Isı ve Sıcaklık

[askinelibol]

Isı ve Sıcaklık​

Günlük Hayatta Isı ve Sıcaklık Kavramları
Günlük hayatımızda ve evrende, ısı ve sıcaklığın etkilerini hissettiğimiz birçok olay vardır. Bu iki kavram sıkça kullanılır, ancak genellikle birbirine karıştırılır. İşte bu kavramların birbirinden farklı yanları:

1. İç Enerji, Sıcaklık ve Isı Kavramları:
   • İç Enerji (U): Madde, moleküllerin titreşiminden kaynaklanan kinetik enerji ve moleküller arası çekim kuvvetinden kaynaklanan potansiyel enerjiye sahiptir. Toplam iç enerjiye iş enerjisi denir. İç enerji, U sembolü ile gösterilir ve birim olarak Joule, kalori veya diğer enerji birimleri kullanılabilir.
   • Sıcaklık (T): Moleküllerin titreşim etkinliği yani kinetik enerji ile ilgili bir büyüklüktür. Maddenin sıcaklığı, moleküllerin kinetik enerjisinin bir göstergesidir. Sıcaklık, T sembolü ile gösterilir ve SI birim sisteminde Kelvin olarak ölçülür. Günlük hayatta Celcius, Fahrenheit gibi ölçekler de kullanılabilir.
   • Isı (Q): Maddenin sıcaklığındaki değişikliklerde veya hal değişimlerinde alınan veya verilen enerjiyi ifade eder. Sıcaklık farkına bağlı olarak iki madde arasında enerji akışını temsil eder. Isı, Q sembolü ile gösterilir ve birimi SI birimlerinde Joule veya kalori olarak ölçülür.

Bu kavramlar, enerji transferini, madde hareketini ve çeşitli fiziksel olayları anlamamıza yardımcı olur. Isı ve sıcaklık, günlük yaşantımızın birçok yönünü etkiler ve bu kavramları doğru anlamak, çeşitli alanlarda pratik uygulamalara olanak tanır.

Isı Sıcaklık Farkı​

Calori (Kalori): 1 gram saf suyun sıcaklığını 1 derece yükseltmek için gerekli olan enerji miktarıdır. Mekanik sistemlerle ısının bağlantısını daha rahat kurabilmek için birim olarak Joule kullanmak daha doğru olacaktır. (1 cal = 4,18 j)
Termometre ve Sıcaklık Ölçümü
Sıcaklık ölçüm araçlarına termometre denir. Ölçülecek sıcaklık aralığına bağlı olarak katı, sıvı ve gaz içeren termometreler kullanılır. Bu termometrelerde gözlemlenen değişimler şu şekildedir:

• Katı İçerikli Termometreler: Metalin uzunluğundaki değişim ile yüksek sıcaklıklar için kullanılır.
• Sıvı İçerikli Termometreler: Sıvının hacmindeki değişim ile oda sıcaklığı civarındaki sıcaklıklar için kullanılır.
• Gaz İçerikli Termometreler: Gaz basıncındaki değişim ile çok düşük sıcaklıklar için kullanılır.

Sıcaklık değişimini ölçmek için özel termometreler tasarlanabilir. Örneğin, içinde sıvı bulunan ince bir cam tüpteki sıvı seviyesinin sıcaklıkla değişimi ile ölçüm yapılabilir. Bu tür termometrelerde, suyun donma noktası olan 0 derecede ve kaynama noktası olan 100 derecede iki çizgi çizilerek aralık eşit parçalara bölünerek Celcius ölçeği oluşturulabilir.
Kelvin (K) ölçeğinde sıfır noktası -273 derecedir. Bu, evrende ulaşılabilecek en düşük sıcaklıktır ve 0 K’dir. Kelvin ölçeği oranlı bir ölçek olup, Celcius ölçeği mutlak sıfırdan (0 K) başlamadığı için sıralı bir ölçektir.
Suyun üçlü noktası olan katı, sıvı, ve gaz halinin bir arada bulunduğu 1 atm basınçtaki sıcaklık, 273,16 K (0,01 °C) olarak belirlenmiştir. Kelvin termometresinin dönüşüm değeri işlem kolaylığı amacıyla genellikle 273 olarak alınır.

Farklı termometrelerin 1 atm basınçta belirli sıcaklıklardaki karşılaştırması görselde verilmiştir.
Bu görseli formül haline getirecek olursak aşağıdaki gibi olur
TC−0100=TF−32180=TK−273100 ya da TC=TK−273=TF−321,8

3. Öz Isı ve Isı Sığası​

Öz ısı: Saf bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 1 °C değiştiren ısı miktarına denir. Maddeler için ayırt edici bir özelliktir ve ”c” ile gösterilir. SI birimi J/kg.K pratikte ise Cal/g.°C ‘dir.
Isı sığası: Maddenin sıcaklığını 1°C değiştiren ısı miktarına denir ve birimi cal/°C veya J/K ‘dır. Maddenin öz ısı ve kütle değerlerinin çarpımıdır (m.c).

Isı Alışverişi​

Isı, sıcaklığı farklı olan maddeler arasında alınıp verilen enerji türüdür. Isı alışverişi olabilmesi için maddelerin sıcaklıklarının farklı olması gerekir. Sıcaklığı yüksek olan maddeden düşük olan maddeye ısı akışı olur.
Maddeye verilen ısı miktarının (Q), maddenin kütlesi (m), öz ısısı (c) ve sıcaklık değişimini (ΔT) aşağıdaki gibi modelleyebiliriz.
Q=m.c.ΔT

4. Hal Değişimi​

Maddeler; katı, sıvı ve gaz olmak üzere, üç temel fiziksel halde bulunur. Maddeler ısı aldıklarında veya verdiklerinde hal değişimi geçirebilirler. Katının sıvı hale geçmesine “erime”, sıvıdan katı hale geçişe “donma” denir. Sıvının gaz hale geçmesine “buharlaşma”, gazdan sıvı hale geçişine ise “yoğuşma” adı verilir. Sıvının her sıcaklığında buharlaşma gerçekleşir; fakat sıcaklık arttıkça buharlaşma hızlanır ve gözle görülebilir duruma geldiğinde buna “kaynama” denir.
Saf maddelerin belirli bir basınçta sabit erime-donma ve kaynama-yoğuşma sıcaklıkları vardır ve bu, maddenin ayırt edici özelliğidir. Saf maddelerin sıcaklığı, hal değişimi sırasında sabit kalır. Maddenin hal değişimi sırasında belirli bir basınçta 1 gramının değişimi için alınan veya verilen ısıya “hal değişimi ısısı” denir. Bu değer, L ile gösterilir ve SI birimi J/kg’dir (Ayrıca Cal/g olarak da kullanılır). Madde için ayırt edici bir değerdir.
Maddenin donarken verdiği donma ısısı ve erirken aldığı erime ısısı birbirine eşittir.
LE=LD

• Maddenin yoğuşurken verdiği yoğuşma ısısı ve buharlaşırken aldığı buharlaşma ısısı birbirine eşittir.
  LY=LB
• Hal değişimi sırasında saf bir maddenin tamamının veya belirli bir kısmının hal değişimi için gereken ısı miktarı aşağıdaki gibi hesaplanır. Formülde Q ısı miktarı, m maddenin kütlesi ve L hal değişim ısısıdır.
  Q=m.L

Hal Değiştirme Isı Miktarı​

Maddeler ısı alarak erir veya kaynarken ısı vererek donar veya yoğuşur. Bir maddenin erime ve donma sıcaklığı aynıyken buharlaşma ve yoğuşma sıcaklığı da birbirine eşittir.
Aşağıda suyun hal değişimi ve sıcaklık değişim grafiği verilmiştir. Grafikten hareketle hal değişim ısıları ve ısınması için gereken ısı miktarı hesaplanabilir.

• Buzun sıcaklığının sıfıra doğru artması için gereken ısı miktarı
  • Q1=m.cbuz.ΔT
• Buzun erimesi için gereken ısı miktarı
  • Q2=m.Lerime
• Suyun sıcaklık artışı için gereken ısı miktarı
  • Q3=m.csu.ΔT
• Suyun buharlaşması için gereken ısı miktarı
  • Q4=m.Lbuhar
• Gazın sıcaklığının artması için gereken ısı miktarı
  • Q5=m.cbuhar.ΔT

5. Isıl Denge​

Sıcaklıkları farklı olan maddeler bir araya geldiklerinde sıcak olan maddeden soğuk olana doğru bir enerji akışı gerçekleşir. Bu enerji akışı, iki maddenin sıcaklıkları eşitlenene kadar devam eder. Sıcaklıkların eşitlendiği ve enerji aktarımının durduğu bu duruma “ısıl denge” denir.

Isıl Dengenin Sıcaklık Farkı ve Isıyla Olan İlgisi​

Maddeler ısıl dengeye ulaştıklarında verilen enerji miktarı ile alınan enerji miktarı sıfır olmalıdır.
Qtoplam=Qalınan+Qverilen=0Birinci maddenin sıcaklığınaT1
ikincinin sıcaklığına T2dersek veT1<T2olduğunu biliyorsak maddeler ısıl dengeye ulaştığında denge sıcaklığı(Td) mutlakaT1≤Td≤T2 şeklinde olur.
Eşitlik olmasının sebebi en az bir maddenin başlangıçta hal değişimi sıcaklığında olmasından kaynaklıdır. Örneğin buz hal değişim sıcaklığında (0°C) ise eriyecektir ve diğer maddenin sıcaklığını düşürürken hala 0°C de sabit kalabilir.

6. Enerji İletim Yolları ve İletim Hızı​

Isı, bir maddedeki moleküllerin ortalama hareketinin artmasıyla birlikte enerji transferine yol açar. Hızlanan moleküller, çevrelerindeki diğer moleküllere çarparak enerji aktarımını gerçekleştirir. Maddeler arasında bu şekilde gerçekleşen enerji transferine ise “ısı transferi” denir.
Isının İletim Yolları:
a. İletim Yolu:
Isı alan bir katıdaki moleküllerin titreşim hızı artar. Bu hızlanan moleküller, yanındaki moleküllere çarparak onlara enerji transfer eder. İletim yoluyla ısı yayılırken moleküller yer değiştirmez. İyi ısı ileten maddeler, özellikle metaller, soğutma ve ısıtma sistemlerinde yaygın olarak kullanılırken, ısı iletkenliği düşük olan maddeler ise ısı yalıtım sistemlerinde tercih edilir.
b. Konveksiyon (Hava veya Sıvı Akımı) Yolu:
Isı alan sıvı ve gaz molekülleri, soğuk moleküllerle çarpışarak ısısının bir kısmını verir. Bu sırada, ısınan sıvı veya gazın özkütlesi genleşmeden dolayı düşeceği için madde akışı gerçekleşir. Konveksiyon yoluyla ısı yayılmasına örnek olarak, kaynayan tenceredeki suyun yukarı doğru bir akım oluşturması veya kalorifer radyatörünün ısıttığı havanın yukarı doğru hareket etmesi verilebilir.
c. Radyasyon (Işıma) Yolu:
Sıcak cisimlerden elektromanyetik dalga yayılması yoluyla enerji aktarımına ışıma denir. Işıma ile ısı yayılırken, maddesel ortamın şart olmaması özellikle dikkat çekicidir. Güneşten gelen ışınlar, uzay boşluğunda dahi radyasyon yoluyla yayılır. Yanan alevin yanına elinizi tuttuğunuzda hissettiğiniz ısının sebebi de radyasyon ısı iletimidir.

Katı Maddelerin Enerji İletim Hızı​

Katı Maddelerin Enerji İletim Hızı
Isı iletim hızı veya enerji iletim hızı, bir madde üzerinden birim zamanda aktarılan ısı miktarını ifade eder. Aynı oda içinde ısıl dengede olan metal kapı kolu ve koltuğa dokunulduğunda koltuğun sıcaklığının kapı kolundan daha yüksek olduğu hissedilir. Bu durumun sebebi, metal kapı kolunun ısıyı koltuğa göre daha hızlı iletebilmesidir. Metal kapı koluna dokunan elimizin ısısı, koltuğa dokunan elimize göre daha hızlı düştüğü için daha soğuk algılanır.
Isı İletkenliği veya Enerji İletim Katsayısı:
Isı iletim hızını etkileyen bir özelliktir ve maddenin ısıyı ne kadar iyi iletebildiğini gösterir. Matematiksel olarak ısı iletim hızı şu formülle ifade edilir:
Q=−k⋅A⋅ΔTdQ = -k \cdot A \cdot \frac{\Delta T}{d}Q=−k⋅A⋅dΔT
Burada:

• QQ Q, iletim yoluyla aktarılan ısı miktarını,
• kk k, maddeye özgü ısı iletim katsayısını,
• 
  AA A, ısı transferinin gerçekleştiği alanı,
• ΔT\Delta TΔT, sıcaklık farkını, ve
• dd d, madde kalınlığını temsil eder.

Bu formül, biriminin zamanda birim alan başına düşen ısı transferini sağlar.

• ΔQΔt=|−k.A.ΔTL|
• A: İletim doğrultusuna dik kesit alanı (
  m2)
• ΔT: Ortamlar arası sıcaklık farkı (K)
• Δt: Süre (s)
• L: İletim doğrultusundaki mesafe (m)
• ΔQ: Aktarılan ısı enerjisi miktarı (J)
• k: Maddenin ısı iletim katsayısı (W/m.K)

Hissedilen ve gerçek sıcaklık ile ilgili şu yazıya bakabilirsiniz:
Genleşme ve büzülme, maddelerin ısı alıp verdiği durumlarda boyutlarında meydana gelen değişimleri ifade eder. Eğer madde hal değiştirmiyorsa, ısı alındığında genleşme, ısı verildiğinde ise büzülme gerçekleşir.
Katı ve Sıvılarda Genleşme ve Büzülme
Sıcaklığı artan maddeler genellikle uzunluğu, yüzey alanı ve hacmi artırır. Bu değişimleri hesaplamak için çeşitli formüller kullanılır.

• Tel gibi İnce Uzun Cisimlerde Genleşme:ΔL=L0⋅λ⋅ΔT\Delta L = L_0 \cdot \lambda \cdot \Delta TΔL=L0⋅λ⋅ΔTΔLΔLΔL: Telin metre türünden uzunluk değişimi,L0L_0L0: İlk uzunluk (m),λ\lambdaλ: Uzunluk değişim katsayısı (1/K),ΔT\Delta TΔT: Sıcaklık değişimi (T).
• Levha Türü Cisimlerde Büzülme:ΔA=A0⋅2λ⋅ΔT\Delta A = A_0 \cdot 2\lambda \cdot \Delta TΔA=A0⋅2λ⋅ΔTΔAΔAΔA: Yüzey değişimi (m²),A0A_0A0: İlk yüzey (m²),2λ2\lambda2λ: Yüzey değişim katsayısı (1/K),ΔT\Delta TΔT: Sıcaklık değişimi (T).
• Üç Boyutlu Cisimlerde Hacim Değişimi:ΔV=V0⋅3λ⋅ΔT\Delta V = V_0 \cdot 3\lambda \cdot \Delta TΔV=V0⋅3λ⋅ΔTΔVΔVΔV: Hacim değişimi (m³),V0V_0V0: İlk hacim,3λ3\lambda3λ: Hacim değişim katsayısı (1/K),ΔT\Delta TΔT: Sıcaklık değişimi (T).

Sıvılarda Genleşme:
Sıvıların genleşmesi yalnızca hacim değişimi şeklinde gözlemlenir. Maddelerin boyut değişim miktarı başlangıçtaki uzunluk, yüzey ve hacminin büyüklüğüne, sıcaklık değişiminin büyüklüğüne ve maddeye has değişim katsayısına bağlıdır.