Isı ve İş

Isı ve İş

Mekanik işin ısıya, ısının da mekanik işe dönüşebileceğini ilk defa Benjamin Thomson (Benjamin Tamsın) ileri sürdü. B. Thomson o ana kadar madde olarak tanımlanan ısının artık bir madde olamayacağı sonucuna vardı. Isının, sürtünmeden ileri gelen kuvvetlerin ortaya çıkardığı bir iş olduğunu düşündü. Isı ve işin birbirine eşit olduğu ise ancak 1843 yılında James Joule (Ceyms Jul) tarafından doğrulandı.

Bunun için Joule Şekilde görülen düzeneği kurdu.

Yalıtılmış olan bu düzenekte, çark silindirine bağlı olan ağırlıklar düşerken çarkı harekete geçirir. Çarkın hareketi suya batırılmış pervanenin dönmesini sağlar. Çarkın dönmesiyle hareket eden pervane suyun ısınmasına sebep olur.

Bu olayda Mekanik enerji ısı enerjisine dönüşmüştür. Joule yaptığı deneyler sonucunda aynı miktardaki işin her zaman aynı miktarda ısıya dönüştüğünü bulmuştur




Joule'un, ısının mekanik eşdeğerini ölçmek için geliştirdiği cihazın şematik ve orjinal resmi.



Yaygın olarak kullanılan enerji birimleri aşağıdadır.

Joule

Calori

kg.(m/s)2,

erg=g.(cm/s)2

Birimleri çevirmek için Birim Çeviriciyi kullanabilirsiniz

Sistemle ortam birbirine Isı ve iş yardımı ile enerji aktarır . Isı, belirli sıcaklıktaki bir sistemin sınırlarından, daha düşük sıcaklıktaki bir sisteme, sıcaklık farkı nedeniyle transfer edilen enerjidir. Isı da iş gibi bir enerji transfer biçimidir. Isı ve iş hiçbir cisimde depo edilemez, ancak sistem sınırlarında ve geçiş halinde iken belirlenebilir.

Sıcaklık iki durum arasındaki potansiyel enerji farkının bir sonucudur.

İş ; bir cisme uygulanan kuvvetin, o cismin konumunda yaptığı değişiklik etkisine denir. İş sadece kinetik enerji ile olur. Başka bir deyişle, bir güç tarafından dönüştürülen enerji toplamı, fizikte Mekanik İş olarak tanımlanır. İş yapmak için enerji dönüşümü gerekir.

Enerjinin iş olarak aktarılmasına, sistemin çevresine yada çevrenin sisteme uyguladığı kuvvetlerin yaptığı mekanik işler örnek verilebilir.Sabit basınç altında genleşen gazın pistonu yukarı doğru itmesi veya pistona uygulanan bir kuvvetin gazı sıkıştırmasında olduğu gibi. Bu mekanik iş "w" sembolü ile gösterilir.

Mekanik iş, bir kuvvetin belirli bir yol alırken yaptığı iştir.

İş = kuvvet x yol bağıntısı ile gösterilir.

Gazların genleşmesiyle yapılan iş, mekanik işe örnektir. Kapalı bir silindir içindeki ideal bir gazın ısıtılarak genleşmesi sırasında serbest hareketli pistonu iterek ötelemesi sonucu yaptığı iş gösterilmiştir

Sabit sabit basınçlı sistemlerde iç enerji değişimi

PİLK=PSON



Sabit basınç altında içinde belli miktar gaz bulunan silindir ısıtılıyor. Isıtılan gazın sabit basınca karşı genleşirken yaptığı iş (w), o andaki hacim değişikliğine sebep olan gazın basıncındaki değişimin bir sonucudur.

Verilen ısı gazın iç enerjisinin artmasının yanı sıra pistonunda kaldırılmasını da sağlar. Pistonun kaldırılması sırasında P.ΔV kadar iş yapılmış olur. Bu ilişki aşağıda gösterilmiştir.

 aynı zamanda

W=PΔV alınırsa



şeklinde de hesaplanabilir


Qp = Sabit basınç altındaki gazın aldığı ısı

U= İç enerji

ΔU= İç Enerji değişimi

İç enerji ,bir hal fonksiyonu olduğu için ölçülemez.Sistemin ilk ve son halleri arasındaki i. enerji değişimi ΔU ölçülebilir ve

ΔU=USON-UİLKşeklinde gösterilir.

Eğer verilen enerji sistemin iş yapmasına neden olmuyorsa bu durumda yapılan iş yaklaşık “0” a eşittir.

Sabit hacimli sistemlerde iç enerji değişimi

VİLK=VSON

TİLK<TSON

TİLK VİLK TSON VSON



Şekildeki gibi sabit hacimde tutulan bir gaz ısı verildiğinde gazın iç enerjisinin, U artmasına neden olur ancak hacmi sabit kaldığı için yaptığı iş W=0 olur. Bu durumda sisteme verilen ısı sadece iç enerji (U) artışında kullanılmıştır. sabit hacim altında gerçekleşen tepkimelerde mekanik iş yapılmaz. W=0 olur.

Bu durumu formülle göstermek istersek;



Qv = Sabit hacim altındaki gazın aldığı ısı

W=0 olduğu için olacaktır

Aynı zamanda  şeklinde de hesaplanabilir



Yani, sabit basınçta sisteme verilen ısı, sitemin iç enerji değişimine eşittir.



Bu durumda ;olur.