Isı ve Sıcaklık

Bu konuda ne öğreneceksin

Sıcak çayı karıştırınca neden soğur? Buz neden erirken sıcaklığı sabit kalır? Metal kaşık ateşte neden hemen ısınır, tahta kaşık ısınmaz? Isı ve sıcaklık günlük hayatta sürekli karşılaştığın olayları açıklar. TYT’de bu konunun sorularının büyük kısmı sayısal ve çoğu ısı alışverişi ile hal değişimine dayanır. Bu konuda ısı ile sıcaklığın farkını, ısı hesaplarını, ısıl dengeyi, hal değişimini, genleşmeyi ve ısı iletim yollarını öğreneceksin.

1. Isı ve sıcaklık

Sıcaklık: Maddeyi oluşturan taneciklerin ortalama kinetik enerjisinin ölçüsüdür. Termometre ile ölçülür. Birimi °C (selsiyus) ve K (kelvin)’dir. $T(\text{K}) = t(°\text{C}) + 273$. 27 °C = 300 K.

Isı ($Q$): Sıcaklık farkı nedeniyle sıcak cisimden soğuk cisme aktarılan enerjidir. Birimi joule (J) ya da kalori (cal): $1\ \text{cal} = 4{,}2\ \text{J}$.

İç enerji: Maddeyi oluşturan tüm taneciklerin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır. Madde miktarına ve sıcaklığa bağlıdır. Aynı sıcaklıktaki bir kova suyun iç enerjisi, bir bardak suyun iç enerjisinden büyüktür.

Isı akışı her zaman sıcak cisimden soğuk cisme doğrudur ve sıcaklıklar eşitlenince durur. Buna ısıl denge denir.

2. Öz ısı ve ısı sığası

Öz ısı ($c$): 1 gram maddenin sıcaklığını 1 °C artırmak için gereken ısıdır. Maddeyi ayırt eden özelliktir. Suyun öz ısısı $1\ \text{cal/g°C}$’dir (yaklaşık $4{,}2\ \text{J/g°C}$). Su, öz ısısı yüksek bir maddedir: Geç ısınır, geç soğur.

Isı sığası ($C$): Bir cismin sıcaklığını 1 °C artırmak için gereken ısıdır: $C = m \cdot c$. 500 g suyun ısı sığası $500\ \text{cal/°C}$’dir.

Isı alışverişi:

$Q = m \cdot c \cdot \Delta T$

Örnek. 200 g suyun sıcaklığı 20 °C’den 50 °C’ye çıkıyor. $Q = 200 \cdot 1 \cdot 30 = 6000\ \text{cal}$.

SI birimleriyle. Ders kitaplarında öz ısı J/kg·°C ile de verilir. Suyun öz ısısı yaklaşık $4186\ \text{J/kg°C}$, buzun öz ısısı $2100\ \text{J/kg°C}$’tır. Aynı örnek için $Q = 0{,}2 \cdot 4186 \cdot 30 \approx 25116\ \text{J}$ bulunur. Bu, yaklaşık 6000 cal eder.

3. Isıl denge

Farklı sıcaklıktaki maddeler karıştırılırsa, sıcak olanın verdiği ısı soğuk olanın aldığı ısıya eşittir:

$m_1 c_1 (T_1 - T) = m_2 c_2 (T - T_2)$

Aynı madde (örneğin su) ise $c_1 = c_2$ olduğundan sadeleşir ve denge sıcaklığı

$T = \frac{m_1 T_1 + m_2 T_2}{m_1 + m_2}$

Örnek. 100 g 80 °C su ile 300 g 20 °C su karıştırılırsa $T = \dfrac{100 \cdot 80 + 300 \cdot 20}{400} = \dfrac{14000}{400} = 35\ \text{°C}$.

Denge sıcaklığı her zaman iki sıcaklığın arasında olur ve kütlesi büyük olana yakındır.

4. Hal değişimi

Maddeye ısı verilince sıcaklığı artar. Ancak hal değişimi sırasında (erime, kaynama) verilen ısı sıcaklığı değil, taneciklerin düzenini değiştirir. Bu yüzden hal değişimi sırasında sıcaklık sabit kalır.

Hal değişimi ısısı:

$Q = m \cdot L$

Ders kitaplarında hâl değişim ısısı kJ/kg ile verilir. Buzun erime ısısı $334\ \text{kJ/kg}$ (yaklaşık 80 cal/g), suyun buharlaşma ısısı $2260\ \text{kJ/kg}$’dır (yaklaşık 540 cal/g). Saf maddelerde erime ısısı donma ısısına, buharlaşma ısısı yoğuşma ısısına eşittir.

Örnek. 50 g buzun 0 °C’de erimesi için $50 \cdot 80 = 4000\ \text{cal}$ gerekir.

Önemli: Hal değişimi sıcaklığı basınca ve madde cinsine bağlıdır. Saf maddelerde sabit, karışımlarda değişkendir. Basınç artınca kaynama noktası yükselir.

Grafikte gör

Verilen ısıyı artır. Erime ve kaynama sırasında ısı verilmesine rağmen sıcaklığın sabit kaldığına dikkat et.

5. Genleşme

Isınan katı, sıvı ve gazlar genleşir (hacmi ya da boyu artar). Isıtılınca taneciklerin hareketi artar, aralarındaki ortalama uzaklık büyür.

• Boyca genleşme: $\Delta L = L_0 \cdot \alpha \cdot \Delta T$. Demir köprülerin ve tren raylarının birleşim yerlerinde boşluk bırakılması bu nedenledir.
• Hacimce genleşme: Sıvılarda ve gazlarda belirgindir. Termometrenin cıva sütununun yükselmesi bu yüzdendir.
• Suyun anormal genleşmesi: Su 0 °C’den 4 °C’ye ısınırken büzülür, 4 °C’nin üzerinde genleşir. 4 °C’de özkütlesi en büyüktür. Bu yüzden göllerin üstü donsa da dibi yaşamı sürdürür.

6. Isı iletim yolları

Metaller iyi iletkendir, tahta, plastik, hava ve yün yalıtkandır. Koyu renkli yüzeyler ışımayı daha iyi soğurur.

Isı iletim hızı. Birim zamanda iletilen ısıdır ve birimi joule/saniyedir (watt). Ortamları ayıran maddenin yüzey alanı ve ortamlar arasındaki sıcaklık farkı ile doğru, maddenin kalınlığı ile ters orantılıdır. Maddenin cinsine de bağlıdır. Metallerin ısıl iletkenliği büyüktür, yalıtkanların küçüktür. Bu yüzden binalarda ısı yalıtımı için kalın ve yalıtkan malzemeler kullanılır.

• Sıcak ile soğuk cisim temas ediyorIsı sıcaktan soğuğa akar.
• Isıl denge kurulduSıcaklıklar eşit, ısı akışı durur.
• Hal değişimi sırasında ısı veriliyorSıcaklık sabit kalır.
• Cisim ısınıyorGenleşir.

7. Konuyu toparla

Mini test

Kendini dene

Yanlış yaptığın soruları yanlış soru defterine ekleyebilirsin. Birkaç gün sonra tekrar karşına çıkar.