Isıl Denge Konu Anlatımı

Isıl Denge

Sıcaklıkları farklı maddeler birbiriyle etkileştiğinde aralarında ısı alışverişi gerçekleşir. Isı, sıcaklığı yüksek olan maddeden sıcaklığı düşük olan maddeye doğru aktarılır. Bu aktarım maddelerin son sıcaklıkları eşitlenene kadar sürer. Maddelerin ulaştığı ortak son sıcaklığa **denge sıcaklığı**, bu duruma ise **ısıl denge** ya da **termal denge** denir.

Isıl Denge ve Denge Sıcaklığı

Termal olarak yalıtılmış iki madde düşünelim. Başlangıçta sıcaklıkları farklıysa sıcak madde ısı verir, soğuk madde ısı alır. Bir süre sonra iki maddenin sıcaklığı aynı değere ulaşır. Bu ortak sıcaklık **TD** ile gösterilir.

Başlangıçta sıcaklıklar eşitse maddeler zaten ısıl dengededir ve net ısı alışverişi olmaz.

Isı Alışverişinin Temel İlkesi

Isıca yalıtılmış bir sistemde çevreye ısı verilmediği ve çevreden ısı alınmadığı kabul edilir. Bu nedenle sıcak maddenin verdiği ısı, soğuk maddenin aldığı ısıya eşittir.

Qalınan = Qverilen

Denge Sıcaklığını Etkileyen Değişkenler

Ders kitabındaki etkinlikte denge sıcaklığını etkileyen üç temel değişken incelenir:

• Maddelerin kütleleri
• Maddelerin cinsi
• Maddelerin ilk sıcaklıkları

Maddenin cinsi öz ısıyla ilişkilidir. Kütle ve öz ısı birlikte ısı sığasını belirler.

C = m·c

Isı sığası büyük olan cismin sıcaklığı aynı miktarda ısı alışverişinde daha az değişir. Bu nedenle denge sıcaklığı, ısı sığası daha büyük olan cismin ilk sıcaklığına daha yakın olur.

Kütlenin Etkisi

Aynı cins maddelerde öz ısı aynıdır. Bu nedenle kütlesi büyük olanın ısı sığası daha büyüktür.

Örneğin 300 g su 40 °C, 100 g su 80 °C ise denge sıcaklığı 40 °C'ye daha yakın olur.

300(TD - 40) = 100(80 - TD)

eşitliğinden:

TD = 50 °C

bulunur.

Maddenin Cinsinin Etkisi

Eşit kütlede farklı cins maddelerin öz ısıları farklı olabilir. Öz ısısı daha büyük olan cismin ısı sığası da daha büyük olur ve sıcaklığı daha az değişir.

Bu nedenle denge sıcaklığı, öz ısısı daha büyük olan cismin ilk sıcaklığına daha yakın olabilir.

İlk Sıcaklıkların Etkisi

İlk sıcaklıklar ısı akış yönünü belirler.

• Sıcak olan ısı verir.
• Soğuk olan ısı alır.
• Son sıcaklıklar eşitlenince ısı alışverişi sona erer.

Hâl değişimi yoksa denge sıcaklığı başlangıç sıcaklıkları arasında bulunur.

Isıl Denge Hesapları

Hâl değişimi yokken:

Q = m·c·ΔT

bağıntısı kullanılır.

Sıcak madde için sıcaklık değişiminin büyüklüğü:

Tilk - TD

Soğuk madde için:

TD - Tilk

şeklindedir.

Böylece:

msoğuk·csoğuk·(TD - Tsoğuk) = msıcak·csıcak·(Tsıcak - TD)

eşitliği kurulabilir.

Eşit Isı Sığalı Cisimler

İki cismin ısı sığaları eşitse sıcaklık değişimleri eşit büyüklükte olur. Bu durumda denge sıcaklığı iki ilk sıcaklığın tam ortasında bulunur.

Örneğin 20 °C ve 60 °C sıcaklıktaki eşit ısı sığalı cisimlerin denge sıcaklığı 40 °C'dir.

Termometre ile Isıl Denge

Termometre ile yapılan sıcaklık ölçümü ısıl dengeye örnektir. Termometre cisme temas ettiğinde sıcaklığı yüksek olandan düşük olana ısı aktarılır. Yeterince beklendiğinde termometre ile cisim aynı sıcaklığa ulaşır.

Termometrenin gösterdiği değer bu denge sıcaklığıdır.

İnsan Vücudu ve Termometre

Ders kitabında insan vücudunun ortalama öz ısısı 3470 J/kg·°C, cıvanın öz ısısı ise 138 J/kg·°C olarak verilir.

İnsan vücudunun öz ısısı çok daha büyük olduğundan termometre ile vücut ısıl dengeye geldiğinde oluşan denge sıcaklığı vücudun başlangıç sıcaklığına çok yakın olur.

Isıl Denge Ne Anlama Gelmez?

Isıl dengede:

• sıcaklıklar eşittir,
• net ısı alışverişi yoktur.

Ancak:

• kütlelerin eşit olması gerekmez,
• öz ısıların eşit olması gerekmez,
• ısı sığalarının eşit olması gerekmez,
• iç enerjilerin eşit olması gerekmez.

Buz ve Su Örneği

0 °C buz, 20 °C suya atıldığında sudan buza ısı aktarılır. Suyun verdiği ısı buzun tamamını eritmeye yetebilir veya yetmeyebilir.

Buz tamamen erirse sistemde yalnız sıvı su kalabilir. Buzun tamamı erimezse denge sıcaklığı 0 °C olabilir ve buz ile su birlikte bulunabilir.

Sık Karıştırılan Noktalar

• Isı sıcaktan soğuğa akar.
• Isıl dengede sıcaklıklar eşittir.
• Qalınan = Qverilen.
• Denge sıcaklığı her zaman tam ortada değildir.
• Isı sığası büyük olanın sıcaklığı daha az değişir.
• Isıl denge iç enerjilerin eşit olduğu anlamına gelmez.
• Termometre doğru değer için cisimle ısıl dengeye gelmelidir.
• Başlangıç sıcaklıkları eşitse net ısı alışverişi olmaz.

Soru Çözerken Kullanılabilecek Yaklaşım

1. Sıcak ve soğuk cismi belirle.
2. Isı akış yönünü sıcaktan soğuğa yaz.
3. Hâl değişimi olup olmadığını kontrol et.
4. Hâl değişimi yoksa Q=m·c·ΔT kullan.
5. Qalınan=Qverilen eşitliğini kur.
6. Soğuk cisim için ΔT=TD-Tilk, sıcak cisim için ΔT=Tilk-TD kullan.
7. Sonucun büyük ısı sığalı cismin ilk sıcaklığına daha yakın olup olmadığını kontrol et.

Konu Özeti

Isıl denge, sıcaklıkları farklı maddeler arasındaki ısı alışverişi sonucunda son sıcaklıkların eşitlenmesi durumudur. Ortak son sıcaklık denge sıcaklığıdır. Isı yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa aktarılır. Isıca yalıtılmış sistemlerde alınan ısı verilen ısıya eşittir. Denge sıcaklığı maddelerin kütlelerine, cinslerine ve ilk sıcaklıklarına bağlıdır.

Konuyu Bitirdiğinde Bunları Yapabiliyor Olmalısın

• Isıl dengeyi tanımlayabilmelisin.
• Denge sıcaklığını açıklayabilmelisin.
• Isı akış yönünü belirleyebilmelisin.
• Qalınan=Qverilen ilkesini kullanabilmelisin.
• Kütle, öz ısı ve ilk sıcaklığın denge sıcaklığına etkisini yorumlayabilmelisin.
• Isıl denge sorularını çözebilmelisin.
• Termometre ölçümünü ısıl denge ile açıklayabilmelisin.