ISI: FORMÜLLER VE BIRIMLER, ÖZELLIKLER, NASIL ÖLÇÜLÜR, ÖRNEKLER - FIZIKSEL - 2025

Isı fizik termal enerji olarak tanımlanır transfer her kontakt nesneler ya da farklı sıcaklıklarda maddelerdir. Bu enerji transferi ve onunla ilgili tüm süreçler, fiziğin önemli bir dalı olan termodinamik çalışmalarının konusudur.

Isı, enerjinin aldığı birçok formdan biridir ve en tanıdık olanlardan biridir. Peki nereden geliyor? Cevap, maddeyi oluşturan atomlarda ve moleküllerde yatmaktadır. Şeylerin içindeki bu parçacıklar statik değildir. Bunları yumuşak yaylarla birbirine bağlanan, kolaylıkla küçülebilen ve esneyen küçük boncuklar olarak hayal edebiliriz.

Atomlar ve moleküller, iç enerjiye çevrilen maddeler içinde titreşir. Kaynak: P. Tippens. Fizik: Kavramlar ve Uygulamalar.

Bu şekilde parçacıklar titreşebilir ve enerjileri kolaylıkla diğer parçacıklara ve ayrıca bir vücuttan diğerine aktarılabilir.

Bir vücudun emdiği veya saldığı ısı miktarı, maddenin yapısına, kütlesine ve sıcaklık farkına bağlıdır. Şu şekilde hesaplanır:

Q, aktarılan ısı miktarı olduğunda, m nesnenin kütlesidir, C _e , maddenin kendi özgül ısısıdır ve ΔT = _son T - _başlangıç T , yani sıcaklık farkıdır.

Tüm enerji türleri gibi, Uluslararası Sistem'de (SI) ısı joule cinsinden ölçülür. Diğer uygun birimler şunlardır: cgs sistemindeki ergs, İngiliz sisteminde Btu ve gıdaların enerji içeriği için yaygın olarak kullanılan bir terim olan kalori.

Isı özellikleri

Kamp ateşinden gelen ısı transfer halindeki enerjidir. Kaynak: Pixabay

Akılda tutulması gereken birkaç temel kavram vardır:

- Isı, geçiş halindeki enerjiyle ilgilidir. Nesnelerin ısısı yoktur, sadece duruma göre onu serbest bırakır veya emer. Nesnelerin sahip olduğu şey, iç konfigürasyonları sayesinde iç enerjidir.

Bu iç enerji, sırasıyla, moleküler konfigürasyonun tipik özelliği olan titreşim hareketi ve potansiyel enerjiyle ilişkili kinetik enerjiden oluşur. Bu konfigürasyona göre, bir madde ısıyı az ya da çok kolaylıkla aktarır ve bu, Q'nun hesaplanması için denklemde belirtilen değer olan özgül ısısına C _e yansıtılır.

-İkinci önemli kavram ise, ısının daima en sıcak vücuttan en soğuk olana aktarılmasıdır. Deneyimler, sıcak kahvenin ısısının daima fincan ve tabağın porselenine veya karıştırıldığı kaşığın metaline doğru geçtiğini, asla tersi olmadığını gösterir.

- Aktarılan veya emilen ısı miktarı söz konusu vücudun kütlesine bağlıdır. X kütlesine sahip bir numuneye aynı miktarda kalori veya joule eklemek, kütlesi 2X olan başka bir numuneye aynı şekilde ısıtmaz.

Sebep? Daha büyük numunede daha fazla parçacık vardır ve her biri ortalama olarak daha küçük numunenin enerjisinin yalnızca yarısını alır.

Termal denge ve enerjinin korunumu

Deneyimler bize, iki nesneyi farklı sıcaklıklarda temas ettirdiğimizde, bir süre sonra her ikisinin sıcaklığının aynı olacağını söylüyor. O zaman nesnelerin veya sistemlerin de adlandırılabilecekleri gibi termal dengede olduğu söylenebilir.

Öte yandan, izole edilmiş bir sistemin iç enerjisinin nasıl artırılacağı üzerine düşünülerek, iki olası mekanizma olduğu sonucuna varılmıştır:

i) Isıtmak, yani başka bir sistemden enerji aktarmak.

ii) Üzerinde bir tür mekanik çalışma yapın.

Enerjinin korunduğunu dikkate alarak:

Termodinamik çerçevesinde, bu koruma ilkesi Termodinamiğin Birinci Yasası olarak bilinir. Sistemin izole edilmesi gerektiğini söylüyoruz, çünkü aksi takdirde terazideki diğer enerji girdilerinin veya çıktılarının dikkate alınması gerekir.

Isı nasıl ölçülür?

Isı, ürettiği etkiye göre ölçülür. Bu nedenle, bir içeceğin, yiyeceğin veya herhangi bir nesnenin ne kadar sıcak veya soğuk olduğunu hızla bildiren dokunma hissidir. Isının aktarılması veya soğurulması sıcaklıkta değişikliklere neden olduğundan, bunun ölçülmesi ne kadar ısı aktarıldığı konusunda bir fikir verir.

Sıcaklığı ölçmek için kullanılan alet, okumayı gerçekleştirmek için dereceli bir ölçekle donatılmış bir cihaz olan termometredir. En iyi bilineni, ısıtıldığında genişleyen ince bir civa kapilerinden oluşan cıva termometresidir.

Celsius ve Fahrenheit ölçeklerinde derecelendirmeli bir termometre. Kaynak: Pixabay.

Cıva ile doldurulmuş kapiler daha sonra bir ölçekle bir cam tüpe yerleştirilir ve vücutla temas ettirilir; bu, ısıl dengeye ulaşana kadar ölçülmesi gereken ve her ikisinin de sıcaklığı aynıdır.

Termometre yapmak için ne gereklidir?

Başlangıç ​​olarak, bazı termometrik özelliklere, yani sıcaklığa göre değişen bir özelliğe sahip olmanız gerekir.

Örneğin, bir gaz veya cıva gibi bir sıvı ısıtıldığında genleşir, ancak elektrik direnci de hizmet eder, bu da içinden bir akım geçtiğinde ısı yayar. Kısacası, kolayca ölçülebilen herhangi bir termometrik özellik kullanılabilir.

Sıcaklık t, termometrik özellik X ile doğru orantılıysa, o zaman yazılabilir:

Burada k, iki uygun sıcaklık ayarlandığında ve karşılık gelen X değerleri ölçüldüğünde belirlenecek orantılılık sabitidir. Uygun sıcaklıklar, laboratuvarda elde edilmesinin kolay olduğu anlamına gelir.

Çiftler (t ₁ , X ₁ ) ve (t ₂ , X ₂ ) oluşturulduktan sonra aralarındaki aralık eşit parçalara bölünür, bunlar dereceler olacaktır.

Sıcaklık ölçekleri

Bir sıcaklık ölçeği oluşturmak için gerekli sıcaklıkların seçimi, laboratuvarda elde edilmesinin kolay olması kriteri ile yapılır. Dünyada en yaygın kullanılan ölçeklerden biri, İsveçli bilim adamı Anders Celsius (1701-1744) tarafından oluşturulan Santigrat ölçeğidir.

Santigrat ölçeğindeki 0, buz ve sıvı suyun 1 atmosfer basınçta dengede olduğu sıcaklıktır, üst sınır ise sıvı su ve su buharı eşit olarak dengede ve 1 atmosfer basınçta olduğunda seçilir. Bu aralık, her biri derece santigrat olarak adlandırılan 100 dereceye bölünmüştür.

Ondan uzak bir ölçek oluşturmanın tek yolu bu değil. Aralıkların başka değerlerle seçildiği Fahrenheit ölçeği gibi başka farklı ölçekler de vardır. Ve sadece alt limiti olan Kelvin ölçeği var: mutlak sıfır.

Mutlak sıfır, bir maddedeki parçacıkların tüm hareketinin tamamen durduğu sıcaklığa karşılık gelir, ancak çok yaklaşmasına rağmen, henüz hiçbir maddeyi mutlak sıfıra soğutamamıştır.

Örnekler

Herkes doğrudan ya da dolaylı olarak her gün sıcağa maruz kalır. Örneğin sıcak bir içecek içtiğinizde, öğle güneşinde, bir araba motorunun sıcaklığını incelediğinizde, insanlarla dolu bir odada ve sayısız başka durumda.

Dünya'da, hem Güneş'ten gelen hem de gezegenin içinden gelen yaşam süreçlerini sürdürmek için ısı gereklidir.

Aynı şekilde, iklim, atmosferde meydana gelen termal enerjideki değişiklikler tarafından yönlendirilir. Güneşin ısısı her yere eşit olarak ulaşmaz, ekvator enlemlerinde kutuplardan daha fazlasına ulaşır, bu nedenle tropik bölgelerdeki en sıcak hava, termal dengeyi sağlamak için yükselir ve kuzeye ve güneye doğru hareket eder. daha önce konuşulmuştu.

Bu şekilde, bulutları ve yağmuru taşıyan farklı hızlarda hava akımları oluşturulur. Öte yandan, sıcak ve soğuk hava cepheleri arasındaki ani çarpışma, fırtına, hortum ve kasırga gibi olaylara neden oluyor.

Aksine, daha yakın bir seviyede, sıcaklık sahilde bir gün batımı kadar hoş karşılanmayabilir. Isı, araba motorlarında ve bilgisayar işlemcilerinde çalışma sorunlarına neden olur.

Aynı zamanda iletken kablolarda ve malzemelerde elektrik enerjisinin kaybolmasına neden olur, bu nedenle ısıl işlem mühendisliğin tüm alanlarında çok önemlidir.

Egzersizler

- 1. Egzersiz

Bir şekerin etiketi 275 kalori sağladığını okur. Bu şekerin joule cinsinden enerjisi ne kadardır?

Çözüm

Başlangıçta kaloriden ısı birimi olarak bahsedilmişti. Yiyecekler genellikle bu birimlerde ölçülen enerji içerir, ancak diyetteki kaloriler aslında kilokaloridir.

Eşdeğerlik şu şekildedir: 1 kcal = 4186 J ve şekerin aşağıdakilere sahip olduğu sonucuna varılmıştır:

275 kilokalori x 4186 joule / kilokalori = 1.15 10 ⁶ J.

- Egzersiz 2

100 g metal 100 ° C'ye ısıtılır ve 20 ° C'de 300 g su ile kalorimetreye yerleştirilir. Sistemin dengeye ulaştığında elde ettiği sıcaklık 21.44 ° C'dir. Kalorimetrenin ısıyı emmediğini varsayarak, metalin özgül ısısını belirlemeniz istenir.

Çözüm

Bu durumda metal ısıyı _bırakır ve buna Q _verilen diyeceğiz ve kaybı belirtmek için önüne (-) işareti konur:

Kalorimetredeki su ise ısıyı emer ve bu da Q'nun absorbe edildiği anlamına gelir:

Enerji korunur ve bunu takip eder:

İfadeden ΔT'yi hesaplayabilirsiniz:

Önemli: 1 ºC, 1 Kelvin ile aynı boyuttadır. İki ölçek arasındaki fark, Kelvin ölçeğinin mutlak olmasıdır (Kelvin dereceleri her zaman pozitiftir).

Suyun 20ºC'deki özgül ısısı 4186 J / kg'dır. K ve bununla emilen ısı hesaplanabilir:

Sonuç olarak, metalin özgül ısısı temizlenir:

Referanslar

1. Bauer, W. 2011. Mühendislik ve Bilimler için Fizik. Cilt 1. McGraw Hill.
2. Cuellar, JA Physics II: Yeterliliklere Göre Yaklaşım. McGraw Hill.
3. Kirkpatrick, L. 2007. Fizik: Dünyaya Bir Bakış. 6 ^ta Kısaltılmış düzenleme. Cengage Learning.
4. Knight, R. 2017. Bilim Adamları ve Mühendislik için Fizik: Bir Strateji Yaklaşımı. Pearson.
5. Tippens, P. 2011. Fizik: Kavramlar ve Uygulamalar. 7. Baskı. Mcgraw tepesi