Günlük yaşantımızda ısı ve sıcaklık kavramlarını sıkça kullanırız. Isı
insan oğlunun en önemli ihtiyaçlarından biridir.
Güneş ışığına bırakılan bir buz parçası yada katı margarin yağı ısı
alarak erir. Yanmakta olan ateşin üzerine bırakılan et parçası ısı
alarak pişer. Ocakta ısıtılan suyun sıcaklığı artar ve kaynamaya başlar.
Isıtma yerine soğutma yapılırsa tersi olaylar olur.
Isı verilen maddelerin şekillerinde de değişiklikler olur. Yazın
asfaltlarda kabarma, elektrik kablolarında sarkma, kışın ise büzülmeler
olur.Ayrıca ısıtılan bazı maddelerden gazlar çıkarak değişik maddelere
dönüşürler.
Bu olaylar, ısının madde üzerinde fiziksel ve kimyasal etkileri olduğunu
gösterir. Isıtılan maddelerin, sıcaklığın değişimi, hal değişini,
genleşme gibi olaylar fiziksel değişime örnek olarak verilebilir.
ISI VE SICAKLIK
Günlü hayatta bilindiği gibi, ısıtılan maddenin sıcaklığı artar,
soğutulan maddelerin ise sıcaklığı azalır. Yani ısı ve sıcaklık
birbiriyle ilgili fakat aynı şey değildir.Bu iki kavram birbirine
karıştırılmamalıdır.
Hava ısısı 30 C tır. Cümlesi yanlış kullanılan bir cümledir. Doğrusu,
“Havanın sıcaklığı 30 C tır” cümlesidir. Isı ile sıcaklık aynı nicelik
değildir. Fakat sıcaklığın değişmesi için ısı alış verişinin olması
gerekir.
Maddelerin her üç halinde de moleküller hareket ve titreşim halindedir.
Dolayısıyla moleküllerin bir hızı yani kinetik enerjisi vardır. Sıcaklık
madde moleküllerinin ortalama hızları ile orantılı fiziksel bir
büyüklüktür.
Isı ise, moleküllerin kinetik enerjilerinin toplamı ile ilgili bir
enerji çeşididir veya maddeye verilen yada maddeden alınan enerji
çeşidine ısı enerjisi denir.
Sıcaklık birimi derece, ısı birimi ise kalori yada joule dir.
SICAKLIK OLÇÜMÜ VE TERMOMETRELER
Cisimlerin hangilerini sıcak, hangilerinin soğuk olduğu hakkında dokunma
duygumuzla bir fikir edinebiliriz . Fakat dokunma ve hissedebilme
duygusu, sıcaklık ölçmek için yanıltıcı olabildiği gibi kesinde
değildir.
Şekilde bir elimizi soğuk (5 C) diğer alimizi sıcak (45 C) suya daldırıp
bir süre sonra aynı anda iki elimiz sıcak, sol elimiz ise soğuk
hisseder.
Bu nedenle sıcaklığı kesin sayılarla ifade etmek için ölçü araçları
kullanılır. Bu ölçü araçlarına termometre denir. Isı ve sıcaklık
ölçülebilir büyüklükler olduğundan, ısı calorimetre ile sıcaklık ise
termometre ile ölçülür.
Sıcaklık T ile sembolize edilir. Günlük hayatta en çok kullanılan
termometre celsius termometresidir
Bu termometre 1 atmosferik basınç altında içinde cıva bulunan her iki
ucu kapalı ince bir boru suyun dolma noktasını 0, kaynama noktasını 100
ile gösterilerek ve bu aralığın 100 eşit parçaya bölünmesiyle
oluşturulmustur.
Yani termometrelerde, suyun donma ve kaynama sıcaklıklarını baz alınarak
a, bu sıcaklık aralığı değişik şekilde bölmelendirilerek farklı
termometreler yapılmaktadır.
Fahrenheit termometresinde, suyun donma noktası 32 F, kaynama noktası
212 f alınarak bu aralık 180 eşit bölmeye ayrılmıştır.
En düşük sıcaklık – 273 C tır. Bu sıcaklığı 0 gösterilerek oluşturulan
Kelvin termometresinde suyun donma noktası 273 K, kaynama noktası 373 K
alınarak 100 eşit bölme yapılmıştır.
Termometreler arasındaki ilişki orantı yoluyla bulunabilir.
C-O = F-32 = K-273
100 180 100
Kelvin ile cesius arasında ise,
T(K) = T
+ 273
eşitliği vardır.
Ayrıca termometreler arasında dönüşüm yapılırken orantı yöntemi de
kullanılabilir. Örneğin suyun sıcaklığı 0 C tan 10 C ta çıkarıldığında
yani 10 bölme yükseldiğinde fehrenheit termometresınde 18 bölme yükselir
ve T(F) = 32 + 18 = 50 F değerini gösterir.
Termometre Çeşitleri
Sıcaklık termometre ile ölçülür. Sıcaklık değişimleri cisimlerin
fiziksel özelliklerinde bir takım değişiklikler meydana getirir. Genelde
sıcaklığı artan maddeler hacimde büyür (genleşir), sıcaklığı azalan
maddeler ise hacimce küçülür. Hacimce büyüme ve küçülme alınan yada
veriln ısı ile orantılıdır. Genleşmeleri ve büzülmeleri sıcaklıkla
orantılı olan katı, sıvı ve gaz maddeler kullanılarak termometreler
yapılmıştır. Bunların dışında, basınç, senk, direnç ve benzeri
özellikleri değişikliklerde termometrelerin hızlanmasında kullanılan
özellikleridir.
Termometreler, sıvılı, metal ve gazlı termometreler olmak üzere üçe
ayrılır.
Sıvılı termometreler ise, cıvalı termometreler ( Laboratuar ve hasta
termometresi) ve alkollü termometreler ( duvar termometresi) olarak
ikiye ayrılır.
Termometrelerin çalışma prensipleri birbirinden farklıdır. Ancak iyi bir
ölçüm için, termometrelerin bölmelendirilmesi ölçülecek sıcaklık için
uygun olmalıdır.
Biz burada sadece sıvılı termometreleri inceleyeceğiz. Sıvılı
termometreler cıva ve renklendirilmiş alkolden yapılan laboratuar ,
duvar ve hastane termometreleridir. Cıva ve alkolün genleşmesi ve
büzülme sıcaklıkla orantılıdır.
Cıva ve alkolün donma ve sıcaklıkları incelendiğinde, havanın
sıcaklığının -42 C olduğu bir günde , bu sıcaklığı cıvalı termometre ile
ölçemeyiz. Aynı şekilde deniz seviyesinde kaynamakta olan suyun
sıcaklığını alkollü termometre ile ölçemeyiz.
Çünkü deniz seviyesinde su 100 C ta kaynar. Alkolün kaynama noktası 78 C
olduğundan yeterli olmaz.
Termometrenin Duyarlığı
Küçük sıcaklık değişimlerinden etkilenen termometrenin duyarlılığı daha
fazladır. Bunun için termometrenin haznesinde daha fazla sıvı ve
sıcaklıkla daha çok genleşen sıvı olmalıdır . Cıvanın tercih edilmesi
bundan dolayıdır. Ayrıca kılcal boru dar olmalı ki genleşen sıvının
hareketi rahat gözlenebilsin.
Yer çekim kuvvetinin sıfır olduğu yerde termometre çalışır. Çünkü
genleşme yer çekimine
bağlı degildir.
Örnek…1
Aynı ortamda bulunan termometrelerden, fahrenheit termometresi 68 F
değerini gösterdiğine göre, celius ve Kelvin termometreleri hangi
değerini gösterir?
Çözüm...
Termometreler arasındaki çözüme göre
C = F-32
100 180
C = 68-32
10 18
Celsius ile Kelvin arasındaki dönüşüm eşitliğine göre,
T(K) = T
+ 273
T(K) = 20 + 273
T(K) = 293 K olur.
Örnek… 2
Bir X termometresinde suyun donma noktası – 10 X, kaynama noktası 150 X
seçilerek eşit bölmelerndirme yapılmıştır.
Celsius termometresi hava sıcaklığını 30 C gösterdiğine göre, X
termometresi kaç gösterir?
Çözüm…
Orantı yöntemi kullanılarak termometreler arasındaki dönüşüm eşitliği
yazılabilir.
C = X+10
100 160
30 = X+10
100 160
X=38 C olur.
<- Sıcak mı, Soğuk mu? ->
Avucunuza hohlayın! Fark ettiyseniz ağzınızdan çıkan hava sıcak. Şimdi
de dudaklarınızı birleştirip üfleyin. Sanırım farkı fark etmişsinizdir:
Ağzınızdan çıkan hava şimdi daha soğuk. Nedeni ne olabilir?
<- Acıklama ->
Hohladığınızda ciğerimizdeki hava ağzınızdan kayda değer bir genleşme
olmadan çıkar. Kanımızın sıcaklığında olan bu hava genellikle ortamdaki
havadan daha sıcaktır. Ellerimizin bu havayı sıcak olarak hissetmesi de
bu yüzdendir.
Isının Ölçülmesi
Isının bir ölçüsü olan sıcaklık, cismin moleküllerinin ortalama kinetik
enerjileri ile doğru orantılı bir büyüklüktür. Sıcağı arttırmak için
yani moleküllerin hareketlerini hızlandırmak için çimse dışarıdan enerji
vermek gerekir.
Cismin sıcaklığını arttırmak için verilen enerji çeşidine ısı enerjisi
denir. Isı, kalori yada joule birimiyle ölçülür. 1 kalori (1cal) 1 gram
suyun sıcaklığı 1C arttırmak için verilmesi gereken ısı miktarına denir.
Bir maddenin aldığı ısıyı ölçmek için ısı alış verişi yapan maddeler
ortamdan yalıtılmalıdır. Bu yalıtımı sağlayan ve ısının ölçülmesinde
kullanılan araçlara kalorimetre kabı denir.
Basit bir kalorimetre kabı, iç içe geçmiş iki kaptan oluşur. İçteki kap
gümüşle kaplı çelik yada camdan yapılır. İç yüzü parlatılmış dış kabın
içine iç kap konur.
Kapların yüzeylerinin parlak olması ışıma yolu ile ısı kaybını önler.
İletim yolu ile ısı kaybını önlemek için iki kap arasındaki hava
boşaltılır. Kap yalıtkan maddeden yapılmış bir kapak ile kapatılır.
Kapak üzerinde iki delik vardır. Termometre ve karıştırıcı bu delikten
geçirilerek sıvı içine konur. Karıştırıcı ile sıvı karıştırılır ve
ısının, sıvının her tarafına eşit olarak dağılması sağlanır. Termometre
sıvının sıcaklığını ölçer.
Şekilde verilen kalorimetre kabında termometrenin ilk sıcaklığı okunur.
Karıştırıcı bir süre döndürülürse termometrenin gösterdiği sıcaklık
artar. Bu sıcaklık farkından faydalanılarak suyun aldığı ısı miktarı
bulunabilir.
Bu olayda karıştırıcıyı döndürmekle harcanılan enerji suya aktarılır.
Buda bulunan ısı miktarına yaklaşık olarak eşittir. Kalori metre
içindeki suyun miktarı azaltılırsa, aynı süreli döndürme sonunda
termometredeki sıcaklık değeri daha büyük olur. İlk ve son sıcaklık
arasındaki fark artar. Bu ise ısının madde miktarına bağlı olduğunu
gösterir.
>UYARI<
Isı enerji çeşididir. Kalorimetre ile ölçülür. Birimi joule veya
caloridir. Madde miktarına bağlıdır.
Sıcaklık, termometre ile ölçülür, birimi santigrad derece, fahrenheit
veya kelvindir. Madde miktarına bağlı değildir.
Isı Alış Verişi
Soğuk ve sıcak su ısı ile yalıtılmış bir kapta karıştırılarak karışımın
sıcaklığı ölçüldüğünde ikisi sıcaklık arasında bir değer olduğu görülür.
Buna göre, soğuk su ısı alarak sıcaklığı yükselmiş, sıcak su ise ısı
vererek sıcaklığı azalmıştır. Yani sıcaklığı büyük olan sudan küçük olan
suya bir ısı akışı olmuştur. İki madde arasındaki bu ısı alışverişi
sıcaklık eşitliği sağlanıncaya kadar devam eder. Maddeler arasında
alınan ve verilen ısı enerjileri eşit olur.
<- BUZ GİBİ ->
Normal oda sıcaklığında, ama özellikle kış aylarında. Metal sandalyeler
neden bize tahta veya plastik olanlardan daha soğuk gelir?
<- AÇIKLAMA ->
Kış aylarında vücut sıcaklığımız (iki normalde 37C civarındadır) oda
sıcaklığından çokyüksektir. Bu durumda oda sıcaklığında bir nesneyle söz
gelimi bir sandalyeye değdiğimizde, ısı vücudumuzdan o nesneye akar.
Dolayısı ile o nesneyi soğuk olarak algılarız bir nesne vücudumuzdan ne
kadar hızlı ısı çekiyorsa bize o kadar soğuk gelir. Metaller ısıyı
tahtadan ve plastikten daha iyi ilettiklerinden, vücudumuzun ısısını
daha çabuk algılar; dolayısı ile bu maddeden yapılmış nesnelere
dokunduğumuzda onları daha soğukmuş gibi algılarız.
Isı Miktarının Ölçülmesi
Isı alan maddelerin sıcaklığı artar. Isıdaki artış ile sıcaklık değişimi
arasındaki ilişkinin tam olarak belirlenebilmesi için bu bilgi yeterli
değildir. Sıcaklık artışının, ısının dışında nelere bağlı olduğunu
inceleyerek bulalım.
1.) Aynı cins ve eşit kütleli sıvıya eşit miktar ısı enerjisi
verildiğinde, sıvıların sıcaklıklarının eşit miktarda arttığı görülür
2.) Aynı cins fakat farklı kütleli sıvılara, eşit miktar ısı enerjisi
verildiğinde, kütle az olan ısının sıcaklığının daha fazla arttığı
görülür.
3.) Farklı cins ve eşit kütleli sıvılara eşit miktar ısı enerjisi
verildiğinde, sıcaklık değişimlerinin farklı olduğu görülür.
Bu üç deneysek gözlemden de anlaşıldığı gibi, sıcaklık artışı, verilen
ısı miktarından başka, maddenin kütlesine ve cinsine bağlıdır.
Maddenin cinsinin etkisi öz ısı ile ifade edilir.
Öz Isı
Bir maddenin 1 gramının sıcaklığı 1 C artırmak için verilmesi gereken
ısı miktarına öz ısı denir. Öz ısıya bazen ısınma ısısı da denebilir. Öz
ısı c ile gösterilir ve maddeler için ayırt edilir bir özelliktir. Yani
aynı şartlarda ayrı maddelerin öz ısıları faklıdır.
Kütlesi m, öz ısısı c olan bir maddenin sıcaklığı T kadar değiştirmek
için verilmesi yada alınması gereken ısı enerjisi, Q=m.c.T eşitliği ile
bulunur.
Kütle gram, c öz ısı cal/g.C, sıcaklık C cinsinden alınırsa , ısı
enerjisi calori cinsinden bulunur.
T sıcaklık değişimi, T = T yüksek – T düşük tür.
Madde Öz ısı (cal/g. C)
Su 1
Etil Alkol 0,6
Su Buharı 0,5
Buz 0,5
Alüminyum 0,217
Demir 0,113
Cam 0,109
Prinç 0,094
Bakır 0,09O
Gümüş 0,056
Cıva 0,033
Kurşun 0,031
Isı Sığası
Bir maddenin kütlesi ile öz ısısının çarpımına (m.c) ısı sığası denir.
Isı sığası madde miktarına bağlı olup ayıt edici özellik değildir.
Yalıtılmış bir ortamda bir araya konulan iki madde arasında ısı alış
verişi olacağını ve ısıl denge sağlandığında alınan ısının verilen ısıya
eşit olduğunu daha önce belitmiştik.
m1 kütleli, c1 öz ısılı ve T1C sıcaklığındaki sıvı ile m2 kütleli, c2 öz
ısılı ve T2 C sıcaklığındaki ısıca yalıtılmış bir kapta karıştırılırsa
karışımın sıcaklığı iki sıcaklık arasında ir değer olur. Ayrıca alınan
ısı verilen ısıya eşittir. T1
Q alınan = Q verilen
m1.c1(T denge – T1) = m2.c2(T2 – T denge)
bu bağlantıdan faydalanarak denge sıcaklığı bulunur.
Aynı cins sıvıdan eşit hacimli karışım yapılırsa karışım sıcaklığı,
sıcaklığın aritmetik ortalamasından bulunur.
Yani, T karışım = T1+T2 den bulunur
2
Örnek…3
20 C taki 200 gram kurşunun sıcaklığı 120 C ta çıkartmak için 620
calorilik ısı verıyor.
Buna göre, karışımın öz ısısı kaç cal/g.C tır?
Çözüm…
Q=m.c.T bağlantısında verilen değerler yerine konularak c öz ısı
bulunur.
Q = m . c . T
620 = 200 . c . (120- 20)
3,1 = 100 c
c = 0,031 cal/g.C olur.
Örnek…4
Sıcaklığı 10 C olan 2 kg su ile, sıcaklığı bilinmeyen 4 kg su
karıştırıldığında karışımın denge sıcaklığı 30 C oluyor.
Buna göre sıcaklığı bilinmeyen suyun karışımından önceki sıcaklığı kaç C
tır? (C su = 1 cal/g.C)
Çözüm…
Karışımın sıcaklığı 30 C olduğuna göre, sıcaklığı bilinmeyen uyun
sıcaklığı kesinlikle 30 C den daha büyüktür. Sular arasındaki alınan ve
verilen ısılar eşit olduğundan,
Q alınan = Q verilen
2000.1.(30 – 10 ) = 4000.1.(T – 30)
40 = 4T – 120
160 = 4T
T = 40 C olur.
Örnek…5
Düşey kesiti şeklindeki gibi olan 3h yüksekliğindeki silindirik kapta h
yüksekliğinde 30 C sıcaklığında su vardır. Debileri eşit olan X,Y
muslukları açılarak musluklardan sıcaklığı 10 C ve 80 C olan su kap
doluncaya kadar akıtılıyor
Isıl denge sağlandığında karışımın sıcaklığı kaç C olur?
Çözüm…
h yüksekliğindeki suyun kütlesine m dersek, kap tamamen dolduğunda
toplam kütle 3m olur. Buna göre muslukların her birinden eşit ve m kadar
su akmıştır. Musluktan akan suların ortak sıcaklığı,
T= Tx + Ty = 10 + 80 = 45C olur.
2 2
musluklardan akan 2m kütleli suyun sıcaklığı 45C , kaptaki m kütleli ve
30C deki su ile karıştırıldığında karışımın denge sıcaklığı,
Q alınan = Q verilen
m.1.(T denge- 30) = 2m.1.(45-T denge)
T denge – 30 = 90 – 2T denge
3T denge = 120
T denge = 120 = 40C olur.
3
Örnek…6
Bir kapta 80C ta gram saf su vardır.
Bu suyun sıcaklığı 50 C ta düşürmek için kaba, 20C taki sudan kaç gram
eklenmelidir?(ısı alış verişi sadece sular arasındadır)
Çözüm…
Karıştırılan sular arasında ısı alış verişi olacaktır. Isı alış verişi
sadece sular arasında olduğundan alınan ısı verilen ısıya eşittir.
Q alınan = Q verilen
m1.c1.T1 = m2.C2.T2
m.1 (50-20) = 150.1 (80-50)
m.30 = 150.30
m = 150 gram eklenmelidir.
Karışımın son sıcaklığı suların sıcaklıklarının ortalamasına eşit
olduğundan karıştırılan suların kütleleri de eşit olmalıdır. Buna göre,
20C taki sudan 150 gram eklenmelidir.
<- Bırr, Amma Soğuk ->
bir dağa çıktıysanız orada havanın daha soğuk ama güneşinde daha yakıcı
olduğunu fark etmişsinizdir. (Dağda esmerleşmek daha kolaydır) Nasıl
oluyor da yüksek rakımlı yerler, Güneş’e binlerce metre daha yakın
oldukları halde, deniz seviyesindeki yelere göre daha soğuk oluyorlar?
<- Açıklama ->
yükseğe çıktıkça sıcaklığın düşmesi iki eksene bağlıdır.
a. Hava Güneş’ten gelen bütün zararlı ışınları soğurduğu halde
(ültraviyole, X-ışınları vb.) Güneş’in ışınını pek soğurmaz. Güneş
ısısını soğuran ve bu ısıyı konveksiyon yoluyla bitişik hava
tabakalarına ileten Dünya’nın yüzeyidir.
b. Normalde yere yakın bir ısının bu havanın soğuk tabakaları üzerine
kadar yükselmesi beklenir. Ancak sıcak hava yükseldikçe daha soğuk ve
daha az yoğun katmanlarla karşılaşır ve soğur. Sıcak hava, daha pek yol
almamışken kendisiyle aynı sıcaklıkta bir katmanla karşılaşarak durur;
böylece üstteki daha soğuk katmanların altına sıkışmış olur. Sonuçta
daha sıcak katmanların yeryüzüne daha yakın yerlerde hapsolduğu bir tür
denge oluşur. Tabii ki bu dikey dağılım günden güne ve yıldan yıla
değişmektedir.
Erime ve donma
Maddeler ısı alarak yada ısı vererek bir halden diğer bir hale gçiş
yapabilirler. Maddelerin bir halden diğer bir hale geçmesine hal
değişimi denir.
Maddelerin katı halden sıvı hale geçmesine erime, sıvı halden katı hale
geçmesine ise donma denir.
Eğer bir maddeye ısı verildiği halde sıcaklığı değişmiyorsa madde hal
değiştiriyor demektir. Madde hal değiştirirken sıcaklığı değişmez,
verilen ısı maddenin molekülleri arasındaki bağları kopararak hal
değiştirmesinde harcanır.
Erime Sıcaklığı
Sabit atmosfer basıncı altında bütün katı maddelerin katı halden sıvı
hale geçtiği sabit bir sıcaklık değeri vardır. Bu sıcaklık değerine
erime sıcaklığı ya da erime sıcaklık noktası denir.
Sabit atmosfer basındı altında her maddenin erime sıcaklığı farklı
olduğu için maddeler için ayırt edici bir özelliktir. Örneğin deniz
düzeyinde buzun erime sıcaklığı 0 C dir.
Erime Isısı erime sıcaklığındaki bir katının 1 gramının yine aynı
sıcaklıkta sıvı hale gelmesi için verilmesi gereken ısıya erime ısısı
denir. Erime ısısı da ayırt edici bir özeliktir. Kütlesi m olan erime
ısısındaki bir katıyı eritmesi için verilmesi gereken sıcaklık miktarı,
Q= m . Le bağlantısı ile bulunur.
Örneğin, buzun erime ısısı Le = 80 cal/g dır.
Sıvı bir maddenin ısı verilerek katı bir hale geçmesine donma denir.
Sabit atmosfer basıncı altında bütün sıvı maddelerin katı hale geçtiği
sabit bir sıcaklık değeri vardır. Bu değere donma sıcaklığı yada donma
sıcaklık noktası denir.
Erime ile donma bir birinin tersidir. Bundan dolayı bir maddenin erime
sıcaklığı, donma sıcaklığına eşittir. Erime ısısı da donma ısısına
eşittir.
Örneğin deniz yüzeyinde 0 C taki su donarken dışarıda 80 cal/g lık ısı
verir. Erirkende 80 cal/g lık ısı alır.
>UYARI<
-Madde hal değiştirirken sıcaklığı değişmez.
-Bir maddenin erime sıcaklığı ile donma sıcaklığı eşittir.
-Bir maddenin erime ısısı ile donma ısısı eşittir.
-Erime sıcaklığı ve erime ısısı, maddenin ayırt edici
özelliklerindendir.
Erime ve Donmaya Eti Eden Faktörler
Erime ve donma sıcaklığı normal şartlarda sabittir. Eğer basınç ve
maddenin sıcaklığı değiştirilirse, maddelerin erime ve donma sıcaklığıda
değişir.
BUHARLAŞMA
Sıvı bir maddenin ısı alarak gaz haline geçmesi olayına büharlaşma
denir.
Buharlaşma sıvı yüzeyinde olur. Yerlere dökülen suların kaybolması, ağzı
açık kaptaki suyun azalması buharlaşma sonucu olur.
Buharlaşma olabilmesi için sıvı moleküllerin ısı alması gerekir. Bu ısı,
çevrelerinden alındığı için buharlaşmanın olduğu yerde serinleme olur.
Elimize döktüğümüz kolonya ve eter buharlaşırken elimizden ısı alır ve
serinlik hissederiz. Terlerimiz buharlaşırken vücudumuz ısı kaybeder ve
üşüme hissederiz.
Buharlaşmaya basınç ve diğer fiziksel şartların etkileri çoktur.
-Buharlaşma her sıcaklıkta olabilir.
-Maddeler dışarıdan ısı alarak buharlaşırlar. Dolayısı ile buharlaşmanın
olduğu yerde serinleme ve soğuma olur.
-Sıcaklığın artması buharlaşmayı hızlandırır.
-Açık hava basıncının azalması buharlaşmayı arttırır.
-Sıvının açık yüzey alanı arttıkça buharlaşma daha fazla olur.
-Rüzgarlı havada buharlaşma fazla olduğundan ıslak çamaşırlar daha çabuk
kurur.
KAYNAMA
Bir kapta bulunan sıvı ısıtılırsa sıcaklığı yükselir ve buharlaşma
artar. Sıvının sıcaklığının yükselmesiyle meydana gelen buhar basıncı,
sıvının yüzeyine etki eden basınca eşit olduğu an, sıvı kaynamaya
başlar.
Kaynama sırasında sıvının sıcaklığı değişmez.
Kaynama Sıcaklığı
Sabit atmosfer basıncı altında bütün sıvı maddelerin, sıvı halden gaz
hale geçtiği sabit bir sıcaklık değeri vardır. Bu sıcaklık değerine
kaynama noktası denir. Kaynama noktası maddeler için ayırt edici bir
özelliktir.
Buharlaşma Isısı
Kaynama noktasına gelmiş 1 gram sıvı maddenin tamamının aynı sıocaklıkta
gaz haline gelmesi için verilmesi gereken ısıya buharlaşma ısısı denir.
Buharlaşma ısısı Lb ile gösterilir. Kaynama sıcaklığındaki m gramlık
maddeyi gaz haline getirmek için verilmesi gereken ısı miktarı,
Q=m.Lb bağlantısı ile bulunur.
Suyun buharlaşma ısısı Lb = 540 cal/g dır. Buharlaşma ısısı maddeler
için ayırt edici bir özelliktir.
Gaz halindeki bir maddenin ısı verilerek sıvı hale geçmesine yoğunlaşma
denir. Erime ve donmada olduğu gibi, yoğunlaşmada, kaynamanın tersidir.
Dolayısıyla bir maddenin kaynama sıcaklığı ile yoğunlaşma sıcaklığı
eşittir. Buharlaşma ısısı ile yoğunlaşma ısısı da eşittir.
SÜBLİMLEŞME
Bazı katı maddeler ısı enerjisi alarak sıvı hale geçmeden doğrudan gaz
hale geçerler. Bu olaya süblimleşme denir. Naftalin, ernet ve bazı koku
yayan maddelerin zamanla azaldığı görülür. Fakat sıvılaştığı görülmez.
Kaynama ve Yoğunlaşmaya Etki Eden Faktörler
Yine erime ve donmada olduğu gibi, kaynama ve yoğunlaşmaya etki eden
faktörler vardır. Basınç ve maddenin saflığının değiştirilmesi, kaynama
sıcaklığını etkiler.
Kaynama olayının gerçekleşmesi için, buhar basıncının atmosfer basıncına
eşit olması gerekir.atmosfer basıncı artarsa, ağzı açık kaptaki sıvının
kaynaması zorlaşır. Dolayısıyla sıvı daha düşük bir sıcaklıkta kaynar.
Deniz yüzeyinde 100 C de kaynayan arı su Ankara da 96 C, Erzurum da 94C,
Everest in tepesinde 75 C de kaynar.
Saf sıvı içinde karıştırılan farklı maddeler sıvının saflığını bozar.
Saflığı bozulan sıvının kaynama noktası değişir. Örneğin suyun içine tuz
karıştırılırsa, kaynama noktası yükselir.
<- Çaydanlığın Şarkısı ->
çaydanlığı su kaynatmak için ocağın üzerine koymamızdan hemen sonra
çıkmaya başlayan tıslama sesi (çaydanlığın şarkı söylemesi olarak da
bilinen ses) hepimiz için bildiktir. Bu ses zamanla artar ve su
kaynamaya başladığında da hemen kesilir. Suyun hazır olduğunu, yanı
kaynadığını su sesin kesilmesinden anlarız. Çaydanlığın şarkı
söylemesine neyin yol açtığını hiç merak ettiniz mi?
<- Açıklama ->
çaydanlığın içindeki suyun önce alt tabakası ısınır. Sıcaklık
yükseldikçe dipte buhar kabarcıkları (hava kabarcıkları değil) oluşur.
Sudan daha hafif olduklarından yukarı doğru yükselen bu kabarcıklar üst
kısımda daha soğuk olan su tabakasıyla karşılaştıklarında sönerler. Çok
sayıda kabarcığın sönüşü biz tıslama sesi olarak duyarız. Yani bu ses
oluşup sönen kabarcık sayısı arttıkça artar. Çaydanlıktaki suyun tamamı
kaynama noktasına kadar ısıtıldığında, buhar kabarcıkları sönmezler;
çünkü üst kısımda karşılaşacakları soğuk tabaka kalmamıştır. Bu durumda
artık tıslama sesi duyulmaz; çaydanlıktaki suyun tamamı kaynamaktadır.
Suyun Hal Değişim Grafiği
Deniz düzeyinde bir parça saf buz ısıtıldığında önce sıcaklığı artar.
Erime sıcaklığına geldiğinde hal değiştirmeye başlar ve buzun tamamı
eriyinceye kadar sıcaklığı değişmez. Isı enerjisi verilmeye devam
edildiğinde, suyun sıcaklığı artar ve 100 C de kaynamaya başlar. Sıvının
tamamı bitinceye kadar sıcaklık değişmez.
Bu açıklamaya göre buzun sıcaklık – alınan ısı grafiği şekildeki gibi
olur.
Buzun erime ısısı, Le = 80 cal/g, Buharlaşma ısısı Lb = 540 cal/g dır.
Dolayısıyla 0 C taki 1 gram buzu eritmek için 80 calorilik ısı
gerekirken, 100 C taki 1 gram suyu gaz haline getirmek için 540 calori
gerekmektedir.
Bundan dolayı, Q1 < Q2 dir.
Grafikteki doğruların eğimi,
Tan a = T = 1 dir
Q m.c
Buzun öz ısısı 0,5 cal/g.C, suyun öz ısısı 1 cal/g.C olduğundan, öz
ısısı küçük olan doğrunun eğimi daha büyüktür.
Madde ısı hızı sabit olan ocakla ısıtılıyorsa. Isı ekseni yerine zaman
ekseni alınabilir. 110 C sıcaklığındaki su buharından düzgün bir şekilde
ısı alınırsa, buharın önce sıcaklığı azalır ve 100C de yoğunlaşmaya
başlar. Tamamen yoğunlaşarak su haline geldiğinde sıcaklık azalarak 0 C
ta dolar ve buz olur. Bu durumda sıcaklık – zaman yada sıcaklık –
maddeden alınan ısı grafiği şekildeki gibi olur.
Örnek…7
-10 ta 10 gram buzu ancak eritebilen ısı enerjisi, 0 C sıcaklıktaki 20
gram suyun sıcaklılığı kaç C yükseltir?
(C buz = 0,5 cal/g C, L buz = 80 cal/g, C su = 1 cal/g. C )
Çözüm….
Buzun sıcaklığı – 10 C tan, erime sıcaklığı olan 0 C ta için verilmesi
gereken ısı,
Q1 = m . c . T
Q1 = 10 . 0,5 . 10 = 50 calori
0 C taki buzu tamamen eritebilmek için gerekli ısı,
Q2 = m . L buz
Q2 = 10 . 80 = 800 calori
Q toplam = Q1 + Q2
= 50 + 800 = 850 calori
bu kadar ısı enerji ile 0 C taki suyun sıcaklığının kaç derece
yükseleceğini bulalım.
Q = m su . c . T
850 = 50 . 1 . T
T = 85 = 17 C olur
5
GENLEŞME ve SIKIŞTIRILABİLİRLİK
Isıtılan bütün maddelerin boylarında uzama, yüzeylerinde ve hacimlerinde
artma olur. Günlük hayatımızda değişik yerlerde, örneğin elektrik
tellerinin kızın gergin yazın sarkık olması, tren rayları döşenirken bir
miktar boşluk bırakılması, demir köprülerin makara üzerine oturtulması
gibi hemen hepimiz maddelerin bu özelliğini gözleriz.
Bu olayların açıklanabilmesi için, maddenin ısıtılması veya soğutulması
durumundaki davranışlarının bilinmesi gerekir. Gözlemlerimize göre bir
maddenin ısıtıldığında veya soğutulduğunda boyutlarında değişme olduğunu
biliriz. İşte sıcaklığı değiştirilen maddelerin, boy, yüzey yada hacim
olarak değişiklik göstermelerine genleşme denir. Genleşme ister katı
ister sıvı isterse gaz olsun maddelerin bütün hallerine ilişkin bir
özelliktir. Maddenin fiziksel haline göre, tanecikler arasındaki yani
atom yada moleküller arasındaki uzaklık küçük yada büyüktür. Katı halde
tanecikler bir birine çok yakınken, gaz fazında çok uzaktır.
Eğer maddelerin üzerine basınç uygulanacak olursa, tanecikler arasındaki
uzaklıklar azalır ve madde sıkışır. Gazların sıkışması katı ve sıvıya
göre çok daha fazladır. Düşük basınçlarda, gazlarda sıkışabilirlik ve
sıcaklıkla genleşme maddenin cinsine bağlı değildir.
Katılarda, atomlar arası uzaklık çok küçük olduğu için bunları
sıkıştırarak hacimlerinin küçültmek çok zordur. Ama gazlarda atom yada
molekül birbirlerinden uzakta olduğu için sıkıştırıldıklarında
yaklaşırlar ve hacimleri küçülür.
<- Fincandaki Kaşık ->
bazıları porselen fincanlara çay doldurmadan önce fincana metal bir
kaşık koyarlar. Niye? Hangisi daha zor kırılır, ince bir fincan mı yoksa
kalın bir fincan mı?
<- Açıklama ->
Metal kaşık konulmasının nedeni metalın ısı yalıtımı yüksek oluşuyla
ilgilidir. Fincana sıcak çar konulurken, fincanın önce iç yüzeyi ısınır,
dış yüzey sıcaklıktan daha geç etkilenir. Isının bu eşit olmayan
dağılımı, fincanın bütününde eşit olmayan bir genleşmeye ve dolayısıyla
çatlaklara yol açar. Dolayısıyla kalın kenarlı bir fincan ince
kenarlıdan daha kolay kırılır.
A. KATILARDA GEBNLEŞME
Maddeyi oluşturan tanecikler arasında elektriksel bir çekim kuvveti
vardır. Katılarda bu kuvvetler çok büyük olduğundan, katı maddenin
tanecikleri yalnız ileri geri titreşim hareketi yaparlar.
Eğer katı maddelere ısı verilerek sıcaklıkları artırılırsa, taneciklerin
kinetik enerjileri artar. Bunun sonucu olarak titreşim hareketi artar.
Tanecikler birbirinden uzaklaşırlar ve katının hacmi yada boyutları
büyür. Sıcaklık artışı tanecikler arası uzaklığın artmasına yani
genleşmeye neden olur.
Katı madde, tel şeklinde ise boyca uzaması, ince levha şeklinde ise,
hacimce genişlemesi, bunların dışında küre ve silindir gibi şekle sahip
ise, hacimce genişlemesi ile ilgilidir. Tel şeklindeki katı maddelerin
kesitlerindeki genleşme, boyundaki genleşmenin yanında çok küçük kaldığı
için dikkate alınmaz. Aynı şekilde levha şeklindeki katının
kalınlığındaki genişleme, yüzeyindeki genleşmenin yanında çok küçük
kaldığı için dikkate alınmaz.
Katıların Boyca Uzaması
Isıtılan bir maddenin boyca uzama miktarı, ilk boyuna, sıcaklık artışına
ve katı maddenin cinsine bağlıdır. Katını kesit alanına bağlı değildir.
Örneğin uzunluğundaki bir metal çubuğun sıcaklığı T C artırılırsa ( T =
T2 – T1 ) boyu kadar uzar. Çubuğun bu boyca uzama miktarı,
Bağlantısı ile hesaplanır.
Bu bağlantıdaki boyca uzama katsayısıdır, birimi (1/ C) dir.
Boyca Uzama
Bir cismin birim uzunluğunun sıcaklığı 1 C artırıldığında, meydana gelen
uzama miktarı boyca uzama katsayısı denir. Boyca uzama kat sayısı
maddeler için ayırt edici bir özelliktir. İlk boyu olan bir metal
çubuğun sıcaklığı T C artırılırsa, son boyu,
Olur
>UYARI<
Uzama katsayısı katı maddeler için ayırt edici bir özelliktir.
Çubuk şeklindeki maddelerin boyca uzaması kesit alanına bağlı değildir.
Aynı maddeden yapılmış, ilk boyları eşit olan çubukların sıcaklıkları
eşit olarak artırılırsa,
kalın olan çubuk ile ince olan çubuğun boyları eşit olarak artar.
Genleşmenin tersi büzülmedir. Bir çubuk sıcaklığı artırıldığında ne
kadar uzuyorsa ilk duruma göre sıcaklığı eşit miktar azaltılırsa eşit
miktar kısalır.
Uzama katsayısı büyük olan çubuk, ısıtıldığında fazla uzar,
soğutulduğunda ise fazla kısalır.
B. SIVILARDA GENLEŞME
Isıtılan bir sıvı hacimce genleşir. Sobanın yanına koyulan dolu şişedeki
suyun taşması, sıcak suyla dolu şişenin soğuyunca su seviyesinin
düşmesi, sıvının genleştiğini gösterir. Ancak şişeden taşan su, şişeye
oranla fazla genleşen su miktarı olduğu unutulmamalıdır. Hava sıcaklığı
artınca termometrede cıva düzeyi yükselir. Bu olaylar sıvıların
genleştiğini gösterir.
Sıvılar ısıtılırsa, sıvı moleküllerin kinetik enerjileri de artar.
Moleküllerin hareketleri hızlanır ve aralarındaki boşluklar artar.
Böylece sıvı genleşir. Isıtılan su üç boyutlu genleşeceği için sıvının
hacmi artar.genleşme sıvılar için ayırt edici bir özelliktir. Her sıvı
için sıvının özelliğine göre bir genleşme kat sayısı vardır. Bir sıvının
T1 C sıcaklığındaki hacmi, Vo olmak üzer, sıvının sıcaklığı T2 C ta
çıkarıldığında sıvının genleşme miktarı ( V)
Bağlantısı ile hesaplanır.
Bağıntıdaki T = T2 – T1 sıcaklık değişimi, a a hacimce genleşme
katsayısıdır.
Eğer aynı hacimdeki ve sıcaklıktaki farklı sıvıların sıcaklıkları eşit
miktar artırılırsa, farklı miktarda genleştikleri gözlenir. Dolayısıyla
sıvıların genleşme miktarları ilk hacimlerine, sıvının cinsine ve
sıcaklık artışına bağlıdır.
Su diğer sıvılardan farklı şekilde genleşir. +4 C ta hacmi en küçük
değerini alır. +4 C tanitibaren hacmi artar ve 0 C taki hacmi ile +8 C
teki hacmi eşit olur. Hacmin minimum olduğu +4 C ta öz kütlesi maksimum
değerini alır. Öz kütlesi büyük olan sıvı altta olduğu için, su
birikintilerinin, göllerin ve denizlerin dip kısımlarındaki sıcaklık +4 C
civarındadır.
Örnek…14
Taban alanları S, 2S, 2S ve düşey kesiti şekildeki gibi olan silindirik
kaplarda h yüksekliğine kadar aynı cins sıvı vardır.
Suların sıcaklıkları eşit miktar artırılırsa, yükselme miktarı olan h1,
h2, h3 arasındaki ilişki ne olur?
Çözüm…
1. kapta V hacimde sıvı var ise, 2.ve 3. kaplarda 2V hacminde sıvı
vardır. V = Vo . a . T bağlantısına göre, 1. kaptaki sıvının hacmindeki
artış V kadar ise, 2. ve 3. kaplarda 2 V dir.
Bu hacimce artış miktarlarının yükseldiği kısım kesit alanına göre, sıvı
düzeylerindeki artışlar belirlenir. 3. kaptaki sıvının hacimce artışı
1. kaptakinin iki katı, fakat sıvının yükseldiği kesit alanı da iki kat
olduğu için h1 = h2 olur.
1. ve 2. kaplarda sıvının yükseldiği kesit alanları eşit fakat 2.
kaptaki hacim artışı iki kat olduğu için h2 = 2h1 olur.
Buna göre sıvı düzeylerin yükselme miktarları arasında
h1 = h3 < h2 ilişkisi vardır.
C. GAZLARDA GENLEŞME
Isıtılan gazlar genleşir. Gaz moleküllerinin kinetik enerjileri artar.
Buda gaz moleküllerinin arasındaki uzaklığın artmasına neden olur.
Çeşitli gazlarla yapılan deneylerde, normal şartlar altında bütün
gazların birim hacimlerinin genleşme miktarlarının yani genleşme kat
sayılarının aynı olduğu görülmüştür. Genleşme kat sayılarının eşit
olması genleşmenin gazlar için ayırt edici bir özellik olmadığını
gösterir.
Hacimlerinin ve sıcaklıklarının aynı olan iki gazın basınçları sabit
kalmak şartı ile, sıcaklıkları eşit miktar yükseltilirse, ikisi de eşit
miktar genleşir.
Az şişirilmiş ve ağzı bağlı esnek bir balon sıcak su üzerine konulursa
balonun içindeki gazın genleştiği ve balonun şiştiği gözlenir. Yani
ısıtılan gazlar genleşir.
>UYARI<
gazların genleşme katsayısı sıvılarınkinden, sıvılarınki de
katılarınkinden daha büyüktür.
Sıkıştırabilirlik
Katı, sıvı ve gazlar ısıtıldığında genleşir. Soğutulduğun boy ve hacimce
küçülür, yani sıkışabilir. Acaba ısınmadan basınç etkisi ile maddenin
hacmi küçülebilir mi?
Gazlar, bulundukları hacme göre daha küçük bir hacme sıkıştırılabilir.
Örneğin bir otomobil lastiğine havanın sıkıştırılması gibi. Bu
sıkıştırma bütün gazlar için aynıdır.
Sıvılar ve katılar hemen hemen hiç sıkışmaz. Basınç yapılarak bir
sıvının yada katının hacmi küçültülemez.
Soru…
Katı bir cismin sıcaklığının aldığı ısı enerjisine bağlı değişim grafiği
şekildeki gibidir.
Cismin katı halinin öz ısısı c, erime ısısı L olduğuna göre, c oranı
kaçtır.
L
Çözüm…
Katı maddelerin sıcaklığının 30 C den 60 C ye çıkarılması durumundan
faydalanarak öz ısısı buluna bilir. Cisim bu aralıkta 30 cal. Isı
enerjisi almıştır.
Q = m . c . T
30 = m . c . (60-30)
c = 1 olur.
m
Katı cisim sıvı haline gelirken 100 – 30 = 70 calorilik ısı enerjisi
almıştır.
Q = m . L den
70 = m . L
L = 70 dir.
m
1
c = m = 1 olur.
L 70 70
m
Soru…
Isıca yalıtılmış bir ortamda – 10 C deki 50 gram buzun, 80 C de su
haline getirilebilmesi için verilmesi gereken ısı enerjisi kaç cal. dir?
( C buz = 0,5 cal/g. C ; Le = 80 cal/g. ; C = 1 cal/g. C )
Çözüm…
Buzun sıcaklığını – 10 C den, 80 C ye çıkarmak için verilmesi gereken
ısı enerjisi üç aralıkta ayrı ayrı bulunup, üçünün toplamına eşit olur.
Q = Qı + Qıı + Qııı
Q = m . c buz . T1 + m . L + m . c su . T2
Q = 50 . 0,5 . 10 + 50 . 80 + 50. 1 . (80-0)
Q = 8250 cal. olur.
Soru…
Isıca yalıtılmış boş bir silindirik kap X ve Y musluklarında akan suyla
doldurulmak isteniyor. Musluklardan akan suyun hacim – zaman grafiği
şekildeki gibi değişiyor.
X ten akan suyun sıcaklığı 20 C, Y den akan suyun sıcaklığı 50 C
olduğuna göre, 3t anında kapta toplanan suyun sıcaklığı kaç C olur?
Çözüm…
Grafikteki verilere göre, 3t anına kadar her iki musluktan 2V hacmine su
akmıştır. Yani akan suların kütleleri eşittir.
Q alınan = Q verilen
m . c . (Tson – Tx) = m . c . ( Ty – Tson)
Tson – 20 = 50 – Tson
2Tson = 70
Tson = 35 C olur.
Yada, musluktan akan su hacimleri eşit olduğundan, denge sıcaklığı, akan
suların sıcaklık toplamının yarısına eşittir.
Yani, Tson = Tx + Ty
2
Tson = 20 + 50
2
Tson = 35 C dir.
