Termodinamik

Gizli ısı, bir maddenin fazını değiştirmek için gereken ısı miktarıdır, yani sıcaklığında fark oluşturmadan halinde değişiklik yapar.

Serway ve Beichner'in "Fen ve Mühendislik için Fizik" kitabı, fiziğin temel kavram ve prensiplerini öğrencilere açık ve mantıklı bir şekilde anlatmaktadır. Kitap, üç ana bölümden oluşmaktadır: 1. Mekanik: Newton mekaniği, akışkanlar mekaniği gibi konuları içerir. 2. Mekanik Dalgalar: Ses dalgaları ve dalga hareketi gibi konuları ele alır. 3. Termodinamik: Isı, sıcaklık ve termodinamiğin temel yasalarını açıklar. Ayrıca, kitapta fiziğin diğer bilim dallarıyla ilişkisi ve gerçek dünya örnekleri de yer almaktadır.

Maddenin ısı ile etkileşimi çalışma kağıdı, maddenin ısı aldığında veya verdiğinde gerçekleşen değişimleri ve bu süreçlerin nasıl hesaplandığını anlatan bir eğitim materyalidir. Bu tür çalışma kağıtlarında genellikle şu konular ele alınır: - Öz ısı: Maddelerin öz ısılarının farklı olması ve bu durumun maddeler için ayırt edici bir özellik olması. - Hal değişimi: Maddelerin katı, sıvı veya gaz hâllerine geçerken ısı alışverişi yapmaları ve bu süreçlerin sıcaklık değişimine etkisi. - Isı ölçümü: Isının kalorimetre kabı ile nasıl hesaplandığı ve biriminin kalori (cal) veya joule (J) olması. Ayrıca, çalışma kağıtlarında deneyler ve sorular aracılığıyla öğrencilerin konuları pekiştirmeleri sağlanır.

Kelvin direnci, termodinamik ısı birimi olan kelvin derecesiyle ilgili değildir. Direnç ise, elektrik devrelerinde akımın geçişine karşı gösterilen zorlayıcı etkidir ve birimi ohm (Ω)'dur.

250 gram suyun sıcaklığını 1 derece artırmak için gereken ısı miktarı, suyun öz ısısı (4.18 J/g°C) ve kütlesi (250 g) kullanılarak hesaplanabilir: Isı (Q) = Öz ısı (c) x Kütle (m) x Sıcaklık farkı (Δt) Q = 4.18 J/g°C x 250 g x 1°C = 1045 J Sonuç olarak, 250 gram suyun sıcaklığını 1 derece artırmak için 1045 joule ısı gereklidir.

Öz ısı arttıkça, sıcaklık ters orantılı olarak azalır. Öz ısı, bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 1 °C değiştirmek için gereken ısı miktarıdır.

Bir tepkimenin ekzotermik veya endotermik olması, reaksiyon sırasında enerji alışverişine bağlıdır. - Ekzotermik tepkimeler, ortamdan aldıkları enerjiden daha fazlasını geri verirler ve bu nedenle çevreye ısı enerjisi verirler. - Endotermik tepkimeler ise, başlamak için çevreden enerji almak zorundadır ve reaksiyon sırasında ısı enerjisini emerler.

Termodinamikte saf madde, kimyasal bileşimi her noktada aynı ve değişmeyen (homojen) olan maddelere denir. Örnekler: su, azot, oksijen, çeşitli gazların homojen karışımı olan hava.

U ve R değerleri farklı bağlamlarda farklı anlamlar taşır: 1. Ohm Kanunu'nda U ve R: Ohm Kanunu'nda U, gerilim veya voltajı; R ise direnci ifade eder. 2. İnşaat ve Yalıtımda R ve U: İnşaat ve yalıtım alanında R, malzemenin yalıtım direncini; U ise yapı elemanının ısıyı ne kadar iyi ilettiğini gösteren genel ısı transfer katsayısını ifade eder.

Çift gövdeli ısı değiştirici, farklı çaplardaki eş merkezli iki boruludan oluşan en basit ısı değiştirici tipidir. Bu tip değiştiricide: - İçteki boru kanatçıklı veya düz olabilir. - Bir akışkan içteki boruda, diğeri ise iki boru arasında hareket eder. Çift gövdeli ısı değiştiriciler, toplam ısı transfer alanının 50 m2 ya da daha az olduğu küçük kapasiteli uygulamalar için kullanılır.

Isı aktarım cihazları üç ana mekanizma üzerinden çalışır: iletim, konveksiyon ve ışıma. 1. İletim: Isının katı maddeler aracılığıyla moleküllerin titreşimi ile aktarılmasıdır. 2. Konveksiyon: Sıvı veya gaz taneciklerinin hareket ederek ısıyı taşımasıdır. 3. Işıma: Elektromanyetik dalgalar aracılığıyla ısının boşlukta bile aktarılabilmesidir. Ayrıca, ısı transfer makineleri de özel bir ısı aktarım cihazı türüdür ve giyim eşyası, bardak ve şapka gibi malzemelere tasarımları ısı ve basınç kullanarak aktarır.

Fiziğin farklı alt dalları vardır ve "ru fiziği" olarak adlandırılan spesifik bir alan bulunmamaktadır. Ancak, fizik genel olarak madde ve enerji arasındaki etkileşimi inceleyen bir bilim dalıdır. Fiziğin bazı alt dalları şunlardır: - Mekanik: Kuvvet ve hareket arasındaki ilişkiyi inceler. - Elektromanyetizma: Elektrik yükü ve manyetik alanı araştırır. - Termodinamik: Enerji dönüşümlerini ve ısı gibi konuları ele alır. - Optik: Işığın yayılması ve yansıması gibi olayları inceler. - Atom Fiziği: Atomların yapısını ve atomlar arası ilişkileri araştırır. - Nükleer Fizik: Atom çekirdeğini ve çekirdek parçacıklarının etkileşimini inceler. - Katı Hal Fiziği: Maddenin elektrik, manyetik ve optik özelliklerini araştırır.

Isı transferi örnekleri çeşitli alanlarda karşımıza çıkar: 1. Güç Santralleri: Fosil yakıtlı enerji santrallerinde yakıt, suyu ısıtmak ve buhar üretmek için yakılır, bu buhar da türbini döndürerek elektrik üretir. 2. Gıda Endüstrisi: Pastörizasyon, sterilizasyon ve soğutma işlemlerinde ısı transferi kullanılır. 3. Kimya Endüstrisi: Kimyasal reaksiyonların kontrolü ve solventlerin geri kazanımı için ısı transferi önemlidir. 4. HVAC Sistemleri: Binalardan atılan havanın ısısı, temiz havayı önceden ısıtmak için kullanılarak enerji tasarrufu sağlanır. 5. Otomotiv Mühendisliği: Motorların ve soğutma sistemlerinin tasarımında ısı transferi kritik öneme sahiptir. 6. Yenilenebilir Enerji: Güneş ve jeotermal enerji üretiminde, termal enerjiyi yakalayıp kullanılabilir elektriğe dönüştürmek için ısı transferi kullanılır.

Isı kaybının en büyük nedeni, binanın dış duvar, çatı, pencereler ve zeminler gibi yapı elemanlarından ısı yayılmasıdır. Bu ısı kaybı, iletim, konveksiyon ve radyasyon gibi yollarla gerçekleşir.

Termodinamikte Hess yasası, bir kimyasal reaksiyonun entalpi değişiminin, reaksiyonun gerçekleştiği yola bağlı olmadığını, sadece başlangıç ve son durumlara bağlı olduğunu belirtir. Bu yasaya göre, bir reaksiyon birden fazla basamakta gerçekleşiyorsa, tepkimenin entalpi değişimi, her basamaktaki entalpi değişiminin toplamına eşittir.

Termokimyasal veriler çeşitli yöntemlerle bulunabilir: 1. Kalorimetri: Kimyasal reaksiyonlar ve işlemler sırasında meydana gelen ısı enerjisi değişikliklerinin ölçülmesini içerir. 2. Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC): Faz geçişleri, reaksiyon kinetiği ve ısı kapasitesini incelemek için kullanılır. 3. Bomba Kalorimetrisi: Bir maddenin yanma ısısını belirlemek ve enerji içeriğini anlamak için önemli veriler sağlar. 4. Termogravimetri: Numunenin kütle değişimi ile sıcaklık arasındaki ilişkiyi ölçer. 5. FactSage Yazılımı: Kimyasal termodinamik alanında, süreçlerin ve malzemelerin geliştirilmesi ve optimizasyonu için termodinamik hesaplamalar yapar. Ayrıca, standart termokimyasal veritabanları da kullanılabilir; örneğin, FactSage, dünyadaki inorganik sistemler için en büyük değerlendirilmiş ve optimize edilmiş termodinamik veritabanlarından biridir.

Termodinamik dersinde vize ve final sınavlarında aşağıdaki konular ve sorular çıkabilir: 1. Temel Kavramlar ve Tanımlar: Sistem, çevre, sınırlar, enerji ve iç enerji, termodinamik iş ve ısı transferi. 2. Termodinamik Yasaları: - Birinci Yasa (Enerjinin Korunumu İlkesi): Enerji korunur, bir kapalı sistem üzerine uygulanan net enerji transferi sistemin iç enerjisini değiştirir. - İkinci Yasa: Entropi adı verilen termodinamik bir fonksiyonun tanımlanması üzerine odaklanır, doğal süreçler entropi artışı yönünde evrimleşir. - Üçüncü Yasa: Bir sistem mutlak sıfır sıcaklığa (0 Kelvin) ulaşırken, entropisi sıfıra yaklaşır. 3. Çeşitli Termodinamik Süreçler: Carnot çevrimi, Rankine çevrimi, ideal gazlarda termodinamik işlemler. 4. Termodinamik Potansiyeller: Helmholtz ve Gibbs serbest enerjileri. 5. Örnek Sorular: Faz nedir, ısı enerjisi ile ne ilgisi vardır? Mutlak sıfır sıcaklık nedir? E=mc^2 olduğuna göre bir cismin kütlesi arttıkça enerjisi ne olur?.

Yağmur yağması, termodinamik fiziğin alt dalına girer.

ΔU (Delta U) ve Q (ısı) arasındaki ilişki, termodinamiğin birinci yasasına göre tanımlanır: ΔU = Q – W. Burada: - ΔU, sistemin iç enerjisindeki değişimdir. - Q, sisteme aktarılan net ısıdır (ısı toplamı). - W, sistem tarafından yapılan net iştir. Dolayısıyla, ΔU, Q'nun pozitif olması durumunda artar (ısı eklenir) ve W'nin pozitif olması durumunda azalır (iş yapılır).

Endotermik ve ekzotermik tepkimeler şu şekilde ayrılır: 1. Endotermik Tepkimeler: Bu tepkimeler, gerçekleşirken dışarıdan ısı alan tepkimelerdir. 2. Ekzotermik Tepkimeler: Bu tepkimeler, gerçekleşirken dışarıya ısı veren tepkimelerdir.