İç enerji, ısı, sıcaklık, öz ısı, hâl değişimi, ısıl denge ve ısı aktarım yolları üzerine kapsamlı konu anlatımı
Bir maddeyi oluşturan tüm taneciklerin (atom veya molekül) sahip olduğu kinetik ve potansiyel enerjilerin toplamına iç enerji denir.
Maddeyi oluşturan taneciklerin ortalama kinetik enerjisinin bir göstergesidir. Sıcaklık, termometre ile ölçülür. SI birimi kelvin (K) olup günlük hayatta sıklıkla santigrat derece (°C) kullanılır. Sıcaklık, maddenin tek başına sahip olduğu bir özelliktir. Sıcaklık arttıkça taneciklerin titreşim, öteleme ve dönme hareketleri hızlanır.
Isı, aralarındaki sıcaklık farkı nedeniyle bir maddeden veya sistemden diğerine aktarılan enerjidir. Isı, maddelerin sahip olduğu bir büyüklük değildir; aktarılan enerji miktarıdır. Bu nedenle “bir maddenin ısısı” ifadesi bilimsel olarak yanlıştır.
Özet:
Bir maddenin 1 kilogramının sıcaklığını 1 kelvin (veya 1 °C) artırmak için gereken ısı miktarına öz ısı denir. c sembolü ile gösterilir. SI birimi J/(kg·K) veya J/(kg·°C) dir.
Bir cismin tamamının sıcaklığını 1 kelvin (veya 1 °C) değiştirmek için gereken ısı miktarına ısı sığası denir. C sembolü ile gösterilir.
Birimi J/K veya J/°C dir. Isı sığası, cismin miktarına bağlıdır; aynı maddeden yapılmış büyük bir cismin ısı sığası daha büyüktür.
Hâl değişiminin olmadığı durumlarda, bir maddeye verilen veya maddeden alınan ısı miktarı (Q), maddenin kütlesi (m), öz ısısı (c) ve sıcaklık değişimi (ΔT) ile doğru orantılıdır.
Aynı miktardaki ısı, öz ısısı küçük olan maddede daha büyük sıcaklık değişimine yol açar.
Sıvının genleşmesi prensibiyle çalışır, vücut ve ortam sıcaklığını ölçer.
Metallerin genleşmesinden yararlanır, yüksek sıcaklık ölçümlerinde kullanılır.
Sabit hacimde gaz basıncının sıcaklıkla değişmesi prensibiyle çalışır, hassas ölçüm yapar.
Temassız olarak yüzeyden yayılan kızılötesi ışınları algılar.
Direnci sıcaklıkla değişen devre elemanları kullanır.
Madde, katı, sıvı ve gaz hâllerinde bulunabilir. Bir maddenin bir hâlden başka bir hâle geçmesine hâl değişimi denir.
Hâl değişim sıcaklığındaki bir maddenin birim kütlesinin (1 kg) tamamen hâl değiştirmesi için gereken veya verdiği ısı miktarına hâl değişim ısısı denir. L sembolü ile gösterilir. Birimi J/kg veya cal/g dır.
Hâl değişiminde kütle korunur; madde miktarı değişmez.
Saf bir maddenin sıcaklık – zaman (veya sıcaklık – ısı) grafiğinde hâl değişim bölgeleri yatay düz çizgiler ile gösterilir. Bu bölgelerde sıcaklık sabittir. Grafikteki eğim, öz ısı ile ilgilidir; eğim büyükse öz ısı küçüktür.
Farklı sıcaklıklardaki iki veya daha fazla cisim, birbiriyle temas ettiğinde veya ısı alışverişi yapabilecek bir ortamda bulunduğunda, sıcaklığı yüksek olan cisimden düşük olan cisme doğru ısı akışı başlar. Bu akış, her iki cismin sıcaklıkları eşitlenene kadar devam eder. Sıcaklıkların eşitlendiği bu duruma ısıl denge denir.
Örnek: Sıcak bir bardak çayın içine atılan soğuk kaşık, çaydan ısı alarak ısınır, çay soğur. Bir süre sonra ikisi de aynı sıcaklığa gelir (ısıl denge).
Isı, üç farklı yolla bir ortamdan başka bir ortama veya bir madde içinde yayılabilir:
Isının, maddeyi oluşturan taneciklerin birbirine çarpması ve enerji aktarması yoluyla yayılmasıdır. Katılarda en etkili yoldur, çünkü tanecikler birbirine yakındır. Metaller iyi iletkendir; ahşap, plastik, hava ise yalıtkandır.
Örnek: Bir ucundan ısıtılan metal kaşığın diğer ucunun da ısınması.
Isının, akışkan (sıvı veya gaz) taneciklerinin yer değiştirmesiyle yayılmasıdır. Sıcak akışkan yoğunluğu azaldığı için yükselir, soğuk akışkan yoğunluğu fazla olduğu için aşağı iner. Bu döngüye konveksiyon akımı denir.
Örnek: Kalorifer peteğinin odayı ısıtması, ocakta suyun ısınması.
Isının, elektromanyetik dalgalar (özellikle kızılötesi ışınlar) aracılığıyla yayılmasıdır. Işıma için maddesel ortam gerekli değildir, boşlukta da yayılabilir. Güneş'ten Dünya'ya ısı aktarımı ışıma yoluyla olur. Koyu renkli cisimler ışımayı daha fazla soğurur, açık renkli cisimler daha az soğurur.
Isının aktarım yolları günlük hayatta termal konfor, enerji tasarrufu ve malzeme seçiminde önemlidir.
Sıcaklıkları farklı iki ortam arasında birim zamanda aktarılan ısı miktarına ısı iletim hızı veya enerji iletim hızı denir. Birimi watt (W) olup güç ile aynıdır.
Isı iletim katsayısı büyük olan maddeler iyi iletken, küçük olanlar yalıtkandır.
Isı yalıtımı, ısı iletim hızını azaltmak için yapılır. Binalarda strafor, cam yünü gibi yalıtım malzemeleri kullanılır. Çift camlı pencereler, kalın duvarlar, termal giysiler ısı yalıtımına örnektir.