Termal ve Mekanik Enerji

Enerjinin pek çok çeşidini, kolayca ve doğrudan termal enerji ve mekanik enerji olarak değerlendirebiliriz. Termal enerji ya da ısı genellikle genellikle belirli miktardaki maddenin sıcaklığındaki değişiminden hesaplanır.

İş, yerçekimi kuvvetine karşı bir ağırlığın yükseltilmesi durumu olarak tanımlanabilir ve bu durumda mekanik enerji potansiyel enerji olarak depolanmış olur. Ağırlık şekildeki gibi uygun bir düzenekle aşağıya doğru inerse böyle bir sistem mekanik enerjisini azaltmış olur. Potansiyel enerjideki azalma iş olarak karşımıza çıkar. Mekanik enerjinin ölçülmesinde kullanılan geleneksel SI sisteminde enerji birimi Joule dür. Joule, 1 metre boyunca bir kütleye bir newton kuvvet uygulanması sırasında kullanılan enerji büyüklüğü olarak tanımlanır. Ayrıca bir newtonu ; f = ma (1 kg)( m s-2) olarak gösterirsek, Joule için kg m2 s-2 yazarız. Bu mekanik enerjinin temel birimidir.

Böylece tek bir birim kullanarak termal enerji veya ısıyı ve mekanik enerji veya işi ölçebiliriz.

1849 da James Joule mekanik enerjinin, ısı eşdeğerini bulabilmek için bir düzenek tasarlamıştır. Joule Düzeneği, suyla doldurulmuş yalıtılmış bir kap içerisine pedallı bir sistem koyarak, bu pedalları düşen bir ağırlık yardımıyla çevirmiştir. Suyun sıcaklık artışını çeşitli yüksekliklerden bıraktığı farklı ağırlıklarla deneyler gerçekleştirerek ölçmüştür. Joule bu deneylerinde; yapılan iş veya kaybedilen mekanik enerji ile ısı artışı veya suyun termal enerjisindeki artışın orantılı olduğunu göstermiştir. Mekanik enerjinin miktarı, kazanılan termal enerjinin büyüklüğü birbirine eşittir. Buradaki örnekte de görüldüğü gibi enerji bir formdan bir forma dönüşebilir. Bu Enerjinin Dönüşümü Prensibi olarak adlandırılır.

Termodinamikte çalıştığımız sistem, bazı fiziksel, kimyasal ya da biyolojik değişmelerin olduğu madde yığını olabilir. Sistem hakkındaki yargılarımız, sisteme ısı akışı veya sistemden dışarı ısı akışı ve sistemin yaptığı iş veya sisteme üzerine yapılan işe bağlı olarak, ısı ölçülmesine dayanır.

Enerji; sistemin iş yapma kapasitesidir. İzole bir sistem üzerine iş yaptığımızda (örneğin bir gazı bastırdığımızda), onun iş yapabilme kapasitesi artar. Bu nedenle sistemin enerjisini arttırmış oluruz. Sistem iş yaptığında ise; enerjisi azalır çünkü öncekine göre daha az iş yapabilecektir.

Bir sistemin enerjisi değiştiğinde sistem ve çevresi arasında bir sıcaklık farkı meydana gelir ve enerjinin Isı şeklinde transfer edildiğini söyleriz. Örneğin bir beher içinde suyu ısıttığımızda - ki buradaki bir beher su, sistemdir - sistemin iş yapabilme kapasitesini arttırmış oluruz. Bunun nedeni; enerjinin artmasıdır. Çünkü sıcaklık artışı, sıcaklık farkının sonucudur ve enerji sisteme ısı olarak transfer edilmiştir. Eğer sistem ile çevre arasında herhangi bir ısı alış verişi olmamasına karşın sistemin sıcaklığı değişmişse bu tür bir süreç adyabatik süreç olarak adlandırılır.

Herhangi bir basit veya kompleks bir sistemden transfer edilen ısı termal kaynaktan (thermal reservoir) sağlanır. Şekilde sıcaklık skalasının belirlenmesi için kullanılan düzenekteki basit bir termal kaynaktan ısı, buz kalorimetresine akmaktadır. Eğer ısı dış kaynaktan kalorimetreye doğru akarsa, bir miktar buz erir ve toplam buz-su hacmi azalır. Azalma miktarı kalorimetre üzerindeki cam borudan izlenebilir. Suyun yüksekliğindeki azalma miktarından kalorimetreye akan termal enerji miktarı hesaplanabilir. Pratikte kullanılan kalorimetre tipleri de buz kalorimetresine benzer. Çalışma sırasında kalorimetrenin sıcaklığını sabit tutmak için termal enerji olan ısı akışı kontrol altında tutulur. Daha sonra bu enerji, elektriksel bir cihaz kullanılarak katılan veya uzaklaştırılan enerjiden belirlenir.