (J) ya da kaloridir. Bu bağlamda sıcaklık farkı (ΔT), iki sistem arasındaki sıcaklık değerlerinin farkıdır ve ısı akışının yönünü belirler: ısı sıcaktan soğuğa doğru akar. ΔT > 0 ise sisteme ısı verilir, ΔT < 0 ise sistem ısı verir. Isıl denge, belirli bir zaman sonra sıcaklık farkının ortadan kalkması ve her iki sistemin de aynı sıcaklığa ulaşması halidir. Bu durumda iki sistem arasında net ısı akışı durur; sistemler aynı sıcaklığa geldiğinden ısı alışverişi olmaz. Isıl denge aynı zamanda sistemlerin sahip olduğu ısı miktarının sabit kalması değil, sistemler arasındaki net ısı akışının sıfıra inmesi anlamına gelir; biri ısı verirken diğeri aynı miktarda ısı alabilir. Isı miktarını hesaplamak için genelde iki temel bağıntı kullanırız. Saf bir sıvının kütlesi m ve özgül ısısı c ise, sıcaklığı ΔT kadar değiştirmek için gerekli ısı Q = m·c·ΔT’dir. Özgül ısı c, cismin 1 kg kütlesinin sıcaklığını 1 K artırmak için gereken enerji miktarıdır; farklı maddelerin c değerleri farklıdır (örneğin su yaklaşık 4.18 kJ/(kg·K), metal alüminyum yaklaşık 0.90 kJ/(kg·K)). Ayrıca, faz değişimi sırasında (erime, kaynama) sıcaklık sabit kalır; bu tür dönüşümler için gizli ısı (L) kullanırız: Q = m·L. Bu bağlamda, eğer suyun sıcaklığı 100°C’de sabit kalıyorsa, sisteme verilen enerji suyun buharlaşmasında harcanır; sıcaklık artmaz. Ayrıca ısı kavramını enerjiyle doğrudan bağlamak gerekir. Isı, sistem tarafından başka bir sistemden aktarılan enerji akışıdır; bu nedenle “sistem bir miktar ısıya sahiptir” demek doğru değildir; “sistemdeki iç enerji” ifadesi daha uygundur. Ayrıca Kelvin ölçeği, mutlak sıcaklık ölçeğidir; Celsius’ta 0°C, Kelvin’de 273 K’dir, ve mutlak sıfır (−273°C) sıcaklığa hiçbir sistem ulaşamaz. Isıl denge hesapları genelde kayıpsız kabul ederiz; gerçekte çevreye ısı kaybı ya da yalıtım yetersizliği gibi nedenlerle mükemmel denge her zaman sağlanamayabilir. Ancak derslerde ideal sistemler üzerinden ilerleyerek, iki sistem arasındaki net ısı alışverişinin sıfır olmasıyla denge sıcaklığını buluruz: Q_alınan = Q_verilen. Bu denklem, yalıtılmış bir sistemde toplam iç enerjinin korunduğu varsayımıyla istenen denge sıcaklığını verir.