Isı, Mekanik İş ve İç Enerji

Isı, Mekanik İş ve İç Enerji

Enerji genellikle iş yapabilme kapasitesi olarak tanımlanmaktadır. Buna göre, iş yapan bir sistemin iç enerjisi azalırken iş alan bir sistemin iç enerjisi artar. Benzer şekilde, ısı veren bir sistemin iç enerjisi azalırken ısıalan bir sistemin iç enerjisi artar.

Enerji Çeşitleri

Kimyasal olayların hepsinde bir enerji değişimi gözlemlemek mümkündür. Enerji; kinetik enerji, potansiyel enerji, ısı enerjisi vb. gibi birden çok çeşitten oluşmaktadır ve enerjiler birbirleri arasında dönüşebilir. Her türlü enerji kimyasal olarak iş yapabilme becerisine sahiptir. Kimyasal olarak iş, bir süreçten kaynaklanan enerji değişimi olarak tanımlanır.

A) Kinetik Enerji

Hareket eden bir cisim tarafından meydana getirilen enerji türüdür. Kimyacıların özel ilgisini çeken kinetik enerji, o cismin kütlesine (m) ve hızına (v) bağlıdır.

\({K_e}={m.v^2 \over 2}\)

B) Potansiyel Enerji

Bir cismin konumundan dolayı sahip olduğu enerji çeşididir.  Depolanmış enerji olarak ta tanımlanır. Örneğin yüksekte bulunan bir taş parçasının enerjisi, konumuna göre daha alçak bir yerde bulunan başka bir taş parçasına göre daha büyük bir enerjiye sahiptir.

C) Kimyasal Enerji

Kimyasal maddelerin yapısal birimleri içinde depolanan enerji çeşididir. Maddeler kimyasal tepkimelere girdiklerinde, kimyasal enerji serbest kalır, depolanır veya enerjinin bir başka formuna dönüşürler.

D) İç Enerji

Bir sistemi oluşturan atom, iyon ve molekül gibi en küçük yapı taşlarının sahip olduğu tüm enerjilerin toplamına iç enerji denir. O halde iç enerji, bir sistemdeki atom, molekül ve iyon gibi tüm türlerin sahip olduğu öteleme, dönme, titreşim, çekirdek enerjilerinin toplamıdır. İç enerji U sembolü ile gösterilir. İç enerji değişimi ΔU sembolü ile gösterilir ve

\({ΔU} = {U_{son} – U_{ilk}}\)

şeklinde hesaplanır. İç enerji bir hal fonksiyonudur. Yani iç enerjinin tam değeri ölçülemez sadece iç enerji değişim miktarı ölçülebilir. Yalnızca ısı (Q) ve iş (W) alışverişinin olduğu bir sistemde iç enerji değişimi

\({ΔU} = {ΔQ+ΔW}\)

olarak ifade edilebilir.

• Çevrenin sisteme karşı iş yaptığı durumlarda mekanik iş pozitiftir “w = +”.
• Sistemin çevreye karşı iş yaptığı durumlarda mekanik iş negatiftir “w = -“.
• Sistem çevreden ısı alıyorsa, Q pozitiftir “Q = +”.
• Sistem çevreye ısı veriyorsa, Q negatiftir “Q = -“.

Isı ve Mekanik İş İlişkisi

Fizikte iş tanımı kuvvet ve uzaklığın çarpımı olarak ifade edilmektedir. Termodinamikte ise işin tanımı biraz farklılık göstermektedir. Termodinamikte iş ifadesi, mekanik iş, elektriksel iş ve benzerlerini kapsayan geniş bir anlama sahiptir. Kimyasal tepkimelerle ilgili en yaygın mekanik iş gazların genleşmesi ve sıkışmasından kaynaklanan basınç – hacim işidir.

Belirli sıcaklık, basınç ve hacim de, ağırlıksız, sürtünmesiz hareket edebilen pistonla bağlantılı bir silindir içindeki bir gazı düşünelim. Gaz genleşirken, sabit bir dış atmosfer basınca (P) karşı pistonu yukarı doğru iter. Gaz tarafından çevreye karşı yapılan iş w = – P * ∆V olur.

• Burada ∆V, hacimdeki değişimi (Vs – Vi ) göstermektedir.
• Gaz genleştiğinde ΔV > 0 olur ve yapılan iş negatiftir. Yani sistem iç enerjisini iş yapmak için harcamıştır.
• Gaz sıkıştırıldığında ise ΔV < 0 olur ve iş pozitif bir büyüklük olur. Yani sistem iç enerjisini arttırmıştır.

Bir gaza karşı veya gaz tarafından yapılan iş birimleri litre atmosferdir (L atm). İşin SI birimi Joule (J)dur.

1 L atm =101,3 J

A) Sabit Hacimli Sistemlerde İç Enerji Değişimi

Sabit hacimli (izokorik) sistemlerde mekanik iş gözlemlenmez ve iç enerji değişimi ısı enerjisi değişim miktarı kadar olur.

\({ΔU} = {ΔQ}\)

B) Sabit Basınçlı Sistemlerde İç Enerji Değişimi

Sabit basınçlı (izobarik) sistemlerde (hareketli pistonlu sistemler), hem mekanik iş hem de ısı enerjisi değişimi gözlemlenir. Bu yüzden iç enerji değişimi şu şekilde hesaplanır.

\({ΔU} = {ΔW+ΔQ}={ΔQ – (P . ΔV)}\)

Entalpi kavramı ve entalpinin hesaplanmasıyla ilgili detaylı bilgiye Entalpi ve Entalpinin Hesaplanması başlığından ulaşabilirsiniz

İç Enerji ile Entalpi Hesaplanması

Sabit basınç alında gerçekleşen kimyasal tepkimelerde sistem ısısal işin yanında mekanik iş de yapmaktadır. Bu yüzden entalpi hesabında mekanik işe de yer vermek gerekir.

H=U+P.V

• U: Sistemin iç enerjisidir
• P: Sistemin basıncıdır
• V: Sistemin hacmidir

Ancak sistemin iç enerjisini tam olarak ölçemediğimiz için ölçebildiğimiz bir değer olan iç enerji değişimine göre formül tekrar düzenlenir.

\({\Delta H}={\Delta U + \Delta (P.V)}\)

Eğer sistem sabit basınç altındaysa yukarıdaki denklik şu şekilde de yazılabilir;

\({\Delta H}={\Delta U + P . \Delta V}\)