Isı Nedir? Sıcaklık ve İç Enerjiden Farkı

Isının Tanımı

Isı, sıcaklıkları farklı iki madde veya ortam arasında sıcaklık farkı nedeniyle aktarılan enerjidir. Bu nedenle ısı, bir cismin içinde duran ve miktarı doğrudan söylenen bir özellikten çok, enerji geçişini anlatan bir kavramdır. Sıcaklık farkı varsa enerji alışverişi başlar; sıcaklık farkı azaldıkça aktarımın yönünü belirleyen etki de azalır.

Mikroskobik düzeyde maddeler atom ve moleküllerden oluşur. Daha sıcak maddedeki taneciklerin ortalama hareket enerjisi daha büyük olduğundan, temas durumunda enerji daha sıcak maddeden daha soğuk maddeye aktarılır. Bu aktarım soğuk olanın ısınmasına, sıcak olanın ise soğumasına yol açabilir. Örneğin sıcak çaya bırakılan metal kaşık bir süre sonra ısınır. Çaydaki enerji kaşığa aktarılmıştır; kaşık ısıya dönüşmemiş, ısı alışverişi sonucunda sıcaklığı artmıştır.

Isı alışverişi yalnızca doğrudan temasla gerçekleşmez; maddeler arasında iletim, taşınım ve ışınım yollarıyla da olabilir. Isının iş ve termodinamiğin birinci yasasıyla ilişkisi daha ileri düzeyde ayrı bir konudur.

Isı, Sıcaklık ve İç Enerji Arasındaki Fark

Sıcaklık, bir maddedeki taneciklerin ortalama hareket enerjisiyle ilişkili ölçüdür. Termometreyle ölçülür ve bir maddenin ne kadar sıcak ya da soğuk olduğunu belirtir. Isı ise sıcaklık farkı nedeniyle aktarılan enerjidir. İç enerji, maddenin taneciklerinin mikroskobik hareketlerinden ve aralarındaki etkileşimlerden kaynaklanan toplam enerjiyi ifade eder. Kısaca sıcaklık bir ölçüm, iç enerji maddenin sahip olduğu mikroskobik enerji, ısı ise enerji aktarımıdır.

Aynı sıcaklıktaki iki maddenin iç enerjileri mutlaka aynı olmak zorunda değildir. Çünkü iç enerji; madde miktarı, maddenin türü ve fiziksel hâli gibi özelliklerle de ilişkilidir. Örneğin bir bardak su ile aynı sıcaklıktaki bir kova suyun taneciklerinin ortalama hareket enerjisi benzer olabilir; ancak kovada çok daha fazla su bulunduğu için toplam mikroskobik enerji daha büyüktür. Bu nedenle sıcaklık, tek başına cismin toplam iç enerjisini göstermez.

Sıcak bir cisim soğuk bir cisimle temas ettiğinde sıcak cismin iç enerjisinin bir bölümü ısı yoluyla diğer cisme aktarılır. Sıcak cismin iç enerjisi azalırken soğuk cismin iç enerjisi artabilir. Örneğin buzdolabından çıkarılan soğuk bir içeceğin oda sıcaklığına yaklaşması sırasında odadan içeceğe ısı aktarılır. Burada içecek ısı değildir; ısı, odadan içeceğe geçen enerjidir.

Isı Alışverişinin Yönü ve Termal Denge

Isı, sıcaklık farkı bulunan iki madde arasında yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru aktarılır. Sıcak bir metal parçası soğuk suya bırakılırsa metal enerji verir, su enerji alır. Bu süreçte metalin sıcaklığı azalırken suyun sıcaklığı artar. Aktarım, iki maddenin sıcaklıkları eşitlenene kadar sürer.

Sıcaklıkların eşitlendiği duruma termal denge denir. Termal dengede tanecikler hareket etmeyi sürdürse de bir maddeden diğerine net enerji geçişi olmaz; karşılıklı enerji geçişleri dengelenir. Örneğin sıcak çorba bir süre beklediğinde çorba soğur, çevresindeki hava ise bir miktar ısınır. Çorba ve çevre aynı sıcaklığa yaklaştığında net ısı alışverişi sona erer.

Isının Birimi ve Ölçülmesi

Isı bir enerji aktarımı olduğu için SI birim sisteminde joule (J) ile ifade edilir. Bir maddeye aktarılan veya maddeden uzaklaşan ısı miktarı ölçülebilir; bunun için sıcaklık değişimi, madde miktarı ve maddenin özellikleri dikkate alınır. Isı alışverişini incelemek için çevreyle enerji alışverişini azaltan kalorimetre adı verilen düzeneklerden yararlanılabilir.

Isı alan bir maddenin sıcaklığı çoğu durumda artar, ısı veren maddenin sıcaklığı ise azalır. Ancak aynı miktarda ısı alan eşit kütledeki farklı maddelerin sıcaklık değişimleri aynı olmayabilir. Bunun nedeni maddelerin ısınmaya karşı farklı özelliklere sahip olmasıdır. Isı alışverişi hesaplamalarında kullanılan öz ısı konusu, bu makalenin kapsamı dışında ayrı bir başlıkta ele alınır. Q = mcΔT bağıntısı da verilen kütle ve sıcaklık değişimi için gereken veya aktarılan ısıyı ilişkilendirmek amacıyla kullanılır.

Isı Aktarımının Temel Yolları

Isı üç temel yolla aktarılır: iletim, taşınım ve ışınım. İletim, maddenin taneciklerinin birbirleriyle etkileşerek enerjiyi komşu taneciklere aktarmasıdır. Katı maddelerde, özellikle temas eden bölgeler arasında belirgin biçimde görülür. Metal bir tencerenin sapının ocakta bekledikçe ısınması iletime örnektir; enerji tencerenin sıcak kısmından daha soğuk sapına doğru ilerler.

Taşınım, sıvı ve gazlarda ısınan bölümlerin hareket ederek enerjiyi başka bölgelere taşımasıdır. Isınan akışkanın yoğunluğu azalabildiği için yukarı çıkması, soğuk akışkanın aşağı inmesi dolaşım oluşturur. Kaloriferin odayı ısıtmasında ve kaynayan sudaki dolaşımda taşınım rol oynar.

Işınım, enerjinin maddi bir ortama ihtiyaç duymadan elektromanyetik dalgalarla taşınmasıdır. Güneş’in enerjisinin uzaydan Dünya’ya ulaşması ışınıma örnektir. Bu üç yol aynı olayda birlikte de bulunabilir: Ocaktaki tencerede alevden tencereye ışınım ve temasla iletim gerçekleşir; tencere içindeki su ise taşınımla dolaşır.