Konu anlatımı
Sıcak bir çay bardağı masada zamanla soğur, buzdolabından çıkan meyve suyu ısınır; her ikisi de sonunda odanın sıcaklığına ulaşır. Bu alt başlıkta ısıl dengenin nasıl kurulduğunu, denge sıcaklığının nerede olacağını ve ısıl denge grafiklerini nitel olarak yorumlamayı göreceksin.
Isıl denge nasıl kurulur?
Sıcaklıkları farklı iki cisim birbirine değdiğinde sıcak cismin tanecikleri soğuk cismin taneciklerine enerji aktarır: sıcak cisim ısı verir, soğuk cisim ısı alır. Sıcak cismin sıcaklığı düşer, soğuk cisminki yükselir. Sıcaklıklar eşitlendiğinde net ısı aktarımı durur; bu duruma ısıl denge, ulaşılan ortak sıcaklığa denge sıcaklığı denir. Isı alışverişi yalnızca sıcaklık farkı olduğu sürece sürer.
Denge sıcaklığının yeri
Çevreyle ısı alışverişi olmayan bir sistemde sıcak cismin verdiği ısı, soğuk cismin aldığı ısıya eşittir. Bu yüzden denge sıcaklığı iki ilk sıcaklığın arasındadır. Isı sığası büyük olan cismin sıcaklığı daha az değişir; denge sıcaklığı bu cismin ilk sıcaklığına daha yakındır. Isı sığaları eşitse iki cismin sıcaklık değişimleri eşittir ve denge sıcaklığı tam ortadadır. TYT'de denge sıcaklığı hesaplatılmaz; bu tür karşılaştırmalar sorulur.
Grafikler ve hâl değişimi
Isıl denge sürecinin sıcaklık-zaman grafiğinde sıcak cismin eğrisi aşağı, soğuk cisminki yukarı doğru gider ve iki eğri denge sıcaklığında birleşip yatay olarak devam eder. Sıcaklığı daha çok değişen eğri, ısı sığası küçük olan cisme aittir. Karışımda hâl değişimi olabilir: ılık suya atılan bir buz parçası suyun verdiği ısıyla erir; buzun tamamı eriyemeden su 0 °C'ye inerse denge 0 °C'de buz ile su bir arada kurulur.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. Sıcak bir metal bilye, kütlesi bilyeninkinden çok büyük olan soğuk suya bırakılıyor ve sistem yalıtılmış. Isı alışverişi ne zaman durur? Hangisinin sıcaklık değişimi daha büyük olur?
Çözüm. Bilye ısı verir, su ısı alır; sıcaklıklar eşitlenince ısı alışverişi durur. Verilen ısı alınan ısıya eşittir. Suyun kütlesi çok büyük ve öz ısısı da metalinkinden büyük olduğu için suyun ısı sığası bilyeninkinden çok büyüktür. Bu yüzden bilyenin sıcaklığı çok, suyunki az değişir ve denge sıcaklığı suyun ilk sıcaklığına yakın olur.
Örnek 2. Yalıtılmış bir kapta X ve Y cisimleri ısıl dengeye geliyor. Sıcaklık-zaman grafiğinde X'in sıcaklığındaki düşüş, Y'nin sıcaklığındaki artıştan küçüktür. Cisimlerin ısı sığalarını karşılaştırınız. Denge sıcaklığı hangisinin ilk sıcaklığına daha yakındır?
Çözüm. Yalıtılmış kapta X'in verdiği ısı Y'nin aldığı ısıya eşittir. Eşit ısı alışverişinde sıcaklığı az değişen cismin ısı sığası büyüktür; X'in sıcaklığı daha az değiştiği için X'in ısı sığası Y'ninkinden büyüktür. Denge sıcaklığı ısı sığası büyük olan X'in ilk sıcaklığına daha yakındır.
Sık yapılan hatalar
- Denge sıcaklığını her zaman ilk sıcaklıkların tam ortası sanmak.
- Isının soğuk cisimden sıcak cisme de kendiliğinden akabileceğini düşünmek.
- Sıcaklığı çok değişen cismin daha çok ısı aldığını sanmak; yalıtılmış sistemde alınan ve verilen ısılar eşittir.
- Isı sıcaktan soğuğa akar; sıcaklıklar eşitlenince ısıl denge kurulur.
- Yalıtılmış sistemde verilen ısı = alınan ısı.
- Denge sıcaklığı ısı sığası büyük olanın ilk sıcaklığına yakındır.