Isı nedir? Sıcaklık ile arasındaki farklar

Bir sıcaklık değişimi (yükselme ya da azalma), bir hal değişimi ya da kim­yasal bir tepkimeyle belirlenen ener­ji biçimi.

Sıcaklık ve Isı Miktarı

Sıcak ve soğuk kavramları kuşkusuz en eski çağlardan beri bilinmektedir. Sözgelimi, Aristoteles’e göre sıcak ve soğuk, dünyada egemen olan dört ilkeden ikisidir. Bu ısı olaylarının gen­leşme gibi mekanik olaylara bağlana­bildiği de gene uzun süreden beri bi­linmektedir. Bir sıcaklık yükselmesinin görselleştirilmesini ya da saptan­masını sağlayan ilk aygıtlar, İ.Ö. II. yy’a kadar uzanır (Bizanslı Philon’un termoskopu), ancak ilk ısı ölçe­rin (termometre) 1612’de hekim Santorio tarafından yapıldığı ileri sürül­mektedir. Isı ölçümü daha sonra hız­la gelişmekle birlikte, kavramlar, öl­çülerin duyarlılığına karşın, belirsiz kaldı. Nitelikleri farklı büyüklükler olan sıcaklıkla ısı miktarı açık seçik olarak birbirinden ayrılmadı. 1760’a doğru, hal değişimlerini inceleyerek bu ayrımı kesin bir biçimde ortaya ko­yan kişi İngiliz fizikçisi j. Black oldu. Sıcak bir cisimle soğuk bir cisim birbirine değdirildikleri zaman özellikleri (sözgelimi, hacimleri) zamanla değişip sonunda kararlı durumda kalırlar. İki cisim ısısal bir dengeye ulaşır; sı­caklıkları aynıdır. Üçüncü bir cisim­le ısısal denge halindeki iki cisim ken­di aralarında da ısısal dengede olduk­larından, sıcaklığın basit bir ayar nok­tası değil, bütün cisimlere bağlı, ger­çek bir parametre olduğu anlaşılır. Birbirine değen iki cismin etkileşimiy­le oluşan bu denge, belli bir miktar­daki ısı alışverişiyle elde edilir. Bu kavram, sıcaklık kavramına bağlı de­ğildir. Gerçekten de, sıcak bir kurşun parçası soğuk bir kurşun parçasına değdirilse, soğuk olanın sıcaklığı ar­tar; yani belli bir miktar ısı alır. Bu­na karşılık, sıcak bir kurşun parçası, içinde buz olan bir su kabının içine ko­nursa, suyun sıcaklığı değişmez, ama belli bir buz kütlesi erir; kurşun, sa­bit sıcaklıkta buzun bir bölümünü eri­ten belli miktarda ısı verir.

Isı ve İş

XVIII. yy’da Lavoisier,Thomson,Fourier’in çalışmaları sonunda ısı, küt­lenin mekanikteki niteliği gibi, yok ol­mayan bir kendilik olarak göz önüne alındı. Ancak bu korunum özelliği, salt ısı veren olaylarda ortaya çıkar; me­kanik enerjinin (sürtünme, buharlı makine, vb.) işin içine girmesiyle de kaybolur. İş ve ısı birbiriyle açık iliş­kisi olmayan deneysel olaylarla oluş­tuklarından, her şeyden önce birbir­lerinden bağımsız büyüklüklerdir. Gerçekten, birçok durumda fiziksel bir sistem ısı alabilir ve durumu değişmeksizin iş yapabilir (ya da bunun karşıtı olabilir); sözgelimi, bir sürtünmeye uğrayan bir cisim ısınabilir, sonra da dışarıya belli miktarda ısı vererek başlangıç durumuna dönebi­lir; tersine, sıcak gazlardan ısı alan bir yanmalı motor, belirli bir iş, yani mekanik enerji üretebilir. Bu neden­lerle, XIX. yy’da, önce R. Mayer’in, daha sonra da joule, Hirn ve Colding’ in girişimleriyle iş ile ısının eşdeğer­de oldukları ve iki enerji biçimi oluş­turdukları düşüncesi doğdu. Bu koşul­lar altında iş ile ısının aynı birimle gösterilmesini engelleyecek bir şey yoktu. İşte bu nedenle, günümüzde ısı miktarı her türlü enerji için kullanılan bir ölçü birimi olan joule üe ölçülmektedir. İş ile ısının eşdeğer olmasın­dan,hemen, bunların özdeş oldukları çıkarılmamalıdır. Bu konuda saatler­le ilgili klasik örneği verebiliriz. Bir saat ısıtılır ya da kurulursa, her iki durumda verilen enerji aynı olsa bile sonuç aynı değildir. Eşdeğerlik ilkesi, iki enerji biçiminden birinin (ısının ya da işin) yitimine, öteki biçimdeki (iş ya da ısı) benzer bir miktarın ortaya çı­kışının denk düştüğünü belirtir ama, bu ilke iki işlemden her birinin, az ya da çok, kolaylığını belirlemez. Oysa işin, sözgelimi, sürtünmeyle ısıya tü­müyle dönüşmesine karşılık, bunun tersinin asla doğru olmadığını (böyle­ce bir otomobil motorunda yanmayla oluşan ısının bir bölümü atmosferi ısı­tır) saptamak kolaydır. Isı, enerjinin bir azalma biçimi olarak ortaya çıkar; ısının madde içindeki yayılması, iletim ya da taşınmayla, boşluktaysa ışınım yoluyla sağlanır.

Kütlesel Isı, Gizli Isı ve Tepkime Isısı

Bir katı cisme ısı biçiminde gelen enerji, bu cismi oluşturan atomları harekete geçirir: Cisim ısınır ve sıcak­lığı yükselir. Sonra ilk sıvı damlası or­taya çıkar: Verüen ısı, cismin bir katı olmasını sağlayan atomlararası bağ­ları, erimeyi oluşturmak üzere, kes­meye yaradığından, sıcaklık tüm hal değimi (sabit basınçta) süresince sa­bit kalır; öte yandan, kimyasal tepki­meler ısısal olaylara yol açar. Bu üç olay türüne ısı alışverişi ve farklı tür­den ısı miktarları denk düşer. 1 baş­langıç sıcaklığından t» son sıcaklığına geçişe neden olan Q enerjisi, incele­nen cismin m kütlesine ve yapısına bağlıdır, c katsayısıysa cismin kütle­sel ısısını gösterir. Buna göre Q =m.c.(tf-1) bağıntısı değiştokuş edi-len ısı miktarını gösterir. t_f, t,’den da­ha büyükse cisim ısınır, daha küçük­se cisim soğur. Kaü cisimlerin ince­lenmesi, billur yapısmdaki bir değişi­min, c katsayısında bir değişime yol açtığım gösterir. Böylece, 95,6°C’ta atmosfer basıncı altında B kükürtünün P kükürtüne dönüşümü, 0,745 j.g~’. °C’^,değerinden 0,778 Jg*’. °C değerine geçen bir c değişimiyle birlik­te meydana gelir. Demir ve alümin­yum gibi basit cisimlerin çoğu için A atom ağırlığının c kütlesel ısısıyla çar­pımı normal sıcaklıkta, 25 j. °C” e ya­kındır. c katsayısı sıcaklıkla arttığın­dan, karbon bu yasayı 1.500°C yakı­nında doğrular (Çiz. 1).Sıvılarda, en yüksek kütlesel ısısı bulunan sudur: 4,1855 J g’¹ °C~¹. Böylece, sıcak bir su kütlesi, bir ısı deposu gibi iş görür: De­nizler, doğadaki sıcaklıkları düzen­ler ve iklimleri etkiler.

Gazların ısınmasına hacim ve basınç­ta büyük değişimler eşlik ettiğinden, sabit basınçtaki kütlesel ısı (c_p) ile sa­bit hacimdeki kütlesel ısıyı(cv) birbirin­den ayırt etmek gerekir. Gazm M mol kütlesi ile kütlesel ısısının çarpımı normal sıcaklıkta hemen hemen sabit kalır. Sözgelimi, tek atomlu gazlar (ha­vadaki soy gazlar) için, şu değerler bulunur: Mc_P =20,9               Mc» =12,6 j. °C~¹; iki atomlu gazlar (hidrojen, oksijen) için: Mc_P = 29,2 j.“C”’; Mc, = 20,9 j. °C”¹ . Bu fark şöyle açıklanır: İki atomlu bir gazm sı­caklığını yükseltmek için yalnızca mo­leküllerin kinetik öteleme enerjisini değü, ağırlık merkezi çevresindeki ki­netik dönme enerjüeriyle, atomların titreşim enerjisini de artırmak gere­kir. t sıcaklığındaki saf bir cismin hal değişimindeki L gizli ısısı, cismin küt­le birimini sabit sıcaklıkta, bir halden ötekine geçirmek için gerekli ısı mik­tarını gösterir. Q = m.L bağıntısı dö­nüşüm süresince bir m kütiesiyle de­ğiştirilen enerjinin hesaplanmasını sağlar.

Böylelikle 0°C’ta buzun ergime ısısı 335 İ.g’’e, 100°C’ta suyun buharlaşma ısısı 2 256j.g¹’e eşittir. Bütün bu büyüklükler sıcaklıkla deği­şir. Tepkime ısılarının tanımı, iyice belir­lenmiş koşullan gerektirir. Gerçekten de. suyun bireşimi incelendiğinde (2 H₂+O 2 – 2H₂0)başlangıçta çevre sıcaklığındaki hidrojen ile oksijenin tep­kiyerek,sıvı ya da buhar evresi deney­sel koşullara bağlı olan suyu oluştur­duğu görülür. Isı olaylarını belirlemek için, tepkimenin sınır halleri bilinme­lidir; genellikle, sıcaklıklar 25°C’ta tu­tulur. Öte yandan, tepkimenin hem sa­bit hacimde, hem de sabit basınçta gerçekleştiği varsayılır. Böylece, gaz halindeki oksijen ve hidrojenden 25°C’ta ve sabit basınçta 18 gr’lık su­yun oluşması 285,9 kj açığa çıkarır.

Mikrokopik Kuvvetler

Verdiğimiz klasik tanım, uygulamalar­la doğrulanmış çok genel nitelikli ba­zı öngerçeklerden doğar. XX. yy’ın ba­şından beri, görünüşte sürekli olan maddenin gerçekte çok büyük sayıda taneciklerden oluştuğu bilinmektedir. Sistemlerin bütün olarak (makroskopik ölçek) incelenmesi, her tanecik üs­tüne etki yapan mikroskopik kuvvet­lerin ortalama bileşkeleri olan kuvvet­lerin (basınç kuvvetleri, vb.) tanımlan­masına yardım eder. Bu ortalama kuvvetlerin işinin, mikroskopik kuv­vetlerin işinin ortalamasına eşit olma­sını hiçbir şey sağlamaz: Niceliği oluş­turan da işte bu farktır.