Teknolojinin Bilimsel İlkeleri Dersi 5. Ünite Özet

Giriş

Isı, sıcaklık ve genleşme fiziğin en temel konularından biridir. Isı ve sıcaklık günlük yaşantımızda sıkça kullandığımız fakat çoğu zaman birbirine karıştırılan fiziksel kavramlardır.

Sıcaklık ve Tayini

Maddenin, atom ya da moleküllerden oluştuğunu biliyoruz. Bu atom ya da moleküller devamlı titreşim hareketi yapar. Maddenin sıcaklığı artırıldığında, atom ya da moleküllerin titreşim hareketi de artmaya başlar. Bir enerji çeşidi olmayan sıcaklık; buna göre, bir sistemde rastgele hareket eden moleküllerin ortalama kinetik enerjilerinin bir göstergesidir ve duyularımızla hissedilebilen bir fiziksel olaydır. Moleküllerin sürekli titreşim hareketlerini dokunma duyumuzla hissetmemiz, sıcaklık olayını doğurmaktadır.

Sıcaklığın, cisimler üzerinde fiziksel değişimlere sebep olduğu bazı sonuçları vardır. Şöyle ki sıcaklık artınca cisimlerin yapılarında boyca veya hacimce genişleme yani genleşme olayı gözlenir.

Ölçülebilir bir fiziksel nicelik olan sıcaklık için; iki miktarının eşit olması ve toplanabilmesinin tanımlanmasını sorgulayacak olursak iki adet ölçülen sıcaklık değerinin eşitliğini belirlemek için, cıvalı bir termometre kullanılabilir.Erimiş buza sıfır ve kaynayan suya 100 sayıları karşılık getirilerek santigrat (Celsius),

• Erimiş buza yine sıfıra fakat kaynayan su 80’e ayarlanarak Reamur,
• Erimiş buza 32, kaynayan suya karşılık 212 değerleri denk getirilerek Fahrenheit dereceleri elde edilir,
• Mutlak sıcaklık ya da Kelvin ölçeğinde, erimiş buzun sıcaklığı için 273 alındığında ise kaynayan suyun sıcaklığı için 373 değerleri karşılık gelecektir.

Bir maddenin moleküllerinin kinetik enerjilerinin bir ölçüsü, sıcaklık olarak ele alınabilir. Maddenin sıcaklığının da mutlak olarak sıfıra düşeceği durum ise kinetik enerjinin sıfıra düştüğü bir durumdur. Dolayısıyla beklenen, moleküller yavaşladıkça maddenin de sıcaklığının azalacak olmasıdır. Fizikte, -273 °C sıcaklıkta maddenin molekülleri hareketsiz kabul edilmektedir, bu durumda mutlak sıfır noktası santigrat sıfırın 273 °C altında bir değer olacaktır. Mutlak sıfır noktasından itibaren sayılan mutlak sıcaklık gösterimi için genelde formüllerde T harfi kullanılır fakat mutlak sıcaklık gösterimi için Kelvin derecesi de denildiği olur ve bu durumda K işareti kullanılmaktadır.

Bir nesnenin veya ortamın sıcaklığı termometre ile ölçülür. Termometreler maddelerin genleşmesi esasına dayanılarak yapılır. Sıvılı termometreler, hekim termometresi, termoelektrik çift, gazlı termometreler,termostat, optik pirometre termometre çeşitleri arasında yer alır.

Isı

Maddeyi oluşturan atom ve moleküllerin rastgele hareketlerine bağlı ısı; bir cisimden diğerine geçtiğinde ikincisinde ortaya çıkan değişiklik ile belirlenebilir, tutulamaz, saklanamaz ve hâl değiştirme süreçleri dışında maddelerin sıcaklığını artıran bir enerji çeşididir. Isının daima sıcaklığı büyük olandan küçük olana doğru bir yönü vardır. Biliyoruz ki maddeler tanecikli yapıya sahiptir ve bu taneciklerin sahip olduğu toplam enerjiye de iç enerji denilmektedir. Maddenin iç enerjisi dışarıdan alınan enerji ile çoğalır. Tanecikler arasındaki mevcut bağlar zayıfladığında bu; katı maddelerde titreşim, sıvı moleküllerinde titreşim ve dönme, gaz moleküllerinde ise titreşim, öteleme ve dönme hareketlerini yapmalarını sağlar.

Isı farkının ölçümünde, eşitlik ve toplam için kullanılan yöntemler aşağıdaki gibi sıralanabilir:

• Farklı sıcaklıklarda bulunan maddeler için; bu maddelerin hepsi aynı sıcaklık değerine ulaşıncaya kadar, sıcaklığı yüksek olandan sıcaklığı düşük olana ısı geçişi olacaktır,
• Yüksek sıcaklıktaki maddenin saldığı ısı ile düşük sıcaklıktaki maddenin alacağı ısı miktarı denktir,
• Bir maddenin bir değişim esnasında aldığı ısı miktarı, aksi durumda da verdiği ısı miktarına denktir,
• m gram madde üzerinde bir etki oluşturabilmek için gerekli olan ısı, 1 gram madde üzerinde aynı etkiyi gösteren ısının m katı olacaktır.

Isı miktarı birimi Kalori 1 gram saf suyun sıcaklığını 14,5 °C’den 15,5 °C’ye kadar çıkarmak için gerekli ısı miktarı olarak tanımlanır. (1 Kalori = 4.18 joule değerine eşittir).

Isı farkını tayin etmek için, “ kalorimetre kabı ” kullanılmaktadır. Bir ısı alışverişi, kalorimetre kabının sıcaklığı çevre sıcaklığından farklı ise kalorimetre kabı ve çevresi arasında gerçekleşir.

Bir cismin 1 gramının sıcaklığını, 1 °C yükseltebilen ısı miktarına o cismin “öz ısı”sı adı verilir.

Madde

Madde her yerdedir ve genelde; katı, sıvı ya da gaz olmak üzere üç hâle (faza) ayrılarak sınıflandırılır. Katı, sıvı ve gazlar arasındaki sınır çizgileri pek keskin değildir. Bu sebeple kimi maddelerin sınıflandırılması o kadar kesin olamamaktadır.

Katılar; atomlarının düzenli-periyodik veya rastgele yapı dizilişlerine göre, sırasıyla kristal ya da amorf olarak sınıflandırılabilir.

Verilen herhangi bir maddenin belirli bir şekli olmayan sıvı hâlindeki maddeler, bulundukları kabın şeklini alır ve katı hâllerinden daha yüksek sıcaklıkta bulunur.

Gaz hâlinde ise, moleküller gelişigüzel harekettedir ve moleküller birbirleri üzerine sadece zayıf kuvvetlerle etki eder. Bir gazın molekülleri arasındaki ortalama uzaklıklar, moleküllerin boyutlarıyla karşılaştırıldığında oldukça büyüktür.

Atom ya da moleküllerin çeşitli koşullar altında belirli kuvvetlerle bir arada tutulmasıyla, maddeler meydana gelir. Cisim ise maddenin şekil almış hâlidir.

Hal Değiştirme

Madde hâl değiştirebilir. Maddelerin katı, sıvı ve gaz hâlleri göz önüne alındığında maddeye ya ısı verilip ya da maddenin ısısı alınarak ve basınç etkisi ile bu hâllerden diğerine geçmesi olayına hâl değişimi adı verilir. Hâl değiştirmeyen bir maddeye verilen ısı enerjisi ile maddenin sıcaklık artışı arasında doğru orantı vardır.

Sıvı hâle geçme durumu olarak adlandırılan erime, maddenin katı hâldeyken dışarıdan bir enerji almasıyla meydana gelir. Erime esnasında her madde için sabit basınç altında, uygun bir sıcaklık derecesi değerinde başlar ve bütün olay süresince sıcaklık değeri değişmeden kalır. İşte bu sıcaklık değerine “erime noktası” denir ve basınçla çok az değişim gösterir.

Erime ısısı, bir cismin 1 gramını, katı hâlden sıvı hâle geçirmek için erime noktasında verilmesi gereken ısı miktarıdır.

Donma olayı ise erimenin tersi bir olaydır. Ayrıca yukarıda verilen tüm gerekli koşullar maddelerin donma olayında da geçerlidir.

Sıvıların kaynama durumu, buharlaşmanın özel bir hâlidir. Sabit basınç altında bütün sıvıların yani akışkanların, sıvı hâlden gaz hâle geçtiği sabit bir sıcaklık değeri vardır. Bu sıcaklık değerine “kaynama sıcaklığı” adı verilmiştir.

Sıvı hâlden (fazdan) gaz hâline geçme olayı ise buharlaşmadır. Ama bazı durumlarda bir sıvıda kaynamadan da buharlaşma görülebilir. Bir sıvı kapalı bir ortamda buharlaştığında oluşan buhar arttıkça o buharın oluşturacağı basıncın etkisi de artmaktadır. Yeterli miktarda sıvı ile sonuçta sıcaklığa bağlı olarak buhar basıncının belirli bir değerinden sonra sıvının buharlaşması duracaktır. Günlük hayatımızdan, düdüklü tencerede pişirilecek olan yemek bu duruma iyi bir örnek teşkil eder. Kaynama noktasındaki bir sıvının 1 gramını, aynı sıcaklıkta 1 gram buhar hâline getirmek için verilmesi gerekli ısıya “buharlaşma ısısı” denir.

Buharlaşma olayının tersi ise yoğunlaşma olarak ifade edilir. Gaz hâlindeki madde sabit bir basınç altında sıcaklığının düşürülmesiyle sıvı hâle geçiyorsa yoğunlaşma meydana gelmiş demektir. Maddelerin yoğunlaşma ve buharlaşma ısıları aynıdır. Buharlaşmada madde sabit basınç altında ısı alır, yoğunlaşmada ise aynı basınç altında ısıyı dışarı verir.

Kaynama noktası ve buharlaşma ısısı, basınçla değişen niceliklerdir. Bir sıvının kaynama noktası sıvı üzerindeki basınçla doğru orantılı değişmektedir. Hâl değişikliği için gerekli olan ısı miktarı , madde miktarına (m) bağlı olarak aşağıdaki gibi yazılabilir:

Burada L, maddenin hâl değişimi için aldığı veya verilen “hâl değişimi ısı” miktarıdır ve her madde için ayrı bir değere sahiptir.

Normal şartlar altında maddeye ait erime ve donma sıcaklıkları değerleri sabittir. Fakat erime ve donma sıcaklıkları, maddeye uygulanan basınca ve maddenin safsızlığına bağlı olarak değişim gösterir. Katı, sıvı ve gazlar, kütlelerine etkiyen yer çekimi kuvveti sebebiyle bulundukları yüzeye bir kuvvet uygular. Kuvvetin kaynağı ne olursa olsun birim yüzeye dik olarak etki eden kuvvete basınç, bütün yüzeye dik olarak etki eden kuvvete de basınç kuvveti adı verilir. Bu durum, maddeyi oluşturan molekülleri dağılmadan, bir arada tutma etkisi yaratmaktadır. Erime esnasında hacmi artacak olan maddelerin, basıncın artma etkisi karşısında erimesi zorlaşacağından erime noktası yükselmektedir. Erirken hacmi küçülen maddeler için ise örneğin buz için basınç azalmasıyla ters orantılı olarak erime sıcaklığı yükselir. Yani yükseklere çıkıldıkça karların yaz mevsiminde erimesinin zor olmasının sebebi, basıncın yükseklere çıkıldıkça azalıp erime sıcaklık değerinin artmasıdır.

Katı hâlde bulunan bir maddenin doğrudan sıvı hâline geçmeden gaz hâline geçme olayına süblimleşme (uçunum) adı verilir. Süblimleşme hızı ise birim zamanda süblimleşen katı miktarına bağlı olmaktadır. Bu hız, sıcaklıkla doğru orantılı değişir. Bu olay sınırlı hacim için, bu hacim miktarının doyum noktasına kadar devam etmektedir. Havadaki sıcaklık değerinin ani düşmesi sonucu, mevcut su buharı katı hâle geçer ve ilkbahar veya sonbaharda kırağı olarak yağar. Süblimleşmenin tersi, yani gaz hâlindeki bir maddenin doğrudan katı hâle geçmesi olayı olan bu durum ise desüblimleşme’dir (depozisyon).

Genleşme ve Türleri

Katı maddeyi oluşturan atom ve moleküller güçlü kuvvetlerle birbirlerine bağlıdır. Bu parçacıkların denge konumu etrafında titreşim hareketi yaptıklarını biliyoruz. Isı enerjisi verildiği durumlarda, doğrudan sıcaklığın artmasıyla, titreşimin genliği arttığı için parçacıklar arasındaki uzaklık artacak ve bunun sonucunda da katı cismin hacmi artmış olacaktır. Bu olay, “genleşme” olarak bilinir. Isı verilmeye devam edilirse parçacıklar arasındaki uzaklık daha da artar ve bağlar gevşer, katı madde sonunda sıvı fazına geçer.

Bir katı maddenin ebatlarını meydana getiren; eni, boyu ve yüksekliği gibi veya katıyı oluşturan belirlenmiş iki nokta arasındaki uzunluk gibi herhangi bir doğrusal (lineer) boyutundaki genişlemelere “lineer genleşme” denmektedir. Artan ya da azalan sıcaklık değerlerinde bir katı maddenin boyutlarındaki değişimler az olmakla beraber, bu durum birçok konuda önemli bir problemdir.

İnce tel şeklindeki bir cismin sıcaklığının bir derece değişmesi hâlinde boyunda meydana gelen değişmeye o maddenin “boyca uzama katsayısı (?)” adı verilmiştir.

Betonarme binalarda, beton ve demirin birlikte kullanılabilmesinin altında bu iki maddenin uzama katsayılarının birbirine yakın değerde olması yatmaktadır.

Sabit basınç altında sıcaklıkla maddenin kütlesi değişmez ama hacmi değişmektedir. Buna bağlı olarak yoğunluğu da değişmiş olacaktır. Çünkü yoğunluk, kütlenin hacme oranıyla verilir.

Isının Yayılması ve Yalıtımı

Isı yayılırken üç farklı yol izler. Bazı fiziksel durumlarda bu yayılma yollarından ikisi hatta üçünün de aynı anda gerçekleşme olasılığı vardır. Isının sözünü ettiğimiz üç farklı yayılma yolu şöyle verilebilir:

Konveksiyon: Isının, hareketli madde parçacıkları yardımıyla yayılmasıdır.

İletim: Isı enerjisinin madde içinde fakat maddenin parçacıklarından bağımsız hareketi sonucunda yayılması olarak tanımlanabilir.

Işıma (veya radyasyon): Isının herhangi bir maddeye yani ortama ihtiyaç duymadan yayılmasıdır.