Isı

Akkorlaşma nedeniyle parlayan-sıcak metal çubuk ⓘ

Termodinamikte ısı, termodinamik iş veya madde transferi (örneğin iletim, radyasyon ve sürtünme) dışındaki mekanizmalarla termodinamik bir sisteme veya sistemden transfer edilen enerjidir. ⓘ

Termodinamik iş gibi, ısı transferi de bir sistemin çevresini ve sistemin kendisini içerir ve bu nedenle tek başına sistemin bir özelliği değildir, ancak tek başına sistemin bir özelliği olan sistemin iç enerjisindeki değişime katkıda bulunur. Bu, 'ısı' kelimesinin kendi başına bir sistemin özelliği olarak sıradan dil kullanımından farklıdır. ⓘ

Bir süreçte ısı olarak transfer edilen enerji miktarı, yapılan herhangi bir termodinamik iş ve transfer edilen maddede bulunan herhangi bir enerji hariç olmak üzere transfer edilen enerji miktarıdır. Isının kesin tanımı için, madde transferini içermeyen bir yolla gerçekleşmesi gerekir. Örneğin, ışınımsal ısı transferi madde transferi ile birlikte gerçekleşebilir. ⓘ

Tanım gereği hemen olmasa da, özel süreç türlerinde, ısı olarak aktarılan enerji miktarı, etkileşen cisimlerin durumları üzerindeki etkisi ile ölçülebilir. Örneğin, özel durumlarda ısı transferi eriyen buz miktarıyla veya sistemin çevresindeki bir cismin sıcaklığındaki değişimle ölçülebilir. Bu tür yöntemlere kalorimetri denir. ⓘ

Termodinamik bir süreçte transfer edilen ısı miktarını temsil etmek için kullanılan geleneksel sembol Q veya q'dur. Bir enerji miktarı (transfer edilen) olarak, ısının SI birimi joule'dür (J). ⓘ

Kinetik kurama göre ısı, moleküllerin ve fotonların hareketleri ve etkileşimleri sonucu ortaya çıkar. ⓘ

Isı, bir enerji olduğu için skalerdir ve birimi joule'dür (J). Kalorimetre ile doğrudan ölçülebilir ya da termodinamik yasalarıyla matematiksel olarak hesaplanabilir. ⓘ

Isı, termodinamiğin ve istatistiksel mekaniğin temel kavramıdır. Kimya, mühendislik ve diğer disiplinler için de önemlidir.

Termodinamik alanında önemli çalışmaları bulunan James Prescott Joule (1818-1889) ⓘ

Isıyı tanımlayan transfer mekanizmaları

Isıyı tanımlayan enerji transferi mekanizmaları arasında hareketsiz cisimlerin doğrudan teması yoluyla veya madde geçirmeyen bir duvar veya bariyer yoluyla iletim; veya ayrılmış cisimler arasında radyasyon; veya harici bir sistem tarafından ilgili sistemden geçirilen bir elektrik akımı veya manyetik bir karıştırıcı nedeniyle Joule ısınması gibi, çevrenin ilgili sistem üzerinde yaptığı izokorik mekanik veya elektriksel veya manyetik veya yerçekimsel iş nedeniyle sürtünme yer alır. Farklı sıcaklıklara sahip iki sistem arasında uygun bir yol olduğunda, ısı transferi zorunlu olarak, hemen ve kendiliğinden daha sıcak olan sistemden daha soğuk olan sisteme doğru gerçekleşir. Termal iletim, mikroskobik parçacıkların (atomlar veya moleküller gibi) stokastik (rastgele) hareketiyle gerçekleşir. Buna karşılık termodinamik iş, makroskopik olarak ve doğrudan sistemin tüm vücut durum değişkenleri üzerinde etkili olan mekanizmalarla tanımlanır; örneğin, harici olarak ölçülebilir bir kuvvetle bir pistonun hareketi yoluyla sistemin hacminin değişmesi veya elektrik alanında harici olarak ölçülebilir bir değişiklik yoluyla sistemin iç elektrik polarizasyonunun değişmesi. Isı transferi tanımı, sürecin herhangi bir anlamda pürüzsüz olmasını gerektirmez. Örneğin, bir şimşek çakması bir cisme ısı aktarabilir. ⓘ

Konvektif dolaĢım, bir cismin diğerini ısıtmasını, enerjiyi bir cismin sınırından diğerinin sınırına taĢıyan bir ara dolaĢım sıvısı aracılığıyla sağlar; gerçek ısı transferi sıvı ile ilgili cisimler arasında iletim ve radyasyon yoluyla gerçekleĢir. Konvektif sirkülasyon, kendiliğinden olsa da, sadece hafif bir sıcaklık farkı nedeniyle zorunlu olarak ve hemen meydana gelmez; belirli bir sistem düzeninde meydana gelmesi için aşılması gereken bir eşik vardır. ⓘ

Isı daha sıcak bir cisimden daha soğuk bir cisme kendiliğinden aksa da, enerjiyi daha soğuk bir cisimden daha sıcak bir cisme aktarmak için iş harcayan bir ısı pompası inşa etmek mümkündür. Bunun aksine, bir ısı motoru başka bir sisteme iş sağlamak için mevcut bir sıcaklık farkını azaltır. Bir başka termodinamik ısı aktarım cihazı türü de aktif bir ısı dağıtıcıdır ve daha sıcak bir gövdeden, örneğin bir bilgisayar bileşeninden daha soğuk bir çevreye enerji aktarımını hızlandırmak için iş harcar. ⓘ

Gösterim ve birimler

Bir enerji biçimi olarak ısı, Uluslararası Birimler Sisteminde (SI) joule (J) birimine sahiptir. Bununla birlikte, mühendislikteki birçok uygulamalı alanda İngiliz ısı birimi (BTU) ve kalori sıklıkla kullanılmaktadır. Aktarılan ısı oranı için standart birim watt (W) olup, saniyede bir joule olarak tanımlanır. ⓘ

Isı olarak aktarılan toplam enerji miktarı için Q sembolü 1850 yılında Rudolf Clausius tarafından kullanılmıştır:

"Gazın hacmi v ve sıcaklığı t olan herhangi bir durumdan diğerine belirli bir şekilde geçişi sırasında verilmesi gereken ısı miktarı Q olarak adlandırılsın" ⓘ

Bir sistem tarafından çevresine salınan ısı geleneksel olarak negatif bir niceliktir (Q < 0); bir sistem çevresinden ısı emdiğinde ise pozitiftir (Q > 0). Isı transfer hızı veya birim zamandaki ısı akışı şu şekilde gösterilir ${\dot {Q}}$. Isı durumun bir fonksiyonu olmadığından, bu durum bir durum fonksiyonunun zaman türevi ile karıştırılmamalıdır (nokta gösterimi ile de yazılabilir). Isı akısı, birim kesit alanı başına ısı transferi oranı olarak tanımlanır (birim metrekare başına watt). ⓘ

Klasik termodinamik

Isı ve entropi

Rudolf Clausius ⓘ

1856 yılında Rudolf Clausius, madde transferlerinin gerçekleşmediği kapalı sistemlere atıfta bulunarak, ısının mekanik teorisindeki (termodinamik) ikinci temel teoremi (termodinamiğin ikinci yasası) tanımlamıştır: "Başka bir kalıcı değişim gerektirmeksizin karşılıklı olarak birbirinin yerini alabilen iki dönüşüm eşdeğer olarak adlandırılırsa, T sıcaklığındaki işten Q ısı miktarının üretimi eşdeğerlik değerine sahiptir:" ⓘ

${\frac {Q}{T}}.$ ⓘ

1865'te, S ile sembolize edilen entropiyi tanımladı, öyle ki, T sıcaklığında Q ısı miktarının sağlanması nedeniyle sistemin entropisi şu kadar artar ⓘ

$\Delta S={\frac {Q}{T}}$

(1) ⓘ

İş yapılmadan ısı olarak enerji transferinde, hem ısı kaybeden çevrede hem de ısı kazanan sistemde entropi değişiklikleri olur. Sistemdeki entropi artışının, ΔS, iki kısımdan oluştuğu düşünülebilir; çevredeki entropi değişimine, -ΔS′, uyan veya 'telafi eden' bir artış, ΔS′ ve sistemde 'üretilen' veya 'üretilen' olarak düşünülebilecek ve bu nedenle 'telafi edilmemiş' olduğu söylenen bir başka artış, ΔS′′. Böylece ⓘ

$\Delta S=\Delta S'+\Delta S.$ ⓘ

Bu aynı zamanda şöyle de yazılabilir ⓘ

$\Delta S_{\mathrm {system} }=\Delta S_{\mathrm {compensated} }+\Delta S_{\mathrm {uncompensated} }\,\,\,\,{\text{with}}\,\,\,\,\Delta S_{\mathrm {compensated} }=-\Delta S_{\mathrm {surroundings} }.$ ⓘ

Sistemdeki ve çevredeki toplam entropi değişimi şu şekildedir ⓘ

$\Delta S_{\mathrm {overall} }=\Delta S^{\prime }+\Delta S^{\prime \prime }-\Delta S^{\prime }=\Delta S^{\prime \prime }.$ ⓘ

Bu aynı zamanda şöyle de yazılabilir ⓘ

$\Delta S_{\mathrm {overall} }=\Delta S_{\mathrm {compensated} }+\Delta S_{\mathrm {uncompensated} }+\Delta S_{\mathrm {surroundings} }=\Delta S_{\mathrm {uncompensated} }.$ ⓘ

Bu durumda çevreden sisteme bir miktar ΔS′ entropi aktarıldığı söylenir. Entropi korunmuş bir nicelik olmadığından, bu durum, aktarılan miktarın korunmuş bir nicelik olduğu genel konuşma biçimine bir istisnadır. ⓘ

Termodinamiğin ikinci yasası, kendiliğinden ısı transferinde sistemin sıcaklığının çevredekinden farklı olduğunu belirtir:

$\Delta S_{\mathrm {overall} }>0.$ ⓘ

Transferlerin matematiksel analizi amacıyla, tersinir olarak adlandırılan, sistemin T sıcaklığının çevredekinden çok az düşük olduğu ve transferin fark edilemeyecek kadar yavaş bir hızda gerçekleştiği kurgusal süreçler düşünülebilir. ⓘ

Yukarıda formül (1)'deki tanımı takiben, böyle bir kurgusal tersinir süreç için, transfer edilen ısı miktarı δQ (kesin olmayan bir diferansiyel), dS (kesin bir diferansiyel) ile bir T dS miktarı olarak analiz edilir:

$T\,\mathrm {d} S=\delta Q.$ ⓘ

Bu eşitlik sadece entropi üretiminin olmadığı, yani telafi edilmemiş entropinin olmadığı kurgusal bir transfer için geçerlidir. ⓘ

Bunun aksine, süreç doğalsa ve geri döndürülemezlikle birlikte gerçekten gerçekleşebiliyorsa, o zaman entropi üretimi vardır ve dSuncompensated > 0 olur. dSuncompensated T miktarı Clausius tarafından "telafi edilmemiş ısı" olarak adlandırılmıştır, ancak bu günümüz terminolojisine uymamaktadır. O halde ⓘ

$T_{surr}\,\mathrm {d} S=\delta Q+T\,\mathrm {d} S_{\mathrm {uncompensated} }>\delta Q.$ ⓘ

Bu da şu ifadeye yol açar ⓘ

$T_{surr}\,\mathrm {d} S\geq \delta Q\quad {\text{(second law)}}\,.$

Bu da kapalı sistemler için termodinamiğin ikinci yasasıdır. ⓘ

Yerel termodinamik denge hipotezini varsayma yaklaşımı yapan denge dışı termodinamikte, bunun için özel bir gösterim vardır. Enerjinin ısı olarak transferinin sonsuz küçük bir sıcaklık farkı boyunca gerçekleştiği varsayılır, böylece sistem elemanı ve çevresi neredeyse aynı T sıcaklığına sahip olur. ⓘ

$\mathrm {d} S=\mathrm {d} S_{\mathrm {e} }+\mathrm {d} S_{\mathrm {i} }\,,$ ⓘ

burada tanım gereği ⓘ

$\delta Q=T\,\mathrm {d} S_{\mathrm {e} }\,\,\,\,\,{\text{and}}\,\,\,\,\,\mathrm {d} S_{\mathrm {i} }\equiv \mathrm {d} S_{\mathrm {uncompensated} }.$ ⓘ

Doğal bir süreç için ikinci yasa şunu ileri sürer

$\mathrm {d} S_{\mathrm {i} }>0.$ ⓘ

Isı ve entalpi

Kapalı bir sistem (hiçbir maddenin girip çıkamadığı bir sistem) için, termodinamiğin birinci yasasının bir versiyonu, sistemin iç enerjisindeki ΔU değişiminin, sisteme verilen Q ısı miktarı eksi sistemin çevresi üzerinde yaptığı W termodinamik iş miktarına eşit olduğunu belirtir. Bu makalede iş için yukarıdaki işaret kuralı kullanılmıştır, ancak iş için IUPAC tarafından takip edilen alternatif bir işaret kuralı, sistem üzerinde çevresi tarafından gerçekleştirilen işi pozitif olarak kabul etmektir. Peter Atkins ve Ira Levine tarafından yazılanlar gibi birçok modern fiziksel kimya ders kitabı tarafından benimsenen kural budur, ancak birçok fizik ders kitabı işi sistem tarafından yapılan iş olarak tanımlar. ⓘ

$\Delta U=Q-W\,.$ ⓘ

Bu formül, ΔU'nun yalnızca adyabatik iş süreçleriyle tanımlandığı ve ölçüldüğü varsayılırsa, tamamen adyabatik iş kavramına dayalı olarak ısı olarak aktarılan enerji miktarının bir tanımını ifade edecek şekilde yeniden yazılabilir:

$Q=\Delta U+W.$ ⓘ

Sistem tarafından yapılan termodinamik iş, termodinamik durum değişkenleri, örneğin V hacmi tarafından tanımlanan mekanizmalar aracılığıyla gerçekleşir, çevredeki mekanizmaları zorunlu olarak içeren değişkenler aracılığıyla değil. İkincisi, şaft işi gibidir ve izokorik işi içerir. ⓘ

İç enerji, U, bir durum fonksiyonudur. Bir ısı motorunun çalışması gibi döngüsel süreçlerde, çalışan maddenin durum fonksiyonları bir döngünün tamamlanmasının ardından ilk değerlerine geri döner. ⓘ

Sonsuz küçük bir süreçteki iç enerji için diferansiyel veya sonsuz küçük artış, tam bir diferansiyel dU'dur. Tam diferansiyellerin sembolü küçük d harfidir. ⓘ

Buna karşılık, sonsuz küçük bir süreçteki sonsuz küçük artışlardan δQ veya δW, sistemin bir durum fonksiyonundaki değişikliği temsil etmez. Dolayısıyla, sonsuz küçük ısı ve iş artışları kesin olmayan diferansiyellerdir. Yunanca küçük harf delta, δ, kesin olmayan diferansiyellerin sembolüdür. Sistemin aynı termodinamik durumdan ayrıldığı ve sonra aynı duruma geri döndüğü bir süreçte herhangi bir tam olmayan diferansiyelin integrali mutlaka sıfıra eşit değildir. ⓘ

Yukarıda, ısı ve entropi başlıklı bölümde anlatıldığı gibi, termodinamiğin ikinci yasası, tersinir bir süreçte bir sisteme ısı verilirse, δQ ısı artışının ve T sıcaklığının tam diferansiyel oluşturduğunu gözlemler ⓘ

$\mathrm {d} S={\frac {\delta Q}{T}},$ ⓘ

ve S, çalışan cismin entropisi, bir durum fonksiyonudur. Benzer şekilde, yavaş hareket eden (quasistatic) bir sınırın arkasında iyi tanımlanmış bir basınç, P, ile iş diferansiyeli, δW, ve basınç, P, tam diferansiyeli oluşturmak için birleşir ⓘ

$\mathrm {d} V={\frac {\delta W}{P}},$ ⓘ

V, bir durum değişkeni olan sistemin hacmidir. Genel olarak, bileşim değişikliği olmayan tek tip basınç ve sıcaklık sistemleri için,

$\mathrm {d} U=T\mathrm {d} S-P\mathrm {d} V.$ ⓘ

Bu diferansiyel denklemle ilişkili olan kavram, iç enerjinin S ve V doğal değişkenlerinin U (S,V) fonksiyonu olarak düşünülebileceğidir. Temel termodinamik ilişkinin iç enerji temsili şu şekilde yazılır

$U=U(S,V).$ ⓘ

Eğer V sabit ise ⓘ

$T\mathrm {d} S=\mathrm {d} U\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(V\,\,{\text{constant)}}$ ⓘ

ve eğer P sabit ise ⓘ

$T\mathrm {d} S=\mathrm {d} H\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,(P\,\,{\text{constant)}}$ ⓘ

ile tanımlanan entalpi H ile ⓘ

$H=U+PV.$ ⓘ

Entalpi, doğal değişkenleri S ve P'nin H(S, P) fonksiyonu olarak düşünülebilir. Temel termodinamik ilişkinin entalpi gösterimi şöyle yazılır

$H=H(S,P).$ ⓘ

İç enerji gösterimi ve entalpi gösterimi birbirlerinin kısmi Legendre dönüşümleridir. Farklı şekillerde yazılmış aynı fiziksel bilgileri içerirler. İç enerji gibi, doğal değişkenlerinin bir fonksiyonu olarak ifade edilen entalpi de termodinamik bir potansiyeldir ve bir cisim hakkındaki tüm termodinamik bilgileri içerir. ⓘ

Eğer bir cisme bir miktar Q ısı eklenirse ve bu cisim çevresi üzerinde sadece W genleşme işi yaparsa ⓘ

$\Delta H=\Delta U+\Delta (PV)\,.$ ⓘ

Bunun sabit basınçta, yani ΔP = 0 ile gerçekleşmesi kısıtlanırsa, cisim tarafından yapılan W genleşme işi W = P ΔV ile verilir; termodinamiğin birinci yasasını hatırlarsak ⓘ

$\Delta U=Q-W=Q-P\,\Delta V{\text{ and }}\Delta (PV)=P\,\Delta V\,.$ ⓘ

Sonuç olarak, yerine koyma yoluyla ⓘ

${\begin{aligned}\Delta H&=Q-P\,\Delta V+P\,\Delta V\\&=Q\qquad \qquad \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\text{at constant pressure without electrical work.}}\end{aligned}}$ ⓘ

Bu senaryoda, entalpideki artış sisteme eklenen ısı miktarına eşittir. Bu, kimyasal reaksiyonlardaki entalpi değişimlerinin kalorimetri ile belirlenmesinin temelidir. Birçok süreç sabit atmosfer basıncında gerçekleştiğinden, entalpiye bazen yanıltıcı bir şekilde 'ısı içeriği' veya ısı fonksiyonu adı verilir, oysa entalpi aslında kovalent bağların ve moleküller arası kuvvetlerin enerjilerine güçlü bir şekilde bağlıdır. ⓘ

Hal fonksiyonu H'nin doğal değişkenleri S ve P açısından, hal 1'den hal 2'ye olan bu hal değişimi süreci şu şekilde ifade edilebilir ⓘ

${\begin{aligned}\Delta H&=\int _{S_{1}}^{S_{2}}\left({\frac {\partial H}{\partial S}}\right)_{P}\mathrm {d} S+\int _{P_{1}}^{P_{2}}\left({\frac {\partial H}{\partial P}}\right)_{S}\mathrm {d} P\\&=\int _{S_{1}}^{S_{2}}\left({\frac {\partial H}{\partial S}}\right)_{P}\mathrm {d} S\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\text{at constant pressure without electrical work.}}\end{aligned}}$ ⓘ

T(S, P) sıcaklığının özdeş olarak şu şekilde ifade edildiği bilinmektedir ⓘ

$\left({\frac {\partial H}{\partial S}}\right)_{P}\equiv T(S,P)\,.$ ⓘ

Sonuç olarak, ⓘ

$\Delta H=\int _{S_{1}}^{S_{2}}T(S,P)\mathrm {d} S\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,{\text{at constant pressure without electrical work.}}$ ⓘ

Bu durumda integral, sabit basınçta transfer edilen ısı miktarını belirtir. ⓘ

Tarih

Yaygın bir isim olarak İngilizce heat veya warmth (tıpkı Fransızca chaleur, Almanca Wärme, Latince calor, Yunanca θάλπος, vb. gibi) termal enerji veya sıcaklık anlamına gelir (insan algısı). Maddenin ayrı bir formu olarak termal enerji veya "ısı" üzerine spekülasyonların uzun bir geçmişi vardır, bkz. kalori teorisi, flojiston ve ateş (klasik element). ⓘ

Modern termal enerji anlayışı, Thompson'un 1798 tarihli mekanik ısı teorisi (An Experimental Enquiry Concerning the Source of the Heat which is Excited by Friction) ile ortaya çıkmış ve ısının mekanik bir eşdeğerini varsaymıştır. Nicolas Clément ve Sadi Carnot arasında 1820'lerde yapılan bir işbirliği (Reflections on the Motive Power of Fire) benzer çizgide bazı düşüncelere sahipti. 1845 yılında Joule, "bir birim ısı üretmek" için gereken mekanik iş miktarı için sayısal bir değer belirttiği Isının Mekanik Eşdeğeri başlıklı bir makale yayınladı. Klasik termodinamik teorisi 1850'lerden 1860'lara kadar olgunlaştı. John Tyndall'ın Heat Considered as Mode of Motion (1863) adlı kitabı, ısının hareket olduğu fikrinin İngilizce konuşan halk arasında yaygınlaşmasında etkili olmuştur. Teori Fransızca, İngilizce ve Almanca akademik yayınlarda geliştirilmiştir. Erken dönemlerden itibaren, Carnot tarafından kullanılan Fransızca teknik terim chaleur, İngilizce heat ve Almanca Wärme (lit. "sıcaklık", ısının karşılığı ise Almanca Hitze) ile eşdeğer olarak kabul edildi. ⓘ

Q süreç fonksiyonu 1850 yılında Rudolf Clausius tarafından tanıtılmıştır. Clausius bunu "ısı miktarı" olarak çevrilen Almanca Wärmemenge bileşiği ile tanımlamıştır. ⓘ

James Clerk Maxwell 1871 tarihli Isı Teorisi'nde ısının tanımı için dört şart ortaya koymuştur:

• Termodinamiğin ikinci yasasına göre bir cisimden diğerine aktarılabilen bir şeydir.
• Ölçülebilir bir niceliktir ve bu nedenle matematiksel olarak ele alınabilir.
• Maddi bir madde olarak ele alınamaz, çünkü maddi bir madde olmayan bir şeye, örneğin mekanik işe dönüşebilir.
• Isı, enerji biçimlerinden biridir. ⓘ

Süreç fonksiyonu Q, Clausius tarafından Wärmemenge ya da çeviride "ısı miktarı" olarak adlandırılır. "Isı "nın, "ısı olarak aktarılan enerji miktarı" özel kavramının kısaltılmış bir biçimi olarak kullanılması, 20. yüzyılın başlarında bazı terminolojik karışıklıklara yol açmıştır. Klasik termodinamikte bile "ısı "nın genel anlamı sadece "termal enerji "dir. 1920'lerden bu yana, "sabit hacimdeki ısı içeriğine" atıfta bulunmak için entalpi ve genel anlamda "ısı" kastedildiğinde termal enerji kullanılması tavsiye edilirken, "ısı" iki sistem arasındaki termal enerji transferinin çok özel bağlamı için ayrılmıştır. Leonard Benedict Loeb, Gazların Kinetik Teorisi (1927) adlı eserinde "ısı miktarı" ifadesini kullanmaktadır veya Q'ya atıfta bulunurken "ısı miktarı":

Termometrinin mükemmelleĢtirilmesinden sonra [...] ısı alanında kaydedilen bir sonraki büyük ilerleme, ısı miktarı olarak adlandırılan bir terimin tanımlanması olmuĢtur. Kalori teorisinin terk edilmesinden sonra [...] bu çok kesin kavramı, ısı miktarını, tüm ısıyı gaz moleküllerinin kinetiğine atfeden bir teori açısından yorumlamak hala devam etmektedir. ⓘ

Carathéodory (1909)

Sık kullanılan bir ısı tanımı, kapalı bir sistemdeki süreçlere atıfta bulunan Carathéodory'nin (1909) çalışmasına dayanmaktadır. ⓘ

Keyfi bir _X durumundaki bir cismin iç enerjisi UX, referans bir O durumundan başladığında cisim tarafından çevresi üzerinde adyabatik olarak gerçekleştirilen iş miktarları ile belirlenebilir. Bu işin, çevredeki sürtünme nedeniyle hata olmaksızın doğru bir şekilde değerlendirilebileceği varsayılmaktadır; vücuttaki sürtünme bu tanımla hariç tutulmamaktadır. İşin adyabatik performansı, enerjinin iş olarak transferine izin veren, ancak enerji veya maddenin başka hiçbir transferine izin vermeyen adyabatik duvarlar açısından tanımlanır. Özellikle de enerjinin ısı olarak geçişine izin vermezler. Bu tanıma göre, adyabatik olarak yapılan işe genel olarak termodinamik sistem veya cisim içinde sürtünme eşlik eder. Öte yandan, Carathéodory'ye (1909) göre, sadece ısıya geçirgen olduğu varsayılan adyabatik olmayan, diatermal duvarlar da vardır. ⓘ

Isı olarak aktarılan enerji miktarının tanımı için, geleneksel olarak, biri adyabatik diğeri adyabatik olmayan iki bileĢeni olan bir süreçle O durumundan keyfi bir Y durumuna ulaĢıldığı öngörülür. Kolaylık olması açısından, adyabatik bileşenin, adyabatik olmayan duvar geçici olarak adyabatik hale getirilirken duvarların hareketi yoluyla hacim değişikliği yoluyla cisim tarafından yapılan iş ile izokorik adyabatik işin toplamı olduğu söylenebilir. O halde adyabatik olmayan bileşen, sadece bu transferin amacı için yeni erişilebilir hale getirilen ısıyı çevreden vücuda geçiren duvar yoluyla bir enerji transferi sürecidir. O durumundan Y durumuna ulaşmak için iç enerjide meydana gelen değişim, aktarılan iki enerji miktarının farkıdır. ⓘ

Carathéodory'nin kendisi böyle bir tanımlama yapmamış olsa da, onun çalışmasını takiben, teorik çalışmalarda, O durumundan Y durumuna geçişin birleşik sürecinde, çevreden vücuda gelen ısıyı, Q, iç enerjideki değişim, ΔUY, eksi adyabatik süreçle vücut tarafından çevresi üzerinde yapılan iş miktarı, W, olarak tanımlamak gelenekseldir, böylece Q = ΔUY - W olur. ⓘ

Bu tanımda, kavramsal titizlik adına, ısı olarak aktarılan enerji miktarı doğrudan adyabatik olmayan süreç açısından belirtilmemiştir. Referans durum O'dan keyfi durum Y'ye birleşik değişim süreci için tam olarak iki değişkenin, iç enerji değişimi ve yapılan adyabatik iş miktarının bilinmesi yoluyla tanımlanır. Bunun birleşik sürecin adyabatik olmayan bileşeninde aktarılan enerji miktarını açıkça içermemesi önemlidir. Burada, O durumundan Y durumuna geçmek için gereken enerji miktarının, yani iç enerji değişiminin, birleşik süreçten bağımsız olarak, yukarıda X durumunun iç enerjisinin belirlenmesinde olduğu gibi tamamen adyabatik bir süreçle belirlenerek bilindiği varsayılmaktadır. Bu tanımda önem verilen titizlik, temel olarak kabul edilen tek ve yalnızca tek bir enerji transferi türü olmasıdır: iş olarak transfer edilen enerji. Isı olarak enerji transferi türetilmiş bir miktar olarak kabul edilir. İşin bu şemadaki tekliğinin, kavramın titizliğini ve saflığını garanti ettiği düşünülmektedir. İdeal bir kavram olarak iş olarak aktarılan enerji kavramına dayanan bu tanımın kavramsal saflığı, bazı sürtünmesiz ve başka türlü dağıtıcı olmayan enerji aktarımı süreçlerinin fiziksel gerçeklikte gerçekleştirilebileceği fikrine dayanır. Öte yandan termodinamiğin ikinci yasası bize bu tür süreçlerin doğada bulunmadığını garanti eder. ⓘ

Carathéodory'nin 1909 tarihli makalesine dayanan titiz matematiksel ısı tanımından önce, Tarihsel olarak, ısı, sıcaklık ve termal denge termodinamik ders kitaplarında ortaklaşa ilkel kavramlar olarak sunulmuştur. Carathéodory 1909 tarihli makalesini şu şekilde tanıtmıştır: "Termodinamik disiplininin deneysel olarak doğrulanamayan herhangi bir hipoteze başvurmaksızın gerekçelendirilebileceği önermesi, termodinamik alanında geçen yüzyıl boyunca gerçekleştirilen araştırmaların en kayda değer sonuçlarından biri olarak kabul edilmelidir." Carathéodory, "son elli yılda aktif olan çoğu yazarın benimsediği bakış açısına" atıfta bulunarak şunları yazmıştır: "Mekanik büyüklüklerle (kütle, kuvvet, basınç, vb.) özdeş olmayan ve değişimleri kalorimetrik ölçümlerle belirlenebilen ısı adında fiziksel bir büyüklük vardır." James Serrin termodinamik teorisini şu şekilde açıklamaktadır: "Aşağıdaki bölümde, klasik ısı, iş ve sıcaklık kavramlarını ilkel unsurlar olarak kullanacağız... Isının termodinamik için uygun ve doğal bir ilkel olduğu Carnot tarafından zaten kabul edilmişti. Termodinamik yapının ilkel bir öğesi olarak geçerliliğini sürdürmesi, temel bir fiziksel kavramı sentezlemesinin yanı sıra, son çalışmalarda farklı kurucu teorileri birleştirmek için başarılı bir şekilde kullanılmasından kaynaklanmaktadır." Termodinamiğin temelinin bu geleneksel sunum şekli, ısı transferinin tamamen sıcaklığın uzaysal olarak tekdüze olmamasından kaynaklandığı ve daha sıcak cisimlerden daha soğuk cisimlere doğru iletim ve radyasyon yoluyla gerçekleştiği şeklinde özetlenebilecek fikirleri içermektedir. Bazen bu geleneksel sunum türünün zorunlu olarak "döngüsel akıl yürütmeye" dayandığı öne sürülmektedir; bu önerinin karşısında Truesdell ve Bharatha (1977) tarafından sunulan teorinin titizlikle mantıksal matematiksel gelişimi durmaktadır. ⓘ

Isı olarak aktarılan enerji miktarının tanımına yönelik bu alternatif yaklaĢım, mantıksal yapısı itibariyle yukarıda anlatılan Carathéodory'ninkinden farklıdır. ⓘ

Bu alternatif yaklaşım, kalorimetreyi ısı olarak aktarılan enerji miktarını ölçmenin birincil veya doğrudan bir yolu olarak kabul etmektedir. İlkel kavramlarından biri olan ve kalorimetride kullanılan sıcaklığa dayanır. İç enerjilerdeki farklılıkların ölçülmesine izin verecek kadar yeterli sürecin fiziksel olarak var olduğu varsayılmaktadır. Bu tür süreçler, enerjinin iş olarak adyabatik transferleriyle sınırlı değildir. İç enerji farklılıklarını bulmanın en yaygın pratik yolu olan kalorimetriyi de içerirler. İhtiyaç duyulan sıcaklık ampirik ya da mutlak termodinamik olabilir. ⓘ

Bunun aksine, yukarıda anlatılan Carathéodory yolu, ısı olarak aktarılan enerji miktarının birincil tanımında kalorimetri veya sıcaklığı kullanmaz. Carathéodory yöntemi kalorimetreyi sadece ısı olarak aktarılan enerji miktarını ölçmenin ikincil veya dolaylı bir yolu olarak görür. Yukarıda daha ayrıntılı olarak anlatıldığı gibi, Carathéodory yöntemi bir süreçte ısı olarak aktarılan enerji miktarını birincil veya doğrudan bir artık miktar olarak tanımlar. Sistemin ilk ve son durumlarının iç enerjilerinin farkından ve süreç sırasında sistem tarafından yapılan gerçek işten hesaplanır. Bu iç enerji farkının, enerjinin iş olarak tamamen adyabatik transfer süreçleri, sistemi ilk ve son durumlar arasında götüren süreçler yoluyla önceden ölçülmüş olduğu varsayılır. Carathéodory yönteminde, bu tür adyabatik süreçlerin fiziksel olarak yeterince var olduğu deneyden bilindiği için, ısı olarak aktarılan enerji miktarının ölçümü için kalorimetreye başvurmaya gerek olmadığı varsayılır. Bu varsayım esastır ancak ne termodinamiğin bir yasası ne de Karathéodory yolunun bir aksiyomu olarak açıkça etiketlenmiştir. Aslında, bu tür adyabatik süreçlerin gerçek fiziksel varlığı çoğunlukla varsayımdan ibarettir ve varsayılan süreçlerin varlığı çoğu durumda deneysel olarak doğrulanmamıştır. ⓘ

Isı transferi

İki cisim arasındaki ısı transferi

Partington iletime atıfta bulunarak şöyle yazmaktadır: "Sıcak bir cisim soğuk bir cisimle iletken bir şekilde temas ettirilirse, sıcak cismin sıcaklığı düşer ve soğuk cismin sıcaklığı yükselir ve bir miktar ısının sıcak cisimden soğuk cisme geçtiği söylenir." ⓘ

Maxwell radyasyona atıfta bulunarak şöyle yazmaktadır: "Radyasyonda, daha sıcak olan cisim ısı kaybeder ve daha soğuk olan cisim, kendisi ısınmayan araya giren bir ortamda meydana gelen bir süreç vasıtasıyla ısı alır." ⓘ

Maxwell konveksiyonun "tamamen termal bir olgu olmadığını" yazmaktadır. Termodinamikte konveksiyon genel olarak iç enerjinin taĢınması olarak kabul edilir. Bununla birlikte, eğer konveksiyon kapalı ve sirkülasyonlu ise, o zaman kaynak ve hedef cisimler arasında enerjiyi ısı olarak aktaran bir aracı olarak kabul edilebilir, çünkü kaynaktan hedef cisme madde değil sadece enerji aktarır. ⓘ

Kapalı sistemler için birinci yasaya uygun olarak, yalnızca ısı olarak aktarılan enerji bir bedeni terk eder ve diğerine girer, her birinin iç enerjilerini değiştirir. Enerjinin cisimler arasında iş olarak aktarılması, iç enerjileri değiştirmenin tamamlayıcı bir yoludur. Katı fiziksel kavramlar açısından mantıksal olarak kesin olmasa da, bunu ifade eden yaygın bir kelime biçimi, ısı ve işin birbirine dönüştürülebilir olduğunu söylemektir. ⓘ

Yalnızca ısı ve iş transferlerini kullanan çevrimsel olarak çalışan motorların biri sıcak diğeri soğuk olmak üzere iki termal rezervuarı vardır. Bunlar, bu rezervuarlara göre çalışma gövdesinin çalışma sıcaklıkları aralığına göre sınıflandırılabilir. Bir ısı motorunda, çalışan gövde her zaman sıcak rezervuardan daha soğuk ve soğuk rezervuardan daha sıcaktır. Bir anlamda, iş üretmek için ısı transferini kullanır. Bir ısı pompasında, çalışan gövde döngünün aşamalarında hem sıcak rezervuardan daha sıcak hem de soğuk rezervuardan daha soğuk olur. Bir anlamda, ısı transferi üretmek için iş kullanır. ⓘ

Isı motoru

Klasik termodinamikte, yaygın olarak kabul edilen bir model ısı motorudur. Dört gövdeden oluşur: çalışan gövde, sıcak rezervuar, soğuk rezervuar ve iş rezervuarı. Döngüsel bir süreç, çalışan gövdeyi değişmemiş bir durumda bırakır ve süresiz olarak sık sık tekrarlanması öngörülür. Çalışma gövdesi ile iş rezervuarı arasındaki iş transferleri tersine çevrilebilir olarak öngörülmektedir ve bu nedenle sadece bir iş rezervuarına ihtiyaç duyulmaktadır. Ancak iki termal rezervuara ihtiyaç vardır, çünkü enerjinin ısı olarak transferi tersinmezdir. Tek bir döngüde enerji, çalışan gövde tarafından sıcak rezervuardan alınır ve diğer iki rezervuara, iş rezervuarı ve soğuk rezervuara gönderilir. Sıcak rezervuar her zaman ve sadece enerji sağlarken soğuk rezervuar her zaman ve sadece enerji alır. Termodinamiğin ikinci yasası, soğuk hazne tarafından hiçbir enerjinin alınmadığı hiçbir döngünün gerçekleşmemesini gerektirir. Isı motorları, ilk ve son sıcaklık oranı daha yüksek olduğunda daha yüksek verim elde eder. ⓘ

Isı pompası veya buzdolabı

Yaygın olarak kabul edilen bir diğer model de ısı pompası veya buzdolabıdır. Yine dört gövde vardır: çalışan gövde, sıcak rezervuar, soğuk rezervuar ve iş rezervuarı. Tek bir döngü, çalışma gövdesinin soğuk rezervuardan daha soğuk olmasıyla başlar ve daha sonra enerji, çalışma gövdesi tarafından soğuk rezervuardan ısı olarak alınır. Daha sonra iş rezervuarı çalışma gövdesi üzerinde çalışarak iç enerjisine daha fazla enerji ekler ve onu sıcak rezervuardan daha sıcak hale getirir. Sıcak çalışma gövdesi ısıyı sıcak rezervuara aktarır, ancak yine de soğuk rezervuardan daha sıcak kalır. Daha sonra, ısıyı başka bir cisme geçirmeden genişlemesine izin verilerek, çalışma gövdesi soğuk rezervuardan daha soğuk hale getirilir. Artık başka bir döngüyü başlatmak için soğuk rezervuardan ısı transferini kabul edebilir. ⓘ

Cihaz enerjiyi daha soğuk bir rezervuardan daha sıcak bir rezervuara taşımıştır, ancak bu cansız bir araç tarafından değil, daha ziyade işin kullanılması yoluyla gerçekleşmiştir. Bunun nedeni, işin iş rezervuarından sadece basit bir termodinamik süreçle değil, canlı veya koşumlayıcı bir ajans tarafından yönetildiği düşünülebilecek bir termodinamik işlemler ve süreçler döngüsüyle sağlanmasıdır. Buna göre, döngü hala termodinamiğin ikinci yasasıyla uyumludur. Bir ısı pompasının 'verimliliği' (birliği aşan), sıcak ve soğuk rezervuarlar arasındaki sıcaklık farkı en az olduğunda en iyisidir. ⓘ

İşlevsel olarak, bu tür motorlar bir hedef rezervuar ile bir kaynak veya çevre rezervuarı ayırt ederek iki şekilde kullanılır. Bir ısı pompası, ısıyı kaynak veya çevredeki rezervuardan hedef olarak sıcak rezervuara aktarır. Bir buzdolabı ısıyı hedef olarak soğuk rezervuardan kaynağa ya da çevredeki rezervuara aktarır. Hedef rezervuarın sızıntı yaptığı düşünülebilir: hedef çevreye ısı sızdırdığında, ısı pompalama kullanılır; hedef çevreye soğukluk sızdırdığında, soğutma kullanılır. Motorlar sızıntıların üstesinden gelmek için çalışır. ⓘ

Makroskopik görünüm

Planck'a göre, ısıya ilişkin üç ana kavramsal yaklaşım vardır. Bunlardan biri mikroskobik ya da kinetik teori yaklaşımıdır. Diğer ikisi ise makroskopik yaklaşımlardır. Bunlardan biri, örneğin Helmholtz'un çalışmalarında olduğu gibi, süreçlerin mekanik bir analiziyle termodinamikten önce ele alınan enerjinin korunumu yasası yoluyla yaklaşımdır. Bu mekanik görüş, bu makalede termodinamik teori için şu anda alışılagelmiş olarak ele alınmaktadır. Diğer makroskopik yaklaĢım ise ısıyı ilkel bir kavram olarak kabul eden ve bilimsel tümevarım yoluyla enerjinin korunumu yasası bilgisine katkıda bulunan termodinamik yaklaĢımdır. Bu görüĢ yaygın olarak pratik bir görüĢ olarak kabul edilir ve ısı miktarı kalorimetri ile ölçülür. ⓘ

Bailyn ayrıca iki makroskopik yaklaşımı mekanik ve termodinamik olarak ayırmaktadır. Termodinamik görüĢ on dokuzuncu yüzyılda termodinamiğin kurucuları tarafından benimsenmiĢtir. Isı olarak aktarılan enerji miktarını, öncelikle kalorimetre ile ölçülen ilkel bir sıcaklık kavramıyla uyumlu ilkel bir kavram olarak görmektedir. Kalorimetre, sistemin çevresinde bulunan, kendi sıcaklığı ve iç enerjisi olan bir cisimdir; sisteme ısı transferi için bir yolla bağlandığında, içindeki değişiklikler ısı transferini ölçer. Mekanik görüĢ Helmholtz tarafından öncülük edilmiĢ ve yirminci yüzyılda büyük ölçüde Max Born'un etkisiyle geliĢtirilmiĢ ve kullanılmıĢtır. Isı olarak transfer edilen ısı miktarını türetilmiş bir kavram olarak görür, kapalı sistemler için iş transferi dışındaki mekanizmalarla transfer edilen ısı miktarı olarak tanımlanır, ikincisi makroskopik mekanik tarafından tanımlanan termodinamik için ilkel olarak kabul edilir. Born'a göre, madde transferine eşlik eden açık sistemler arasındaki iç enerji transferi "mekaniğe indirgenemez". Buradan, ısı olarak aktarılan enerji miktarlarının ya da madde aktarımıyla ilişkili iş miktarlarının sağlam temellere dayanan bir tanımı olmadığı sonucu çıkmaktadır. ⓘ

Bununla birlikte, denge dışı süreçlerin termodinamik tanımı için, sistem ve çevre arasında fiziksel bir bariyer veya duvar olmadığında, yani birbirlerine göre açık olduklarında, çevre tarafından ilgili sistem boyunca oluşturulan bir sıcaklık gradyanının etkisini dikkate almak istenir. Bu durum için iş açısından mekanik bir tanımın imkansızlığı, bir sıcaklık gradyanının, termodinamik görüşe göre ısı olarak enerji transferi için aday bir kavram olarak önerilebilecek bir süreç olan difüzif bir iç enerji akışına neden olduğu fiziksel gerçeğini değiştirmez. ⓘ

Bu durumda, madde transferini yönlendiren kimyasal potansiyel gradyanı ve elektrik akımı ve iyontoforezi yönlendiren elektrik potansiyeli gradyanı gibi difüzif iç enerji akışının diğer etkenlerinin de aktif olması beklenebilir; bu tür etkiler genellikle sıcaklık gradyanı tarafından yönlendirilen difüzif iç enerji akışı ile etkileşime girer ve bu tür etkileşimler çapraz etkiler olarak bilinir. ⓘ

Eğer iç enerjinin difüzyon yoluyla aktarımına neden olan çapraz etkiler de ısı transferi olarak etiketlenseydi, bazen saf ısı transferinin sadece bir sıcaklık gradyanının aşağısında gerçekleştiği, asla yukarısında gerçekleşmediği kuralını ihlal ederlerdi. Ayrıca, kapalı sistemler arasında ısı iletimi fikrine dayanan bir ilke olan tüm ısı transferinin tek ve aynı türden olduğu ilkesiyle de çelişirler. Termodinamik görüĢe göre, özellikle süreçlerin detaylı bilgisine dayanan dikkatli hesaplamalara dayanan ve dolaylı olarak değerlendirilen difüzif iç enerji akısının kavramsal bir bileĢeni olarak sadece sıcaklık gradyanı tarafından yönlendirilen ısı akısını dar bir Ģekilde düĢünmeye çalıĢabiliriz. Bu koşullarda, eğer bir ihtimal madde transferi gerçekleşmezse ve çapraz etkiler olmazsa, o zaman termodinamik kavram ve mekanik kavram, kapalı sistemlerle uğraşılıyormuş gibi örtüşür. Ancak madde transferi olduğunda, sıcaklık gradyanının iç enerjinin difüzif akışını yönlendirdiği kesin yasalar, tam olarak bilinebilir olmaktan ziyade, çoğunlukla varsayılması gerekir ve birçok durumda pratik olarak doğrulanamaz. Sonuç olarak, madde transferi söz konusu olduğunda, iç enerjinin difüzif akışının saf 'ısı akışı' bileşeninin hesaplanması pratikte doğrulanamayan varsayımlara dayanır. Bu, ısıyı öncelikle ve kesin olarak kapalı sistemlerle ilgili olan ve açık sistemlere yalnızca çok kısıtlı bir şekilde uygulanabilen özel bir kavram olarak düşünmek için bir nedendir. ⓘ

Bu bağlamdaki pek çok yazıda, "ısı akısı" terimi, kastedilenin daha doğru bir şekilde iç enerjinin difüzif akısı olduğu durumlarda kullanılmaktadır; "ısı akısı" teriminin bu şekilde kullanılması, bir cismin "ısı içeriğine" sahip olabileceğine izin veren eski ve artık kullanılmayan dil kullanımının bir kalıntısıdır. ⓘ

Mikroskobik görünüm

Kinetik teoride ısı, elektronlar, atomlar ve moleküller gibi kurucu parçacıkların mikroskobik hareketleri ve etkileşimleri açısından açıklanır. Bileşen parçacıkların kinetik enerjisinin doğrudan anlamı ısı değildir. İç enerjinin bir bileşenidir. Mikroskobik açıdan, ısı bir transfer miktarıdır ve parçacıkların sürekli olarak yerelleştirilmiş kinetik enerjisi olarak değil, bir taşıma teorisi ile tanımlanır. Isı transferi, parçacık çarpışmaları ve diğer etkileşimlerle mikroskobik kinetik ve potansiyel parçacık enerjisinin dağınık değişimi yoluyla sıcaklık gradyanlarından veya farklılıklarından kaynaklanır. Bunun erken ve belirsiz bir ifadesi Francis Bacon tarafından yapılmıştır. Kesin ve ayrıntılı versiyonları on dokuzuncu yüzyılda geliştirilmiştir. ⓘ

İstatistiksel mekanikte, kapalı bir sistem için (madde transferi olmayan) ısı, enerji seviyelerinin kendi değerlerinde bir değişiklik olmaksızın, sistemin enerji seviyelerinin işgal sayılarındaki sıçramalarla ilişkili, sistem üzerindeki düzensiz, mikroskobik bir eylemle ilişkili enerji transferidir. Makroskopik termodinamik işin, sistemin enerji seviyelerinin değerlerinde bir değişiklik olmaksızın işgal sayılarını değiştirmesi mümkündür, ancak transferi ısı olarak ayıran şey, transferin radyatif transfer de dahil olmak üzere tamamen düzensiz, mikroskobik eylemden kaynaklanmasıdır. Yarı statik adyabatik işin küçük artışları için bir mikro haller topluluğunun istatistiksel dağılımı açısından matematiksel bir tanım formüle edilebilir. ⓘ

Kalorimetri

Aktarılan ısı miktarı kalorimetre ile ölçülebilir veya diğer miktarlara dayalı hesaplamalar yoluyla belirlenebilir. ⓘ

Kalorimetri, bir süreçte aktarılan ısı miktarı fikrinin ampirik temelidir. Aktarılan ısı, örneğin sıcaklık artışı, hacim veya uzunluktaki değişim veya buzun erimesi gibi faz değişimi gibi bilinen özelliklere sahip bir cisimdeki değişikliklerle ölçülür. ⓘ

Aktarılan ısı miktarının hesaplanması, adyabatik iş olarak aktarılan varsayımsal bir enerji miktarına ve termodinamiğin birinci yasasına dayanabilir. Bu tür bir hesaplama, transfer edilen ısı miktarına ilişkin birçok teorik çalışmanın temel yaklaşımıdır. ⓘ

Mühendislik

Çevresindeki ortama ısı transferinin öncelikle radyasyon yoluyla olacağı kızgın bir demir çubuk. ⓘ

Tipik olarak makine mühendisliği ve kimya mühendisliğinin bir yönü olarak kabul edilen ısı transferi disiplini, bir sistemdeki termal enerjinin üretildiği veya dönüştürüldüğü veya başka bir sisteme aktarıldığı belirli uygulamalı yöntemlerle ilgilenir. Isı tanımı dolaylı olarak enerji transferi anlamına gelse de, ısı transferi terimi birçok mühendislik disiplininde ve halk dilinde bu geleneksel kullanımı kapsar. ⓘ

Isı transferi genellikle ısı iletimi, ısı taşınımı, termal radyasyon mekanizmalarını içerecek şekilde tanımlanır, ancak kütle transferini ve faz değişim süreçlerindeki ısıyı da içerebilir. ⓘ

Konveksiyon, iletim ve sıvı akışının birleşik etkileri olarak tanımlanabilir. Termodinamik açıdan bakıldığında, ısı difüzyon yoluyla bir akışkanın içine akarak enerjisini arttırır, akışkan daha sonra bu artan iç enerjiyi (ısı değil) bir yerden başka bir yere aktarır (advekte eder) ve bunu yine difüzyon yoluyla ısıyı ikinci bir cisme veya sisteme aktaran ikinci bir termal etkileşim takip eder. Tüm bu süreç genellikle ek bir ısı transferi mekanizması olarak kabul edilir, ancak teknik olarak "ısı transferi" ve dolayısıyla ısıtma ve soğutma, akışın bir sonucu olarak değil, yalnızca böyle bir iletken akışın her iki ucunda gerçekleşir. Bu nedenle, iletimin ısıyı yalnızca sürecin net bir sonucu olarak "transfer ettiği" söylenebilir, ancak bunu karmaşık konvektif süreç içinde her zaman yapmayabilir. ⓘ

Gizli ve hissedilebilir ısı

Joseph Black ⓘ

James Prescott Joule, 1847 yılında verdiği Madde, Canlı Güç ve Isı Üzerine başlıklı bir konferansta, gizli ısı ve hissedilebilir ısı terimlerini, her biri farklı fiziksel olguları, yani sırasıyla parçacıkların potansiyel ve kinetik enerjisini etkileyen ısı bileşenleri olarak nitelendirmiştir. Gizli enerjiyi, çekimin daha büyük bir mesafeden gerçekleştiği parçacıkların uzaklaşması yoluyla sahip olunan enerji, yani bir potansiyel enerji biçimi, hissedilebilir ısıyı ise parçacıkların hareketini içeren bir enerji, yani kinetik enerji olarak tanımlamıştır. ⓘ

Gizli ısı, bir kimyasal madde veya termodinamik sistem tarafından, sıcaklıkta bir değişiklik olmadan meydana gelen bir hal değişimi sırasında salınan veya emilen ısıdır. Böyle bir süreç, buzun erimesi veya suyun kaynaması gibi bir faz geçişi olabilir. ⓘ

Isı kapasitesi

Isı kapasitesi, bir nesneye eklenen ısının ortaya çıkan sıcaklık değişimine oranına eşit ölçülebilir fiziksel bir niceliktir. Molar ısı kapasitesi, saf bir maddenin birim miktarı (SI birimi: mol) başına düşen ısı kapasitesidir ve genellikle sadece özgül ısı olarak adlandırılan özgül ısı kapasitesi, bir malzemenin birim kütlesi başına düşen ısı kapasitesidir. Isı kapasitesi bir maddenin fiziksel bir özelliğidir, bu da söz konusu maddenin durumuna ve özelliklerine bağlı olduğu anlamına gelir. ⓘ

Helyum gibi tek atomlu gazların özgül ısıları sıcaklıkla neredeyse sabittir. Hidrojen gibi iki atomlu gazlar bir miktar, üç atomlu gazlar (örneğin karbondioksit) ise daha fazla sıcaklığa bağımlılık gösterir. ⓘ

Termodinamik yasalarının geliştirilmesinden önce ısı, katılımcı cisimlerin durumlarındaki değişikliklerle ölçülüyordu. ⓘ

Önemli istisnalar dışında bazı genel kurallar aşağıdaki gibi ifade edilebilir. ⓘ

Genel olarak, çoğu cisim ısındığında genleşir. Bu durumda, bir cismi sabit bir hacimde ısıtmak, onu sınırlayan duvarlara uyguladığı basıncı artırırken, sabit bir basınçta ısıtmak hacmini artırır. ⓘ

Bunun ötesinde, çoğu maddenin normal olarak bilinen üç hali vardır: katı, sıvı ve gaz. Bazıları plazma halinde de var olabilir. Birçoğu cam ve sıvı kristal gibi daha ince farklılaşmış madde hallerine sahiptir. Birçok durumda, sabit sıcaklık ve basınçta, bir madde aynı 'cisim' olarak görülebilecek birkaç farklı madde halinde bulunabilir. Örneğin, buz bir bardak suyun içinde yüzebilir. O zaman buz ve suyun 'cisim' içinde iki faz oluşturduğu söylenir. Farklı fazların bir 'cisim' içinde nasıl bir arada bulunabileceğini gösteren kesin kurallar bilinmektedir. Çoğunlukla, sabit bir basınçta, ısıtmanın bir katının erimesine veya buharlaşmasına neden olduğu belirli bir sıcaklık ve ısıtmanın bir sıvının buharlaşmasına neden olduğu belirli bir sıcaklık vardır. Bu gibi durumlarda soğutma ters etkiye sahiptir. ⓘ

Tüm bunlar, en yaygın durumlar, ısıtmanın bir cismin durumundaki değişikliklerle ölçülebileceği kuralına uygundur. Bu tür durumlar, termometrik cisimler olarak adlandırılan ve ampirik sıcaklıkların tanımlanmasına olanak tanıyan cisimleri sağlar. 1848'den önce tüm sıcaklıklar bu şekilde tanımlanıyordu. Bu nedenle ısı ve sıcaklık arasında, özellikle on sekizinci yüzyılın sonlarında Joseph Black tarafından kavramsal olarak tamamen farklı oldukları kabul edilmesine rağmen, görünüşte mantıksal olarak belirlenmiş sıkı bir bağ vardı. ⓘ

Önemli istisnalar vardır. Bunlar ısı ve sıcaklık arasındaki bariz bağlantıyı koparmaktadır. Sıcaklığın ampirik tanımlarının belirli termometrik maddelerin kendine has özelliklerine bağlı olduğunu ve bu nedenle 'mutlak' unvanından mahrum bırakıldığını açıkça ortaya koyarlar. Örneğin, su 277 K civarında ısıtıldığında büzüşür ve bu sıcaklık civarında termometrik bir madde olarak kullanılamaz. Ayrıca, belirli bir sıcaklık aralığında, buz ısıtıldığında büzüşür. Dahası, birçok madde, negatif basınçta olduğu gibi, sadece geçici olarak ve çok özel koşullarda varlığını sürdürebilen metastabil durumlarda bulunabilir. Bazen 'anormal' olarak adlandırılan bu tür gerçekler, mutlak sıcaklığın termodinamik tanımının nedenlerinden bazılarıdır. ⓘ

Yüksek sıcaklıkların ölçüldüğü ilk günlerde bir başka faktör daha önemliydi ve Josiah Wedgwood tarafından pirometresinde kullanıldı. Bir işlemde ulaşılan sıcaklık, bir kil örneğinin büzülmesiyle tahmin ediliyordu. Sıcaklık ne kadar yüksekse, büzülme de o kadar fazla oluyordu. Bu, 1000 °C'nin (1.832 °F) üzerindeki sıcaklıkların ölçümü için az çok güvenilir tek yöntemdi. Ancak bu büzülme geri döndürülemez. Kil soğuduktan sonra tekrar genleşmez. Bu yüzden ölçüm için kullanılabilir. Ama sadece bir kez. Kelimenin olağan anlamında termometrik bir malzeme değildir. ⓘ

Bununla birlikte, mutlak sıcaklığın termodinamik tanımı, uygun bir ihtiyatla, ısı kavramını temel olarak kullanır. ⓘ

"Sıcaklık"

Denbigh'e (1981) göre, sıcaklık özelliği, ısı kavramına atıfta bulunmadan tanımlanması gereken bir termodinamik meselesidir. Sıcaklığın dikkate alınması ampirik sıcaklık kavramına yol açar. Tüm fiziksel sistemler diğerlerini ısıtma ya da soğutma kapasitesine sahiptir. Sıcaklığa referansla, daha sıcak ve daha soğuk karşılaştırmalı terimleri, ısının daha sıcak olan cisimden daha soğuk olana doğru akması kuralıyla tanımlanır. ⓘ

Eğer bir fiziksel sistem homojen değilse ya da çok hızlı veya düzensiz bir şekilde değişiyorsa, örneğin türbülans nedeniyle, onu bir sıcaklıkla karakterize etmek imkansız olabilir, ancak yine de onunla başka bir sistem arasında ısı olarak enerji transferi olabilir. Eğer bir sistem yeterince düzenli bir fiziksel duruma sahipse ve belirli bir termometre ile termal dengeye ulaşmasına izin verecek kadar uzun süre devam ediyorsa, o zaman bu termometreye göre bir sıcaklığı vardır. Ampirik bir termometre böyle bir sistem için sıcaklık derecesini kaydeder. Böyle bir sıcaklığa ampirik denir. Örneğin, Truesdell klasik termodinamik hakkında şunları yazmaktadır: "Her seferinde, cisme sıcaklık adı verilen gerçek bir sayı atanır. Bu sayı cismin ne kadar sıcak olduğunun bir ölçüsüdür." ⓘ

Sıcaklığa sahip olamayacak kadar çalkantılı olan fiziksel sistemler yine de sıcaklık bakımından farklılık gösterebilir. Isıyı başka bir fiziksel sisteme geçiren bir fiziksel sistemin, ikisinden daha sıcak olduğu söylenir. Sistemin termodinamik bir sıcaklığa sahip olması için daha fazlası gereklidir. Davranışı o kadar düzenli olmalıdır ki, ampirik sıcaklığı uygun şekilde kalibre edilmiş ve ölçeklendirilmiş tüm termometreler için aynı olsun ve o zaman sıcaklığının tek boyutlu sıcaklık manifoldunda yer aldığı söylenir. Bu, ısının Carathéodory ve Born'u takiben, yalnızca iş veya madde transferi dışında meydana gelen bir olay olarak tanımlanmasının nedenlerinden biridir; artık yaygın olarak kabul edilen bu tanımda sıcaklıktan tavsiyeen ve kasıtlı olarak bahsedilmemektedir. ⓘ

Termodinamiğin sıfırıncı yasasının açıkça ifade edilmesinin nedeni de budur. A, B ve C olmak üzere üç fiziksel sistemin her biri kendi iç termodinamik denge durumlarında değilse, aralarında uygun fiziksel bağlantılar kurulduğunda A'nın B'yi, B'nin C'yi ve C'nin de A'yı ısıtması mümkündür. Bu olasılığın kendi iç termodinamik denge durumlarında olan termodinamik sistemlere (fiziksel sistemlerden farklı olarak) açık olmaması iç termodinamik dengenin özel ve benzersiz ayırt edici özelliğidir; termodinamiğin sıfırıncı yasasının açık bir ifadeye ihtiyaç duymasının nedeni budur. Yani, genel denge dışı fiziksel sistemler arasındaki 'daha soğuk değildir' ilişkisi geçişli değildir, buna karşın, kendi iç termodinamik denge durumlarındaki termodinamik sistemler arasındaki 'daha düşük bir sıcaklığa sahip değildir' ilişkisi geçişlidir. Buradan 'ile termal dengededir' ilişkisinin geçişli olduğu sonucu çıkar ki bu da sıfırıncı yasayı ifade etmenin bir yoludur. ⓘ

Yeterince homojen olmayan bir sistem için sıcaklık tanımsız olabileceği gibi, kendi iç termodinamik denge durumunda olmayan bir sistem için entropi de tanımsız olabilir. Örneğin, 'güneş sisteminin sıcaklığı' tanımlanmış bir nicelik değildir. Aynı şekilde, 'güneş sisteminin entropisi' de klasik termodinamikte tanımlanmamıştır. Denge dışı entropiyi, bütün bir sistem için basit bir sayı olarak, açıkça tatmin edici bir şekilde tanımlamak mümkün olmamıştır. ⓘ

Isı ve sıcaklık arasındaki farklar

• Sıcaklık, bir cismin sıcaklığının ya da soğukluğunun ve sistemin ortalama moleküler kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür.
• Gazlar için kinetik enerji, mutlak sıcaklık dereceleriyle orantılıdır.
• Yani ısı bir enerji, sıcaklık ise bir ölçüdür.
• Isı'nın birimi joule'dir (J) ile gösterilir. Sıcaklığın birimi Celsius (°C) ile gösterilir