Termodinamiğin Birinci Yasası

... konulu sunumlar: "Termodinamiğin Birinci Yasası"— Sunum transkripti:

1 Termodinamiğin Birinci Yasası
1. yasa enerjinin korunum yasasıdır. İç enerji E ve ısı Q kavramları dahil edildikten sonra enerjinin korunumu yasası doğanın evrensel bir yasası haline gelmiştir. Bir sistem içinde, mikroskobik seviyede sadece iç enerji değişebilir. Bu ısı veya iş yoluyla olabilir. 1.yasa ısı ve iş arasında ayrım yapmaz.

2 İç Enerji E Sisteme göre durgun bir referans sisteminden bakıldığında, mikroskobik bileşenlerin hareketleriyle ilgili enerjilerin toplamıdır. E=Kö+Kd+Kt+U(r) İç enerji, sistemi oluşturan parçacıkların öteleme, dönme ve titreşim kinetik enerjileri ile parçacıklar arası etkileşme potansiyel enejilerinin toplamıdır. Öteleme Dönme U(r) Titreşim sistem Sisteme göre durgun ref. sis. V

3 Isı Q Q Isı, sistemle çevresi arasındaki sıcaklık farkından dolayı kaynaklanan ve sistemin sınırlarını geçen enerji aktarımı olarak tanımlanır. İş ile mekanik enerji arasındaki fark, ısı ile iç enerji arasındaki fark gibidir. İş, bir mekanik değişkenin değişmesi sonucu oluşan (ısı hariç) enerji aktarımıdır. Isı da iş gibi sistemin enerjisini değiştirmenin bir yoludur. Isı ve iş sisteme ait olamaz, sistemin bir özelliği değildir. Isı birimi Kalori (cal) Caloric=Hayali akışkan “1 g suyun sıcaklığını 14,5 oC den 15,5 oC’ye yükseltmek için gerekli ısıl enerji 1 cal’dir.” Calorie (Cal) gıdaların kimyasal enerji miktarıdır ve 1Cal=103 cal

4 Isının Mekanik Eşdeğeri:
9000 btu q British thermal Unit (btu) ingiliz ısı birimi, 1btu 1lb=4,45N suyun sıcaklığını 63 oF’dan 64 oF’a çıkarmak için gerekli enerji miktarıdır. Isının Mekanik Eşdeğeri: mgh  T olduğu T. Joule tarafından bulunmuştur. “4.18 Joule mekanik enerji 1 g suyun sıcaklığını 14,5 oC den 15,5 oC’ye yükseltir.” 1 cal=4.18 Joule h m

5 Isı Sığası ve Özgül Isı Aynı miktardaki cisimlerin sıcaklıklarını aynı
İçi boş bardak Su dolu bardak Isı Sığası ve Özgül Isı Aynı miktardaki cisimlerin sıcaklıklarını aynı miktarda değiştirmek için gerekli enerji miktarı farklıdır. 1 kg su T=1 oC Q=418 J 1 kg bakır T=1 oC Q=387 J Isı sığası C, bir cisim sıcaklığını 1 oC yükseltmek için gerekli enerji (ısı enerjisi) miktarıdır. Özgül ısı sığası c, birim kütle başına ısı sığası olarak tanımlanır. Molar ısı sığası c, mol başına ısı sığası olarak tanımlanır.

6 C(T) ısı sığası sıcaklığın bir fonksiyonu ise
T çok büyük değilse ısı sığası genellikle sıcaklıktan bağımsızdır ve Q=C T geçerlidir. C(T) ısı sığası sıcaklığın bir fonksiyonu ise Isı sıgası ayrıca hangi şartlarda ölçüldüğüne de bağlıdır. Örneğin Cp-sabit basınçta ısı kapasitesi Cv-sabit hacimde ısı kapasitesi  T Q To Q T T 

7 ? Katı ve sıvılarda Cp Cv Gazlarda CpCv
Fırından yeni çıkmış bir peynirli pidenin, ekmek kısmı değil de peynir kısmı daha çok yanma hissi verir. Neden? Su ısı sığası en büyük olan maddelerdendir. su cam demir 100 J 1 kg TsTcTd Cs Cc Cd

8 Hal Değiştirme ve Gizli Isı
Madde ile çevresi arasında enerji alış-verişi sonucu maddenin yapısal durumunun değiştiği ancak sıcaklığın sabit kaldığı durumlar vardır. Bu olaya faz/hal değişimi denir. 1. Dereceden faz değişimi (Donma) Katı  Sıvı (Erime) (Yoğuşma) Sıvı  Gaz (Kaynama) 2. Dereceden faz değişimi Bir maddenin kristal yapısındaki değişim Katı () Katı () Faz değişimi için gerekli enerji her madde için farklıdır. m kütleli bir maddenin faz değişimi için gerekli enerji Q ise, o maddenin faz/hal değiştirme ısısı/gizli ısı

9 + Katı Sıvı Gaz Plazma Erime Donma Buharlaşma Yoğuşma İyonlaşma
deionization Le Lb Katı Bağ Uk Sıvı Bağ Us Ug0 Le Lb + Lp Genellikle Lb Le

10

11 Çevresiyle tamamen yalıtılmış iki cisim arasında ısı yolu ile enerji alış-verişi olura enerji korunumuna göre T Q T1 T2 Isıl denge Kalorimetri yöntemi katı ve sıvıların ısı kapasitelerinin ölçümünde kullanılan yöntemdir. Termometre Karıştırıcı Su Isı sığası bilinmeyen madde Kalorimetri kabı Hava Yalıtkan kapak

12 İş Bir sistemin durumu P, V,T,E gibi değişkenlerle açıklanır.
Bir sistemin makroskobik durumu (P, V,T,E,...) ancak sistem kendi iç dengesine ulaşmışsa belirlenebilir. Yarı durgun (quasi statik) süreç, sistemin her an dengede olduğu süreçtir. Yarıdurgun süreç o kadar yavaş gerçekleşir ki sistemin iç dengesi bozulmaz. Tersinir/geri dönüşümlü (reversible) süreç, çevresinde hiçbir değişiklik yaratmadan tam olarak başlangıç durumuna geri dönebilen süreçtir. Tersinir süreç enerji kaybının ve yapısal bir bozulmanın olmadığı sonsuz sayıda yarı durgun değişimlerden oluşur. V P (P, V, T) Tersinmez süreç Tersinir süreç

13 İş bir sistemle çevresi arasında sıcaklık farkından bağımsız olan yollarla enerji aktarma olayıdır.
Akışkanlarda hacim değişiminden kaynaklanan iş: Gazın yaptığı iş dV0  W0 dV0  W0 dV=0 veya Pdış=0  W=0 y x x z

14 İş bilinirse ancak iş hesaplanabilir. ( tersinir süreç)
Örneğin T=sabit ideal gaz V P s i W Vi Vs

15 W1W2W3 W1 0 W2 0 Net işW=W1 + W2  0 W1 W2 W3
V P s i W1 V P s i W2 V P s i W3 W1W2W3 “İş takip edilen yola bağlıdır” V P s i W1 0 W2 0 Net işW=W1 + W2  0

16 İşin yaygın biçimi Daha yaygın olarak iş, sistem üzerine etki eden herhangi bir kuvvet tarafından yapılabilir: fi-i. Kuvvet dxi-sonsuz küçük değişim Kimyasal iş dN -kimyasal potansiyel N-parçacık sayısı Esneklik kuvvetlerin yaptığı iş Lineer fdl f-lineer gerilim, l-boy Yüzeysel dA -yüzey gerilim, A-yüzey Elektrik kuvvetlerin yaptığı iş dq -elektrik potansiyel, q-sistemin yükü EdP E-elektrik alan, P-plarizasyon Manyetik iş HdM H-manyetik alan, M-magnetizasyon

17 Benzer şekilde ısı da değişimin nasıl gerçekleştiğine bağlı olarak değişir.
Örneğin ideal gaz P Ts Ti V

18 Isı banyosu enerji verdiği veya aldığı zaman sıcaklığı değişmeyen çok büyük sistem.
ISI BANYASU T T İzotermal genleşme W0 Q 0 Q Serbest genleşme V P İ s Pdış=0 W=0 Q =0

19 Termodinamiğin Birinci Yasası
V P İ s 1 3 2 W1 W2  W3 ve Q1Q2Q3 Ancak Q1-W1=Q2-W2=Q3-W3 “ısı ve iş yola bağlı olmasına karşın Q-W yoldan bağımsızdır.” Q-W sadece ilk ve son duruma bağlıdır Buna iç enerjideki değişim E denir. Termodinamiğin Birinci Yasası “Bir sistemin iç enerjisi sadece iş ve ısı yolu ile değişebilir.” “I. yasa tüm işlemlere uygulanabilen evrensel bir kanundur.” İç enerji E, sıcaklık, basınç ve hacim gibi sisteme aittir, sistemin bir özelliğidir ve sistemi oluşturan parçacıkların hareketleri ile ilgili enerjidir. dV < O  dW < O  dE  0 dV  O  dW  O  dE < 0 dT  O  dQ  O  dE  0 dT < O  dQ < O  dE < 0 .

20

21