Q=mcΔT formülünü kullanarak ısı, kütle, özgül ısı veya sıcaklık değişimini hesaplayın.
Termodinamik, ısı, iş ve enerji arasındaki ilişkileri inceleyen fizik dalıdır. Bu alanın en temel kavramlarından biri ısı transferidir. Isı, daha sıcak bir cisimden daha soğuk bir cisme sıcaklık farkı nedeniyle aktarılan enerji olarak tanımlanır. Bu enerji akışı, iki cisim termal dengeye, yani aynı sıcaklığa ulaşana kadar devam eder. Bir bardak sıcak çayın zamanla soğuması veya buzun erimesi, ısı transferinin günlük hayattaki basit örnekleridir. Bir maddenin sıcaklığını değiştirmek için ne kadar ısı enerjisi verilmesi veya alınması gerektiğini hesaplamak, kimyadan mühendisliğe, meteorolojiden yemek pişirmeye kadar pek çok alanda kritik öneme sahiptir. Bu hesaplamanın merkezinde ise fiziğin en ünlü denklemlerinden biri olan Q = mcΔT formülü yer alır. Bu formül, bir maddenin kütlesi, kendine özgü ısı tutma kapasitesi ve istenen sıcaklık değişimi arasında net bir ilişki kurar.
Bu üç terim günlük dilde sıkça birbirinin yerine kullanılsa da, fizikte kesin ve farklı anlamlara sahiptirler:
Özetle, sıcaklık bir ortalamayı belirtirken, iç enerji bir toplamı, ısı ise bu enerjinin akışını ifade eder. Bir okyanusun sıcaklığı bir bardak kaynar sudan çok daha düşük olabilir, ancak okyanusun devasa kütlesi nedeniyle iç enerjisi çok daha fazladır.
Farklı maddeler, sıcaklıklarını bir derece artırmak için farklı miktarlarda ısı enerjisine ihtiyaç duyar. Örneğin, 1 gram demirin sıcaklığını 1°C artırmak için gereken ısı miktarı ile 1 gram suyun sıcaklığını 1°C artırmak için gereken ısı miktarı aynı değildir. İşte bu özelliği sayısallaştıran kavrama özgül ısı kapasitesi (c) denir. Özgül ısı, bir maddenin 1 gramının (veya 1 kilogramının) sıcaklığını 1 Celcius derece (veya 1 Kelvin) artırmak için gereken ısı miktarı olarak tanımlanır. Birimi genellikle J/g°C veya cal/g°C'dir.
Özgül ısı, bir maddenin "termal eylemsizliği" veya ısıyı depolama yeteneği olarak da düşünülebilir. Özgül ısısı yüksek olan bir madde, sıcaklığını değiştirmek için çok fazla ısı enerjisine ihtiyaç duyar, yani yavaş ısınır ve yavaş soğur. Suyun özgül ısısı ($4.184 \, J/g°C$) birçok yaygın maddeye göre oldukça yüksektir. Bu, suyun büyük miktarda ısıyı sıcaklığı çok fazla artmadan depolayabilmesi anlamına gelir. Bu özellik, Dünya'nın iklimini düzenlemede (okyanuslar büyük ısı tamponlarıdır), canlı organizmaların vücut sıcaklığını sabit tutmasında ve arabalarda soğutma sıvısı olarak kullanılmasında hayati bir rol oynar. Metallerin özgül ısıları ise genellikle düşüktür, bu yüzden çabuk ısınır ve çabuk soğurlar (örn: tencere ve tavalar).
Bu formül, hal değişimi olmayan durumlarda ısı transferini hesaplamanın temelidir.
$$ Q = m \cdot c \cdot \Delta T $$Formülün bileşenleri:
Bu denklem, dört değişkenden üçü bilindiğinde dördüncüsünü bulmak için kullanılabilir. Örneğin, belirli bir miktar suyun sıcaklığını belirli bir dereceye çıkarmak için ocağın ne kadar enerji vermesi gerektiğini veya farklı sıcaklıktaki iki madde karıştırıldığında son denge sıcaklığının ne olacağını (alınan ısının verilen ısıya eşit olduğu prensibiyle) hesaplamak için bu formül kullanılır.
Q = mcΔT formülü, maddenin sıcaklığının değiştiği ancak halinin (katı, sıvı, gaz) değişmediği durumlar için geçerlidir. Bir madde hal değiştirirken (örneğin buz erirken veya su buharlaşırken), sıcaklığı sabit kalır. Bu sırada verilen ısı, sıcaklığı artırmak yerine moleküller arasındaki bağları kırmak veya oluşturmak için kullanılır. Hal değişimi sırasında alınan veya verilen bu ısıya gizli ısı (latent heat) denir ve $Q = mL$ formülü ile hesaplanır. Burada '$L$' erime ısısı veya buharlaşma ısısı gibi hal değişimine özgü bir sabittir. Bir maddenin tam bir termal analizini yapmak için hem sıcaklık değişimleri sırasındaki (Q = mcΔT) hem de hal değişimleri sırasındaki (Q = mL) ısı transferlerini hesaba katmak gerekir. Bu hesaplama aracı, hal değişimi olmayan durumlar için sıcaklık değişimine odaklanmaktadır.