Atölye Çalışması 2 Dersi 1. Ünite Özet

Metallerin Boyca Uzaması

Giriş

Anneniz veya babanız sizleri küçükken mutlaka uyarmışlardır. Nasıl mı? Şöyle; sıcak bir yemek yerken soğuk su içmemenizi, soğuğun hemen üzerine de sıcak birşey ağzınıza koymamanızı öğütlemişlerdir. Uyarılar dikkate alınmadığında, dişlerimizin çatlayabileceği ve ömrünün kısalabileceği tehlikesiyle karşı karşıya kalırız.

Evlerinde bulaşık makinası olanların da belki başlarından geçmiş olan, bulaşık yıkandıktan sonra bir bardağın çatlaması veya kırılması durumudur. Bu durum, bardakların, daha fazla bardak koyabilmek için, aralarında hiç boşluk bırakmadan sıkışık olarak yerleştirilmelerinin bir sonucudur.

Kışların çetin geçtiği yörelerde, kışa girerken hep uyarırlar. “Su saatlerinizi ve açıkta varsa su borularınızı donmalara karşı koruyunuz.” Suyun, +4 °C sıcaklıkta yoğunluğu en yüksek durumdadır. Bu sıcaklığın üzerinde veya altında yoğunluğu azalır. Bunun anlamı, suyun hacmi artmıştır. Su donduğunda hacmindeki artış biraz daha fazla olmaktadır. Suyun donarken hacminin artmasına karşılık içinde bulunduğu galvanizli boru da büzülme gösterir. Sonuç olarak, suyun donmasına engel olacak önlem alınamaz ise, hepimizin bildiği su borusunun patlamasıyla karşılaşırız.

Yukarıdaki verilen örneklerde, sıcaklık değişmelerinde cisimlerin boyutlarının değiştiği vurgulanmaya çalışılmıştır. Bu değişim genellikle, sıcaklık yükselmesiyle cisimlerin boyutlarında artma şeklinde görülür ve genleşme olarak adlandırılır. Nadir de olsa bazı sıcaklık bölgelerinde, sıcaklığın artmasına rağmen bazı maddelerin boyutlarında veya hacimlerinde küçülme (suda olduğu gibi) görülebilmektedir.

Katı, sıvı ve gazların kıyaslaması yapılacak olursa, aynı sıcaklık diliminde genel olarak; gazlar sıvılardan daha fazla, sıvılar da katılardan daha fazla genleşirler. Bunlardan katılar, gaz ve sıvılardan farklı olarak, genleşirken şekillerini koruma eğilimindedirler.

Yukarıda sözü edilen farklı genleşmeler, verilen bir sıcaklık diliminde hem sıvıların ve hem de katıların kendi aralarında da geçerlidir. Genleşmelerdeki bu farklılıkları karakterize eden, maddeye veya malzemeye has bir katsayı vardır. Bu katsayıya ısıl genleşme katsayısı denilmektedir.

Isıl genleşme katsayısı ne kadar küçük olursa, malzemenin boyutlarındaki değişme o kadar az olur. Isıl genleşme katsayısının büyük olduğu malzemelerin boyutlarındaki değişme de büyük olur. Sıcaklıktaki artma veya azalma miktarı da dikkate alınırsa, malzemelerin kullanılacak alanlara göre seçimi kadar mevsimsel sıcaklık değişimleri de o kadar önemli olmaktadır.

Sıcaklık değişimlerine göre maddelerin boyutlarındaki değişmeler her ne kadar dezavantajmış gibi gösterilse de, avantajları da vardır. Örneğin; civanın, alkolün sıcaklığa bağlı olarak hacmindeki değişimini sıcaklık ölçmek için kullanıyoruz, farklı ısıl genleşme katsayısı olan metal ve alaşımlardan yapılmış sistemleri termostat olarak kullanıyoruz.

Bu deneyde, size verilen üç farklı tüp biçimindeki metallerin sıcaklığını yükselterek boyca uzamalarını gözlemleyecek ve onların bir boyuttaki ısıl genleşme katsayılarını yani, boyca uzama katsayılarını hesaplayarak size verilen değerleriyle kıyaslayabileceksiniz.

Güvenlik Önlemleri

Her laboratuvar ve her deneyin kendine uygun güvenlik önlemleri vardır. Deney düzeneklerinde mevcut olan araçların önemli bir kısmı elektrikle çalıştığından, evlerimizde bile elektrikli aletlerle uğraşırken hep dikkatli olmamız uyarıları yapılmıştır. Doğal olarak yapılan uyarılar; olası bir tehlikenin, önceden yaşanmışlığın bir sonucu olarak değerlendirilebilir. Bu uyarılar, burada olduğu gibi, sizlere yazılmış olarak da sunulabilir veya bulunduğunuz ortamda sözlü olarak ifade edilebilir veya bütün uyarılara rağmen bir arpa boyu bile yol alınmamışsa, o zaman da bir eleman görevlendirilerek insanların alınan tedbirlere uygun olarak yönlendirilmesi sağlanır.

Güvenlik ile ilgili durumlara iki açıdan bakılabilir. Örnek olarak; laboratuvarlarda bizlerin yazılı olarak hazırladığı ve kolayca görülebilen bir yere astığı madde madde güvenlik önlemleri ile sizin okumanızın ve yazılan uyarılara uymanızın beklendiği durumdur. İlk kısım; hemen hemen her yerde ilgililerin yasa ve yönetmelik gereği yapılan durumdur ve genellikle uyulur. İkinci kısım; sizlerin yapmak ve uymak zorunda olduğunuz durumdur. Genel olarak, bunca yıldır öğretim elemanı olarak görev yapıyorum, yazılan ve asılan güvenlikle ilgili uyarıları bir öğrencinin önünde durup okuduğunu görmedim, belki de bana denk gelmemiştir.

Bu kitabın ilk ünitesi olması dolayısıyla; yapacağınız deneylere ait üniteyi muhakkak önceden okumalısınız. Her ünitede ilgili deney kapsamında yazılan güvenlik önlemlerini kavramalı, onları uygulama alışkanlığı geliştirmelisiniz. Genel güvenlik önlemleri dışında, bu deney çerçevesinde dikkat etmeniz gereken noktalar aşağıda verilmiştir.

  • Deney sürecinde kullanacağınız ısıtıcı farklı olduğundan, ısıtıcı bölgesi olan kuş yuvası tabir edilen yere elinizi sürmeyiniz ve sivri bir eşya sokmayınız.
  • Su, kaynar duruma geldiğinden, çıkan buhar geçtiği yerlerin sıcaklığını 100 °C’ye çıkarabileceğinden deney aksamından hiçbir yere dokunmayınız.
  • Bir üstteki noktaya titizlikle uyunuz. Aksine bir hareket, sizin aşırı tepki göstermenize sebep olur ki, tahmin edemeyeceğiniz olumsuz bir sonuçla karşılaşabilirsiniz.
  • Deney boyunca elektrik ve yüksek sıcaklık tehdidi atında olduğunuzu unutmayınız.
  • Deney boyunca sorumluluk sizde olacağından, sakin olunuz, aceleci davranmayınız
  • Deney arkadaşınızla uyum içerisinde çalışınız ve deneyleri özverili yapınız.
  • Deney devresi tamamen kurulup yetkili öğretim elemanına göstermeden devreye elektrik bağlantısı yapmayınız.
  • Elektrik bağlantılarına dikkat ediniz.
  • Yalıtım malzemeleri eskimiş, yıpranmış ve özelliğini kaybetmiş olabilir. Bu durumu hemen ilgiliye haber veriniz.
  • Bir arıza durumunda sakın müdahale etmeye kalkmayınız ve ilgiliye haber veriniz.
  • Prizlerden fişleri çıkarmak için kablolarından tutup çıkarmayı denemeyiniz. Fişlerinden tutarak çıkarınız.
  • Gereksiz yere elektrik enerjisi tüketmeyiniz.
  • Sizlere teslim edilen araç ve gereçlere bir oyuncakmış gibi bakmayınız.
  • Sizlere teslim edilen araç ve gereçleri kullanırken özen gösteriniz.
  • Laboratuvar ile ilgili güvenlik panosunu mutlaka okuyunuz.

Teorik Bilgi

Maddeler genel anlamda katı, sıvı ve gaz olarak üç sınıfa ayrılırlar. Bunların hepsi de atomlar veya moleküllerden oluşmuşlardır.

  • Katılar: Hacim ve şekillerini korurlar. Kolayca sıkıştırılamazlar. Katıyı oluşturan parçacıklar (atomlar veya moleküller) arasında çok az bir mesafe vardır ve bu mesafenin küçük bir kısmında da hareket serbestlikleri bulunur.
  • Sıvılar: Bulundukları kısımda kabın şekline uyarlar. Kolayca sıkıştırılamazlar. Akışkandırlar. Sıvıyı oluşturan parçacıklar arasında çok az bir mesafe vardır. Parçacıklar hareket halindedir, yer değiştirirler, birbirleri üzerinden kayabilir ve geçebilirler.
  • Gazlar: Bulundukları kabın hacmine ve şekline uyarlar. Sıkıştırılabilirler. Akışkandırlar. Gazı oluşturan parçacıklar arasında serbest hareket edebilecekleri mesafe büyüktür. Parçacıklar hareket halindedir, yer değiştirirler ve birbirlerini geçebilirler.

Yukarıda belirtilen üç halde de (faz) parçacıkların bir arada olmasını sağlayan bağlar vardır. Bu bağlar, atom ve moleküllerdeki negatif ve pozitif elektrik yüklerinin birbirleriyle etkileşimleri sonucu oluşmaktadır ve kökeni bu sebeple elektrikseldir.

Maddeler faz durumlarına (hallerine) göre farklı özellik gösterirler. Aynı fazda olanların da birbirlerine göre farklı özellikler gösterdiğini hepiniz bilirsiniz. Bu özellikleri fiziksel ve kimyasal olarak da gruplayabilirsiniz.

Maddelerin özelliklerini bilmek, gerektiği yerde kullanılmak üzere, ihtiyacı duyulan bir malzemenin elde edilmesinin imkanını sağlar. Bu da teknolojinin gelişmesi demektir.

Katı maddelerin bütün özellikleri üzerinde durmayacağız. Ancak; bu ünite kapsamında yapacağınız deneyi ilgilendiren özellik üzerinde duracağız.

Katı bir madde ısıtıldığı zaman sıcaklığı artar. Sıcaklığın artması atomların kinetik enerjilerinin artması demektir. Böylece atomlar, üç yönde serbest hareket etme alanlarını genişletirler. Bu da atomlar arasındaki mesafenin artması anlamına gelir. Bundan dolayıdır ki; katılar ısıtıldıklarında, genleşirler.

Katılardaki genleşme olayı üç farklı durum için değerlendirilebilir. Bu olaylar değerlendirilirken basınç faktörü dikkate alınmayacaktır.

  • Hacimsel genleşme: Katı maddenin sıcaklığının artmasıyla hacminin büyümesidir. Katı maddeler, her sıcaklık değişiminde, her doğrultuda aynı oranda genleşiyorlar ise, izotropik madde olarak belirtilirler. Küresel bir malzeme izotropik ise, ısıtıldığında genleşir ve küresel yapısını korur. Eğer madde, her sıcaklık değişiminde, her doğrultuda farklı oranlarda genleşme gösteriyorsa anizotropik (izotropik olmayan) madde olarak bilinir. Küresel bir malzeme izotropik değil ise, ısıtıldığında genleşir ve küresel yapısı bozulur.
  • Alansal genleşme: Katı maddenin bir alanının, sıcaklığındaki değişme sonucu, boyutlarının değişerek alanındaki artma olayıdır.
  • Boyca uzama: Bir katının boyunun, sıcaklığındaki değişme sonucu, uzaması veya kısalmasıdır.

Yukarıdakilerden, deneyin amacı gereği sadece boyca uzama ele alınacaktır. Bu, diğer yönlerde malzemenin boyutlarının değişmeyeceği anlamına gelmez. Ancak; burada dikkate alınmayacaktır. İşimizi daha da kolaylaştırmak için deney malzemesi olarak uzun tüp şeklinde farklı metaller seçilmiştir.

Yapılan deneysel çalışmaların sonunda, sıcaklığı yükseltilen bir çubuğun uzama miktarının, hem boyuna ve hem de sıcaklıktaki artış miktarına bağlı olduğu görülmüştür. Bu, açıkça şu anlama gelmektedir:

  • Aynı sıcaklık artışında, boyu diğerine göre iki misli olan bir çubuğun uzama miktarı da iki misli olur.
  • Aynı boydaki iki çubuğun, birinin diğerine göre sıcaklığındaki artış miktarı iki misli olduğunda, boyundaki uzama miktarı da iki misli olur.

Yukarıda belirtilen durumlar, çok büyük olmayan sıcaklık farkları ve aynı malzemeler için geçerlidir.

Sözlerle açıklamaya çalıştığımız bilimsel gerçekler matematiksel olarak da aşağıdaki gibi ifade edilebilir;

(1.1)

Bu eşitlikteki l0 çubuğun T0 sıcaklığındaki ve l çubuğun T sıcaklığındaki uzunluğudur. Bu ifadeyi, çubuğun boyundaki değişim miktarı ile sıcaklığındaki değişim miktarı cinsinden de aşağıdaki gibi yazabiliriz;

(1.2)

Eşitlikteki ?/ (delta / diye okunur) malzemenin son uzunluğu l ile ilk uzunluğu l0 arasındaki uzunluk ve ? \small T ise malzemenin son sıcaklığı \small T ile ilk sıcaklığı \small T_{0} arasındaki sıcaklık farkıdır. Her iki eşitlikte de yer alan ? (alfa diye okunur) boyca uzama katsayısı dır ve birimi (°C) -1 ’dir. Boyca uzama katsayısı; bir cismin sıcaklığındaki değişime bağlı olarak boyunun nasıl değişeceğini tanımlar.

Her malzeme için ?’nın farklı değeri vardır. İki açıdan çok önemlidir. Birincisi; bir araya getirilerek birbirleriyle iç içe geçmiş olarak yapılan farklı malzemelerin, sıcaklık değişiminden dolayı, birbirlerine göre farklı genleşme göstereceğinden, bükülmeler, çatlamalar ve kopmalar gibi durumların ortaya çıkmasına sebep olacağıdır. İkincisi; yine sıcaklık değişiminden dolayı, köprüler, tren rayları, petrol boru hatları gibi yapılarda, önlem alınmaz ise, uzama ve büzülme sonucu olumsuzluklarla karşılaşılabileceğidir. Bunun önemli bir örneğini, soğuk kış günlerinde, içerisinde su bulunan galvanizli boruların, çatlamasında görmekteyiz.


Yaz Okulu Sınavı
4 Eylül 2021 Cumartesi