Kimya I · 6. Ünite: Termokimya
Kalorimetri
Bir yakıtın kaç kJ ısı verdiği ya da bir çözünmenin ortamı ne kadar soğuttuğu tabloda yazan sayılar değil, laboratuvarda ölçülmüş verilerdir. Kalorimetri (calorimetry), ısı alışverişini sıcaklık değişiminden ölçme yöntemidir. Bu konuda ısı kapasitesi ve öz ısı kavramlarını, $q = mc\Delta T$ bağıntısını, ısı alışverişinde enerji korunumunu ($\sum q = 0$) ve iki temel düzeneği öğreneceksin: sabit basınçta çalışan kahve-fincanı kalorimetresi ($q_P = \Delta H$) ve sabit hacimde çalışan bomba kalorimetresi ($q_V = \Delta U$). İkisinin neden farklı büyüklükleri ölçtüğünü 6-1 ve 6-2'deki $\Delta U$ ve $\Delta H$ tanımlarına bağlayarak açıklayacaksın.
Öğrenme hedefleri
- Isı kapasitesi, molar ısı kapasitesi ve öz ısıyı tanımlar; $q = mc\Delta T = C\Delta T$ ile ısı hesaplar.
- Yalıtılmış bir karışımda $\sum q = 0$ ilkesiyle denge sıcaklığını ya da bilinmeyen bir metalin öz ısısını bulur ve metali tablodan tanır.
- Kahve-fincanı (sabit basınç) kalorimetresi verisinden $q_{\text{tep}} = -(q_{\text{çözelti}} + q_{\text{kal}})$ ile $\Delta H$'yi mol başına hesaplar.
- Kalorimetre sabitini ($C_{\text{kal}}$) bilinen bir ısı kaynağıyla belirler ve ihmal edilmesinin sonucu nasıl saptırdığını açıklar.
- Bomba kalorimetresi verisinden $\Delta U = -C_{\text{kal}}\Delta T$ bulur ve $\Delta H = \Delta U + \Delta n_g RT$ ile entalpiye çevirir.
- İki kalorimetre türünü ölçtükleri nicelik, sabit olan değişken ve tipik hata kaynakları bakımından karşılaştırır.
Konu anlatımı
1. Bağlam: Isıyı Sıcaklıktan Okumak
2. Isı Kapasitesi, Öz Isı ve $q = mc\Delta T$
3. Isı Alışverişi ve Denge Sıcaklığı
4. Sabit Basınç (Kahve-Fincanı) Kalorimetresi
5. Sabit Hacim (Bomba) Kalorimetresi
6. Karşılaştırma, Hata Kaynakları ve Simülasyona Köprü
7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları
Anahtar terimler
- Kalorimetri (Calorimetry)
- Isı alışverişini sıcaklık değişiminden ölçme yöntemi.
- Isı kapasitesi (Heat capacity), C
- Bir cismin sıcaklığını 1 K artırmak için gereken ısı; $C = mc$, birimi J/K.
- Öz ısı (Specific heat), c
- 1 g maddenin sıcaklığını 1 °C artıran ısı; birimi J/(g·°C). Su için $4{,}184$.
- Kalorimetre sabiti (Calorimeter constant)
- Kalorimetre kabının, termometrenin ve içeriğinin toplam ısı kapasitesi, $C_{\text{kal}}$.
- Kahve-fincanı kalorimetresi (Coffee-cup calorimeter)
- Atmosfere açık, sabit basınçta çalışan basit kalorimetre; $q_P = \Delta H$ ölçer.
- Bomba kalorimetresi (Bomb calorimeter)
- Sabit hacimli çelik bombada yanma ısısı ölçen düzenek; $q_V = \Delta U$.
- Denge sıcaklığı (Equilibrium temperature)
- Sıcak ve soğuk maddelerin ısıl dengeye vardığı ortak son sıcaklık.
- Kalibrasyon (Calibration)
- $C_{\text{kal}}$'ı bilinen bir ısı kaynağıyla (ör. benzoik asit yanması) belirleme işlemi.
Örnek soru
$250\,\text{g}$ su $20{,}0\,\text{°C}$'den $35{,}0\,\text{°C}$'ye ısıtılıyor ($c = 4{,}184\,\text{J/(g·°C)}$). Suyun aldığı ısı yaklaşık kaç kJ'dür?
- 3,75 kJ
- 15,7 kJ
- 62,8 kJ
- 15 690 kJ
- −15,7 kJ
Doğru cevap: B
Çözüm
1. $q = mc\Delta T = (250\,\text{g})(4{,}184\,\text{J/(g·°C)})(15{,}0\,\text{°C}) = 15\,690\,\text{J}$.
2. kJ'e çevir: $15{,}69 \approx 15{,}7\,\text{kJ}$. Su ısı aldığı için işaret pozitiftir.
Cevap: 15,7 kJ. 62,8 kJ kütleyi unutmaktır ($4{,}184 \times 15$); 15 690 kJ birim çevirmeyi unutmaktır; −15,7 kJ ise suyun ısı verdiğini varsaymaktır.