Isı transferi hakkında açıklamadaki sorunun cevabı nedir acaba?

Geçen hafta yazılı kağıtlarını okurken 9. sınıf öğrencilerimden birinin cevabında tam da buna benzer bir mantık hatasıyla karşılaştım, yüzümde acı ama şefkatli bir tebessüm oluştu tabii. Sevgili öğrencim de senin gibi formüldeki değişkenlere bakıp "Hocam kütle büyükse son sıcaklığı da fırlatırız uzaya!" diye düşünmüş belli ki.

Durumu şöyle toparlayalım: Bahsettiğin Q = m.c.ΔT formülü bize maddelerin sıcaklığını belli bir miktar değiştirmek için alınması veya verilmesi gereken ısı enerjisi miktarını hesaplama imkanı verir. Sorunun temelinde, sınıflarda anlatırken bizim de bazen saçımızı başımızı yolmamıza sebep olan o meşhur kavram yanılgısı yatıyor: Isı (Q) ve Sıcaklık (T) aynı şey değildir!

10 litre suyun 80°C'de sahip olduğu toplam termal enerji, 1 litre suyun enerjisinden çok daha fazladır, bu doğru. Ancak termodinamiğin acımasız ve bir o kadar da net bir kuralı vardır: Termodinamiğin İkinci Yasası. Bu yasa bize şunu söyler; ısı transferi, dışarıdan sisteme bir iş yapılmadığı sürece her zaman sıcaklığı yüksek olan maddeden düşük olan maddeye doğru kendiliğinden gerçekleşir.

Bu durumu suyun akışına benzeterek kafanda canland��rabilirsin. 80 derecelik 10 litre suyu geniş ama belirli bir yükseklikteki havuz, soğuk olan 1 litrelik suyu da dar ama seviyesi (sıcaklığı) havuzdan daha alçak bir varil gibi düşün. Bağlantı kurup suyu havuzdan varile akıttığında, varildeki suyun seviyesi havuzun seviyesini asla geçemez. İki taraftaki su seviyesi eşitlendiği an akış durur. Isı transferi de tam olarak böyledir. 80°C'deki bir maddeden daha soğuk bir maddeye ısı aktardığında, ikisinin sıcaklıkları arada bir noktada buluşup ısıl dengeye ulaşana kadar ısı akışı olur. Denge sağlandığında transfer biter. Bu denge sıcaklığı her iki maddenin de başlangıç sıcaklıklarının arasında bir değer olmak zorundadır. Dolayısıyla sırf kütlesi ve enerjisi fazla diye 80 derecelik bir kaynaktan ısı çekip, o 1 litreyi 81 dereceye çıkarman klasik ısı iletimi yöntemleriyle maalesef evrenin kurallarına aykırıdır.

Eğer "Ben inatçıyım, o 1 litreyi illa 81 dereceye çıkaracağım!" dersen, 10 litrelik suyu soğutarak ondan ısı çeken ve bunu yaparken dışarıdan elektrik harcayarak sisteme iş (W) katan bir makine kullanman gerekir; tıpkı evlerimizdeki klimaların veya ısı pompalarının çalışma mantığında olduğu gibi. Ama sadece iki suyu karıştırıp veya temas ettirip Q=m.c.ΔT üzerinden kendiliğinden o sıcaklığa ulaşmayı beklemek, termodinamik sınavından kalma garantilidir benden söylemesi! :)