Isı

Termodinamikte ısı, termodinamik çalışma veya maddenin aktarılması dışındaki mekanizmalarla bir termodinamik sisteme veya bu sistemden aktarılan enerjidir. Mekanizmalar arasında, hareketsiz cisimlerin doğrudan teması yoluyla veya maddeye geçirimsiz bir duvar veya bariyer yoluyla iletim; veya ayrılmış cisimler arasındaki radyasyon; veya ilgili sistem üzerindeki çevre tarafından yapılan izokorik mekanik iş; veya harici bir sistem tarafından ilgilenilen sistemden geçen bir elektrik akımı ile joule ısıtması; veya bunların bir kombinasyonu. Farklı sıcaklıklara sahip iki sistem arasında uygun bir yol olduğunda, ısı transferi zorunlu olarak derhal ve kendiliğinden daha sıcak olandan daha soğuk sisteme gerçekleşir. Termal iletim, mikroskopik parçacıkların (atomlar veya moleküller gibi) stokastik (rastgele) hareketi ile gerçekleşir. Bunun aksine, termodinamik çalışma, sistemin tüm cisim durumu değişkenleri üzerinde makroskopik ve doğrudan hareket eden mekanizmalarla tanımlanır; örneğin, sistemin hacminin harici olarak ölçülebilir bir kuvvetle bir pistonun hareketi yoluyla değiştirilmesi; veya elektrik alanında harici olarak ölçülebilir bir değişiklikle sistemin dahili elektrik polarizasyonunun değiştirilmesi. Isı transferinin tanımı, sürecin herhangi bir anlamda pürüzsüz olmasını gerektirmez. Örneğin, bir yıldırım ısıyı bir cisme aktarabilir.

Konvektif sirkülasyon, bir cismin diğerinin sınırına enerji taşıyan bir ara dolaşım sıvısı yoluyla bir cismin diğerini ısıtmasına izin verir; gerçek ısı transferi, akışkan ve ilgili cisimler arasındaki iletim ve radyasyon yoluyla yapılır. Doğal konveksiyon, kendiliğinden olsa da, sadece sıcaklık farkı nedeniyle değil, yeterli sıcaklık gradyanına ek olarak yerçekimi ve termal genleşme kombinasyonunun neden olduğu Rayleigh instabilitesinden kaynaklanmaktadır.

Termodinamik çalışma gibi, ısı transferi de herhangi bir sistemin özelliği değil, iki sistemi içeren bir süreçtir. Termodinamikte, ısı olarak aktarılan enerji (bir proses fonksiyonu) sistemin dahili enerji değişkeni, örneğin iç enerjisi veya örneğin entalpisinde değişime katkıda bulunur. Bu, sistemin bir özelliği olarak sıcaklığın olağan dil anlayışından ayırt edilmelidir.

Her ne kadar ısı kendiliğinden daha sıcak bir cisimden daha soğuk bir cisime akarsa da, enerjiyi daha soğuk bir cisimden daha sıcak bir cisime aktarmak için harcayan bir ısı pompası oluşturmak mümkündür. Buna karşılık, bir ısı motoru, başka bir sisteme iş sağlamak için mevcut sıcaklık farkını azaltır. Başka bir termodinamik tip ısı transfer cihazı, enerjinin daha sıcak bir cisimden, örneğin bir bilgisayar bileşeninden daha soğuk çevreye transferini hızlandırmak için harcanan aktif bir ısı dağıtıcıdır.

Herhangi bir işlemde aktarılan ısı miktarı, yapılan herhangi bir makroskopik iş ve aktarılan maddede bulunan herhangi bir enerji hariç toplam aktarılan enerji miktarı olarak tanımlanabilir. Sıcaklığın kesin tanımı için, maddenin aktarımını içermeyen bir yolla gerçekleşmesi gerekir. Bir enerji miktarı olarak (aktarılıyor), SI ısı birimi joule (J) 'dir. Bir termodinamik işlemde aktarılan ısı miktarını temsil etmek için kullanılan geleneksel sembol Q'dur. Isı, etkileşen cisimlerin durumları üzerindeki etkisi, örneğin erimiş buz miktarı veya sıcaklıktaki bir değişiklik ile ölçülür. Bir cismin sıcaklık değişimi yoluyla ısının miktarına kalorimetri denir.

Gösterim ve birimler

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

Bir sistem tarafından çevresine salınan ısı geleneksel olarak negatif bir miktardır (Q < 0); bir sistem çevresinden ısıyı emdiğinde pozitiftir (Q > 0). Isı aktarım hızı veya birim zaman başına ısı akışı ${\dot {Q}}$ ile gösterilir. Bu, bir durum fonksiyonunun zaman türevi ile karıştırılmamalıdır (nokta gösterimi ile de yazılabilir), çünkü ısı bir durum fonksiyonu değildir. Isı akısı, birim kesit alanı başına ısı transferi oranı (metrekare başına birim watt) olarak tanımlanır.

Klasik termodinamik

Isı ve entropi

1856'da Rudolf Clausius, madde transferinin gerçekleşmediği kapalı sistemlere atıfta bulunarak, mekanik ısı teorisinde (termodinamik) ikinci temel teoremi (termodinamiğin ikinci yasası) tanımladı: " herhangi bir kalıcı değişiklik, karşılıklı olarak birbirinin yerine geçebilir, eşdeğer olarak adlandırılabilir, daha sonra T sıcaklığında çalışmadan ısı Q miktarının nesiller eşdeğerlik değerine sahiptir:"

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

1865 yılında, S tarafından sembolize edilen entropiyi tanımlamaya geldi, böylece T sıcaklığında ısı Q miktarının beslenmesi nedeniyle sistemin entropisi,

$\Delta S={\frac {Q}{T}}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(1)$

İş yapılmadan ısı olarak enerji transferinde, hem çevrede ısı kaybeden, hem de onu kazanan sistemde entropi değişiklikleri vardır. Sistemdeki entropinin artması, ΔS′, iki kısımdan oluşabilir, bir artış, eşleşen veya 'telafi eden ΔS′′ ′, çevredeki entropinin değişimi ve −ΔS′ ′ ve daha fazla artış, Sistemde 'üretilen' veya 'oluşturulan' olarak kabul edilebilecek ve bu nedenle 'telafi edilmediği' söylenen ΔS′′. Böylece

$\Delta S=\Delta S^{\prime }+\Delta S^{\prime \prime }.$

Bu aynı zamanda yazılı olabilir

$\Delta S_{\mathrm {system} }=\Delta S_{\mathrm {compensated} }+\Delta S_{\mathrm {uncompensated} }\,\,\,\,{\text{with}}\,\,\,\,\Delta S_{\mathrm {compensated} }=-\Delta S_{\mathrm {surroundings} }.$

Sistemdeki ve çevredeki toplam entropi değişikliği

$\Delta S_{\mathrm {overall} }=\Delta S^{\prime }+\Delta S^{\prime \prime }-\Delta S^{\prime }=\Delta S^{\prime \prime }.$

Bu şekilde yazılabilir.

$\Delta S_{\mathrm {overall} }=\Delta S_{\mathrm {compensated} }+\Delta S_{\mathrm {uncompensated} }+\Delta S_{\mathrm {surroundings} }=\Delta S_{\mathrm {uncompensated} }.$

Daha sonra çevreden sisteme bir miktar entropi ΔS′ aktarıldığı söylenir. Entropi korunmuş bir miktar olmadığından, bu, aktarılan bir miktarın korunmuş bir miktarda olduğu genel konuşma biçimine bir istisnadır.

Termodinamiğin ikinci yasasından, sistemin sıcaklığının çevreninkinden farklı olduğu kendiliğinden bir ısı transferinde:

$\Delta S_{\mathrm {overall} }>0.$

Transferlerin matematiksel analizi amacıyla, tersinir denilen kurgusal süreçler düşünülür, sistemin T sıcaklığı çevreninkinden neredeyse hiç olmaz ve transfer farkedilemeyecek kadar yavaş bir oranda gerçekleşir.

Formül (1) 'de yukarıdaki tanımın ardından, böyle bir kurgusal tersinir işlem için, bir miktar aktarılan ısı δQ (kesin olmayan bir diferansiyel), dS (tam bir diferansiyel) ile T dS miktarı olarak analiz edilir:

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

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

Aksine, süreç doğalsa ve geri dönüşümsüzlükle gerçekten meydana gelebiliyorsa, dS_{uncompensated} > 0 ile entropi üretimi vardır. T dS_{uncompensated} kompanse edilen miktar Clausius tarafından "telafi edilmemiş ısı" olarak adlandırıldı, ancak bu günümüz terminolojisine uygun değildir. Sonra biri

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

Bu ifadeye ileri sürdü.

$T\,\mathrm {d} S\geq \delta Q\quad {\rm {(second\,\,law)}}\,.$

kapalı sistemler için termodinamiğin ikinci yasasıdır.

Lokal termodinamik dengenin hipotezini varsayarak yaklaşan denge dışı termodinamikte bunun için özel bir gösterim vardır. Enerjinin ısı olarak aktarılmasının, sonsuz bir sıcaklık farkı boyunca gerçekleşeceği varsayılır, böylece sistem elemanı ve çevresi yeterince aynı T sıcaklığına sahip olur.

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

burada tanımı gereği

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

Doğal bir sürecin ikinci yasası,

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

Isı ve entalpi

Kapalı bir sistem için (ne olursa olsun girip çıkabileceği bir sistem), termodinamiğin birinci yasasının bir versiyonu, sistemin iç enerjisi ΔU'daki değişikliğin, sisteme verilen ısı Q'ya eksi Sistemin çevresinde yaptığı iş miktarı W dir. İş için yukarıdaki işaret sözleşmesi bu makalede kullanılmaktadır, ancak alternatif bir işaret sözleşmesi, ardından IUPAC, iş için sistem tarafından çevrede yapılan işi olumlu olarak değerlendirmektir. Bu, Peter Atkins ve Ira Levine gibi birçok modern fizikokim ders kitabı tarafından kabul edilen bir konudur, ancak fizik üzerine birçok ders kitabı işi sistem tarafından yapılan iş olarak tanımlar.

Tarihçe

Yaygın bir isim olarak, İngilizce ısı veya sıcaklık (tıpkı Fransız chaleur, Alman Wärme, Latin kalorisi, Yunanca θάλπος, vb.) Ya termal enerjiyi veya sıcaklığı ifade eder (insan algısı). Termal enerji veya "ısı" ile ilgili maddenin ayrı bir biçimi olarak spekülasyonlar uzun bir geçmişe sahiptir, bkz. Kalori teorisi, phlogiston ve ateş (klasik element).

Termal enerjinin modern anlayışı, mekanik ısının mekanik eşdeğerini önleyen Thompson'ın 1798 mekanik ısı teorisinden (Sürtünme ile Uyarılan Isı Kaynağına İlişkin Deneysel Bir Sorgulama) kaynaklanır. 1820'lerde Nicolas Clément ve Sadi Carnot (Ateşin Güdüsü Üzerine Düşünceler) arasındaki işbirliğinin aynı çizgilere yakın bir şekilde ilgili düşünceleri vardı. 1845'te Joule, "Isı Birimi Üretmek" için gerekli olan mekanik iş miktarı için sayısal bir değer belirlediği, Mekanik Isıya Eşdeğer adlı bir makale yayınladı. Klasik termodinamik teorisi 1850'lerden 1860'lara kadar olgunlaştı. John Tyndall'ın Hareket Modu olarak kabul edilen Isı (1863), İngilizce konuşan halka hareket olarak ısı fikrini popülerleştirmede etkili oldu. Teori Fransızca, İngilizce ve Almanca akademik yayınlarda geliştirilmiştir. Erken bir zamandan beri, Carnot tarafından kullanılan Fransız teknik terim chaleur, İngiliz sıcağına ve Alman Wärme'ye (aydınlık "sıcaklık", eşdeğer ısı Alman Hitze) olarak kabul edildi.

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

James Clerk Maxwell, 1871 Isı Teorisinde, ısı tanımı için dört şart belirlemektedir:

• Termodinamiğin ikinci yasasına göre bir cisimden diğerine aktarılabilecek bir şeydir.
• Ölçülebilir bir miktardır ve bu nedenle matematiksel olarak işlem yapılabilir.
• Maddi bir madde olarak muamele göremez, çünkü maddi bir madde olmayan bir şeye dönüştürülebilir, örneğin mekanik işler.
• Isı, enerji biçimlerinden biridir.

Proses fonksiyonu Q, Clausius tarafından Wärmemenge veya çeviride "ısı miktarı" olarak adlandırılır. "Isı" nın, "ısı olarak aktarılan enerji miktarı" kavramının kısaltılmış bir şekli olarak kullanılması, 20. yüzyılın başlarında bir terminolojik karışıklığa yol açmıştır. Klasik termodinamikte bile "ısı" nın genel anlamı sadece "termal enerji" dir. 1920'lerden bu yana, "ısı" çok özel bir bağlam için ayrılırken, "sabit hacimde ısı içeriği" ve genel anlamda "ısı" amaçlandığında termal enerjiye atıfta bulunmak için entalpi kullanılması önerilmektedir. iki sistem arasında termal enerji aktarımı gibi. Leonard Benedict Loeb, Kinetik Gazlar Teorisinde (1927) Q'ya atıfta bulunurken "ısı miktarını" veya "ısı miktarını" kullanma noktasını belirtiyor:

Termometri mükemmelliğinden sonra [...] ısı alanında yapılan bir sonraki büyük gelişme, ısı miktarı olarak adlandırılan bir terimin tanımlanmasıydı. [... kalori teorisinin terk edilmesinden sonra,] Bu çok kesin kavramı, ısı miktarını, tüm ısıyı gaz moleküllerinin kinetiğine yükleyen bir teori olarak yorumlamaya devam etmektedir.

Isı transferi

İki cisim arasında ısı transferi

İletime atıfta bulunarak, Partington şöyle yazar: "Bir soğuk cisimle temas eden bir sıcak cisim getirilirse, sıcak cismin sıcaklığı düşer ve soğuk cismin sıcaklığı artar, ve sıcak cisimden soğuk cisme kadar bir miktar ısı geçtiği söylenir."

Radyasyona atıfta bulunarak, Maxwell şöyle yazıyor: "Radyasyonda, daha sıcak cisim ısıyı kaybeder ve daha soğuk cisim, kendisi ısınmayan bazı müdahale ortamlarında meydana gelen bir işlem 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 dolaşımda ise, enerjiyi kaynak ve hedef cisimler arasında ısı olarak aktaran bir aracı olarak kabul edilebilir, çünkü kaynaktan hedef cisme önemli olmayan sadece enerjiyi aktarır.

Kapalı sistemler için birinci yasaya göre, sadece ısı olarak aktarılan enerji bir cismden ayrılıp diğerine girerek her birinin iç enerjilerini değiştirir. cismler arasında enerjinin iş olarak aktarılması, iç enerjileri değiştirmenin tamamlayıcı bir yoludur. Sıkı fiziksel kavramlar açısından mantıklı bir şekilde titiz olmasa da, bunu ifade eden yaygın bir kelime biçimi ısı ve işin birbirine dönüştürülebilir olduğunu söylemektedir.

Sadece ısı ve iş transferi kullanan çevrimsel olarak çalışan motorlar, sıcak ve soğuk olmak üzere iki termal rezervuara sahiptir. Bu rezervuarlara göre iş cisimden iş sıcaklığı aralığına göre sınıflandırılabilirler. Bir ısı motorunda, çalışma cisimi daima sıcak rezervuardan daha soğuk ve soğuk rezervuardan daha sıcaktır. Bir anlamda, iş üretmek için ısı transferini kullanır. Bir ısı pompasında, çalışma cisimi, döngünün aşamalarında, hem sıcak rezervuardan daha sıcak hem de soğuk rezervuardan daha soğuk olur. Bir anlamda, ısı transferi üretmek için işleri kullanır.

Isı motoru

Klasik termodinamikte yaygın olarak kabul edilen bir model ısı motorudur. Dört gövdeden oluşur: çalışma organı, sıcak rezervuar, soğuk rezervuar ve çalışma rezervuarı. Döngüsel bir süreç, çalışan bedeni değişmeden bırakır ve süresiz olarak tekrarlanması öngörülmektedir. Çalışma organı ile çalışma rezervuarı arasındaki iş transferleri geri dönüşümlü olarak öngörülmektedir ve bu nedenle sadece bir çalışma rezervuarı gereklidir. Ancak iki termal rezervuar gereklidir, çünkü enerjinin ısı olarak aktarılması geri döndürülemez. Tek bir döngü, çalışma organı tarafından sıcak rezervuardan alınan ve diğer iki rezervuar, çalışma rezervuarı ve soğuk rezervuara gönderilen enerjiyi görür. Sıcak su deposu her zaman ve sadece enerji sağlarken, soğuk su deposu daima enerji alır ve sadece enerji alır. Termodinamiğin ikinci yasası, soğuk rezervuar tarafından hiçbir enerjinin alınmadığı hiçbir döngü olmamasını gerektirir. Isı motorları, başlangıç ve son sıcaklık arasındaki fark daha büyük olduğunda daha yüksek verimlilik elde eder.

Isı pompası veya buzdolabı

Yaygın olarak kullanılan bir başka model ısı pompası veya buzdolabıydı. Yine dört cisim vardır: çalışma organı, sıcak rezervuar, soğuk rezervuar ve çalışma rezervuarı. Tek bir döngü, çalışma organı soğuk rezervuardan daha soğukken başlar ve daha sonra enerji, çalışma organı tarafından soğuk rezervuardan ısı olarak alınır. Daha sonra çalışma haznesi, iç enerjisine daha fazlasını ekleyerek, çalışma haznesi üzerinde çalışır ve sıcak hazneden daha sıcak hale getirir. Sıcak çalışma gövdesi ısıyı sıcak rezervuara geçirir, ancak yine de soğuk rezervuardan daha sıcak kalır. Daha sonra, başka bir cisim üzerinde çalışma yapmadan ve başka bir cisime ısı vermeden genişlemesine izin vererek, çalışma organı soğuk rezervuardan daha soğuk hale getirilir. Artık başka bir döngü başlatmak için soğuk rezervuardan ısı transferini kabul edebilir.

Cihaz, enerjiyi daha soğuktan daha sıcak bir rezervuara taşımıştır, ancak bu cansız bir vasıta tarafından kabul edilmez; daha ziyade, işin koşum takımı olarak kabul edilir. Bunun nedeni, çalışma rezervuarından sadece basit bir termodinamik işlemle değil, aynı zamanda bir canlandırma veya koşum vasıtası tarafından yönlendirildiği düşünülebilecek bir termodinamik işlemler ve süreçler döngüsünden sağlanmasıdır. Buna göre, döngü hala termodinamiğin ikinci yasasına uygundur. Bir ısı pompasının verimliliği, sıcak ve soğuk rezervuarlar arasındaki sıcaklık farkı en az olduğunda en iyisidir.

Makroskopik görüş

Planck'a göre, ısıya üç temel kavramsal yaklaşım var. Bunlardan biri mikroskopik veya kinetik teori yaklaşımıdır. Diğer ikisi makroskopik yaklaşımlardır. Birincisi, termodinamikten önce alınan enerjinin korunumu yasası yoluyla, örneğin Helmholtz'un çalışmasında süreçlerin mekanik bir analizi ile yaklaşımdır. Bu mekanik görüş bu makalede termodinamik teori için geleneksel olarak ele alınmıştır. Diğer makroskopik yaklaşım, ısıyı ilkel bir kavram olarak kabul eden ve enerjinin korunumu yasası bilgisine bilimsel indüksiyon yoluyla katkıda bulunan termodinamik yaklaşımdır. Bu görüş yaygın olarak pratik olarak kabul edilir, ısı miktarı kalorimetri ile ölçülür.

Bailyn ayrıca iki makroskopik yaklaşımı mekanik ve termodinamik olarak ayırır. Termodinamik görüş, 19. yüzyılda termodinamiğin kurucuları tarafından alınmıştır. Isı olarak aktarılan enerji miktarını, öncelikle kalorimetri ile ölçülen, ilkel bir sıcaklık kavramıyla uyumlu ilkel bir kavram olarak kabul eder. Kalorimetre, sistemin çevresinde kendi sıcaklığı ve iç enerjisi ile bir gövdedir; ısı transferi yolu ile sisteme bağlandığında, ısı geçişini ölçer. Mekanik görüşe Helmholtz öncülük etti ve yirminci yüzyılda büyük ölçüde Max Born'un etkisi ile geliştirildi ve kullanıldı. Kapalı sistemler için ısı olarak aktarılan ısı miktarını, kapalı sistemler için, iş aktarımı dışındaki mekanizmalarla aktarılan ısı miktarı olarak tanımlar; ikincisi, makroskopik mekanik tarafından tanımlanan termodinamik için ilkel olarak kabul edilir. Born'a göre, madde transferine eşlik eden açık sistemler arasında iç enerjinin transferi "mekaniğe indirgenemez". Sonuç olarak, ısı veya maddenin aktarımı ile ilgili iş olarak aktarılan enerji miktarlarının iyi temelli bir tanımı yoktur.

Bununla birlikte, denge-olmayan süreçlerin termodinamik açıklaması için, sistem ve sistem arasında fiziksel bir bariyer ya da duvar olmadığında, yani, birbirlerine göre açık olduklarında çevre tarafından ilgilenilen sistem boyunca kurulan bir sıcaklık gradyanının etkisini dikkate almak istenmektedir. Mekanik bir tanımın bu durum için çalışma açısından imkansızlığı, bir sıcaklık gradyanının iç enerjinin yaygın bir akışına neden olduğu fiziksel gerçeği değiştirmez; termodinamik görüşte, enerjinin ısı olarak aktarılması için aday bir kavram olarak önerilebilir.

Bu durumda, maddenin transferini sağlayan kimyasal potansiyelin gradyanı ve elektrik akımı ve iyontoforezi yönlendiren elektrik potansiyelinin gradyanı gibi aktif iç enerji akışının diğer aktif etmenlerinin de olması beklenebilir; bu etkiler genellikle sıcaklık gradyanı tarafından yönlendirilen iç enerjinin yaygın akısı ile etkileşir ve bu etkileşimler çapraz etkiler olarak bilinir.

İç enerjinin yaygın olarak aktarılmasına neden olan çapraz etkiler de ısı transferleri olarak etiketlendiyse, bazen saf ısı transferinin sadece bir sıcaklık gradyanında, asla yukarı doğru gerçekleşmediği kuralını ihlal ederler. Ayrıca, tüm ısı transferinin bir ve aynı tür olması, kapalı sistemler arasında ısı iletimi fikri üzerine kurulmuş bir ilke ile çelişeceklerdir. Termodinamik görüşte, süreçlerin ayrıntılı bilgisine dayanan ve dolaylı olarak değerlendirilen dikkatli hesaplamalara dayanan kavram, yalnızca sıcaklık gradyanı tarafından yönlendirilen ısı akışının dar bir şekilde yayılan iç enerji akışının kavramsal bir bileşeni olarak düşünmeye çalışılabilir. Bu şartlar altında, eğer bir madde aktarımı gerçekleşmezse ve çapraz etkiler olmazsa, termodinamik kavram ve mekanik kavram, sanki kapalı sistemlerle uğraşıyormuş gibi çakışır. Ancak maddenin transferi söz konusu olduğunda, sıcaklık gradyanının, tam olarak bilinebilir olmaktan ziyade, yaygın iç enerji akışını yönlendirdiği kesin yasaların çoğunlukla varsayılması gerekir ve birçok durumda pratik olarak doğrulanamaz. Sonuç olarak, maddenin transferi söz konusu olduğunda, iç enerjinin yayıcı akısının saf 'ısı akısı' bileşeninin hesaplanması pratik olarak doğrulanamayan varsayımlara dayanır. Bu ısıyı öncelikle ve kesin olarak kapalı sistemlerle ilgili olan ve sadece açık sistemlere çok kısıtlı bir şekilde uygulanan özel bir kavram olarak düşünmek için bir nedendir.

Bu bağlamdaki birçok yazıda, "ısı akısı" terimi, kastedilen, iç enerjinin difüzif akısı olarak daha doğru olarak adlandırıldığında kullanılır; "ısı akısı" teriminin bu şekilde kullanılması, bir cismin "ısı içeriğine" sahip olmasına izin veren daha eski ve artık kullanılmayan bir dil kullanımının kalıntısıdır.

Mikroskobik görüş

Kinetik teoride, ısı, elektronlar, atomlar ve moleküller gibi oluşturucu parçacıkların mikroskopik hareketleri ve etkileşimleri açısından açıklanmaktadır. Kurucu parçacıkların kinetik enerjisine en yakın olan anlamı ısı değildir. İç enerjinin bir bileşenidir. Mikroskobik olarak, ısı bir transfer miktarıdır ve parçacıkların sabit lokalize kinetik enerjisi olarak değil, bir taşıma teorisi ile tarif edilir. Isı transferi, sıcaklık gradyanlarından veya farklılıklarından, mikroskopik kinetik ve potansiyel parçacık enerjisinin yaygın değişimi, parçacık çarpışmaları ve diğer etkileşimler yoluyla meydana gelir. Bunun erken ve belirsiz bir ifadesi Francis Bacon tarafından yapıldı. Kesin ve ayrıntılı versiyonları 19. yüzyılda geliştirilmiştir.

İstatistik mekaniğinde, kapalı bir sistem için (maddenin aktarımı yoktur), ısı, değerlerde değişiklik olmadan sistemin enerji seviyelerinin işgal sayısındaki sıçramalarla ilişkili, sistemdeki düzensiz, mikroskobik bir eylemle ilişkili enerji aktarımıdır. Makroskopik termodinamik çalışmanın, sistem enerji seviyelerinin değerlerinde değişiklik yapmadan işgal sayılarını değiştirmek mümkündür, ancak transferi ısı olarak ayırt eden şey, transferin tamamen radyasyon transferi dahil düzensiz, mikroskobik etkiden kaynaklanmasıdır. Bir mikro-topluluk topluluğunun istatistiksel dağılımı açısından yarı statik adyabatik çalışmanın küçük artışları için bir matematiksel tanım formüle edilebilir.

kalorimetri

Aktarılan ısı miktarı kalorimetri ile ölçülebilir veya diğer miktarlara dayalı hesaplamalarla belirlenebilir.

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

Aktarılan ısı miktarının hesaplanması, adyabatik çalışma olarak aktarılan varsayımsal miktarda enerjiye ve termodinamiğin birinci yasasına dayanabilir. Bu hesaplama, aktarılan ısı miktarı ile ilgili birçok teorik çalışmanın birincil yaklaşımıdır.

Mühendislik

Tipik olarak makine mühendisliği ve kimya mühendisliğinin bir yönü olarak kabul edilen ısı transferi disiplini, bir sistemdeki termal enerjinin üretildiği veya dönüştürüldüğü veya başka bir sisteme aktarıldığı belirli uygulanan yöntemlerle ilgilenir. Her ne kadar ısının tanımı dolaylı olarak enerji transferi anlamına gelse de, ısı transferi terimi birçok mühendislik disiplini ve sıralamasız dilde bu geleneksel kullanımı kapsamaktadır.

Isı transferi genellikle ısı iletimi, ısı taşınımı, termal radyasyon mekanizmalarını içerdiği şeklinde tarif edilir, ancak faz değişim süreçlerinde kütle transferi ve ısıyı içerebilir.

Konveksiyon, iletim ve sıvı akışının kombine etkileri olarak tanımlanabilir. Termodinamik bakış açısından, ısı enerjisini arttırmak için difüzyon yoluyla bir sıvıya akar, sıvı daha sonra bu artan iç enerjiyi (ısı değil) bir yerden diğerine aktarır (savunur) ve bunu daha sonra ısıyı tekrar difüzyonla ikinci bir ogana veya sisteme aktaran ikinci bir termal etkileşim izler. Bu işlemin tamamı, teknik olarak "ısı transferi" ve dolayısıyla ısıtma ve soğutma, ek bir ısı transferi mekanizması olarak kabul edilir; bu nedenle, ısıtma ve soğutma, bu tür bir iletken akışın sadece her iki ucunda gerçekleşir, ancak akışın sonucu olarak gerçekleşmez. Dolayısıyla, iletimin ısıyı sadece işlemin net bir sonucu olarak "transfer ettiği" söylenebilir, ancak bunu karmaşık konvektif süreç içinde her zaman yapamayabilir.

Gizli ve hissedilir ısı

Madde, Yaşam Gücü ve Isı başlıklı 1847 dersinde James Prescott Joule, gizli ısı ve hissedilir ısı terimlerini, her birinin ayrı ayrı fiziksel fenomenleri, yani parçacıkların potansiyel ve kinetik enerjisini etkileyen ısı bileşenleri olarak karakterize etti.

Gizli enerjiyi, çekiciliğin daha büyük bir mesafenin üzerinde olduğu parçacıkların mesafesinin, yani bir tür potansiyel enerjinin ve duyulabilir ısının, parçacıkların hareketini, yani kinetik enerjiyi içeren bir enerji olarak sahip olduğu enerji olarak tanımladı.

Gizli ısı, sıcaklıkta bir değişiklik olmadan meydana gelen bir durum değişikliği sırasında kimyasal bir madde veya bir termodinamik sistem tarafından salınan veya emilen ısıdır. Böyle bir işlem, buzun erimesi veya suyun kaynatılması gibi bir faz geçişi olabilir.

Isı kapasitesi

Isı kapasitesi, bir cisme eklenen ısının ortaya çıkan sıcaklık değişimine oranına eşit ölçülebilir bir fiziksel miktardır. Molar ısı kapasitesi, saf bir maddenin birim miktarı (SI birimi: mol) başına ısı kapasitesidir ve genellikle basitçe ısı olarak adlandırılan özgül ısı kapasitesi, bir malzemenin birim kütlesi başına ısı kapasitesidir. Isı kapasitesi, bir maddenin fiziksel bir özelliğidir, yani söz konusu maddenin durumuna ve özelliklerine bağlı olduğu anlamına gelir.

Helyum gibi monatomik gazların özgül ısıları sıcaklıkla neredeyse sabittir. Hidrojen gibi diatomik gazlar bir miktar sıcaklık bağımlılığı gösterir ve triatomik gazlar (örneğin, karbondioksit) daha da fazladır.

Termodinamik yasalarının geliştirilmesinden önce, ısı katılımcı cisimlerin durumlarındaki değişikliklerle ölçülmüştür.

Önemli istisnalar dışında bazı genel kurallar aşağıdaki gibi ifade edilebilir.

Genel olarak, çoğu cisim ısındığında genişler. Bu durumda, bir cisimi sabit bir hacimde ısıtmak, sınırlayıcı duvarlarına uyguladığı basıncı arttırırken, sabit bir basınçta ısıtma hacmini arttırır.

Bunun ötesinde, çoğu maddenin madde, katı, sıvı ve gaz olmak üzere normal olarak kabul edilmiş üç durumu vardır. Bazıları bir plazmada da olabilir. Birçoğu, örneğin, cam ve sıvı kristal gibi, daha ince bir şekilde farklılaşmış madde durumlarına sahiptir. Birçok durumda, sabit sıcaklık ve basınçta, bir madde, aynı 'cisim' olarak görülebilecek birçok farklı durumda bulunabilir. Örneğin, buz bir bardak suda yüzebilir. Daha sonra buz ve suyun 'cisim' içinde iki faz oluşturduğu söylenir. Belirli aşamaların bir 'cisimde nasıl birlikte var olabileceğini anlatan 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, soğutma ters etkilere sahiptir.

Tüm bunlar, en yaygın durumlar, ısınmanın bir cisim durumundaki değişikliklerle ölçülebileceği bir kurala uygundur. Bu gibi durumlar, ampirik sıcaklıkların tanımlanmasına izin veren termometrik cisimler olarak adlandırılmasını sağlar. 1848'den önce tüm sıcaklıklar bu şekilde tanımlandı. Dolayısıyla, ısı ve sıcaklık arasında görünüşte mantıksal olarak belirlenmiş sıkı bir bağlantı vardı, ancak bunlar özellikle 18. yüzyılda Joseph Black tarafından kavramsal olarak tamamen farklıydı.

Önemli istisnalar var. Isı ve sıcaklık arasındaki bariz bağı koparırlar. Ampirik sıcaklık tanımlarının belirli termometrik maddelerin kendine özgü özelliklerine bağlı olduğunu ve bu nedenle 'mutlak' başlığından kaçınıldığını açıkça ortaya koymaktadırlar. Örneğin, su 277 K civarında ısıtılınca büzülür. Bu sıcaklığa yakın bir termometrik madde olarak kullanılamaz. Ayrıca, belirli bir sıcaklık aralığında, buz ısıtma üzerinde daralır. Dahası, sadece geçici olarak ve çok özel koşullarda hayatta kalan negatif basınç gibi metastabil durumlarda birçok madde bulunabilir. Bazen 'anormal' olarak adlandırılan bu tür gerçekler, mutlak sıcaklığın termodinamik tanımının bazı nedenleridir.

Yüksek sıcaklıkların ölçülmesinin ilk günlerinde başka bir faktör önemliydi ve Josiah Wedgwood tarafından pirometresinde kullanıldı. Bir işlemde ulaşılan sıcaklık, bir kil örneğinin büzülmesi ile tahmin edildi. Sıcaklık ne kadar yüksek olursa, büzülme o kadar fazla olur. Bu, 1000° C'nin üzerindeki sıcaklıkların ölçülebilen tek veya daha az güvenilir ölçüm yöntemiydi. Ancak bu büzülme geri döndürülemez. Kil soğuduktan sonra tekrar genleşmez. Bu yüzden ölçüm için kullanılabilir. Ama sadece bir kere. Kelimenin olağan anlamında bir termometrik malzeme değildir.

Bununla birlikte, mutlak sıcaklığın termodinamik tanımı, uygun kavramla ısı kavramını temel olarak kullanır.