Sıcaklık - Heat

Termodinamik
Klasik Carnot ısı motoru
Şubeler Klasik istatistiksel Kimyasal kuantum termodinamiği Denge  / Dışı Denge
kanunlar sıfır İlk İkinci Üçüncü
Sistemler Kapalı sistem Yalıtılmış sistem Durum Devlet denklemi Ideal gaz gerçek gaz Maddenin durumu Aşama (madde) Denge Sesi kontrol et Enstrümanlar süreçler izobarik izokorik İzotermal adyabatik izotropik isentalpik yarı statik politropik Ücretsiz genişleme tersine çevrilebilirlik tersinmezlik onaylanabilirlik döngüler ısı motorları Isı pompaları Isıl verim
Sistem özellikleri Not: Eşlenik değişkenler de italik Özellik diyagramları Yoğun ve kapsamlı özellikler Proses fonksiyonları İş Sıcaklık Devletin işlevleri Sıcaklık  / Entropi  ( giriş ) Basınç  / Hacim Kimyasal potansiyel  / Partikül sayısı Buhar kalitesi azaltılmış özellikler
Malzeme özellikleri Mülk veritabanları Özgül ısı kapasitesi  ${\görüntüleme stili c=}$ ${\görüntüleme stili T}$ ${\görüntüleme stili \kısmi S}$ ${\görüntüleme stili N}$ ${\görüntüleme stili \kısmi T}$ Sıkıştırılabilme  ${\görüntüleme stili \beta =-}$ ${\görüntüleme stili 1}$ ${\görüntüleme stili \kısmi V}$ ${\görüntüleme stili V}$ ${\görüntüleme stili \kısmi p}$ Termal Genleşme  ${\görüntüleme stili \alfa =}$ ${\görüntüleme stili 1}$ ${\görüntüleme stili \kısmi V}$ ${\görüntüleme stili V}$ ${\görüntüleme stili \kısmi T}$
denklemler Carnot teoremi Clausius teoremi temel ilişki İdeal gaz yasası Maxwell ilişkileri Onsager karşılıklı ilişkiler Bridgman denklemleri Termodinamik denklemler tablosu
potansiyeller Bedava enerji serbest entropi
Tarih Kültür Tarih Genel Entropi Gaz yasaları "Sürekli hareket" makineleri Felsefe Entropi ve zaman Entropi ve yaşam Brownian cırcır Maxwell'in iblisi Isı ölüm paradoksu Loschmidt'in paradoksu sinerjik teoriler kalori teorisi Vis viva ("canlı güç") ısının mekanik eşdeğeri Motivasyon gücü Önemli yayınlar " ... Isı Konusunda Deneysel Bir Araştırma " " Heterojen Maddelerin Dengesi Üzerine " " Ateşin Güdüleyici Gücü Üzerine Düşünceler " zaman çizelgeleri Termodinamik ısı motorları Sanat Eğitim Maxwell'in termodinamik yüzeyi Enerji dağılımı olarak entropi
Bilim insanları Bernoulli Boltzmann karnot Klapeyron Clausius karateodor Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals sutaşı
Diğer çekirdeklenme Kendi kendine montaj kendi kendine organizasyon Düzen ve düzensizlik
Kategori
v t e

Güneş ve Toprak bir ısıtma işleminin devam eden bir örnek oluşturur. Güneş'in termal radyasyonunun bir kısmı Dünya'ya çarpar ve ısıtır. Güneş ile karşılaştırıldığında, Dünya çok daha düşük bir sıcaklığa sahiptir ve bu nedenle Güneş'e çok daha az termal radyasyon gönderir. Bu sürecin ısısı, belirli bir süre içinde aktardığı enerjinin net miktarı ve yönü (Güneş'ten Dünya'ya) ile ölçülebilir.

Olarak termodinamik , ısı olan enerji başka mekanizmalar yoluyla veya bir termodinamik sistemden transferi, termodinamik çalışma ya da maddenin aktarılması . Isıyı tanımlayan çeşitli enerji transfer mekanizmaları bu makalenin sonraki bölümünde belirtilmiştir.

Termodinamik iş gibi , ısı transferi de herhangi bir sistemin özelliği değil, birden fazla sistemi içeren bir süreçtir. Termodinamikte, ısı olarak aktarılan enerji , örneğin iç enerjisi veya örneğin entalpisi gibi sistemin temel enerji değişkenindeki değişime katkıda bulunur . Bu, yalıtılmış bir sistemin bir özelliği olarak ısının olağan dil anlayışından ayırt edilmelidir.

Bir süreçte ısı olarak aktarılan enerji miktarı , yapılan herhangi bir termodinamik iş ve aktarılan maddede bulunan herhangi bir enerji hariç aktarılan enerji miktarıdır . Isının kesin olarak tanımlanabilmesi için madde aktarımını içermeyen bir yoldan meydana gelmesi gerekir.

Tanım gereği hemen olmasa da, özel işlem türlerinde, ısı olarak aktarılan enerji miktarı, etkileşen cisimlerin durumları üzerindeki etkisiyle ölçülebilir. Örneğin, sırasıyla özel durumlarda, ısı transferi, eriyen buz miktarı veya sistemin çevresindeki bir cismin sıcaklığındaki değişiklik ile ölçülebilir . Bu tür yöntemlere kalorimetri denir .

Bir termodinamik süreçte aktarılan ısı miktarını temsil etmek için kullanılan geleneksel sembol Q'dur . Bir enerji miktarı olarak (aktarılmakta), SI ısı birimi joule'dür (J).

Isıyı tanımlayan transfer mekanizmaları

Isıyı tanımlayan enerji aktarım mekanizmaları arasında , hareketsiz cisimlerin doğrudan teması yoluyla veya maddeyi geçirmeyen bir duvar veya bariyer yoluyla iletim ; veya ayrılmış cisimler arasındaki radyasyon ; veya ilgili sistem üzerinde çevre tarafından yapılan izokorik mekanik veya elektrik veya manyetik veya yerçekimi işinden kaynaklanan sürtünme , örneğin ilgilenilen sistem üzerinden harici bir sistem veya bir manyetik karıştırıcı aracılığıyla sürülen bir elektrik akımından kaynaklanan Joule ısınması gibi . Farklı sıcaklıklardaki iki sistem arasında uygun bir yol olduğunda, daha sıcak olandan daha soğuk olan sisteme ısı transferi zorunlu olarak, hemen ve kendiliğinden gerçekleşir. Termal iletim , mikroskobik parçacıkların (atomlar veya moleküller gibi) stokastik (rastgele) hareketiyle oluşur . Tersine, termodinamik iş, makroskopik olarak ve doğrudan sistemin tüm vücut durum değişkenleri üzerinde hareket eden mekanizmalar tarafından tanımlanır ; örneğin, harici olarak ölçülebilir bir kuvvetle bir pistonun hareketiyle sistemin hacminin değişmesi; veya elektrik alanında harici olarak ölçülebilir bir değişiklik yoluyla sistemin dahili elektrik polarizasyonunun değişmesi. Isı transferinin tanımı, sürecin herhangi bir anlamda düzgün olmasını gerektirmez. Örneğin, bir yıldırım bir cisme ısı aktarabilir.

Konvektif dolaşım, enerjiyi birinin sınırından diğerinin sınırına taşıyan bir ara dolaşım sıvısı aracılığıyla bir cismin diğerini ısıtmasına izin verir; gerçek ısı transferi, akışkan ve ilgili gövdeler arasındaki iletim ve radyasyon yoluyladır. Konvektif dolaşım, kendiliğinden olsa da , sadece hafif bir sıcaklık farkı nedeniyle mutlaka ve hemen meydana gelmez; belirli bir sistem düzenlemesinde gerçekleşmesi için geçilmesi gereken bir eşik vardır.

Isı, daha sıcak bir cisimden daha soğuk bir cisme kendiliğinden akmasına rağmen, daha soğuk bir cisimden daha sıcak bir cisme enerji aktarmak için iş harcayan bir ısı pompası yapmak mümkündür . Buna karşılık, bir ısı motoru , başka bir sisteme iş sağlamak için mevcut bir sıcaklık farkını azaltır. Bir başka termodinamik ısı transfer cihazı türü, daha sıcak bir gövdeden, örneğin bir bilgisayar bileşeninden daha soğuk çevreye enerji transferini hızlandırmak için iş harcayan aktif bir ısı yayıcıdır.

Notasyon ve birimler

Bir enerji biçimi olarak ısı, Uluslararası Birimler Sisteminde (SI) joule (J) birimine sahiptir . Bununla birlikte, mühendislikteki birçok uygulamalı alanda İngiliz ısı birimi (BTU) ve kalori sıklıkla kullanılmaktadır. Aktarılan ısı oranı için standart birim , saniyede bir joule olarak tanımlanan watt'tır (W).

Isı olarak aktarılan toplam enerji miktarı için Q sembolü 1850'de Rudolf Clausius tarafından kullanılmıştır :

"Hacmi olduğu başka herhangi bir durumdan kesin bir şekilde gaz geçiş sırasında kazandırılan gereken ısı miktarını, izin v ve sıcaklığı T çağrılabilir, Q "

Bir sistem tarafından çevreye salınan ısı, geleneksel olarak negatif bir niceliktir ( Q < 0 ); bir sistem çevresinden ısı emdiğinde pozitiftir ( Q > 0 ). Isı transfer hızı veya birim zaman başına ısı akışı ile gösterilir . Bu, bir durum fonksiyonunun (nokta gösterimi ile de yazılabilir) zamana göre türevi ile karıştırılmamalıdır, çünkü ısı bir durum fonksiyonu değildir. Isı akısı , birim kesit alanı başına ısı transfer oranı olarak tanımlanır (metre kare başına watt birimi). ${\ Displaystyle {\dot {Q}}}$

klasik termodinamik

Isı ve entropi

Rudolf Clausius

1856'da Rudolf Clausius , maddenin transferinin olmadığı kapalı sistemlere atıfta bulunarak , ısının mekanik teorisinde ( termodinamik ) ikinci temel teoremi ( termodinamiğin ikinci yasası ) tanımladı : başka bir sürekli olarak değiştirilmesi, karşılıklı olarak birbirlerini yerine eşdeğer olarak adlandırılabilir, daha sonra ısı miktarına nesiller Q dan çalışma sıcaklığında T sahiptir eşdeğerlik-değeri :"

${\displaystyle {\frac {Q}{T}}.}$

1865'te S ile sembolize edilen entropiyi tanımlamaya geldi , öyle ki, T sıcaklığındaki ısı miktarının Q sağlanması nedeniyle sistemin entropisi şu kadar artar:

${\displaystyle \Delta S={\frac {Q}{T}}}$

( 1 )

İş yapılmadan enerjinin ısı olarak transferinde, hem ısı veren ortamda hem de alan sistemde entropi değişiklikleri olur. Sistemdeki entropi artışının, Δ S , iki kısımdan oluştuğu düşünülebilir, bir artış, Δ S ' ile eşleşen veya çevredeki entropinin −Δ S ' değişimini 'telafi eden' ve sistemde 'üretilmiş' veya 'üretilmiş' olarak kabul edilebilecek ve bu nedenle 'telafi edilmemiş' olduğu söylenebilecek daha fazla artış, Δ S ′ ′. Böylece

${\displaystyle \Delta S=\Delta S'+\Delta S''.}$

Bu da yazılabilir

${\displaystyle \Delta S_{\mathrm {sistem} }=\Delta S_{\mathrm {telafi edilen} }+\Delta S_{\mathrm {telafi edilmeyen} }\,\,\,\,{\metin{ile}} \,\,\,\,\Delta S_{\mathrm {telafi edilmiş} }=-\Delta S_{\mathrm {çevre} }.}$

Sistemdeki ve çevredeki toplam entropi değişimi böylece

${\displaystyle \Delta S_{\mathrm {genel} }=\Delta S^{\prime }+\Delta S^{\prime \prime }-\Delta S^{\prime }=\Delta S^{\prime \önemli }.}$

Bu da yazılabilir

${\displaystyle \Delta S_{\mathrm {genel} }=\Delta S_{\mathrm {telafi edilen} }+\Delta S_{\mathrm {telafi edilmemiş} }+\Delta S_{\mathrm {çevre} }=\Delta S_ {\mathrm {telafi edilmemiş} }.}$

Daha sonra çevreden sisteme bir miktar entropi Δ S ′ aktarıldığı söylenir . Entropi korunan bir nicelik olmadığından, bu, aktarılan bir miktarın korunan bir nicelik olduğu genel konuşma biçiminin bir istisnasıdır.

Termodinamiğin ikinci yasasından, sistemin sıcaklığının çevredekinden farklı olduğu kendiliğinden bir ısı transferinde şu sonucu çıkar:

${\displaystyle \Delta S_{\mathrm {genel}}>0.}$

Transferlerin matematiksel analizi amacıyla , sistemin sıcaklığının ( T) çevrenin sıcaklığından çok az az olduğu ve transferin algılanamayacak kadar yavaş bir hızda gerçekleştiği, tersine çevrilebilir olarak adlandırılan hayali süreçler düşünülebilir .

Yukarıdaki formül ( 1 )' deki tanımı takiben, böyle bir hayali tersinir süreç için, aktarılan ısı miktarı δ Q ( kesin olmayan bir fark ), d S ( tam bir fark ) ile birlikte T d S miktarı olarak analiz edilir :

${\displaystyle T\,\mathrm {d} S=\delta Q.}$

Bu eşitlik yalnızca entropi üretiminin olmadığı, yani hiçbir telafi edilmemiş entropinin olmadığı kurgusal bir aktarım için geçerlidir.

Tersine, süreç doğalsa ve gerçekten tersinmezlikle gerçekleşebiliyorsa, o zaman d S _{telafi edilmemiş} > 0 ile entropi üretimi vardır . _{Telafi edilmemiş} T d S miktarı Clausius tarafından "telafi edilmemiş ısı" olarak adlandırılmıştır, ancak bu günümüz terminolojisine uymamaktadır. Sonra bir tane var

${\displaystyle T\,\mathrm {d} S=\delta Q+T\,\mathrm {d} S_{\mathrm {telafi edilmemiş} }>\delta Q.}$

Bu açıklamaya yol açar

${\displaystyle T\,\mathrm {d} S\geq \delta Q\quad {\textrm {(ikinci yasa)}}\,.}$

hangi termodinamiğin ikinci yasası , kapalı sistemler için.

Yerel termodinamik denge hipotezini varsayarak yaklaşan denge dışı termodinamikte, bunun için özel bir gösterim vardır. Enerjinin ısı olarak transferinin sonsuz küçük bir sıcaklık farkı boyunca gerçekleştiği varsayılır, böylece sistem elemanı ve çevresi, yeterince yakın bir T sıcaklığına sahiptir . Sonra biri yazar

${\displaystyle \mathrm {d} S=\mathrm {d} S_{\mathrm {e} }+\mathrm {d} S_{\mathrm {i} }\,,}$

tanım gereği nerede

${\displaystyle \delta Q=T\,\mathrm {d} S_{\mathrm {e} }\,\,\,\,\,{\text{and}}\,\,\,\,\, \mathrm {d} S_{\mathrm {i} }\equiv \mathrm {d} S_{\mathrm {telafi edilmemiş} }.}$

Doğal bir sürecin ikinci yasası şunu ileri sürer:

${\displaystyle \mathrm {d} S_{\mathrm {i} }>0.}$

Isı ve entalpi

Bir İçin Kapalı bir sistemde (olursa olsun girmek veya çıkmak hangi bir sistemi), biri versiyonu termodinamik ilk yasa değişikliği olduğu devletler iç enerji Δ U sisteminin ısı miktarına eşittir Q sistemi eksi verilen Sistemin çevresinde yaptığı termodinamik iş W miktarı . İş için yukarıdaki işaret kuralı bu makalede kullanılmaktadır, ancak iş için IUPAC tarafından takip edilen alternatif bir işaret kuralı, sistem üzerinde çevresi tarafından gerçekleştirilen işi olumlu olarak değerlendirmektir. Bu, Peter Atkins ve Ira Levine tarafından yazılanlar gibi birçok modern fizikokimya ders kitabı tarafından benimsenen bir gelenektir, ancak fizik üzerine birçok ders kitabı işi sistem tarafından yapılan iş olarak tanımlar.

${\görüntüleme stili\Delta U=QW\,.}$

Bu formül, Δ U'nun yalnızca adyabatik iş süreçleri tarafından tanımlandığı ve ölçüldüğü varsayılırsa, yalnızca adyabatik iş kavramına dayalı olarak, ısı olarak aktarılan enerji miktarının bir tanımını ifade edecek şekilde yeniden yazılabilir :

${\displaystyle Q=\Delta U+W.}$

Sistem tarafından yapılan termodinamik iş , çevredeki mekanizmaları zorunlu olarak içeren değişkenler aracılığıyla değil, örneğin hacmi V gibi termodinamik durum değişkenleri tarafından tanımlanan mekanizmalar aracılığıyladır. İkincisi şaft işi gibidir ve izokorik çalışmayı içerir.

İç enerji, U , bir durum fonksiyonudur . Bir ısı makinesinin çalışması gibi döngüsel süreçlerde, bir döngünün tamamlanmasıyla çalışan maddenin durum fonksiyonları başlangıç ​​değerlerine döner.

Sonsuz küçük bir süreçte iç enerji için diferansiyel veya sonsuz küçük artış, tam bir diferansiyel d U'dur . Tam diferansiyellerin sembolü küçük harf d'dir .

Buna karşılık, sonsuz küçük bir süreçteki sonsuz küçük artışların hiçbiri δ Q veya δ W , sistemin durumunu temsil etmez . Bu nedenle, ısı ve işin sonsuz küçük artışları kesin olmayan diferansiyellerdir. Küçük Yunan harfi delta, δ , kesin olmayan diferansiyellerin sembolüdür . Herhangi bir kesin olmayan diferansiyelin, bir sistemin aynı termodinamik duruma geri dönmesi için geçen süre içindeki integrali mutlaka sıfıra eşit değildir.

Aşağıda anlatıldığı gibi, Entropi başlıklı bölümde , termodinamiğin ikinci yasası, geri dönüşü olmayan hiçbir işlemin olmadığı ve iyi tanımlanmış bir T sıcaklığına sahip bir sisteme ısı verilirse, ısı artışı δ Q ve sıcaklığın arttığını gözlemler. T oluşturan tam diferansiyel

${\displaystyle \mathrm {d} S={\frac {\delta Q}{T}},}$

ve bu S , çalışan vücudun entropisi, durumun bir fonksiyonudur. Benzer şekilde, iyi tanımlanmış bir basınçla ( P) , hareketli sınırın arkasında, iş farkı, δ W ve basınç, P , tam farkı oluşturmak için birleşir.

${\displaystyle \mathrm {d} V={\frac {\delta W}{P}},}$

ile V bir durum değişkeni olan sistemin hacmi. Genel olarak homojen sistemler için,

${\displaystyle \mathrm {d} U=T\mathrm {d} SP\mathrm {d} V.}$

Bu diferansiyel denklemle bağlantılı olarak, iç enerjinin , doğal değişkenleri S ve V'nin bir fonksiyonu U ( S , V ) olarak kabul edilebileceği düşünülebilir . Temel termodinamik ilişkinin iç enerji temsili yazılır

${\görüntüleme stili U=U(S,V).}$

Eğer V sabitidir

${\displaystyle T\mathrm {d} S=\mathrm {d} U\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(V\,\,{\text {sabit)}}}$

ve eğer P sabit ise

${\displaystyle T\mathrm {d} S=\mathrm {d} H\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(P\,\,{\text {sabit)}}}$

H ile tanımlanan entalpi

${\ Displaystyle H=U+PV.}$

Entalpi , doğal değişkenleri S ve P'nin H ( S , P ) bir fonksiyonu olarak düşünülebilir . Temel termodinamik ilişkinin entalpi gösterimi yazılır

${\görüntüleme stili H=H(S,P).}$

İç enerji gösterimi ve entalpi gösterimi, birbirinin kısmi Legendre dönüşümleridir . Farklı şekillerde yazılmış aynı fiziksel bilgileri içerirler. İç enerji gibi, doğal değişkenlerinin bir fonksiyonu olarak ifade edilen entalpi de bir termodinamik potansiyeldir ve bir cisim hakkındaki tüm termodinamik bilgileri içerir.

Bir cisme , çevresinde W genleşme işi yaparken Q miktarı kadar ısı eklenirse ,

${\displaystyle \Delta H=\Delta U+\Delta (PV)\,.}$

Bunun Δ P = 0 ile sabit basınçta gerçekleşmesi kısıtlanırsa , vücut tarafından yapılan genişleme işi W , W = P Δ V ile verilir ; termodinamiğin birinci yasasını hatırlayarak,

${\displaystyle \Delta U=QW=QP\,\Delta V{\text{ ve }}\Delta (PV)=P\,\Delta V\,.}$

Sonuç olarak, ikame ile bir

${\displaystyle {\begin{hizalanmış}\Delta H&=QP\,\Delta V+P\,\Delta V\\&=Q\qquad \qquad \,\,\,\,\,\,\,\ ,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\text{sabit basınçta.}}\end{hizalı}}}$

Bu senaryoda, entalpideki artış, sisteme eklenen ısı miktarına eşittir. Birçok işlem sabit basınçta veya yaklaşık olarak atmosfer basıncında gerçekleştiğinden, bu nedenle entalpiye bazen yanıltıcı 'ısı içeriği' adı verilir. Bazen ısı fonksiyonu olarak da adlandırılır.

H durum fonksiyonunun doğal değişkenleri S ve P açısından, durum 1'den durum 2'ye bu durum değişim süreci şu şekilde ifade edilebilir:

${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta H&=\int _{S_{1}}^{S_{2}}\left({\frac {\partial H}{\partial S}}\right)_ {P}\mathrm {d} S+\int _{P_{1}}^{P_{2}}\left({\frac {\partial H}{\partial P}}\sağ)_{S}\ matematik {d} P\\&=\int _{S_{1}}^{S_{2}}\left({\frac {\partial H}{\partial S}}\sağ)_{P}\ matematik {d} S\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\metin{sabit basınçta.}}\end{hizalı} }}$

T ( S , P ) sıcaklığının aynı şekilde ifade edildiği bilinmektedir .

${\displaystyle \sol({\frac {\kısmi H}{\kısmi S}}\sağ)_{P}\eşdeğer T(S,P)\,.}$

Sonuç olarak,

${\displaystyle \Delta H=\int _{S_{1}}^{S_{2}}T(S,P)\mathrm {d} S\,\,\,\,\,\,\,\ ,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\text{sabit basınçta.}}}$

Bu durumda integral, sabit basınçta aktarılan ısı miktarını belirtir.

Tarih

Ortak bir isim, İngiliz gibi ısı veya sıcaklık (sadece Fransız olarak chaleur , Alman WÄRME , Latince CALOR , Yunan θάλπος, vs.) (insan anlamına gelir algısı ) ya ısı enerjisi veya ısı . Termal enerji veya maddenin ayrı bir formu olarak "ısı" üzerine spekülasyonların uzun bir geçmişi vardır, bkz. kalori teorisi , flojiston ve ateş (klasik element) .

Termal enerji menşeli modern anlayış Thompson 'in 1798 ısının mekanik teori ( Deneysel Sorgulama sürtünme ile uyarılırsa Isı kaynağı ile ilgili olarak bir varsayarak), ısı, mekanik eşdeğer . 1820'lerde Nicolas Clément ve Sadi Carnot ( Reflections on the Motive Power of Fire ) arasındaki bir işbirliği , aynı çizgiye yakın bazı ilgili düşüncelere sahipti. 1845'te Joule , "Bir ısı birimi üretmek" için gereken mekanik iş miktarı için sayısal bir değer belirlediği , Isı'nın Mekanik Eşdeğeri başlıklı bir makale yayınladı . Klasik termodinamik teorisi 1850'lerden 1860'lara kadar olgunlaştı. John Tyndall'ın 'ın Hareket Modu Sayılan Isı (1863) İngilizce konuşan halka hareket olarak ısı fikrini yaygınlaştırılmasını etkili oldu. Teori, Fransızca, İngilizce ve Almanca akademik yayınlarda geliştirildi. Erken bir zamandan beri, Carnot tarafından kullanılan Fransızca teknik terim chaleur , İngiliz ısısına ve Almanca Wärme'ye (lafzen "sıcaklık", ısının karşılığı Almanca Hitze olacaktır ) eşdeğer olarak alındı .

İşlem fonksiyonu Q , 1850'de Rudolf Clausius tarafından tanıtıldı . Clausius, bunu "ısı miktarı" olarak çevrilen Alman Wärmemenge bileşiği ile tanımladı .

James Clerk Maxwell 1871 Isı Teorisinde ısının tanımı için dört şartı özetlemektedir:

• Öyle başka bir vücuttan aktarılabilir bir şey göre, termodinamiğin ikinci yasası .
• Bu bir olan ölçülebilir miktar ve böylece matematiksel olarak tedavi edilebilir.
• Bu maddi bir madde olarak ele alınamaz bir malzeme madde, örneğin, olmayan bir şey dönüştürülebilir çünkü, mekanik işler .
• Isı, enerjinin biçimlerinden biridir .

İşlem fonksiyonu S olarak ifade edilir Wärmemenge çeviri ya da "ısı miktarı" olarak Clausius göre. "Isı"nın, "ısı olarak aktarılan enerji miktarı" özel kavramının kısaltılmış bir biçimi olarak kullanılması, 20. yüzyılın başlarında bazı terminolojik karışıklıklara yol açtı. Klasik termodinamikte bile "ısı"nın genel anlamı sadece "termal enerji"dir. 1920'lerden beri, entalpinin "sabit hacimde ısı içeriği"ne atıfta bulunmak için ve genel anlamda "ısı" istendiğinde termal enerjiye atıfta bulunmak için kullanılması tavsiye edilirken, "ısı" çok özel bağlam için ayrılmıştır. iki sistem arasındaki termal enerji transferinin Leonard Benedict Loeb onun içinde Gazların Kinetik Teorisi (1927) ile ilgili olduğunda "ısı quanitity" veya "ısı ile miktar" kullanarak bir noktası oluşturur Q :

Termometrinin mükemmelleştirilmesinden sonra [...] ısı alanında yapılan bir sonraki büyük ilerleme, ısı miktarı denen bir terimin tanımıydı. [... kalori teorisinin terk edilmesinden sonra ,] Bu çok kesin kavramı, ısı miktarını, tüm ısıyı gaz moleküllerinin kinetiğine bağlayan bir teori açısından yorumlamak hâlâ kalıyor.

Karateodory (1909)

Isının yaygın bir tanımı, kapalı bir sistemdeki süreçlere atıfta bulunan Carathéodory'nin (1909) çalışmasına dayanmaktadır .

İç enerji U _X gelişigüzel bir durum bir vücut X , bir referans durumundan başladığında adyabatik çevresi vücut tarafından yapılan işin miktarlarda belirlenebilir O . Bu tür işler, vücudun çevresinde tanımlanan miktarlarla değerlendirilir. Bu tür çalışmaların, çevredeki sürtünme nedeniyle hatasız olarak doğru bir şekilde değerlendirilebileceği varsayılmaktadır; vücuttaki sürtünme bu tanımla hariç tutulmaz. İşin adyabatik performansı, enerjinin iş olarak transferine izin veren, ancak başka bir enerji veya madde transferine izin vermeyen adyabatik duvarlar cinsinden tanımlanır. Özellikle enerjinin ısı olarak geçişine izin vermezler. Bu tanıma göre, adyabatik olarak yapılan işe genel olarak termodinamik sistem veya gövde içindeki sürtünme eşlik eder. Öte yandan, Carathéodory'ye (1909) göre, adyabatik olmayan, diyatermal duvarlar da vardır ve bunların sadece ısıyı geçirebildiği varsayılır.

Isı olarak aktarılan enerji miktarının tanımı için, geleneksel olarak , biri adyabatik ve diğeri adyabatik olmayan iki bileşenli bir işlemle O durumundan keyfi bir Y ilgi durumuna ulaşılması öngörülür . Kolaylık sağlamak için, adyabatik bileşenin, adyabatik olmayan duvar geçici olarak adyabatik hale getirilirken duvarların hareketi yoluyla hacim değişikliği yoluyla vücut tarafından yapılan işin ve izokorik adyabatik işin toplamı olduğu söylenebilir. O halde adyabatik olmayan bileşen, çevreden vücuda sadece bu transfer amacıyla yeni erişilebilir hale getirilen sadece ısıyı geçiren duvar boyunca bir enerji transferi sürecidir. Devlet ulaşmak için iç enerji değişim Y durumundan O aktarılan enerjinin iki miktarlarının farktır.

Caratheodory rağmen kendisi ısıyı tanımlamak için teorik çalışmalarda alışılmış çalışmaları sonra böyle bir tanım belirtmemiştir Q durum değişim kombine işlemde, çevresi gövdeye, Y durumundan O değişiklik olarak, iç enerji, Δ U _Y , eksi iş miktarı, W , vücut tarafından adyabatik süreç tarafından çevresi üzerinde yapılır, böylece Q = Δ U _Y − W .

Bu tanımda, kavramsal titizlik adına, ısı olarak aktarılan enerji miktarı doğrudan adyabatik olmayan süreç açısından belirtilmemiştir. Bu tam olarak iki değişken, iç enerji değişimi ve referans durumu değişim kombine işlemi için, yapılan adiyabatik çalışma miktarı bilgisi ile tanımlanır O rasgele durumuna , Y . Bunun, birleşik sürecin adyabatik olmayan bileşeninde aktarılan enerji miktarını açıkça içermemesi önemlidir. Burada, O durumundan Y durumuna geçmek için gerekli olan enerji miktarının, iç enerjinin değişiminin, birleşik süreçten bağımsız olarak, saf adyabatik bir süreç yoluyla bir belirleme ile bilindiği varsayılır . yukarıdaki X durumunun iç enerjisi . Bu tanımda ödüllendirilen titizlik, temel olarak kabul edilen bir ve yalnızca bir tür enerji aktarımı olduğudur: iş olarak aktarılan enerji. Isı olarak enerji transferi türetilmiş bir miktar olarak kabul edilir. Bu şemadaki çalışmanın benzersizliğinin, anlayışın titizliğini ve saflığını garanti ettiği düşünülmektedir. İdeal bir kavram olarak iş olarak aktarılan enerji kavramına dayanan bu tanımın kavramsal saflığı, fiziksel gerçeklikte bazı sürtünmesiz ve başka türlü tüketilmeyen enerji aktarımı süreçlerinin gerçekleştirilebileceği fikrine dayanır. Termodinamiğin ikinci yasası ise bu tür süreçlerin doğada bulunmadığını bize garanti eder.

Carathéodory'nin 1909 tarihli makalesine dayanan ısının katı matematiksel tanımından önce, tarihsel olarak, ısı, sıcaklık ve termal denge, termodinamik ders kitaplarında ortak ilkel kavramlar olarak sunuldu . Carathéodory, 1909 tarihli makalesini şöyle tanıttı: "Termodinamik disiplininin, deneysel olarak doğrulanamayan herhangi bir hipoteze başvurulmadan haklı gösterilebileceği önermesi, geçen yüzyılda gerçekleştirilen termodinamik araştırmalarının en dikkate değer sonuçlarından biri olarak kabul edilmelidir. " Carathéodory, "son elli yılda aktif olan yazarların çoğunun benimsediği bakış açısına" atıfta bulunarak şunları yazdı: "Isı adı verilen ve mekanik niceliklerle (kütle, kuvvet, basınç vb.) ve varyasyonları kalorimetrik ölçümlerle belirlenebilir." James Serrin böylece termodinamiğin teorisinin bir hesap tanıtır: "Aşağıdaki bölümde, klasik kavramlarını kullanmak zorundadır ısı , işin ve hotness ilkel elemanlar olarak, ... O ısı termodinamik için uygun ve doğal ilkel zaten Carnot tarafından kabul edilmiştir. Termodinamik yapının ilkel bir unsuru olarak geçerliliğinin devam etmesi, temel bir fiziksel kavramı sentezlemesi gerçeğinin yanı sıra, farklı kurucu teorileri birleştirmek için son çalışmalarda başarılı bir şekilde kullanılmasından kaynaklanmaktadır. Termodinamiğin temelinin bu geleneksel sunumu, ısı transferinin tamamen sıcaklığın uzamsal düzensizliğinden kaynaklandığı ve daha sıcaktan daha soğuk cisimlere iletim ve radyasyon yoluyla olduğu ifadesiyle özetlenebilecek fikirleri içerir. Bazen bu geleneksel sunum türünün zorunlu olarak "döngüsel akıl yürütmeye" dayandığı ileri sürülmektedir; Bu öneriye karşı, Truesdell ve Bharatha (1977) tarafından sunulan teorinin kesinlikle mantıksal matematiksel gelişimi vardır.

Isı olarak aktarılan enerji miktarının tanımına yönelik bu alternatif yaklaşım, mantıksal yapı bakımından hemen yukarıda anlatılan Carathéodory'den farklıdır.

Bu alternatif yaklaşım, kalorimetriyi, ısı olarak aktarılan enerji miktarını ölçmenin birincil veya doğrudan yolu olarak kabul eder. İlkel kavramlarından biri olarak sıcaklığa dayanır ve kalorimetride kullanılır. İç enerjilerdeki farklılıkların ölçülmesine izin vermek için fiziksel olarak yeterli sürecin var olduğu varsayılmaktadır. Bu tür süreçler, iş olarak enerjinin adyabatik transferleriyle sınırlı değildir. İç enerji farklılıklarını bulmanın en yaygın pratik yolu olan kalorimetriyi içerirler. Gerekli sıcaklık ampirik veya mutlak termodinamik olabilir.

Buna karşılık, hemen yukarıda anlatılan Karateodor yöntemi, ısı olarak aktarılan enerji miktarının birincil tanımında kalorimetri veya sıcaklık kullanmaz. Carathéodory yöntemi, kalorimetriyi, ısı olarak aktarılan enerji miktarını ölçmenin yalnızca ikincil veya dolaylı bir yolu olarak görür. Hemen yukarıda daha ayrıntılı olarak anlatıldığı gibi, Karateodor yöntemi, bir işlemde ısı olarak aktarılan enerji miktarını birincil olarak veya doğrudan artık miktar olarak tanımlanır. Sistemin ilk ve son durumlarının iç enerjilerinin farkından ve süreç boyunca sistem tarafından yapılan fiili işten hesaplanır. Bu iç enerji farkının, iş olarak tamamen adyabatik enerji aktarımı süreçleri, sistemi ilk ve son durumlar arasında alan süreçler aracılığıyla önceden ölçüldüğü varsayılmaktadır. Carathéodory yöntemiyle, deneyden bilindiği gibi, fiziksel olarak bu tür adyabatik süreçlerin yeterince var olduğu varsayılır, böylece ısı olarak aktarılan enerji miktarının ölçümü için kalorimetriye başvurmaya gerek kalmaz. Bu varsayım esastır, ancak ne termodinamiğin bir kanunu ne de Karateodor yolunun bir aksiyomu olarak açıkça etiketlenmemiştir. Aslında, bu tür adyabatik süreçlerin fiili fiziksel varlığı gerçekten de çoğunlukla varsayımdır ve bu varsayılan süreçlerin çoğu durumda gerçekten ampirik olarak var oldukları doğrulanmamıştır.

Isı transferi

İki cisim arasındaki ısı transferi

İletimle ilgili olarak Partington şöyle yazar: "Sıcak bir cisim soğuk bir cisimle iletken temasa getirilirse, sıcak cismin sıcaklığı düşer ve soğuk cisminki yükselir ve denilir ki, cisimden bir miktar ısı geçmiştir. sıcak vücuttan soğuk vücuda."

Maxwell , radyasyona atıfta bulunarak şöyle yazar: "Radyasyonda, daha sıcak olan cisim ısı kaybeder ve daha soğuk olan cisim, kendisi de ısınmayan, araya giren bir ortamda meydana gelen bir süreç vasıtasıyla ısı alır."

Maxwell, konveksiyonun "tamamen termal bir fenomen olmadığını" yazıyor. Termodinamikte, konveksiyon genel olarak iç enerjinin taşınması olarak kabul edilir . Bununla birlikte, konveksiyon kapalı ve dolaşımlı ise, o zaman kaynak ve hedef gövdeler arasında enerjiyi ısı olarak aktaran bir aracı olarak kabul edilebilir, çünkü kaynaktan hedef gövdeye madde değil, yalnızca enerji aktarır.

Kapalı sistemler için birinci yasaya göre, yalnızca ısı olarak aktarılan enerji bir vücuttan çıkıp diğerine girerek her birinin iç enerjisini değiştirir. İş olarak enerjinin bedenler arasında transferi, iç enerjileri değiştirmenin tamamlayıcı bir yoludur. Katı fiziksel kavramlar açısından mantıksal olarak kesin olmasa da, bunu ifade eden yaygın bir kelime biçimi, ısı ve işin birbirine dönüştürülebilir olduğunu söylemektir.

Sadece ısı ve iş transferlerini kullanan döngüsel olarak çalışan motorlarda, sıcak ve soğuk olmak üzere iki termal rezervuar bulunur. Bu rezervuarlara göre, çalışma gövdesinin çalışma sıcaklıkları aralığına göre sınıflandırılabilirler. Bir ısı motorunda, çalışma gövdesi her zaman sıcak rezervuardan daha soğuk ve soğuk rezervuardan daha sıcaktır. Bir anlamda iş üretmek için ısı transferini kullanır. Bir ısı pompasında, çalışma gövdesi çevrimin aşamalarında hem sıcak rezervuardan daha sıcak hem de soğuk rezervuardan daha soğuk hareket eder. Bir anlamda ısı transferi üretmek için işi kullanır.

Isıtma motoru

Klasik termodinamikte, yaygın olarak düşünülen bir model ısı motorudur . Dört gövdeden oluşur: çalışma gövdesi, sıcak hazne, soğuk hazne ve iş haznesi. Döngüsel bir süreç, çalışan gövdeyi değişmeyen bir durumda bırakır ve süresiz olarak tekrarlanması öngörülür. İş gövdesi ile iş rezervuarı arasındaki iş transferlerinin tersine çevrilebilir olduğu öngörülmüştür ve bu nedenle sadece bir iş rezervuarına ihtiyaç vardır. Ancak iki termal rezervuara ihtiyaç vardır, çünkü enerjinin ısı olarak aktarımı geri döndürülemez. Tek bir çevrim, çalışma gövdesi tarafından sıcak hazneden alınan ve diğer iki hazneye, iş haznesine ve soğuk hazneye gönderilen enerjiyi görür. Sıcak rezervuar her zaman ve sadece enerji sağlar ve soğuk rezervuar her zaman ve sadece enerji alır. Termodinamiğin ikinci yasası, soğuk rezervuar tarafından hiçbir enerjinin alınmadığı hiçbir çevrimin oluşamayacağını gerektirir. Isı motorları, ilk ve son sıcaklık arasındaki fark daha büyük olduğunda daha yüksek verim elde eder.

Isı pompası veya buzdolabı

Yaygın olarak düşünülen bir diğer model ise ısı pompası veya buzdolabıdır. Yine dört gövde vardır: çalışma gövdesi, sıcak hazne, soğuk hazne ve iş haznesi. Tek bir çevrim, çalışma gövdesinin soğuk rezervuardan daha soğuk olmasıyla başlar ve daha sonra, çalışma gövdesi tarafından soğuk rezervuardan ısı olarak enerji alınır. Daha sonra iş rezervuarı çalışma gövdesi üzerinde çalışır, iç enerjisine daha fazla katkıda bulunur ve onu sıcak rezervuardan daha sıcak hale getirir. Sıcak çalışma gövdesi, ısıyı sıcak hazneye geçirir, ancak yine de soğuk hazneden daha sıcak kalır. Daha sonra başka bir cisim üzerinde iş yapmadan ve başka bir cisme ısı vermeden genleşmesi sağlanarak, çalışma gövdesi soğuk hazneden daha soğuk hale getirilir. Artık başka bir çevrimi başlatmak için soğuk rezervuardan ısı transferini kabul edebilir.

Cihaz, daha soğuk bir depodan daha sıcak bir hazneye enerji taşımıştır, ancak bu cansız bir kurum tarafından kabul edilmez; daha ziyade, işin dizginlenmesi olarak kabul edilir. Bunun nedeni, işin, yalnızca basit bir termodinamik süreçle değil, aynı zamanda bir animasyon veya koşum aracı tarafından yönlendirildiği kabul edilebilecek bir termodinamik işlem ve süreç döngüsü tarafından iş rezervuarından sağlanmasıdır . Buna göre, çevrim hala termodinamiğin ikinci yasasına uygundur. Bir ısı pompasının verimliliği, sıcak ve soğuk rezervuarlar arasındaki sıcaklık farkı en az olduğunda en iyisidir.

İşlevsel olarak, bu tür motorlar, bir hedef rezervuar ve bir kaynak veya çevreleyen rezervuarı ayırt ederek iki şekilde kullanılır. Bir ısı pompası, kaynaktan veya çevreleyen rezervuardan ısıyı hedef olarak sıcak rezervuara aktarır. Bir buzdolabı, hedef olarak soğuk rezervuardan kaynağa veya çevresindeki rezervuara ısı aktarır. Hedef rezervuar sızıntı yapıyor olarak kabul edilebilir: hedef çevreye sıcaklık sızdırdığında, ısı pompası kullanılır; hedef çevreye soğukluk sızdırdığında, soğutma kullanılır. Motorlar, sızıntıların üstesinden gelmek için çalışır.

makroskopik görünüm

Planck'a göre , ısıya üç ana kavramsal yaklaşım vardır. Biri mikroskobik veya kinetik teori yaklaşımıdır. Diğer ikisi makroskopik yaklaşımlardır. Biri, örneğin Helmholtz'un çalışmasında olduğu gibi, süreçlerin mekanik bir analizi ile termodinamikten önce alınan enerjinin korunumu yasası yoluyla yaklaşımdır. Bu mekanik görüş, bu makalede termodinamik teori için şu anda geleneksel olarak alınmıştır. Diğer makroskopik yaklaşım, ısıyı ilkel bir kavram olarak kabul eden ve bilimsel tümevarım yoluyla enerjinin korunumu yasası bilgisine katkıda bulunan termodinamik yaklaşımdır. Bu görüş, yaygın olarak pratik bir görüş olarak kabul edilir, kalorimetri ile ölçülen ısı miktarı.

Bailyn ayrıca iki makroskopik yaklaşımı mekanik ve termodinamik olarak ayırt eder. Termodinamik görüş, on dokuzuncu yüzyılda termodinamiğin kurucuları tarafından alındı. Isı olarak aktarılan enerji miktarını, öncelikle kalorimetri ile ölçülen, ilkel sıcaklık kavramıyla tutarlı ilkel bir kavram olarak görür. Kalorimetre, sistemin çevresinde bulunan, kendi sıcaklığı ve iç enerjisi olan bir cisimdir; sisteme bir ısı transferi yolu ile bağlandığında, içindeki değişimler ısı transferini ölçer. Mekanik görüş Helmholtz tarafından öncülük edildi ve yirminci yüzyılda büyük ölçüde Max Born'un etkisiyle geliştirildi ve kullanıldı . Isı olarak aktarılan ısı miktarını türetilmiş bir kavram olarak kabul eder, kapalı sistemler için iş aktarımı dışındaki mekanizmalar tarafından aktarılan ısı miktarı olarak tanımlanır, ikincisi makroskopik mekanik tarafından tanımlanan termodinamik için ilkel olarak kabul edilir. Born'a göre, maddenin transferine eşlik eden açık sistemler arasındaki içsel enerji transferi "mekaniğe indirgenemez". Buradan, ısı olarak veya maddenin aktarımıyla ilişkili iş olarak aktarılan enerji miktarlarının sağlam bir tanımının olmadığı sonucu çıkar.

Bununla birlikte, denge dışı süreçlerin termodinamik tanımı için, sistem ve çevre arasında herhangi bir fiziksel engel veya duvar olmadığında, çevre tarafından oluşturulan bir sıcaklık gradyanının ilgili sistem üzerindeki etkisini göz önünde bulundurmak istenir, yani, birbirlerine karşı açık olduklarında. Bu durum için iş açısından mekanik bir tanımın imkansızlığı, bir sıcaklık gradyanının difüzyonlu bir iç enerji akışına neden olduğu fiziksel gerçeğini değiştirmez; ısı olarak enerji.

Bu durumda, maddenin transferini sağlayan kimyasal potansiyel gradyanı ve elektrik akımını ve iyontoforezi harekete geçiren elektrik potansiyeli gradyanı gibi iç enerjinin difüzyon akışının diğer aktif sürücülerinin de olması beklenebilir; bu tür etkiler genellikle sıcaklık gradyanı tarafından yönlendirilen yayılımlı iç enerji akışı ile etkileşime girer ve bu tür etkileşimler çapraz etkiler olarak bilinir.

İç enerjinin yayılımlı transferiyle sonuçlanan çapraz etkiler de ısı transferleri olarak etiketlenmiş olsaydı, bazen saf ısı transferinin asla bir sıcaklık gradyanı üzerinde değil, sadece bir sıcaklık gradyanında gerçekleştiği kuralını ihlal ederlerdi. Ayrıca, kapalı sistemler arasında ısı iletimi fikrine dayanan bir ilke olan tüm ısı transferinin tek ve aynı türden olduğu ilkesiyle de çelişirler. Termodinamik görüşte, tamamen sıcaklık gradyanı tarafından yönlendirilen ısı akısını dar bir şekilde, difüzyonlu iç enerji akısının kavramsal bir bileşeni olarak düşünmeye çalışılabilir, kavram özellikle süreçlerin ayrıntılı bilgisine dayanan ve dolaylı olarak değerlendirilen dikkatli hesaplamalara dayanır. Bu koşullar altında, eğer madde aktarımı gerçekleşmemişse ve çapraz etkiler yoksa, o zaman termodinamik kavram ve mekanik kavram, sanki kapalı sistemlerle uğraşıyormuş gibi çakışır. Ancak madde aktarımı olduğunda, sıcaklık gradyanının iç enerjinin yayılımlı akışını yönlendiren kesin yasaların tam olarak bilinebilir olmaktan ziyade varsayılması gerekir ve çoğu durumda pratik olarak doğrulanamaz. Sonuç olarak, madde aktarımı olduğunda, iç enerjinin difüzyon akışının saf 'ısı akışı' bileşeninin hesaplanması, pratik olarak doğrulanamayan varsayımlara dayanır. Bu, ısıyı öncelikle ve kesin olarak kapalı sistemlerle ilgili olan ve yalnızca çok sınırlı bir şekilde açık sistemlere uygulanabilen özel bir kavram olarak düşünmek için bir nedendir.

Bu bağlamdaki birçok yazıda, "ısı akışı" terimi, bundan dolayı daha doğru bir şekilde iç enerjinin yayılımlı akışı olarak adlandırılmak istendiğinde kullanılır; "ısı akışı" teriminin bu şekilde kullanımı, bir cismin bir "ısı içeriğine" sahip olmasına izin veren daha eski ve artık kullanılmayan dil kullanımının bir kalıntısıdır.

mikroskobik görünüm

Olarak kinetik teori , ısı, elektronlar, atomların, moleküllerin ve mikroskobik hareketleri ve kurucu parçacıkların etkileşimleri açısından açıklanmıştır. Kurucu parçacıkların kinetik enerjisinin doğrudan anlamı ısı değildir. İç enerjinin bir bileşenidir. Mikroskobik terimlerle, ısı bir transfer miktarıdır ve parçacıkların sabit bir şekilde lokalize kinetik enerjisi olarak değil, bir taşıma teorisi ile tanımlanır. Isı transferi, parçacık çarpışmaları ve diğer etkileşimler yoluyla mikroskobik kinetik ve potansiyel parçacık enerjisinin yaygın değişimi yoluyla sıcaklık gradyanlarından veya farklılıklarından kaynaklanır. Bunun erken ve belirsiz bir ifadesi Francis Bacon tarafından yapılmıştır . Kesin ve ayrıntılı versiyonları on dokuzuncu yüzyılda geliştirildi.

Gelen istatistiksel mekanik , kapalı bir sistemde (madde hiçbir transferi) için, ısı değerlerindeki değişiklik olmadan sistemin enerji seviyelerinin işgal sayıda atlar ile ilişkili sistemde, bir bozukluğu, mikroskobik eylemle ilişkili enerji transferi olduğu enerji seviyelerinin kendileri. Makroskopik termodinamik çalışmanın, sistem enerji seviyelerinin kendi değerlerinde değişiklik olmaksızın işgal sayılarını değiştirmesi mümkündür, ancak aktarımı ısı olarak ayıran şey, aktarımın tamamen ışıma aktarımı dahil olmak üzere düzensiz, mikroskobik eylemden kaynaklanmasıdır. Bir matematiksel tanımı mikro-bir topluluk istatistiksel dağılımı bakımından yarı-statik adiyabatik çalışma küçük artışlarla için formüle edilebilir.

kalorimetri

Aktarılan ısı miktarı kalorimetre ile ölçülebilir veya diğer miktarlara dayalı hesaplamalar yoluyla belirlenebilir.

Kalorimetri, bir süreçte aktarılan ısı miktarı fikrinin ampirik temelidir. Aktarılan ısı, örneğin sıcaklık artışı, hacim veya uzunluktaki değişiklik veya buzun erimesi gibi faz değişikliği gibi bilinen özelliklere sahip bir cisimdeki değişikliklerle ölçülür.

Aktarılan ısı miktarının hesaplanması, adyabatik iş olarak aktarılan varsayımsal bir enerji miktarına ve termodinamiğin birinci yasasına dayanabilir . Bu tür hesaplama, aktarılan ısı miktarına ilişkin birçok teorik çalışmanın birincil yaklaşımıdır.

Mühendislik

Çevredeki ortama ısı transferinin öncelikle radyasyon yoluyla olacağı kızgın bir demir çubuk .

Tipik olarak makine mühendisliği ve kimya mühendisliğinin bir yönü olarak kabul edilen ısı transferi disiplini, bir sistemdeki termal enerjinin üretildiği, dönüştürüldüğü veya başka bir sisteme aktarıldığı özel uygulamalı yöntemlerle ilgilenir. Isı tanımı dolaylı olarak enerji transferi anlamına gelse de, ısı transferi terimi birçok mühendislik disiplininde ve sıradan dilde bu geleneksel kullanımı kapsamaktadır.

Isı transferi genellikle ısı iletimi , ısı taşınımı , termal radyasyon mekanizmalarını içermesi olarak tanımlanır, ancak faz değişim süreçlerinde kütle transferi ve ısıyı içerebilir .

Konveksiyon, iletim ve sıvı akışının birleşik etkileri olarak tanımlanabilir. Termodinamik bakış açısından, ısı, enerjisini artırmak için difüzyon yoluyla bir sıvıya akar, sıvı daha sonra bu artan iç enerjiyi (ısıyı değil) bir yerden diğerine aktarır ( advet eder ) ve bunu ikinci bir termal etkileşim izler. ısıyı tekrar difüzyon yoluyla ikinci bir gövdeye veya sisteme aktarır. Teknik olarak "ısı transferi" ve bu nedenle ısıtma ve soğutma, akışın bir sonucu olarak değil, yalnızca böyle bir iletken akışın her iki ucunda meydana gelmesine rağmen, tüm bu süreç genellikle ek bir ısı transferi mekanizması olarak kabul edilir. Bu nedenle, iletimin yalnızca işlemin net bir sonucu olarak ısıyı "aktardığı" söylenebilir, ancak bunu karmaşık konvektif işlem içinde her zaman yapmayabilir.

Gizli ve duyulur ısı

Joseph Siyah

Başlıklı 1847 konuşmada Maddenin, yaşayan bir güç ve ısı üzerinde , James Prescott, Joule terimleri, özelliği gizli ısı ve duyulur ısı ısı bileşenlerinin her etkileyen farklı fiziksel olayların sırası yani potansiyeli ve parçacıkların kinetik enerjisi olarak. Gizli enerjiyi, çekimin daha büyük bir mesafe üzerinde olduğu, yani bir potansiyel enerji biçimi olan parçacıkların uzaklaştırılması yoluyla sahip olunan enerji ve duyulur ısıyı parçacıkların hareketini içeren bir enerji, yani kinetik enerji olarak tanımladı .

Gizli ısı, sıcaklıkta bir değişiklik olmadan meydana gelen bir hal değişimi sırasında bir kimyasal madde veya termodinamik sistem tarafından salınan veya emilen ısıdır . Böyle bir süreç , buzun erimesi veya suyun kaynaması gibi bir faz geçişi olabilir .

Isı kapasitesi

Isı kapasitesi , bir cisme eklenen ısının ortaya çıkan sıcaklık değişimine oranına eşit ölçülebilir bir fiziksel miktardır . Mol ısı kapasitesi : birim miktarı başına ısı kapasitesinin (SI birimi mol saf maddenin, ve benzeri) bir spesifik ısı kapasitesine genellikle sadece adı verilen belirli bir ısı , bir maddenin birim kütlesi başına ısı kapasitesidir. Isı kapasitesi, bir maddenin fiziksel bir özelliğidir; bu, söz konusu maddenin durumuna ve özelliklerine bağlı olduğu anlamına gelir.

Helyum gibi tek atomlu gazların özgül ısıları sıcaklıkla hemen hemen sabittir. Hidrojen gibi iki atomlu gazlar bir dereceye kadar sıcaklık bağımlılığı gösterir ve triatomik gazlar (örneğin, karbon dioksit) daha da fazladır.

Termodinamik yasalarının geliştirilmesinden önce, ısı, katılan cisimlerin durumlarındaki değişikliklerle ölçülüyordu.

Önemli istisnalar dışında bazı genel kurallar aşağıdaki gibi ifade edilebilir.

Genel olarak, çoğu cisim ısıtmayla genişler. Bu durumda, bir cismi sabit bir hacimde ısıtmak, cismin sınırlayıcı duvarlarına uyguladığı basıncı arttırırken, sabit bir basınçta ısıtmak hacmini arttırır.

Bunun ötesinde, çoğu maddenin normalde bilinen üç madde hali vardır: katı, sıvı ve gaz. Bazıları plazmada da bulunabilir . Birçoğu, örneğin cam ve sıvı kristal gibi, daha fazla, daha ince farklı madde hallerine sahiptir . Birçok durumda, sabit sıcaklık ve basınçta, bir madde aynı 'beden' olarak görülebilecek maddenin birkaç farklı durumunda var olabilir. Örneğin, buz bir bardak suda yüzebilir. Daha sonra buz ve suyun 'beden' içinde iki faz oluşturduğu söylenir . Bir 'beden'de farklı evrelerin nasıl bir arada var olabileceğini söyleyen kesin kurallar bilinmektedir. Çoğunlukla, sabit bir basınçta, ısıtmanın bir katının erimesine veya buharlaşmasına neden olduğu belirli bir sıcaklık ve ısıtmanın bir sıvının buharlaşmasına neden olduğu belirli bir sıcaklık vardır. Bu gibi durumlarda, soğutmanın ters etkileri vardır.

Bunların tümü, en yaygın durumlar, ısınmanın bir cismin durumundaki değişikliklerle ölçülebileceği kuralına uygundur. Bu tür durumlar , ampirik sıcaklıkların tanımlanmasına izin veren termometrik cisimler olarak adlandırılanları sağlar. 1848'den önce tüm sıcaklıklar bu şekilde tanımlanıyordu. Bu nedenle, ısı ve sıcaklık arasında, özellikle on sekizinci yüzyılın sonlarında Joseph Black tarafından kavramsal olarak tamamen farklı olarak kabul edilmelerine rağmen, görünüşte mantıksal olarak belirlenmiş sıkı bir bağlantı vardı .

Önemli istisnalar vardır. Isı ve sıcaklık arasındaki bariz görünen bağı koparırlar. Deneysel sıcaklık tanımlarının belirli termometrik maddelerin kendine özgü özelliklerine bağlı olduğunu ve bu nedenle 'mutlak' başlığından dışlandığını açıkça ortaya koyuyorlar. Örneğin, su 277 K civarında ısıtıldığında büzülür. Bu sıcaklığa yakın bir yerde termometrik madde olarak kullanılamaz. Ayrıca, belirli bir sıcaklık aralığının üzerinde buz, ısınma sırasında büzülür. Ayrıca, negatif basınç gibi yarı kararlı durumlarda, yalnızca geçici olarak ve çok özel koşullarda hayatta kalan birçok madde bulunabilir. Bazen 'anormal' olarak adlandırılan bu tür gerçekler, mutlak sıcaklığın termodinamik tanımının nedenlerinden bazılarıdır.

Yüksek sıcaklıkların ölçümü ilk günlerinde, başka bir faktör önemliydi ve kullandığı Josiah Wedgwood onun içinde pirometre . Bir süreçte ulaşılan sıcaklık, bir kil numunesinin büzülmesiyle tahmin edildi. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, büzülme o kadar fazla olur. Bu, 1000 °C'nin üzerindeki sıcaklıkları ölçmek için az çok güvenilir olan tek yöntemdi. Ancak böyle bir büzülme geri döndürülemez. Kil soğuduğunda tekrar genleşmez. Bu nedenle ölçüm için kullanılabilir. Ama sadece bir kez. Kelimenin genel anlamıyla termometrik bir malzeme değildir.

Bununla birlikte, mutlak sıcaklığın termodinamik tanımı , uygun bir ihtiyatla, ısı kavramını esas olarak kullanır.

"Sıcaklık"

Denbigh'e (1981) göre, sıcaklığın özelliği, ısı kavramına atıfta bulunmadan tanımlanması gereken termodinamiğin bir endişesidir. Sıcaklığın dikkate alınması, ampirik sıcaklık kavramına yol açar. Tüm fiziksel sistemler, diğerlerini ısıtma veya soğutma yeteneğine sahiptir. Sıcaklığa ilişkin olarak, daha sıcak ve daha soğuk karşılaştırmalı terimler, ısının daha sıcak vücuttan soğuğa doğru aktığı kuralı ile tanımlanır.

Bir fiziksel sistem homojen değilse veya çok hızlı veya düzensiz değişiyorsa, örneğin türbülansla, onu bir sıcaklıkla karakterize etmek imkansız olabilir, ancak yine de onunla başka bir sistem arasında ısı olarak enerji transferi olabilir. Bir sistem yeterince düzenli bir fiziksel duruma sahipse ve belirli bir termometre ile termal dengeye ulaşmasına izin verecek kadar uzun süre devam ediyorsa, o termometreye göre bir sıcaklığa sahiptir. Ampirik bir termometre, böyle bir sistem için sıcaklık derecesini kaydeder. Böyle bir sıcaklığa ampirik denir. Örneğin, Truesdell klasik termodinamik hakkında şöyle yazar: "Her seferinde, vücuda sıcaklık adı verilen gerçek bir sayı atanır . Bu sayı, vücudun ne kadar sıcak olduğunun bir ölçüsüdür."

Sıcaklıklara sahip olamayacak kadar türbülanslı olan fiziksel sistemler, yine de sıcaklık açısından farklılık gösterebilir. Isıyı başka bir fiziksel sisteme ileten bir fiziksel sisteme, ikisinin daha sıcak olduğu söylenir. Sistemin termodinamik bir sıcaklığa sahip olması için daha fazlası gereklidir. Davranışı o kadar düzenli olmalıdır ki, ampirik sıcaklığı, uygun şekilde kalibre edilmiş ve ölçeklendirilmiş tüm termometreler için aynı olmalıdır ve daha sonra sıcaklığının tek boyutlu sıcaklık manifoldu üzerinde olduğu söylenir. Bu, Carathéodory ve Born'dan sonra ısının yalnızca iş veya madde aktarımı dışında meydana gelen olarak tanımlanmasının nedeninin bir parçasıdır; Sıcaklık, şu anda yaygın olarak kabul edilen bu tanımda bilinçli olarak ve kasıtlı olarak belirtilmemektedir.

Termodinamiğin sıfırıncı yasasının açıkça ifade edilmesinin nedeni de budur . Eğer üç fiziksel sistemler, A , B ve C Her değil iç termodinamik denge kendi devletlerinde, uygun fiziksel bağlantıları aralarında yapılıyor ile, mümkündür olan A ısıtabilir B ve B ısı olabilir C ve C ısı olabilir bir . Denge dışı durumlarda akış döngüleri mümkündür. Bu olasılığın, kendi iç termodinamik denge durumlarında olan termodinamik sistemlere (fiziksel sistemler arasında ayırt edildiği gibi) açık olmaması, iç termodinamik dengenin özel ve benzersiz ayırt edici özelliğidir; termodinamiğin sıfırıncı yasasının açık bir ifadeye ihtiyaç duymasının nedeni budur. Diğer bir deyişle, genel denge dışı fiziksel sistemler arasındaki 'daha soğuk değildir' ilişkisi geçişli değildir, buna karşılık, kendi iç termodinamik denge durumlarındaki termodinamik sistemler arasındaki ilişki 'daha düşük bir sıcaklığa sahip değildir'. geçişlidir. Bundan, sıfırıncı yasayı belirtmenin bir yolu olan 'ile termal dengede' ilişkisinin geçişli olduğu sonucu çıkar.

Yeterince homojen olmayan bir sistem için sıcaklık tanımsız olabileceği gibi, kendi iç termodinamik denge durumunda olmayan bir sistem için de entropi tanımsız olabilir. Örneğin, 'güneş sisteminin sıcaklığı' tanımlı bir miktar değildir. Aynı şekilde, 'güneş sisteminin entropisi' klasik termodinamikte tanımlanmamıştır. Denge dışı entropiyi, bütün bir sistem için basit bir sayı olarak, açıkça tatmin edici bir şekilde tanımlamak mümkün olmamıştır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

alıntılar

Atıf yapılan referansların bibliyografyası

Daha fazla kaynakça

• Beretta, GP; EP Gyftopoulos (1990). "Isı nedir?" (PDF) . Termodinamik ve Enerji Sistemleri Eğitimi . AES. 20 .
• Gyftopoulos, EP ve Beretta, GP (1991). Termodinamik: temeller ve uygulamalar. (Dover Yayınları)
• Hatsopoulos, GN ve Keenan, JH (1981). Genel termodinamiğin ilkeleri. RE Krieger Yayıncılık Şirketi.

Dış bağlantılar

• Isı üzerinde In Our Zamanda at BBC
• 2 gigakelvin'de plazma ısısı – Bilim adamları tarafından üretilen aşırı yüksek sıcaklık hakkında makale (Foxnews.com)
• Konvektif Isı Transferi Korelasyonları – ChE Çevrimiçi Kaynakları