ISI ( Q ):
Isı, maddelerde bazı kimyasal ve fiziksel olayların gerçekleşmesine neden olur. Bu bölümde ısının neden olduğu fiziksel olaylar incelenecektir.
Isı maddelerin iç enerjisidir. Bu enerjinin kaynağı, moleküllerin birbirine uyguladığı kuvvet ve moleküllerin hareketleridir. Moleküllerin bir birine uyguladığı kuvvetin sonucunda oluşan enerji, potansiyel enerji ( PE ) olarak adlandırılır. Belirgin olarak, madde hal değiştirirken değişir. Moleküllerin hareketlerinin sonucunda oluşan enerji kinetik enerji ( KE ) olarak adlandırılır. Moleküllerin hareket hızları değiştiğinde değişir. Dolayı ile maddeyi meydana getiren moleküllerin enerjisini değiştirecek etkiye ısı denir.
Q = ΔPE + ΔKE
Birimi kalori ( cal ) dir. Joule ile arasındaki bağıntı
1 cal = 4,186 J dir.
ısı kalorimetre ile ölçülür. Skaler bir büyüklüktür.
SICAKLIK
Bir maddeyi meydana getiren moleküller hareketlidir. Bu hareketlilik onların kinetik enerjilerinin bir sonucudur. Maddeyi oluşturan her molekül farklı kinetik enerjilerle hareket etse de bu enerjilerin ortalama bir değeri vardır. Sıcaklık, madde moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri ile doğru orantılı fiziksel bir büyüklüktür.
KE α T
Kapalı bir kapta sıcaklığı artan bir gazın yüzeylere uyguladığı basıncın artması gaz moleküllerinin yüzeylere düşük sıcaklıktakinden daha büyük kinetik enerjilerle çarpmalarının sonucudur.
Sıcaklık birimi ısı birimine bağlı olarak kullanılır.
Katı ve sıvılarda ısı birimi Kalori, sıcaklık birimi Celcius ( °C ) dir. Gazlarda ısı birimi Joule, sıcaklık birimi Kelvin ( °K ) dir.
Kelvin sıcaklığı TK , Celcius sıcaklığı TC ise aralarındaki bağıntı
TK = TC + 273 dir.
Farklı Termometrelerin Arasındaki İlişki:
Termometre maddenin ısı etkisiyle genleşme özelliğinden yararlanılarak yapılmıştır. Termometre ölçeği, sıvısının suyun donduğu sıcaklıktaki konumu ile suyun kaynadığı sıcaklıktaki konumu arasının eşit aralıklarla termometrenin duyarlılığı artar.
Günümüzde yaygın olarak üç termometre kullanılır. Bunlar Celcius, Kelvin ve Fahrenheit termometreleridir. Üçünün dışında soru amaçlı termometrelerde tanımlanabilir. Sıvı ve tüp özellikleri aynı olan bölmelendirmesi farklı termometreler aynı ortamda farklı sayı değerlerini okusa da sıvıların yükseklikleri aynıdır.
Dolayısı ile termometreler arasındaki sıcaklık ilişkisi oran - orantı yardımıyla bulunur.
Termometreler aynı ortamda iken, sıvının düzeyi ile suyun donma noktası arasındaki bölme sayısı n nin, suyun donma ve kaynama sıcaklıkları arasındaki bölme sayısı N ye oranı hepsi için aynıdır.
Termometrelerde suyun donma noktası TD ile kaynama noktası TK ile bunların arasındaki bölme sayısı N aşağıdaki gibidir.
Tutuşma ( Yanma ) Sıcaklığı:
Bir maddenin alevli biçimde yanabilmesi için ulaşması gereken sıcaklığa o maddenin tutuşma sıcaklığı denir. Tutuşma sıcaklığı maddenin ayırt edici özelliğidir. Tutuşma sıcaklığına ulaşmamış bir madde alev almaz. Alev almış bir maddenin ısısı alınarak, sıcaklığı tutuşma sıcaklığının altına çekilirse alevi söner.
Bir kağıt parçası ateşe tutulduğunda kısa sürede tutuşurken demire sarılarak ateşe utulursa daha geç tutuşur. Bunun nedeni, verilen ısı demirin alarak kağıdın tutuşma sıcaklığına ulaşmasını geciktirmesidir.
Isının bu özelliği kullanılarak mum alevi üflenmeden de söndürülebilir. Sipral biçimine getirilen metal bir tel, mum alevine tutulursa mum alevini söndürür.
Metaller ısıca iyi iletken olduğundan telin muma tutulması sonucunda yanan ipinin çevresindeki ısı azaldığından ipin sıcaklığı azalır. Su sıcaklık ipin tutuşma sıcaklığının altında bir sıcaklık ise yanan ip söner.
ISI TRANSFERLERİ
Isının, maddeli ya da maddesiz ortamı geçerek bir bölgeden diğer bölgeye yayılmasına ısı transferi denir.
Isı, maddeli ortamda maddenin molekülleri yardımıyla yayılır.
Dolayısı ile maddenin fiziksel özellikleri ısının yayılma hızını etkiler. Isının, içinde hızlı yayıldığı maddeler ısıca iletken, ısının yavaş yayıldığı maddeler ısıca kötü iletkendir. Metalden yapılmış cisimlerin ısı iletkenlikleri oldukça iyi; kuru ve durgun hava, buz, tahta gibi maddelerin iletkenlikleri kötüdür. Aynı ortamda bulunan iki farklı cisme ayrı ayrı dokunulduğunda, iletken olanın sıcaklığı; ortam sıcaksa daha sıcak, ortam soğuksa daha soğuk hissedilir.
Isının Transfer ( Yayılma ) Biçimi:
Isı, maddeli ortamda,
1. İletim
2. Taşıma
maddesiz ortamda ( boşlukta )
3. Işıma
yolu ile yayılır.
Katı cisimlerin molekülleri yalnız kendi bulunduğu yerde titreşebildiğinden, aldıkları ısıyı çevresindeki moleküllere iletirler. Moleküllerin aldıkları ısıyı çevreleri ile paylaşarak yayma biçimine ısının iletim yolu ile yayılması denir.
Atmosferdeki havanın ve sıvının molekülleri serbest olduğundan ısıyı alan moleküllerin yoğunluğu azalarak yükselir. Yoğun olanlar alçalır. Bu döngü tekrarlanarak ısı bütün madde moleküllerine yayılmış olur. Madde moleküllerinin ısıyı kaynaktan kendileri alarak taşıma biçimine ısının taşıma yolu ile yayılması denir.
İki madde aralarında boşluk bulunsa da birbirine ısı aktarabilir. Sıcaklığı olan her cisim yüzey ve sıcaklık büyüklüğü ile doğru orantılı enerji ışıması yapar. Bu ışıma elektromanyetik ışımadır. Boşlukta yayılır. Ancak belli bir enerji düzeyinden sonra görülebilir.
Örneğin, metaller ısıtılırken belli bir sıcaklığa ulaştıklarında aldıkları ısının bir kısmını çıplak gözle görülebilecek biçimde yayarlar. Sıcaklık arttıkça renkleri kırmızıdan sarıya, sonra da beyaza ( akkor ) döner.
Maddenin ısı enerjisini elektromanyetik dalga biçiminde yaymasına ısının ışıma yolu ile yayılması denir.
Maddeler çevrelerinden gelen ısı ışımalarını yüzey büyüklüğü, saydamlığı ve renklerine göre farklı soğururlar ( ısıya dönüştürürler ).
Işığı üzerinde tutup geçirmeyen ( saydam olmayan ) ve yansıtmayan cisimler ışıma etkisinde diğer cisimlere göre daha çabuk ısınır.
Işıma ile en çabuk ısınan cisim siyah renkli cisimdir.
ISI - SICAKLIK İLİŞKİSİ
Bir madde ısındığında ya da soğuduğunda sıcaklığındaki değişme miktarı ısı kapasitesine bağlıdır.
Öz Isı ( c ):
Bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 1°C arttırmak için gereken ısı miktarına öz ısı ya da ısınma ısısıs denir. Ayırt edici bir özelliktir.
Birimi cal/ g.°C dir.
Isı Sığası ( C ):
Bir maddenin tamamının sıcaklığını 1°C arttırmak için gereken ısı miktarına ısı sığası ya da ısı kapasitesi denir.
Birimi cal/ °C dir.
Isı kapasitesini büyük olan cisimler zor ısınır ve zor soğurlar. Örneğin denizlerin ısı kapasiteleri karalara göre büyük olduğundan denizler karalara göre geç ısınıp, geç soğurlar. Kara ve denizlerdeki bu sıcaklık farkı atmosferde yoğunluk farklarına dolayısı ile rüzgarın oluşmasına ve atmosferda ısının taşıma yolu ile yayılmasına neden olur.
Isı - Sıcaklık İlişkisi:
Bir maddenin ısı sığası ( kapasitesi ), verdiği ya da aldığı ısının sıcaklık değişimine oranıdır.
Isı - Sıcaklık Grafiği:
Bir maddenin verdiği ya da aldığı ısı enerjisinin maddede meydana getirdiği sıcaklık değişimi grafikle anlatılabilir. Bu olayın grafiği
1. Sıcaklık - ısı enerjisi ya da
2. Sıcaklık - zaman olarak çizilir.
Sıcaklık - ısı enerjisi grafiğinde grafik çizgisinin eğimi ısı sığasının tersini verir.
Bir başka değişle sığası ( kapasitesi ) büyük olanın sıcaklığı az değişir ( zor ısınır ).
Böyle bir grafikte iki cismin aynı türden olup olmadığının söylenebilmesi, cisimlerin kütlelerinin bilinmesi ile mümkündür. Cisimlerin öz ısılarının aynı olduğu bilgisine ulaşılıyorsa bu cisimlerin aynı türden olduğu söylenebilir.
Ancak iki maddenin ısı sığaları, ısıtıcıları özdeş olma koşulu ile, karşılaştırılabilir.
Bu durumda sıcaklığı çok değişenin ısı sığası küçüktür.
HAL ( FAZ ) DEĞİŞTİRME
Çevremizde bulunan maddelerin katı, sıvı ya da gaz halinde bulunduğunu görüyoruz. Maddeler, yeterli ısı verildiğinde ya da alındığında, bir halden diğer bir hale geçiş yaptıklarını da gözlemliyoruz.
Maddenin bir halden diğer bir hale geçişine hal değişimi denir.
Erime ve Donma:
Maddelerin katı halden sıvı hale geçmelerine erime, sıvı halden katı hale geçmelerine donma denir.
Bir madde katı halden sıvı hale geçerken çevresinden ısı alırken, sıvı halden katı hale geçerken çevresine ısı verir.
Sabit atmosfer basıncı altında bütün katı maddelerin, katı halden sıvı hale geçtiği belirli bir sıcaklık değeri vardır. Bu sıcaklık değerine erime noktası denir.
Erime noktasına gelmiş bir katı maddenin tamamı, katı halden sıvı hale geçinceye kadar sıcaklığı değişmez.
Erime noktasına gelmiş 1 gramlık katı maddenin aynı sıcaklıkta sıvı hale geçmesi için verilmesi gereken ısıya, erime ısısı denir. L ile gösterilir.
Buna göre m gramlık bir katının tamamını eritmek için gereken ısı miktarı;
Q = m. L eşitliği ile bulunur.
Bir maddenin erime noktası donma noktasına eşittir. Erime noktası ve erime ısısı ayırt edici madde özelliklerindendir.
Buharlaşma, Kaynama ve Yoğunlaşma:
Sıvılar her sıcaklıkta buharlaşır. Buharlaşma, sıvının yüzeyinde gerçekleşir. Buharlaşmanın miktarı sıvının sıcaklığı ve yüzey alanının artmasıyla artar. Buharlaşmış bir maddenin tekrar sıvı hale geçmesine yoğunlaşma denir.
Bir madde buharlaşırken çevresinden ısı alır, yoğunlaşırken çevresine ısı verir.
Isıtılan bir sıvının buhar basıncı sıvının yüzeyine etki eden basınca eşit olduğu an, sıvı kaynamaya başlar.
Sabit atmosfer basıncı altında bütün sıvıların içten buharlaştığı ( kaynadığı ) belirli bir sıcaklık değeri vardır. Bu sıcaklık değerine kaynama noktası denir.
Kaynama noktasına gelmiş bir sıvı maddenin tamamı buharlaşıncaya kadar sıcaklığı değişmez.
Kaynama noktasına gelmiş 1 gramlı sıvı maddenin aynı sıcaklıkta buhar ( gaz ) hale gelmesi için verilmesi gerekli ısıya, kaynama ısısı denir. L ile gösterilir.
Buna göre m gramlık sıvının kaynama sıcaklığında tamamının buharlaşması için gereken ısı miktarı;
Q = m. L eşitliği ile bulunur.
Kaynama noktası ve kaynama ısısı ayırt edici madde özelliklerindendir. Isıtılan bir maddenin katı halden gaz haline geçerken sıcaklığının, aldığı ısı ile değişimi aşağıdaki gibidir.
TE : Erime noktası ck : Katı haldeki öz ısı
TK : Kaynama noktası cs : Sıvı haldeki öz ısı
T0 : İlk sıcaklık cg : Gaz haldeki öz ısı
Isıtılan arı bir madde, hal değiştirirken moleküllerinin kinetik enerjileri değişmez, potansiyel enerjileri ise artar. Sıcaklığı artarken kinetik enerjileri artar, fakat potansiyel enerjilerindeki değişme önemsizdir.
Basıncın Erime ve Kaynama Noktasına Etkisi:
Maddeler ısıtıldığında iç enerjileri arttığından moleküllerin bir arada durmaları zorlaşır ve katı halden sıvıya, sıvıdan da gaz haline geçerler. Basınç, maddeleri bir arada tutan etkenlerden biridir. Dolayısı ile basınç değişiklikleri kaynama ve erime noktalarını değiştirir.
Isıtılan maddelerin geneli hal değiştirirken hacmini arttırır. Basınç değişimi bu genleşmeyi engellediğinden maddelerin erime ve kaynama noktaları yükselir.
Su ve bir kaç maddenin, erirken hacmi azalır. Bu nedenle basınç bu maddelerin erime noktalarını düşürür.
Maddenin Saflık Derecesinin Erime ve Kaynama Noktasına Etkisi:
Maddelerin saflık derecesi erime ve kaynama noktalarını etkiler. İki ya da daha fazla saf maddenin fiziksel özelliklerini kaybetmeden birlikte bulunduğu madde yapısına karışım denir. Karışımın her yerinde aynı özellik görülüyorsa bu maddelere çözelti de denir.
Bu sıvıda katı madde çözündüğünde çözeltinin kaynama noktası sıvının saf durumdaki kaynama noktasından yüksek olur.
Bu tür sıvılar ( tuzlu su - şekerli su ) kaynarken sıcaklık artar.
Bir sıvıda başka bir sıvı çözündüğünde çözelti kaptaki sıvı sayısınca kaynar. Bu tür sıvılar ( alkol + su ) kaynarken sıcaklıkları değişmez.
MADDELER ARASINDA ISI ALIŞ - VERİŞİ
Aynı ortamda bulunan maddelerin arasında sıcaklık farkı varsa maddelerin sıcaklıkları eşit olana kadar birbiriyle ısı alış verişi yaparlar.
Birbirinden ısı alıp veren maddelerin ısı alış verişinin tamamlandığı duruma ısıl denge, maddelerin ısıl dengeye ulaştıklarındaki sıcaklığa denge sıcaklığı denir.
Isı akışı sıcaklığı yüksek olandan düşük olana doğrudur. Denge sıcaklığı TD, ısı vereninin sıcaklığı TV ile sı alanın sıcaklığı TA nın arasında bir değerdir.
TV > TD > TA
Isı alış verişi yapan maddelerin çevresi, ısıca yalıtılmış ise maddelerin ısı değişimleri ( alınan ve verilen ısı ) birbirine eşittir.
Maddeler ısı alış verişi yaparken hal değiştirmiyorsa denge sıcaklığı TD ;
mvcv( TV - TD ) = mAcA ( TD - TA )
maddelerin ilk ısılarının toplamının, toplam ısı sığasına oranı eşitliği ile hesaplanır. Isı alan ve veren maddelerin ısı sığaları CA ve CV eşit ise maddelerin sıcaklıkları eşit değişir. Dolayısı ile denge sıcaklığı maddelerin ilk sıcaklıklarının ortalamasıdır.
Isı sığaları CA ve CV farklı ise sığası büyük olanın sıcaklığı az değişir. Denge sıcaklığı ortalama değer ile sığası büyük olanın sıcaklığı arasında bir değerdir.
