Termodinamiğin Birinci Yasası

1. Termodinamiğin Birinci Yasası • 1. yasa enerjinin korunum yasasıdır. • İç enerjiE ve ısıQkavramları 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. sistem U(r) V Sisteme göre durgun ref. sis. Öteleme Titreşim Dönme V 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.

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. 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. 9000 btu Isının Mekanik Eşdeğeri: mgh  Tolduğu 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. 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. 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 Q Q Q  Q T  T T To

7. 100 J 100 J 100 J su cam demir 1 kg 1 kg 1 kg ? • Katı ve sıvılarda CpCv • Gazlarda CpCv • Fırından yeni çıkmış bir peynirli pidenin, ekmek kısmı değilde peynir kısmı daha çok yanma hissi verir. Neden? • Su ısı sığası en büyük olan maddelerdendir. 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. + + Lp Lb Le Ug0 Katı Bağ Uk Sıvı Bağ Us Buharlaşma İyonlaşma Erime Plazma Katı Sıvı Lb Gaz Le Donma Yoğuşma deionization Genellikle Lb Le

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

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 gerçekleşirki sistemin iç dengesi bozulmaz. P 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, 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 P Vs Vi s V i W

15. i i i • W1W2W3 P P P P W3 W2 W1 s s s s V V V V “İş takip edilen yola bağlıdır” 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 • Lineerfdl • 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. T T ISIBANYASUT ISIBANYASUT İzotermal genleşme • Isı banyosu enerji verdiği veya aldığı zaman sıcaklığı değişmeyen çok büyük sistem. W0 Q 0 P Q İ Serbest genleşme s V Pdış=0 W=0 Q =0

19. 1 2 3 • 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. P İ Termodinamiğin Birinci Yasası s • “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. V dV < O  dW < O  dE  0 dV  O  dW  O  dE < 0 dT  O  dQ  O  dE  0 dT < O  dQ < O  dE < 0 .