Isıl denge ve denge sıcaklığı nedir? Örnek soru çözümleri

Isıl temas halindeki iki sistemde, ısı yüksek sıcaklıklı sistemden düşük sıcaklıklı sisteme doğru aktarılır. Sistemlerin sıcaklığı birbirine eşit olduğu zaman net ısı aktarımı durur. Birinci sistemden ikinci sisteme enerji aktarılabilir, ama bu enerji miktarı ters yönde aktarılan, yani ikinci sistemden birinci sisteme aktarılan enerjiye eşittir. Net ısı alış verişi sıfırdır. Isıl denge iki sistem arasındaki ısı alış verişinin sona ermesi yani iki sistemin aynı sıcaklığa ulaşması anlamına gelir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta net enerji alış verişinin (yani ısının) sıfır olmasıdır, bir sistem diğerine hala enerji aktarabilir ama aynı miktarda enerji de ikinci sistemden birinciye aktarılır. Denge sıcaklığı da ısıl dengeye erişildiğinde sistemlerin ortak sıcaklığıdır. Isıl denge için sistemlerin sıcaklıklarını aynı olması zorunludur, aynı değilse ısıl dengede olamazlar.

Isıl dengeye ulaşana kadar iki sistem için:
Q = Q_Alınan + Q_Verilen
Isıl dengede net ısı sıfır olduğu için:
Q = 0
Q_Alınan = – Q_Verilen

Alınan ısı = – Verilen ısı

Sıcak kahveye soğuk süt döküldüğünde süt ısınır, kahve soğur. Ama sonunda her ikisi de aynı sıcaklığa erişir, ısınma ve soğuma işlemi sona erer, yani ısı aktarımı durur.

Isıl denge için sıcaklık zaman grafiği

Mutfakta iki bardağın birine buzdolabından yeni çıkmış soğuk su, diğerine çaydanlıktan sıcak su koyarsanız bu suların sıcaklığı bir süre sonra nasıl değişir? Bir süre sonra soğuk su ısınır, sıcak su soğur. Eğer ikisinin de sıcaklığını ölçerseniz aynı olduğunu görürsünüz. Çünkü, her iki bardaktaki su da mutfaktaki hava ile ısıl dengeye ulaşmış ve denge sıcaklığına erişmiştir.

Yukarıdaki sıcaklık zaman grafiği soğuk suyun (mavi çizgi) ve sıcak suyun (kırmızı çizgi) zamana göre sıcaklıklarının nasıl değiştiğini gösteriyor. Soğuk su 10 °C’den oda sıcaklığına yani 20 °C’ye 5 dakikada ulaşmış, sonra hep 20 °C’de kalmış. Sıcak su 80°C’den oda sıcaklığına 15 dakikada ulaşmış, sonra onun da sıcaklığı 20 °C’de sabitlenmiş. Hem sıcak su hem de soğuk su mutfaktaki hava ile ısıl dengeye ulaşmış.

Isıl denge ve termometrenin çalışma ilkesi (prensibi)

Bir termometrenin gösterdiği değer aslında sadece kendi sıcaklığıdır. Termometreler maddenin sıcaklığa göre değişen bir özelliğinden faydalanılarak yapılır. Termometrenin yapıldığı maddenin sıcaklığı değişince, maddenin bir özelliğinde bir değişiklik olur, böylece termometrenin sıcaklığının değiştiği anlaşılır. Peki nasıl oluyor da termometreler başka şeylerin sıcaklığını ölçebiliyor?

Termodinamiğin sıfırıncı kanunu termometrelerin nasıl çalıştığını açıklıyor.

Termodinamiğin sıfırıncı kanunu nedir?

Bir A sistemi bir B sistemiyle ve bir C sistemiyle ayrı ayrı ısıl dengede ise, B sistemi de C sistemiyle ısıl dengededir. Bu her üç sistemin de aynı anda birbirleriyle ısıl dengede olması, dolayısıyla aynı sıcaklıkta olması anlamına gelir. Bu ilişkiye termodinamiğin sıfırıncı kanunu denir. (Neden birinci kanun değil? Bir düşünün.)

Matematiksel olarak gösterirsek:

T_A = T_B ve

T_A = T_C ise

T_B = T_C olur.

Yani T_A = T_B = T_C

A sistemi termometre, B sistemi ölçülen bir bardak su ve C sistemi odadaki hava olsun. Eğer termometre suyun sıcaklığını 20 °C, odadaki havanın sıcaklığını da 20 °C olarak gösterdiyse, suyun ve havanın sıcaklığı birbirine eşittir. Denge sıcaklığı 20 °C’dir.

Isıl denge dinamik bir denge durumudur

Isıl denge halindeki iki cisim (veya sistem) enerji alışverişini durdurmaz. İki sistem ısıl dengedeyse hala birinci sistemden ikinciye enerji aktarılır (E₁₂), ama ikinci sistemden de eşt miktarda enerji de ikinci sistemden birincisine (E₂₁) aktarılır. E₁₂ = E₂₁ olduğu için enerji değişimi yani ısı sıfır olur. İşte bu nedenle ısıl denge statik değil dinamik bir denge durumudur.

Isıl denge örnek soru ve çözümü

Sıcaklığı 60 °C olan 200 g su ile 10 °C olan 200 g su dış ortamla ısı alış verişi yapmadığı kabul edilen bir termosun içinde karıştırılıyor. Karışım ısıl dengeye geldiğinde denge sıcaklığı kaç °C olur? (Suyun öz ısısı, c= 1 cal/g°C )

Çözüm:
Sıcak su enerji verir, soğuk su enerji alır. Isıl denge durumuna ulaşana dek alınan ısı ile verilen ısı birbirine eşittir. Sonunda hem soğuk hem sıcak suyun sıcaklığı denge sıcaklığı olur.

Q_Alınan = – Q_Verilen
Soğuk su için:
Q_Alınan = mcΔT
ΔT = T_son – T_ilk
ΔT = T_denge – 10 °C
Q_Alınan = 200 g x 1 cal/g°C x (Tdenge – 10 °C)

Sıcak su için:
Q_Verilen = mcΔT
ΔT = T_son – T_ilk
ΔT = T_denge – 60 °C
Q_Verilen = 200 g x 1 cal/g°C x (Tdenge – 60 °C)

Şimdi ısıl denge şartını yazalım:
Q_Alınan = – Q_Verilen
200 (T_denge – 10 °C) = -200(Tdenge – 60 °C)
verilen ısının başındaki eksi işaretine dikkat edin.
T_denge – 10 °C = -Tdenge + 60 °C
2T_denge = 10 °C + 60 °C = 70 °C
T_denge = 35 °C

Isıl denge ile ilgili Fizik dersi Kazanımları

9.5.3.1. Isıl denge kavramının sıcaklık farkı ve ısı kavramı ile olan ilişkisini analiz eder.

• Deney veya simülasyonlardan yararlanılarak ısıl dengenin sıcaklık değişimi ve ısı ile ilişkisinin belirlenmesi sağlanır.
• Isıl denge ile ilgili matematiksel hesaplamalara girilmez.

Kaynaklar

İngilizce ısıl denge