Termodinamik Isı, enerjinin bir formdan diğerine dönüştürülmesi veya bir cisimden diğerine aktarılabilmesidir. Örneğin, ocak brülörü elektrik enerjisini ısıya dönüştürür ve o enerjiyi pota suya iletir. Bu, su moleküllerinin kinetik enerjisini arttırarak daha hızlı ve daha hızlı hareket etmelerini sağlar. Belirli bir sıcaklıkta (kaynama noktası), atomlar sıvının moleküler bağlarından kurtulup buhar halinde kaçacak kadar enerji kazanmışlardır.

Termodinamik, fizikte ısı ve diğer enerji biçimleri arasındaki ilişkileri ele alan bir dalıdır. Özellikle, termal enerjinin diğer enerji türlerine nasıl dönüştüğünü ve maddenin nasıl etkilendiğini açıklar.

Termal enerji, bir maddenin veya sistemin, sıcaklığı, yani, hareket ettiren veya titreyen moleküllerin enerjisinden dolayı sahip olduğu enerjidir ; Texas Education Agency'nin Energy Education web sitesine göre. Termodinamik, Missouri Southern State Üniversitesi'nde fizik profesörü olan David McKee'ye göre "bu enerjiyi ölçmek" çok fazla karmaşık olabilir. "Termodinamikte okuduğumuz sistemler ... çok sayıda atom veya moleküle karmaşık yollarla etkileşime giriyorlar, ancak bu sistemler denge dediğimiz doğru kriterleri karşılarlarsa, çok az sayıdaki ölçümle veya Genellikle bu, sistemin kütlesi, sistemin basıncı ve sistemin hacmi veya diğer eşdeğer sayı kümeleri olarak idealleştirildi .. Üç sayı 10 26 veya 10 30 nominal bağımsız değişkeni tanımlıyor . "

Sıcaklık
Termodinamik, maddenin çeşitli özellikleriyle ilgilidir; Bunların arasında başta ısı olmaktır. Enerji Eğitimi'ne göre, ısı, aralarındaki sıcaklık farkından dolayı maddeler veya sistemler arasında aktarılan enerjidir. Bir enerji biçimi olarak, ısı muhafaza edilir, yani yaratılamaz ya da yok edilemez. Bununla birlikte, bir yerden bir yere aktarılabilir. Isı ayrıca diğer enerji biçimlerine dönüştürülebilir. Örneğin, bir buhar türbini, ısıyı kinetik enerjiye dönüştürerek kinetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir jeneratörü çalıştırabilir. Bir ampul bu elektrik enerjisini bir yüzey tarafından absorbe edildiğinde ısınmaya dönüşen elektromanyetik radyasyona (ışığa) dönüştürebilir.

Sıcaklık
Bir madde tarafından taşınan ısı miktarı, Enerji Eğitimi'ne göre, hareket halindeki atomların veya moleküllerin hızına ve sayısına bağlıdır. Atomlar veya moleküller ne kadar hızlı hareket ederse, sıcaklık da o kadar yüksek olur ve hareket halindeyken atomlar veya moleküller ne kadar çok taşırsa, aktarılan ısı miktarı artar.

Sıcaklık, bir maddenin numunesinde parçacıkların ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür, standart bir ölçekte belirtilen birimler veya derece cinsinden ifade edilir ", American Heritage Dictionary'e göre . En sık kullanılan sıcaklık ölçeği, 0 ° C ve 100 ° C'lik ilgili değerler atayan, suyun donma ve kaynama noktalarına dayanan Celsius'tur. Fahrenheit ölçeği aynı zamanda suyun donma ve kaynama noktalarına dayalıdır sırasıyla 32 F ve 212 F değerleri.

Bununla birlikte, dünya çapında bilim adamları, hesaplamalarda işe yaradığı için William Thomson, 1. Baron Kelvin'in adını taşıyan Kelvin'i (K dereceli işaretsiz) kullanıyorlar . Bu ölçek, Celsius ölçeği ile aynı artışı kullanır, yani, 1 C'lik bir sıcaklık değişimi 1 K'ye eşittir. Ancak, Kelvin ölçeği, ısı enerjisinin toplamının olmadığı sıcaklık olan mutlak sıfırdan başlar ve tüm moleküler Hareket durur. 0 K sıcaklığı eksi 459.67 F veya eksi 273.15 C'ye eşittir.

Öz ısı
Wolfram Research'e göre, belirli bir miktarda bir maddenin belirli bir miktarının sıcaklığını arttırmak için gereken ısı miktarına özgül ısı veya özgül ısı kapasitesi denir . Bunun için geleneksel birim kelvin başına gram başına kaloridir. Kalori, 1 gram suyun sıcaklığını 1 derece arttırmak için gereken ısı enerjisi miktarı olarak tanımlanır.

Bir metalin özgül ısısı, kütlesi değil, numunedeki atomların sayısına tamamen bağlıdır. Örneğin, bir kilogram alüminyum, bir kilogram kurşundan yaklaşık yedi kat daha fazla ısı emebilir. Bununla birlikte, kurşun atomları, eşit miktarda alüminyum atomdan% 8 daha fazla ısı emebilir. Bununla birlikte, belirli bir kütle suyu, eşit bir alüminyum kütlesi kadar yaklaşık beş kat fazla emebilir. Bir gazın özgül ısısı daha karmaşıktır ve sabit basınca mı yoksa sabit hacimde mi ölçüleceğine bağlıdır.

Termal iletkenlik
Termal iletkenlik ( k ), "belirli bir materyalden geçen, birim mesafe başına bir derece sıcaklık gradyanlı birim alan boyunca birim zamanda akan ısı miktarı olarak ifade edilen hızdır", Oxford Dictionary'e göre . K için birim, kelvin başına metre (m) başına watt (W) (K) cinsindendir. Bakır ve gümüş gibi metaller için k değerleri 401 ve 428 W / m · K'de nispeten yüksektir. Bu özellik, bu malzemeleri, otomobil radyatörleri ve bilgisayar fişleri için soğutma kanatları için kullanışlı kılar çünkü ısı çabucak uzaklaşabilir ve çevre ile değiş tokuş edebilirler. Herhangi bir doğal madde için en yüksek k değeri 2,200 W / m · K olan elmastır.

Diğer materyaller kullanışlıdır çünkü ısı derecesinde kötü iletkenlerdir; bu mülkte termal direnç ya da malzemeden ısıyı iletme oranını tanımlayan R- değeri denir . Taş yünü, kaz tüyü ve strafor gibi bu malzemeler, dış cephe bina duvarlarında, kışlık katlarda ve termal kahve kupalarında yalıtım için kullanılır. R- değeri, 1 inç kalınlıktaki bir levha için İngiliz termik ünitesi (ft 2 ° F · h / Btu) başına Fahrenheit kere saat kare feet birimleri cinsinden verilir .

Newton'un Soğutma Yasası
1701'de Sir Isaac Newton , Royal Society'nin Felsefe İşlemlerinde "Scala dereceli kaloris" ("Isı Derecelerinin Ölçeği"başlıklı kısa bir yazı ile Soğutma Kanunu'nu ilk kez açıkladı. Newton'un kanun beyanı özgün Latince'den "ısı derecelerinin fazlalığı ... zamanlar aritmetik bir ilerlemeyle geometrik ilerlemeye" dönüşüyor. Worcester Politeknik Enstitüsü, "sıcaklığın değişim oranı cismin sıcaklığı ile çevrenin çevresindeki sıcaklık arasındaki farkla orantılı" olarak kanunun daha modern bir versiyonunu veriyor.

Bu , sıcaklık farkında üstel bir bozulma ile sonuçlanır . Örneğin, sıcak bir cisim soğuk bir banyoda belirli bir süre içerisinde yerleştirilirse sıcaklıklarındaki fark yarısı kadar azalacaktır. O zaman aynı süre içinde, kalan fark yine yarıya azaltılacaktır. Sıcaklık farkının tekrarlanan bu yarıya bölmesi, ölçüm için çok küçük hale gelene kadar eşit zaman aralıklarında devam eder.

Isı transferi
Isı bir vücuttan diğerine veya bir vücut ve çevre arasında üç farklı vasıtayla aktarılabilir: iletim, konveksiyon ve radyasyon. İletim, enerjinin katı bir madde yoluyla aktarılmasıdır . Vücutlar arasındaki iletkenlik, doğrudan temas halindeyken gerçekleşir ve moleküller enerjilerini arabirim üzerinden aktarırlar.

Konveksiyon, ısının bir sıvı ortam ile veya bu sıvı ortamından aktarılmasıdır. Bir katı gövde ile temas halindeki bir gaz veya sıvıda bulunan moleküller, vücuda ısı iletir veya emer ve sonra diğer moleküllerin yerine oturmasına ve işlemi tekrar etmesine izin vererek uzaklaşır. Verimlilik, bir radyatörde olduğu gibi, ısıtılacak veya soğutulacak yüzey alanının arttırılmasıyla ve bir fan ile olduğu gibi sıvının yüzeye çıkmasına neden olarak geliştirilebilir.

Radyasyon elektromanyetik (EM) enerjinin emisyonudur , özellikle ısı enerjisi taşıyan kızılötesi fotonlar. Bütün madde, bazı EM radyasyonu yayar ve emer; bunun net miktarı bunun ısı kaybına mı yoksa kazanmasına mı neden olduğunu belirler.

Carnot döngüsü
1824 yılında Nicolas Léonard Sadi Carnot , Carnot döngüsü olarak bilinen olaya dayalı olarak bir ısı motoru için bir model önerdi . Bu döngü, gazların basıncı, hacmi ve sıcaklığı arasındaki ilişkileri ve bir enerji girdisinin nasıl biçim değiştirebileceğini ve sistemin dışında nasıl çalışabileceğini açıklıyor.

Bir gaz sıkıştırılması sıcaklığını arttırır, bu nedenle ortamından daha sıcak olur. Daha sonra bir ısı eşanjörü kullanılarak sıcak gazdan ısı çıkartılabilir . Ardından, genişlemeye bırakmak, soğumasına neden olur. Isıtma, klima ve soğutma için kullanılan ısı pompalarının arkasındaki temel ilkedir.

Tersine, bir gazın ısıtılması basıncını artırır ve gazın genişlemesine neden olur. Daha sonra geniş basınç, bir pistonu sürmek için, böylece ısı enerjisini kinetik enerjiye dönüştürmek için kullanılabilir. Isı motorlarının arkasındaki temel ilkedir.

Entropi
Tüm termodinamik sistemler atık ısı üretir. Bu atık, kapalı bir sistem için, " American Heritage Dictionary " e göre, "işe yaramayacak miktarda termal enerji ölçümü" olan entropi artışına neden oluyor . Herhangi bir kapalı sistemdeki entropi her zaman artar; o asla azalır. Buna ek olarak, hareketli parçalar sürtünmeden dolayı atık ısı üretir ve radyasyon sıcaklığı kaçınılmaz olarak sistemden sızdırılır.

Bu, sürekli hareketli makineler denilen şeyleri imkansız kılar. Missouri Eyalet Üniversitesi fizik profesörü Siabal Mitra, "Sürekli bir hareket makinesi kuramayacağınız anlamına gelen, yüzde yüz etkili bir motor inşa edemezsiniz.Ama yine de orada pek çok insan var" İnanıyorum, ve halen sürekli hareket makineleri kurmaya çalışan insanlar var. "

Entropi, aynı zamanda, giderek artan oranda artan "kapalı bir sistemdeki bozukluğun veya rastlantılığın bir ölçüsü" olarak tanımlanır. Sıcak ve soğuk suyu karıştırabilirsiniz, ancak büyük bir sıcak su bardağı, sıcak ve soğuk su içeren iki küçük bardaktan daha karışık olduğundan, sisteme enerji eklemeden sıcaklığa ve soğukluğa asla ayırabilirsiniz. Bir başka deyişle, bir yumurta şifresini çözemez veya kahvenizi kahveden çıkaramazsınız. Bazı işlemler tamamen tersine çevrilebilir gibi görünse de, pratikte hiçbiri geri dönüşümsüzdür. Bu nedenle, Entropi bize bir zaman oku sağlar: ilerleyen entropinin yönüdür.

Termodinamiğin dört yasası
Termodinamiğin temel ilkeleri başlangıçta üç yasa ile ifade edilmiştir. Daha sonra açıkça belirtilmesi gerekmediğinin açıkça göründüğü anlaşıldığı için daha temel bir kanunun ihmal edildiği tespit edildi. Bilim adamları, tam bir kurallar dizisi oluşturmak için bu temel yasanın dahil edilmesine karar verdiler. Sorun, yine de, ilk üç kanunun zaten kurulmuş olması ve atanan numaralarıyla iyi bilindiği idi. Bir İngiliz fizikçi olan Ralph H. Fowler , mevcut kanunların yeniden numaralandırılması veya kayda değer bir karışıklığa yol açması ya da listenin sonunda mantıksız bir şekilde yer alan seçkin yasanın yerleştirilmesi ihtimaliyle yüz yüze geldiğinde , ikilemi çözen bir alternatif ortaya attı: yeni yasayı "Sıfat Yasası" olarak adlandırdı. Özetle, bu yasalar şunlardı:

Zeroth Yasası , eğer iki ceset bazı üçüncü cisimle termal denge halinde bulunursa, birbirleriyle de denge içerisinde olduklarını belirtmektedir. Bu, maddenin temel ve ölçülebilir bir özelliği olarak sıcaklığı tayin eder.

Birinci Kanun , bir sistemin enerjisindeki toplam artışın, termal enerjideki artışa ve sistem üzerinde yapılan işe eşit olduğunu belirtmektedir. Bu durum, ısının bir enerji şekli olduğunu ve bu nedenle de koruma ilkesine tabi olduğunu belirtmektedir.

İkinci Kanun , ısı enerjisinin, enerji eklenmeksizin daha yüksek bir sıcaklıkta bir vücuttan daha düşük bir sıcaklıkta bir bedene aktarılamayacağını belirtmektedir. Bu yüzden bir klima çalıştırmak için maliyeti var.

Üçüncü Kanun , saf bir kristalin mutlak sıfırdaki entropisinin sıfır olduğunu belirtir. Yukarıda açıklandığı gibi, entropiye bazen "atık enerji", yani iş yapamayan enerji denir ve mutlak sıfırda herhangi bir ısı enerjisi olmadığından atık enerjisi olamaz. Entropi aynı zamanda bir sistemdeki bozukluğun bir ölçüsüdür ve kusursuz bir kristal tanımı gereği kusursuzca düzenlenmiş iken, sıcaklığın herhangi bir pozitif değeri, kristal içinde bozukluğa neden olan hareket anlamına gelir. Bu nedenlerden dolayı, daha düşük entropi ile fiziksel bir sistem olamaz, bu nedenle entropi daima olumlu bir değere sahiptir.

Termodinamik bilim, yüzyıllar boyunca geliştirildi ve ilkeleri şimdiye kadar icat edilen neredeyse her cihaza uygulanır. Modern teknolojideki önemi abartılamaz.