Isı ve Sıcaklık

Güneş ışınları yer yüzüne ulaşınca, üzerine düştüğü taş, toprak, su gibi maddeler ısınır; ışınların bir kısmı ısıya dönüşür. Yazın çok ısınan taş, kum, toprak gibi maddelerin sıcaklığı artığından üzerine çıplak ayakla basamayız. Isıtılan bakır tencerenin de bir süre sonra sıcaklığı artarak, elimizi yakacak duruma gelir. Yeteri kadar ısıtılmış olan odun ya da kağıt parçası ise tutuşur.

Petrol ürünleri, odun, kömür gibi yakıtların yapılarındaki enerji, bu yakıtlar yandığında ısıya dönüşür.

Elektrik enerjisi, maddenin iç enerjisi, ışık enerjisi, ses enerjisi, güneş enerjisi gibi ısı da bir enerji çeşididir. Yemek pişirmede, ısınmada, makinelerin, motorların, fabrikaların,santrallerin çalıştırılmasında bu ısıdan yararlanırız. Isı enerjisini üretebilmek için önce diğer bir enerji türünün tüketilmesi gerekir. Söz gelişi kömür yanmadan ısı enerjisi elde edemeyiz. Yanma sırasında kömürdeki kimyasal enerji ısı enerjisine dönüşür.

Elektrik enerjisi; elektrik ocağı, ütü, ısıtıcı, fırın gibi araçlardaki tellerde ısıya dönüşür. Biz de bu enerjiyi çeşitli işlerimizi yapmada kullanırız.

Maddeler katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç halde bulunurlar. Her üç halde de maddelerin moleküllerinden ve atomlardan oluştuğunu biliyoruz.

Katı bir maddenin molekülleri bulundukları yerde titreşim hareketi yapar. Sıvının molekülleri birbiri üzerinde kayarak yer değiştirirler. Gazlarda ise moleküller bulundukları kabın içinde bağımsız olarak her yöne hareket ederler. İster katı, ister sıvı, ister gaz halinde olsun, belli sıcaklıktaki her maddenin molekül ve atomları hareketlidir.

Molekül ya da atomlar değişik hızlarla hareket ettiklerinden hepsinin hızları birbirine eşit değildir. Buna göre her atom ya da molekülün ortalama bir kinetik enerjiye sahip olduğunu söyleyebiliriz.

Her bir molekülün sahip olduğu kinetik enerjinin değeri çok küçüktür. Bu nedenle tek tek moleküllerin kinetik enerjilerini hissedemeyiz. Herhangi bir maddeyi oluşturan moleküllerin sayısı oldukça fazladır. Sayılamayacak kadar çok sayıdaki moleküllerin kinetik enerjilerinin toplamı çok büyük değerlere ulaşır. Biz bu toplam enerjiyi ölçebiliriz.

Büyün moleküllerin sahip olduğu kinetik enerjilerin toplamını o maddeyi oluşturan molekül sayısına böleriz. Böylece molekül başına düşen ortalama kinetik enerjiyi elde ederiz. Bu da bize o maddenin sıcaklığı hakkında bir fikir verir.

Moleküllerin hareketleri arttıkça, kinetik enerjileri artar. Bu ise molekül başına düşen ortalama kinetik enerjinin; kısaca sıcaklığın artmasıdır. Buna göre sıcaklık bir maddedeki moleküllerin ortalama kinetik enerjileri ile ilgili bir büyüklüktür.

Bir maddeye ısı verildiğinde moleküllerin hareketi hızlanır ve kinetik enerjileri artar. Kısaca moleküller kinetik enerji kazanır. Böylece ısı enerjisi kazanan maddelerin sıcaklıkları yükselir.

Soğuyan maddelerde ise moleküllerin hareketi yavaşlar. Bu da moleküllerin kinetik enerjilerinin azalması demektir. Isı enerjisi kaybeden maddelerin sıcaklıkları düşer.

Anlatılanlardan da anlaşılacağı gibi ısı ile sıcaklık aynı kavramlar değildir. Buna örnek verelim.

Kaynamakta olan çaydanlıktaki sudan bir çay bardağı su alalım. Çaydanlıktaki ve çay bardağındaki suların sıcaklıkları aynıdır. Fakat ikisindeki ısı miktarları birbirine eşit değildir. Çaydanlıktaki sıcak su ile daha çok buz eritebiliriz. Bir bardak sıcak su ile eritilen buz çok azdır. Çaydanlıktaki suyun ısısı bir bardak suyun ısısından daha fazladır.

SICAKLIK

Bir cismin ne kadar sıcak olduğunun ölçüsüdür. Derideki duyu alıcılarının yardımıyla bir cismin sıcaklığı konusunda kabaca da olsa bir izlenim denebilir. Ama sıcaklığın tam olarak bilinmesinin gerektiği işlerde ya da derinin dayanabileceğinden daha sıcak ve daha soğuk cisimlerin ölçümünde termometre kullanılır. Sanayi fırınlarındaki gibi çok yüksek sıcaklıkların ölçümünde ise pirometrelerden yaralanılır.

Termometrenin üzerinde bir sıcaklık ölçeği vardır. Pek çok ülkede kullanılan Celsius ölçeğine göre, buzun erime noktası 0 derece, suyun kaynama noktası 100 derecedir. Bugün ABD`de kullanılmakta olan Fahrenheit ölçeğine göre buzun erime noktası 32 derece, suyun kaynama noktası ise 212 derecedir. Kelvin ise bilim adamlarının kullanır.

Bir cismin sıcaklığı moleküllerinin titreşim hızına bağlıdır. Molekülleri ne kadar hızlı titreşirse cisim o kadar sıcak, ne kadar yavaş titreşirse cisim o kadar soğuk olur. Moleküller hareket halinde olduklarından kinetik enerjiyi sahiptir. Bir cismin sıcaklığı moleküllerinin ortalama enerjisini gösterir. Eğer herhangi bir cisim, moleküllerinin tamamen hareketsiz hale geleceği ve tüm hareket enerjilerini yitireceği bir noktaya kadar soğutulabilseydi, böyle bir noktada artık hiçbir iç enerji bulunmazdı. Hiçbir cisim bundan daha soğuk olamaz. Mutlak sıfır denen bu sıcaklık yaklaşık –273 santigrat derecedir. Mutlak sıfıra ulaşmak imkansızdır; ama bilim adamları bu noktanın derecenin milyonda biri kadar yakınına ulaşabilmeyi başarabilmişlerdir.

Diğer bütün memeliler ve kuşlarda olduğu gibi, insan vücudu da çevre sıcaklığından bağımsız olarak belli bir sıcaklığı korur ve bu sıcaklık pek az değişir. İnsanın normal vücut sıcaklığı 36,9 santigrat derecedir. Normal vücut sıcaklığı insandan insana ve ölçümün yapıldığı vücut bölgesine göre çok hafif bir değişim gösterir.

Sıcaklığın Ölçülmesi

Kaynamakta olan çaydanlığa elinizi dokunmaktan sakınırız. Çünkü onun çok sıcak olduğunu ve elimizi yakacağını biliriz. Bir buz parçasını elimize aldığımızda elimizin üşüdüğünü hisseder, buzun çok soğuk olduğunu belirtiriz.

Buna göre bir maddenin sıcak ya da soğuk olması, onun sıcaklık derecesi ile ilgilidir. Sıcak olan bir maddenin sıcaklık derecesi yüksek, soğuk olanın ise sıcaklık derecesi düşüktür.

İki  maddeden hangisinin sıcak ya da soğuk olduğunu dokunma duyumuzla anlayabiliriz. Fakat her sıcaklığı ölçmede dokunma duyumuz yeterli olmayabilir. Dokunma duyumuzun dayanabileceği sıcaklık derecesine kadar olan sıcaklıklar ile ilgili kabaca bir fikir ediniriz. Bunu da sıcak, soğuk, ılık biçiminde belirtiriz. Dokunma duyumuzu kullanarak sayısal bir değer vererek yanılma ihtimali yüksektir.

Bu nedenle sıcaklık ölçülürken, kesin ve doğru değerler veren araçlar kullanılır. Bir maddenin sıcaklık derecesini sayıyla gösterebilen bu araçlara termometre adı verilir.

Termometre Çeşitleri

Isınınca genleşmeleri sıcaklıkla orantılı olan katı, sıvı, gaz maddelerden çeşitli termometreler yapılmıştır. Çok yaygın olarak kullanılan sıvılı ve metal termometrelerdir.

Sıvılı Termometreler:

Sıvılı termometrelerde genleşmeleri büyüyen ve sıcaklıkla orantılı olan sıvılar kullanılır. İnce cam boru içindeki sıvı; cıva ise cıvalı termometre, alkol ise alkollü termometre adını alır.

Cıva –39 santigrat derecede donar, 357 santigrat derecede kaynar. Cıvalı termometreler ile –39 santigrat derece ile 357 santigrat derece arasındaki sıcaklıkları ölçebiliriz. Çok soğuk kış günlerinde bu termometreler kullanılmaz. Bunu yerine donma sıcaklığı daha düşük olan alkollü termometreler kullanılır. Çünkü alkol yaklaşık olarak-115 santigrat derecede donar. Bu termometreleri kutuplarda kullanmak mümkündür. Ancak kılcal boru içindeki sıvının iyi görülebilmesi için kırmızı, mavi, sarı vb. renkli boya maddeleri ile boyanması gerekir. Sıvılı termometreler kullanıldıkları yerlere göre çeşitli isimler alırlar. Duvar termometresi, laboratuar termometresi ve hasta termometresi gibi.

Hasta Termometresi:

Cıvalı bir termometredir. Vücut sıcaklığını ölçmede kullanılır. 35 santigrat derece ile 42 santigrat derece arasındaki sıcaklıkları 1/10 incelikle ölçer. Bu termometrelerin haznesi ile kılcal borunu birleştiği yerde bir boğum bulunur. Vücut sıcaklığı ölçüldükten sonra termometre sapından tutularak sallanır. Neden? Yeni bir ölçmeye hazır olan termometre ağız içi  ya da koltuk altına konularak vücut sıcaklığı ölçülür.

Metal Termometre:

Cıvalı ve alkollü termometreler ile ölçülemeyen sıcaklık derecelerini ölçmek için metal termometreler kullanılır. Metal termometreler ile 1600 santigrat dereceye kadar olan yüksek sıcaklıklar ölçülebilir. Fabrika ve fırınlar kullanıldığı yerlerdir.

GÜNLÜK HAYATIMIZDA ISI VE SICAKLIK

Bir kibrit alevi ile yemeğimizi pişiremeyiz. Genellikle evlerimizdeki ocaklarda 12 kg’lik tüpler içinde sıvılaştırılmış petrol gazı kullanırız. Bu tüp içindeki gaz yandığında yaklaşık 40 gün yemeğimizi pişirebiliriz. Aynı gazı verdiği ısı ile odamız 7-8 gün ısıtılabilir. Çünkü tüpün içindeki ısı kibrit alevinin verdiği ısıdan çok fazladır. Bir ton taş kömürünün verdiği ısı, iki ton linyitin verdiği  ısıdan daha fazladır. Bu yüzden ton başına fiyatı linyitin iki katı da olsa linyit yerine taş kömürü alan karlıdır. Çünkü aynı para ile daha çok ısı satın almaktadır. Sonuç olarak ısı alınıp satılan bir enerji çeşidi olmaktadır. Isı enerjisi doğrudan ölçülemez. Isı miktarı hesapla bulunur. Birimi joule ‘dir.  Isıyı ölçmede kullanılan araç ise kalorimetredir.

Her gün dinlediğimiz hava raporlarında derece santigrat cinsinden verilen değerler sıcaklıklardır. Giyimimizi havanın sıcaklığına göre ayarlarız. Denize girerken bizim için önemli olan suyun sıcaklığıdır. Sıcak maddenin, soğuk maddeden daha yüksek olan özelliği sıcaklığıdır. Maddelerin sıcaklığı doğrudan ölçülebilir. Sıcaklığı ölçmede kullanılan araç termometredir. Birimi ise santigrat derecedir.

Bir Cismin Sıcaklığının Artmasını Sağlayan Fiziksel Enerji: ISI

Isı bir cismin sıcaklık derecesini belirten enerjidir. Isı miktarıyla sıcaklık doğru orantılıdır. Bir cismin üzerindeki ısı arttıkça o cismin sıcaklığı da artar.

Fizik biliminin büyük dallarından biri de ısı bölümüdür. Dünyamızda geçen hemen hemen her olayda ısı önemli bir yer tutar, insanların yer yüzünde ilk olarak karşılaştıkları tabiat olaylarından biri de ısı olmuştur.

İnsanlar, tabiat olaylarının sebeplerini, kanunlarını araştırmaya başladıktan sonra, ısının ne olduğunu da merak ettiler. Önceleri ısıyı bir cisim sandılar. Ancak deneyler ısının ağırlığının olmadığını gösteriyordu. Isıtmadan önce, ısıttıktan sonra tarttıkları cisimlerin ağırlığında bir değişiklik görmediler. Öyleyse ısı gözle görülmeyen, ağırlığı olmayan, sıcak bir cisimden soğuk bir cisme geçebilen yani akışkan bir cisimdir. Buna kalorik adını verirler. 1800 yılına kadar bu inanış sürüp geldi. Ancak, bundan sonra ısının cisim olmadığını gösteren deneyler yapıldı.

Isı Üzerinde Deneyler:

Bu deneylerden ilkini aslında Amerikalı olan, bağımsızlık savaşında İngilizleri tuttuğu için sonradan İngiltere’ye kaçan Kont Rumford yaptı. Eskiden topları silindir biçimindeki demirlerin ortasını oyarak yaparlardı. Bu delme işlemi sırasında yem demir sinindir hem de deliği açan torna kalemi ısınır. Bu olaya dikkat eden Rumford ısı cisminin nereden geldiğini araştırdı. Topun çevresine ısı geçirmeyen keçe sardı, gene ısı meydana geliyordu. Kalemin hızını arttırdı, sıcaklık daha yükseldi. Bu gözlem sonunda Rumford şu sonuca vardı: dışarıya karşı yalıtılmış bir cisim kendi kendine bir cisim doğuramaz: öyleyse ısı bir cisim değil harekettir.

Bundan sonra gene İngiliz bilgini Sir Humphrey Davy çok soğuk bir kış gecesi, iki buz parçasını birbirine sürtünce, buzların eridiğini gördü. Deneyi düşük sıcaklıkta bir daha yaptı, buzlar gene eridi. Buz ancak 0 derecenin üstünde eridiğine göre sürtme sonunda buzların sıcaklığı 0 derecenin üstüne çıkmıştı. Başka bir cisimle bağlantısı bulunmayan buzlara ısı cismi nereden geliyordu? Bu sorunun karşılığını arayan Davy de ısının bir cisim olmadığı sonucuna vardı. Daha sonra İngiliz Juole’un da bir kap içindeki karıştırarak ısıtmasıyla ısının cisim olmadığı artık iyice anlaşılmış oldu.

Isı Nedir:

Bugün artık herkesin kabul ettiği kurama göre ısı, bir çeşit enerjidir. Bilindiği bütün cisimler moleküllerden, onlarda atomlardan meydana gelirler. Bu moleküller de değişmez değillerdir; sürekli olarak hareket halindedirler, kaynaşırlar. Bu kaynaşmaları moleküllerde kinetik enerji bulunduğunu gösterir. Bazı moleküllerde potansiyel enerji de vardır. Bir cisme dışardan ısı enerjisi verirsek, cismin toplam kinetik ve potansiyel enerjisinde bir değişme olmaz. Bu enerji moleküllere geçer, onların hareketini güçleştirir. Bu yüzden, birbirine sürtülen iki cisim ısınır. Sürtünmeyle verilen enerji, moleküllerin hareketini arttırır, bunu sonunda da cisimler ısınır. Çekiçle dövülen demirin ısınması da bundandır. Vurma sırasında cisimlere verilen enerji onların moleküllerinin artırmış, dolayısıyla cisimleri ısıtmıştır.

Demek ki ısı bir enerjidir. Katı  ve sıvı cisimlere verilirse onların moleküllerinin hem kinetik, hem de potansiyel enerjiler4ini arttırır. Gaz halindeki cisimlere verilirse moleküllerin yalnız kinetik enerjisi artar.

Isının Cisimler Üzerindeki Etkileri

        1 ) Katılarda:

Bir cisme ısı verilirse o cismin sıcaklık derecesi yükselir. Bunun için cisimlerin sıcaklık derecesi belirtilmiştir. Saf suyun donduğu sıcaklık derecesi 0, kaynadığı sıcaklık derecesi de 100 kabul edilmiştir. Bu iki değerin arası 100 eş parçaya bölünmüştür. Bu bize santigrat sıcaklık derecesini verir. C ile gösterilir. Bundan başka Fahrenhayt ve Reomür sıcaklık dereceleri vardır.

Uzatma Katsayısı. Genel olarak, cisimlere ısı verilince boyutları uzar. Bir maden çubuğu bütün uzunluğu boyunca ısıtıldıktan sonra ölçersek boyunun soğuk durumuna göre arttığını görürüz. Bu uzama her cisimde aynı değildir. Aynı ısı değerleri için cisimlerin uzamaları farklıdır. Bunu belirtmek için uzama katsayısı kullanılır. Bir cismin birim uzunluğunun 1 santigrat derece sıcaklık farkında uzadığı miktara o cismin uzama katsayısı denir.

2 ) Sıvılarda:

 Sıvılar da genel olarak ısı aldıkları zaman hacimce genleşirler. Yalnız, sıvıların belli bir hacimleri olmadığı için bir kap içinde bulundurulurlar. Isıyla hacim değişmesini incelerken kabın genleşmesini de göz önünde bulundurmak gereklidir. Yoksa, bulunan sonuçlar yanlış olur.

Ergime Isısı. Katı bir cismin birim kütlesini sıcaklığını değiştirmeden ergitmek için verilmesi gereken ısı miktarına o cismin ergime ısısı denir. Bu değer su için 80 kaloridir. Yani, 1 gram buz 0 santigrat derecesinde ergirken çevresinden 80 kalori alır, 1 gram buz donarken çevresine 80 kalori verir.

Basıncın Etkisi. Bir sıvının donma noktası sıvı üzerine yapılan basınçla değişir. Donma sırasında büzülen sıvılarda basınç arttıkça donma noktası daha büyük değerlere kayar. Donma sırasında genişleyen sıvılarda ise durum tersleşir. Onun için, ısı problemlerinde basıncın da göz önünde tutulması gereklidir.

Kolaylık için normal şartlar tarif edilmiştir. 76 sm. hava basıncı ve 0 santigrat derecesine normal şartlar denir.

Buharlaşma Olayı. Bir cismin gaz haline geçmesine buharlaşma olayı denir. Üç bölümü vardır;

1) Buharlaşma

2) Kaynama

3) Süblimleşme

1) Buharlaşma: Sıvının sadece yüzeyindeki kısımlarının buhar haline geçmesidir.

2) Kaynama: Sıvının yalnız yüzeyinde kalmayıp bütününe yayılan buharlaşmadır. Kaynama sonunda bütün sıvı buhar haline geçer. Bir sıvıyı kaynatmak için ona ısı verilmesi gerekir. Bir sıvının birim kütlesini sıcaklığı değişmeksizin, buhar haline geçirmek için verilmesi gereken ısıya buharlaşma ısısı denir. Bu değer su için 539 kaloridir; yani 1 gram suyu buharlaştırmak için ona 539 kalori verilmelidir.

3) Süblimleşme: belli sıcaklık ve basınç altında bir cismin, katı halinden, doğrudan doğruya gaz haline geçmesidir. Naftalin normal şartlarda bu özelliği gösterir.

                                 suna Gülçek-ders notlarım-fenciyim.com