ISININ MEKANİK EŞDEĞERİ

Kuvvet, bir cismin durumunda değişiklik yaratan etken olarak tanımlanır veolarak gösterilir.

Yapılan mekanik iş ile sürtünme sonucu oluşan ısı miktarı arasındaki oran “ısının mekanik eşdeğeri” olarak adlandırılır.

SI birim sisteminde kuvvetin birimi Newton (N)’dur. 1kg kütleye 1m/s² ivme kazandırmak için gerekli kuvvet 1 N’dur.

Bir cisme birden fazla kuvvetin aynı anda uygulandığı durumlarda cisim üzerine etki eden “net kuvvet” ( R) kavramından bahsetmek daha doğru olacaktır. Net kuvvet yerine “bileşke kuvvet” veya “dengelenmemiş kuvvet” terimleri de kullanılmaktadır.

Newton’un I. Hareket yasası, eylemsizlik yasası olarak da bilinmektedir ve bir cisme etki eden net kuvvetin sıfır olması ile ilgilidir. Bu ifade, cisme etki eden birden fazla kuvvet olsa bile, bunların vektörel toplamının sıfır olduğu anlamına gelir. Newton’un I. Hareket yasasının ifadesi şu şekildedir: “Bir cisim üzerine etki eden net kuvvet sıfır olduğunda, cisim durgun ise durgun halde kalacak, hareketli ise sabit hızla hareketine devam edecektir”.

Dinamometre (kuvvet ölçer) metallerin esneklik özelliklerinden yararlanılarak yapılmış ve kuvvet ölçmekte kullanılan bir aygıttır. Dinamometrede esnek bir yay ve ölçekli bir gösterge bulunur. Uygulanan kuvvete göre yayda bir gerilme olur ve kuvvet değeri ölçek üzerinden okunur. Örneğin, dinamometrenin ucundaki çengele bir cisim takılarak cismin ağırlığı da bulunabilir. Çünkü, cisme etkiyen yerçekimi kuvveti nedeniyle dinamometre-deki yayda bir gerilme olacaktır. Bu gerilme değeri cismin ağırlığına eşittir. Dinamometrede ölçülen değerler Newton (N) birimi ile verilir.

Kütle bir cismin doğasında var olan bir özelliktir ve değişmeyen madde miktarı olarak tanımlanabilir. Kütle, eylemsizliği ölçmek için kullanılan bir terimdir ve SI birim sisteminde birimi kilogramdır. Belli bir kuvvetin etkisi altındaki küçük bir cismin büyük bir cisme göre daha çabuk hızlanacağını tahmin edebilirsiniz. Bu durum, cisimlerin kütlelerinin farklı olmasından kaynaklanmaktadır. 

Ağırlık terimi çoğu kez yanlış bir şekilde kütleyi ifade etmek için kullanılır. Ağırlık, yer çekiminin cisme uyguladığı kuvvettir. Kütle ve ağırlık kavramlarının tamamen farklı fiziksel özellikler olduğu unutulmamalıdır. Ağırlık bir kuvvettir, kütle ise temel büyüklüklerden bir tanesidir.

Bir cisim üzerine bir kuvveti uygulandığında cisim kuvvet yönünde yer değiştirirse, kuvvet tarafından bir iş yapılır. Yapılan işin büyüklüğü, cisme uygulanan kuvvetin büyüklüğüne, cismin yer değiştirme mesafesine ve kuvvet ile yer değiştirme arasındaki açıya bağlıdır. İş, kuvvet ile kuvvetin uygulandığı mesafenin çarpımına eşittir ve W ile temsil edilir.

İşin birimi SI birim siteminde newton-metre (N.m)’dir. Bu birime joule (J) adı verilir. 1 joule, bir cisme 1 m boyunca etki eden 1N’luk kuvvetin yaptığı iştir.

Sürtünme kuvveti hareketi engelleyici bir özelliğe sahip olduğu için cisimlerin mekanik enerjilerinde yani hareketlerinde bir azalma olacaktır. Mekanik enerjideki bu azalma ısı enerjisine dönüşecektir. Sürtünme kuvveti (F_s) ve bu kuvvetin etkidiği mesafe (x) biliniyorsa ısıya dönüşen enerji (E_ısı), sürtünme kuvvetinin yap-tığı işe (W_ısı) eşit olacaktır. Sürtünme kuvvetinin yaptığı iş

olarak verilir.

Isı ve sıcaklık terimleri söz konusu olduğunda, “termodinamik bilimi” karşımıza çıkar. Termodinamik kelimesi Latince “therme (ısı)” ve “dynamis (güç)” sözcüklerinden türetilmiştir. Termodinamik temel olarak ısı, sıcaklık ve iç enerji gibi kavramları barındırır ve ısı ile mekanik olaylar arasındaki ilişkiyi inceler.

Sıcaklık ölçülmesi için genellikle “Celsius” ölçeği kullanılır. Bu ölçeğe “santigrat” ölçeği de denir ve °C ile gösterilir. Bir başka sıcaklık ölçeği ise mutlak sıcaklık ölçeği olarak bilinen “Kelvin” dir ve K ile gösterilir. Kelvin ölçeğinde “°” simgesinin kullanılmadığına dikkat ediniz.

Bu ölçekler arasındaki bağıntı  şeklindedir.

Cisimlerin birbirine teması sonucunda sıcak cisimden soğuk cisme doğru bir enerji iletimi olur. İletilen bu enerjiye “ısı” adı verilir. Isı bir enerji olduğu için, SI birim sistemindeki birimi joule (J) olacaktır. Isının tarihsel gelişimine baktığımızda yaygın olarak kullanılan bir birim de kalori (cal)’dir. Isı kalorimetre ile ölçülebilir.

Isının iki cisim arasındaki enerji transferi olduğunu belirtmiştik. Dolayısıyla ısı kavramı yerine ısı akışı ya da ısı transferi terimleri de kullanılabilir. Isı akışı mikroskobik cisimlerin bir özelliği olarak görünse de, temelinde bu cisimlerin makroskobik bileşenleri yatmaktadır. Bu noktada “iç enerji” kavramı karşımıza çıkar. İç enerji termodinamikte, termodinamik bir sistemin toplam enerjisi olarak tanımlanır. İç enerji iki ana bileşenden oluşur. Bunlardan birincisi sistemdeki parçacıkların hareketine (yerdeğiştirme, dönme ve titreşim) bağlı olan kinetik enerji ve diğeri ise sistemin statik bileşenlerine (kimyasal bağlar gibi) bağlı olan potansiyel enerjidir.

Bir maddenin sıcaklığını 1 °C arttırmak için gerekli ısı enerjisi miktarına “ısı kapasitesi” denir. Aynı miktardaki maddelerin sıcaklığını 1 °C arttırmak için gerekli enerji maddeye göre değişir. Örneğin, 1 g suyun sıcaklığını 1 °C yükseltmek için gerekli enerji 1 cal iken, 1 g’lık alüminyum kütlesi için bu enerji 0,217 cal’dir.

Bir cisme Q kadar bir ısı verildiğinde, cismin ısı kapasitesine bağlı olarak sıcaklığında değişim olur ve ΔT kadarlık bir sıcaklık artışı meydana gelir. Cisme verilen ısı miktarının cisimde meydana gelen sıcaklık artışına oranı “ısı kapasitesi” olarak bilinir ve “C” harfi ile temsil edilir.

James Joule, su gibi bir akışkan üzerinde bir iş yapıldığında, onun sıcaklığının arttığını görmüştür. Bunun sonucunda sistem üzerinde yapılan mekanik işin ısı enerjisine dönüştüğünü önermiştir. Joule, yaptığı deneyde kaybolan mekanik enerjinin suyun sıcaklığındaki artış ile orantılı olduğunu görmüştür. Buradaki orantı katsayısı günümüzde 4,186 J/g. °C olarak bilinmektedir. Bu değer suyun öz ısı kapasitesidir. 

Isıl çift, sıcaklık ölçmekte yaygın olarak kullanılan bir aygıttır. 1822 yılında Thomas Seebeck tarafından geliştirilmiştir. Seebeck, bir iletkenin uçları arasında sıcaklık farkı olduğunda, bir potansiyel fark oluşacağını göstermiştir. Bu “termoelektrik etki” ya da “Seebeck etkisi” olarak bilinir. Eğer iletkenin iki ucu da aynı sıcaklıkta ise, bir potansiyel fark oluşmaz. Isıl çift birer uçları bir araya getirilmiş farklı iki metal veya metal alaşımlarından oluşur. Metallerin birleşme noktası sıcak nokta, diğer iki açık uç ise referans noktası olarak bilinir. Sıcak nokta ile referans nokta arasındaki sıcaklık farkı sonucu mV mertebesinde bir potansiyel fark üretilir. Üretilen potansiyel fark bir voltmetre yardımıyla okunur ve uygun tablolar kullanılarak sıcaklık değerine dönüştürülür.