Fizikte "ısı" kavramı, farklı cisimler arasında termal enerjinin transferi ile ilişkilidir. Bu süreçler nedeniyle, cisimlerin ısınması ve soğuması ile birlikte kümelenme durumlarında bir değişiklik meydana gelir. Isı nedir sorusunu daha detaylı ele alalım.
Konsept kavramı
Isı nedir? Her insan bu soruyu günlük bir bakış açısıyla cevaplayabilir, yani söz konusu kavramın altında ortam sıcaklığı yükseldiğinde sahip olduğu duyumlar. Fizikte bu fenomen, vücudu oluşturan moleküllerin ve atomların kaotik hareketinin yoğunluğundaki bir değişiklikle ilişkili enerji transfer süreci olarak anlaşılır.
Genel olarak, vücut ısısı ne kadar yüksek olursa, içinde o kadar fazla iç enerji depolanır ve diğer nesnelere o kadar fazla ısı verebileceğini söyleyebiliriz.
Isı ve sıcaklık
Isı nedir sorusunun cevabını bilen birçok kişi bu kavramın "sıcaklık" kavramına benzediğini düşünebilir ama öyle değildir. Isı kinetik enerjidir, sıcaklık bunun bir ölçüsüdür.enerji. Bu nedenle, ısı transferi süreci, maddenin kütlesine, onu oluşturan parçacıkların sayısına, ayrıca bu parçacıkların türüne ve hareketlerinin ortalama hızına bağlıdır. Buna karşılık, sıcaklık yalnızca listelenen parametrelerin sonuncusuna bağlıdır.
Basit bir deney yaparsanız ısı ve sıcaklık arasındaki farkı anlamak kolaydır: İki kaba su dökmeniz gerekir, böylece bir kap dolacak ve diğeri yalnızca yarı dolu olacaktır. Her iki kabı da ateşe vererek, içinde daha az su bulunanın önce kaynamaya başladığı gözlemlenebilir. İkinci kabın kaynaması için ateşten biraz daha ısıya ihtiyacı olacaktır. Her iki kap kaynadığında, sıcaklıklarını ölçebilirsiniz, aynı olacaktır (100 oC), ancak dolu bir kabın içindeki suyu kaynatması için daha fazla ısı gerekliydi.
Isı birimleri
Fizikteki ısı tanımına göre, enerji veya iş ile aynı birimlerde yani joule (J) cinsinden ölçüldüğü tahmin edilebilir. Ana ısı birimine ek olarak, günlük yaşamda sıklıkla kalori (kcal) hakkında bir şeyler duyabilirsiniz. Bu kavram, sıcaklığının 1 kelvin (K) artması için bir gram suya aktarılması gereken ısı miktarı olarak anlaşılır. Bir kalori 4.184 J'ye eşittir. Sırasıyla 1 kcal ve 1 cal olan büyük ve küçük kalorileri de duyabilirsiniz.
Isı kapasitesi kavramı
Isının ne olduğunu bilerek, onu doğrudan karakterize eden fiziksel bir niceliği ele alalım - ısı kapasitesi. Bu kavram altında,fizik, bir cismin sıcaklığının 1 kelvin (K) değişmesi için verilmesi veya alınması gereken ısı miktarıdır.
Belirli bir cismin ısı kapasitesi 2 ana faktöre bağlıdır:
- vücudun sunulduğu kümelenmenin kimyasal bileşimi ve durumu hakkında;
- kütlesinin.
Bu özelliği bir nesnenin kütlesinden bağımsız hale getirmek için, ısı fiziğinde başka bir nicelik tanıtıldı - belirli bir vücut tarafından 1 kg başına aktarılan veya alınan ısı miktarını belirleyen özgül ısı kapasitesi sıcaklık 1 K değiştiğinde kütlesi.
Farklı maddelerin özgül ısı kapasitelerindeki farkı açıkça göstermek için, örneğin 1 gr su, 1 gr demir ve 1 gr ayçiçek yağı alın ve ısıtın. Sıcaklık en hızlı şekilde demir numunesi için, ardından yağ damlası için değişecek ve su için son olarak değişecektir.
Özgül ısı kapasitesinin yalnızca maddenin kimyasal bileşimine değil, aynı zamanda toplanma durumuna ve ayrıca dikkate alındığı dış fiziksel koşullara (sabit basınç veya sabit hacim) bağlı olduğuna dikkat edin..
Isı transfer sürecinin ana denklemi
Isının ne olduğu sorusuyla ilgilendikten sonra, herhangi bir kümelenme durumunda kesinlikle herhangi bir cisim için aktarım sürecini karakterize eden ana matematiksel ifadeyi vermelisiniz. Bu ifade şu şekildedir: Q=cmΔT, burada Q, aktarılan (alınan) ısı miktarıdır, c, söz konusu nesnenin özgül ısısıdır, m -kütlesi, ΔT, ısı transferi sürecinin sonunda ve başlangıcında vücut sıcaklıklarındaki fark olarak tanımlanan mutlak sıcaklıktaki değişikliktir.
Yukarıdaki formülün, söz konusu işlem sırasında nesne kümelenme durumunu koruduğu, yani sıvı, katı veya gaz kaldığı zaman her zaman geçerli olacağını anlamak önemlidir. Aksi halde denklem kullanılamaz.
Maddenin kümelenme durumundaki değişiklik
Bildiğiniz gibi, maddenin olabileceği 3 ana küme durumu vardır:
- gaz;
- sıvı;
- sağlam gövde.
Bir halden diğerine geçişin olabilmesi için vücudun bu durumdan haberdar olması veya ısısını alması gerekir. Fizikteki bu tür işlemler için, belirli erime (kristalleşme) ve kaynama (yoğunlaşma) ısıları kavramları tanıtıldı. Tüm bu miktarlar, 1 kg vücut ağırlığını serbest bırakan veya emen agregasyon durumunu değiştirmek için gereken ısı miktarını belirler. Bu işlemler için denklem geçerlidir: Q=Lm, burada L, maddenin halleri arasındaki karşılık gelen geçişin özgül ısısıdır.
Aşağıda toplama durumunu değiştirme süreçlerinin ana özellikleri verilmiştir:
- Bu işlemler, kaynama veya erime gibi sabit bir sıcaklıkta gerçekleşir.
- Onlar tersine çevrilebilir. Örneğin, belirli bir cismin erimek için emdiği ısı miktarı, bu cismin tekrar geçmesi durumunda çevreye bırakacağı ısı miktarına tam olarak eşit olacaktır.sağlam bir duruma.
Termal denge
Bu da "sıcaklık" kavramıyla ilgili üzerinde durulması gereken bir diğer önemli konudur. Sıcaklıkları farklı iki cisim temas ettirilirse, bir süre sonra tüm sistemdeki sıcaklık eşitlenir ve aynı olur. Isıl dengenin sağlanabilmesi için sıcaklığı yüksek olan bir cismin sisteme ısı vermesi ve daha düşük sıcaklığa sahip bir cismin bu ısıyı kabul etmesi gerekir. Bu süreci tanımlayan ısı fiziği yasaları, ana ısı transferi denklemi ile maddenin (varsa) toplam durumundaki değişimi belirleyen denklemin bir kombinasyonu olarak ifade edilebilir.
Isıl dengenin kendiliğinden oluşma sürecinin çarpıcı bir örneği, suya atılan kızgın bir demir çubuktur. Bu durumda, sıcak ütü, sıcaklığı sıvının sıcaklığına eşit olana kadar suya ısı verecektir.
Isı transferinin temel yöntemleri
Isı enerji alışverişi ile giden insanoğlunun bildiği tüm işlemler üç farklı şekilde gerçekleşir:
- Termal iletkenlik. Isı alışverişinin bu şekilde gerçekleşebilmesi için farklı sıcaklıklardaki iki cisim arasında temas gereklidir. Lokal moleküler seviyedeki temas bölgesinde, kinetik enerji sıcak bir cisimden soğuk cisme aktarılır. Bu ısı transferinin hızı, ilgili cisimlerin ısı iletme yeteneğine bağlıdır. Çarpıcı bir termal iletkenlik örneğimetal bir çubuğa dokunan insan.
- Konveksiyon. Bu işlem maddenin hareketini gerektirdiğinden sadece sıvılarda ve gazlarda gözlenir. Konveksiyonun özü şudur: Gaz veya sıvı katmanlar ısıtıldığında yoğunlukları azalır, dolayısıyla yükselme eğilimi gösterirler. Sıvı veya gaz hacmindeki artışları sırasında ısı aktarırlar. Bir su ısıtıcısında su kaynatma işlemi konveksiyona bir örnektir.
- Radyasyon. Bu ısı transferi süreci, ısıtılmış bir gövde tarafından çeşitli frekanslardaki elektromanyetik radyasyonun yayılmasından dolayı meydana gelir. Güneş ışığı radyasyonun başlıca örneğidir.
