Termodinamik, enerjinin, ısının, sıcaklığın ve maddenin hâller arasında akış biçiminin bilimidir. Dört yasa, tuhaf bir sırayla, tüm konuyu düzenler: sıfırıncı yasa termal dengenin geçişken olduğunu söyler (A = B ve B = C ise A = C), bu da sıcaklığın tek bir sayı olarak varlığını haklı çıkarır; birinci yasa enerjinin korunduğunu, ΔU = Q − W olduğunu söyler (sisteme giren ısı eksi çıkan iş, sistemin iç enerjisini değiştirir); ikinci yasa yalıtılmış bir sistemin toplam entropisinin asla azalmadığını söyler — ısı kendiliğinden sıcaktan soğuğa akar, tersi asla olmaz; ve üçüncü yasa bir sistemin entropisinin mutlak sıfırda minimuma ulaştığını söyler, ona yaklaşılabilir ama asla ulaşılamaz. Bu panelin altı hesap makinesi çalışma denklemlerini kapsar: ideal gaz ve birleşik gaz yasaları, ısı kapasitesi, üç geometride termal genleşme, sıcaklık birimi dönüşümü ve Carnot verimliliği.
Birinci yasa muhasebedir, ikinci yasa yöndür: birinci yasa enerjiyi korur (kazanamazsınız); ikinci yasa, mükemmel biçimde korunmuş enerjinin bile iş için kullanılabilir olmaktan çıktığını söyler (başa baş bile yapamazsınız). Birlikte, her motorun, buzdolabının ve kimyasal tepkimenin uyması gereken kuralları belirler.
İdeal gaz yasası — PV = nRT
Molekülleri birbiriyle neredeyse etkileşmeyecek kadar seyreltik ve sıcak bir gaz için basınç, hacim, mol sayısı ve mutlak sıcaklık PV = nRT ile bağlanır; R = 0,082057 L·atm/(mol·K) (ya da SI birimlerinde 8,314 J/(mol·K)). Varsayılan örnek (V = 22,4 L, n = 1 mol, T = 273,15 K) P ≈ 1,0007 atm döndürür — STP'deki ders kitabı molar hacmi 22,4 L'dir, tam olarak 1 mol ideal gazın 1 atm ve 0°C'de kapladığı hacim budur. Yasa ideal gaz için kesindir ve oda sıcaklığında ve orta basınçta hava, oksijen ve birçok başka gerçek gaz için yaklaşık olarak doğrudur. Yüksek basınçta ya da düşük sıcaklıkta moleküller arası kuvvetler ve sonlu molekül boyutu önemlidir ve van der Waals denklemi (P + a/V²)(V − b) = nRT, iki deneysel parametreyle bunu düzeltir. Diğer üç gaz yasası (Boyle, Charles, Gay-Lussac), sabit T, V ya da P'de PV = nRT'nin özel durumlarıdır; birleşik gaz yasası P1V1/T1 = P2V2/T2 üçünde birden değişiklikleri ele alır.
Isı transferi — Q = m·c·ΔT
Kütlesi m ve özgül ısı kapasitesi c olan bir cismin sıcaklığını ΔT değiştirmesi için emdiği ısı Q = m·c·ΔT'dir, joule cinsinden. Özgül ısı, kilogram başına ve kelvin başına enerjidir; suyun ünlü yüksek değeri 4.186 J/(kg·K), onu mükemmel bir termal tampon yapar. Varsayılan örnek (1 kg su, 4.186 J/(kg·K), ΔT = 50 K) Q ≈ 209.300 J (209,3 kJ) verir — 1 L soğuk musluk suyunu rahat bir sıcaklığa ısıtmak için gereken enerji. Diğer malzemeler keskin biçimde ayrılır: alüminyum 900 J/(kg·K), bakır 385, demir 450, cam 840 — bir metal çabuk ısınır ve çabuk soğur, su yavaş ısınır ve ısıyı yavaş verir. 4.186 sayısı, sıcak su torbalarının neden bu kadar uzun sıcak kaldığını, okyanus sıcaklıklarının mevsimler boyunca neden yalnızca yavaş değiştiğini ve kıyı iklimlerinin karasal olanlardan neden daha ılıman olduğunu açıklar.
Termal genleşme — ΔL = α·L0·ΔT
Katılar sıcaklıkla geometrilerine bağlı üç biçimde genleşir: doğrusal ΔL = αL0ΔT, alan ΔA = 2αA0ΔT, hacim ΔV = 3αV0ΔT; burada α doğrusal katsayıdır. Varsayılan örnek (1 m çelik, α = 12×10−6/K, ΔT = 100 K) ΔL ≈ 1,2 mm verir — günlük marangozlukta yok sayılacak kadar küçük, genleşme derzleri olmadan kışın bir çelik köprüyü çatlatacak kadar büyük. Alüminyum iki kat daha genleşkendir (23×10−6/K), bakır ve pirinç ara değerdedir, cam 9×10−6/K ile düşüktür. Sıvılar genellikle katılardan daha fazla genleşir (cıva 182; su 4°C'nin altında anormal davranır) ve gazlar herhangi bir doğrusal genleşme yasasına değil ideal gaz yasasına uyar. Demiryolu raylarındaki genleşme aralıkları, termostatlardaki bimetal şeritler ve bir termometrede yükselen cıva sütunu hepsi α kaynaklıdır.
Sıcaklık dönüşümü — dört ölçek, iki çıpa
Dört çalışma ölçeği Celsius (1 atm'de suyun donma ve kaynama noktaları 0 ve 100), Fahrenheit (farklı çıpalarla benzer bir aralık, ABD'de hâlâ standart), Kelvin (mutlak ölçek, tüm fizik hesaplamalarında kullanılır) ve Rankine'dir (mutlak Fahrenheit ölçeği). Varsayılan örnek (100°C) 373,15 K, 212°F ve 671,67°R verir. Dönüşüm kuralları: K = °C + 273,15; °F = °C × 9/5 + 32; °R = °F + 459,67. Mutlak sıfır 0 K = −273,15°C = −459,67°F = 0°R'dir, klasik termal hareketin durduğu sıcaklık; üçüncü yasa, hiçbir sonlu sürecin buna gerçekten ulaşamayacağını, yalnızca giderek daha yakınlaşabileceğini söyler.
Carnot verimliliği — herhangi bir motor için üst sınır
Sıcak bir rezervuar Th ve soğuk bir rezervuar Tc arasında çalışan Carnot çevrimi, bu iki sıcaklık arasında çalışan mümkün olan en verimli ısı motorudur; verimliliği η = 1 − Tc/Th'dir (sıcaklıklar mutlak). Varsayılan örnek (Th = 500 K, Tc = 300 K) η ≈ %40 döndürür. 1500 K'de doğal gaz yakıp 300 K'lik bir çevreye egzoz veren gerçek bir motorun Carnot sınırı %80'dir; gerçek kombine çevrimli santraller %60'a ulaşır. Hiçbir motor Carnot'u geçemez — bu ifade doğrudan ikinci yasadan çıkar ve sürekli hareket makinelerinin neden imkânsız olduğunu açıklar. Isı pompaları ve buzdolapları aynı fiziği çalıştırır ve ısıtma modunda performans katsayısı COP = Th/(Th − Tc) ya da soğutma için Tc/(Th − Tc)'dir; bu da aynı tersinir sınırla sınırlıdır. Isı pompasının COP'sinin 1'i aşabilmesinin nedeni budur: ısıyı dönüştürmek yerine taşır ve elektriğin her joule'ü için 3–4 joule sıcaklık sağlar.
Yaygın yanlış anlamalar
- Isı ve sıcaklık aynı şeydir. Isı, aktarım hâlindeki enerjidir; sıcaklık moleküllerin ortalama kinetik enerjisidir. Ilık suyla dolu bir küvet, 1500 °C'deki bir kıvılcım çubuğundan çok daha fazla ısı (enerji) içerir, çünkü kütle sayılır. Özgül ısı kapasitesi, aynı sıcaklık değişiminin farklı malzemeler için çok farklı miktarda ısı gerektirmesini sağlayan dönüşüm faktörüdür.
- Soğuk, soğuktan sıcağa akar. Isı, her zaman sıcaktan soğuğa akar. "Soğuğun akması" hissi, sıcaklıklar eşitlenene kadar elinizin ısısının çevreye geçmesidir.
- Entropi düzensizlik demektir. Popüler açıklama yanıltıcıdır. Entropi, bir makrodurumla uyumlu mikrodurum sayısının logaritmasıdır — kesin bir sayım, kaosun belirsiz bir ölçüsü değil. Gazlar katılardan daha yüksek entropiye sahiptir, çünkü konumları daha dağınıktır.
- Sürtünmeyi azaltarak bir motor %100 verimli yapılabilir. Sürtünme kaybın bir parçasıdır, ama indirgenemez kayıp soğuk rezervuara boşaltılan ısıdır. Carnot'un tersinir çevrimine uyan sürtünmesiz bir motor bile 1 − Tc/Th ile sınırlıdır.
İlgili araçlar: entropinin arkasındaki istatistiksel mekanik için Modern Fizik, termodinamik ile reaksiyon kendiliğindenliği arasındaki ΔG = −RT ln K köprüsü için Denge ve kalori, joule, BTU ve elektron-volt arasında geçiş için Birim Dönüştürücü.
