6. ÜN TE MADDE VE ISI 1. MADDEN N TANEC KL YAPISI VE ISI 2. ISI NASIL YAYILIR? 3. ISI YALITIMININ TEKNOLOJ K ÖNEM

Transkript

1 6. ÜN TE 6. MADDE VE ISI 1. MADDEN N TANEC KL YAPISI VE ISI 2. ISI NASIL YAYILIR? 3. ISI YALITIMININ TEKNOLOJ K ÖNEM

2 1. MADDEN N TANEC KL YAPISI VE ISI Bir madde kat, s v ve gaz olmak üzere üç hâlde bulunabilir. Her üç hâlde de maddelerin moleküllerden ve atomlardan olufltu unu biliyoruz. Madde hangi halde olursa olsun, madde atomlar ve molekülleri daima hareket hâlindedir. Kat bir maddenin molekülleri bulunduklar yerde titreflim hareketi yapar. S v n n molekülleri birbiri üzerinde kayarak yer de ifltirirler. Gazlarda ise moleküller bulunduklar kab n içinde ba ms z olarak her yöne hareket ederler. ster kat, ister s v, ister gaz hâlinde olsun, belli s cakl ktaki her maddenin molekül ve atomlar hareketlidir. Her bir molekülün hareket (kinetik) enerjisi vard r. Bir maddenin moleküllerinin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplam na s enerjisi denir. Bir maddenin sahip oldu u s enerjiisi madde miktar yla do ru orant l d r. Günefl fl nlar yeryüzüne ulafl nca, üzerine düfltü ü tafl, toprak, su gibi maddeler s n r; fl nlar n n bir k sm s ya dönüflür. Yaz n çok s nan tafl, kum, toprak gibi maddelerin s cakl artt ndan üzerine ç plak ayakla basamay z. Is t lan bak r tencerenin de bir süre sonra s cakl artarak, elimizi yakacak duruma gelir. Yeteri kadar s t lm fl olan odun ya da kâ t parças ise tutuflur. Petrol ürünleri, odun, kömür gibi yak tlar n yap lar ndaki enerji, bu yak tlar yand nda s ya dönüflür. Elektrik enerjisi, maddelerin iç enerjisi, ses enerjisi, günefl enerjisi gibi s da bir enerji çeflididir. Yemek piflirmede, s nmada, makinelerin, motorlar n, fabrikalar n, santrallerin çal flt r lmas nda bu s dan yararlan r z. Is enerjisini üretebilmek için önce di er bir enerji türünün tüketilmesi gerekir. Söz gelifli kömür yanmadan s enerjisi elde edemeyiz. Yanma s ras nda kömürdeki kimyasal enerji s enerjisine dönüflür. Elektrik enerjisi; elektrik oca, ütü, s t c, f r n gibi araçlardaki tellerde s ya dönüflür. Biz de bu enerjiyi çeflitli ifllerimizi yapmada kullan r z. 141

3 S cakl k Molekül ya da atomlar de iflik h zlarla hareket ettiklerinden hepsinin h zlar birbirine eflit de ildir. Buna göre her atom ya da molekülün ortalama bir kinetik enerjiye enerjiye sahip oldu unu söyleyebiliriz. Her bir molekülün sahip oldu u kinetik enerjinin de eri çok küçüktür. Bu nedenle tek tek moleküllerin kinetik enerjilerini hissedemeyiz. Herhangi bir maddeyi oluflturan moleküllerin kinetik enerjilerinin toplam çok büyük de erlere ulafl r. Biz bu toplam enerjiyi ölçebiliriz. Bir maddeyi oluflturan moleküllerin sahip olduklar kinetik enerjileri toplam - n n, o maddenin s enerjisi oldu unu önceki y llarda ö rendiniz. Bütün moleküllerin sahip oldu u kinetik enerjilerin toplam n o maddeyi oluflturan molekül say - s na böleriz. Böylece molekül bafl na düflen ortalama kinetik enerjiyi elde ederiz. Bu da bize o maddenin s cakl hakk nda bir fikir verir. Moleküllerin hareketleri artt kça, kinetik enerjileri artar. Bu ise molekül bafl - na düflen ortalama kinetik enerjinin; k saca s cakl n artmas d r. Buna göre s - cakl k bir maddedeki moleküllerin ortalama kinetik enerjileri ile ilgili bir büyüklüktür. Bir maddenin belli bir standarda göre so uklu unu veya l kl n gösteren nicelik, s cakl k olarak bilinir. S cakl k maddeyi oluflturan moleküllerin h zlar ile ilgilidir. Maddeyi oluflturan moleküllerin tek tek kinetik enerjileri birbirleriyle ayn olabildi i gibi farkl da olabilir. Moleküllerin ortalama bir kinetik enerjisi vard r. Maddenin bir molekül veya atomunun sahip oldu u ortalama kinetik enerji ile do ru orant l büyüklü e s cakl k denir. S cakl artan bir maddenin molekülleri h zlanm fl demektir. Bir maddeye s verildi inde moleküllerin hareketi h zlan r ve kinetik enerjileri artar. K saca moleküller kinetik enerji kazan r. Böylece s enerjisi kazanan maddelerin s cakl klar yükselir. So uyan maddelerde ise moleküllerin hareketi yavafllar. Bu da moleküllerin kinetik enerjilerinin azalmas demektir. Is enerjisi kaybeden maddelerin s cakl klar düfler. Anlat lanlardan da anlafl laca gibi s ile s cakl k ayn kavramlar de ildir. Buna bir örnek verelim: Kaynamakta olan çaydanl ktaki sudan bir çay barda su alal m. Çaydanl ktaki ve çay barda ndaki sular n s cakl klar ayn d r. Fakat ikisindeki s miktarlar birbirine eflit de ildir. Çaydanl ktaki s cak su ile daha çok buz eritebiliriz. Bir bardak su ile eritilen buz çok azd r. Çaydanl ktaki suyun s s, bir bardak suyun s s ndan daha fazlad r. Is ve s cakl k aras ndaki farklar flöyle özetlenebilir: 1. Is bir enerji çeflididir. S cakl k ise enerji de ildir, bir ölçümdür. 2. Is kalorimetre ile ölçülür, s cakl k ise termometre ile ölçülür. 3. Is birimi kalori ve jouledür, s cakl k birimi ise derecedir. 142

4 ÖRNEK Yanan küçük bir kâ t parças ile bir tanker dolusu suyun s ve s cakl aras ndaki iliflki nas l olur? Çözüm Kâ t parças n n s cakl suyunkinden oldukça fazlad r. Ancak kütlesi kâa t parças na göre oldukça fazla olan suyun s miktar daha büyüktür. Is enerjisi maddenin kütlesi ile do ru orant l d r. ÖRNEK Mehmet ve Ayfle çay içmek istiyorlar. Ocaktaki çayd nl ktan Mehmet kupas n, Ayfle ise barda n dolduruyor. Kupan n hacmi bardaktan büyük oldu una göre; I. Kupa ve bardaktaki çaylar n s cakl klar ayn d r. II. Kupa ve bardaktaki çaylar n yo unluklar farkl d r. III. Kupadaki çay n s miktar bardaktakine göre fazlad r. ifadelerinden hangileri do rudur? (Is kay plar ihmal edeliyor.) Çözüm I. Kupa ve barda a çaylar ayn çaydanl ktan konuluyor. Her ikisinin de s cakl klar eflittir. II. Ayn cins s v n n farkl miktarlar n n yo unluklar de iflmez. Bir damla çay n da, bir çaydanl k dolusu çay n da yo unluklar ayn d r. III. Ayn s cakl ktaki ayn cins s v lar n miktarlar farkl ise s lar da farkl olur. Miktar fazla olan s v n n Is enerjisi daha fazlad r. Dolay s yla kupadaki çay n s miktar fazla olur. I ve III ifadeleri do rudur. 2. ISI NASIL YAYILIR? Yanan atefl üzerinde s nan tencereye dokundu umuzda elimiz yanar. Ancak farkl maddeden yap lm fl tencere sap tutuldu unda elimiz yanmaz. T pk bunun gibi yanan odun parças n n ucundan tutuldu unda elimiz yanmazken, s - t lm fl demir tel elimizi yakar. Bu örneklerden de anlafl ld gibi maddelerin s iletkenlikleri farkl d r. Is y en iyi ileten metal gümüfltür. Tahta, cam ve kumafl gibi kat lar n s iletimleri zay ft r. Bu yüzden tencere, çaydanl k ve kafl k gibi mutfak gereçlerine el yakmamas için tahta ve sert plastik malzemeden saplar yap l r. 143

5 Is n n yay lmas üç farkl flekilde olur. 1. letim yoluyla 2. Konveksiyon yoluyla 3. Ifl ma yoluyla a. letim Yoluyla Is kat maddelerde iletim yoluyla yay l r. Is alan kat taneciklerin hareket enerjileri artar. Kat hâldeki maddede taneciklerin titreflimleri artar. Titreflen tanecikler çevrelerindeki di er tanecikleri de titrefltirir. Böylelikle enerji tanecikten taneci e iletilir. S cak suya konan kafl klardan en çabuk metal kafl k s n r. Plastik kafl k ikinci, tahta kafl k ise en son s n r. fiekildeki bak r çubuk K ucundan s t ld nda çubu a mumla tutturulmufl i nelerden önce L, sonra M ve N i neleri düfler. K ucu s t l nca titreflen atomlar, komflu atomlar da titreflime zorlayarak s n n L, M ve N ye do ru yay lmas n sa larlar. Is n n bu flekilde yay lmas na iletim yoluyla yay lma denir. Uçlar na mumlarla raptiyeler tutturulmufl flekildeki demir ve bak r teller flekildeki gibi s t lmaya baflland nda önce bak r tel üzerindeki raptiyeler dökülmeye bafllar. Bunun nedeni bak r n s iletkenli inin demirden daha iyi olmas d r. Yemek yaparken, metal kafl k kullan l rsa elimiz yanar, ancak tahta kafl k kullan rsak yanmaz. Metal s y daha iyi iletir. Bu yüzden ev han mlar mutfakta tahta kafl k kullanmay tercih ederler. Bir deney tüpüne flekildeki gibi bir miktar su koyal m. Daha sonra içine bir parça buz parças atal m. Buzun dibe batmas için üzerine bir raptiye saplayal m. Tüpteki suyu üstten s tmaya bafllayal m. Bir süre s tmam za ra men buzun erimedi ini görürüz. Bu durum bize suyun kötü bir iletken oldu unu gösterir. Bak r ve aluminyum iyi s iletkenidir. Cam yünü, plastik köpük, çift caml pencerelerdeki hava bofllu u ve termoslardaki iç d fl çeper aras vakum ise iyi birer s yal tkan d r. buz su s 144

6 b. Konveksiyon (Madde Ak m ) S v ve gazlar kolay hareket edebilen ak flkan maddelerdir. Is nan maddelerin hacimleri artar ve yo unluklar azal r. Yo unluklar azalan s v ve gaz molekülleri yukar do ru hareket ederler. Yandaki flekilde görüldü ü gibi bir beherglas n üçte ikisini su ile doldural m. çine birkaç tane potasyum permanganat kristali b rakal m. Bu kristaller hemen dibe çöker. Daha sonra beherglas küçük bir alevle s tmaya bafllayal m. Beher glastaki geliflmeleri dikkatle izlersek bir süre sonra pembe renkli suyun yukar do ru yükselmeye bafllad n görürüz. Bu deneyi nas l aç klayabiliriz? Is t lan beherglasta önce alttaki renkli su s n r. Is nan su molekülleri, genleflip hacimleri art nca, yo unluklar azal r ve yükselirler. Yükselen su moleküllerinin yerlerini so uk su molekülleri al r. Böylece s s cak suyun hareketi vas tas yla yay lm fl olur. Benzer flekilde soba veya kalorifer yanan bir odada s nan hava yükselir. Is - n p yükselen havan n yerine so uk hava gelir. Böylece tüm oda s n r. Is n n s v ve gazlarda bu flekilde yay lmas na konveksiyon (madde ak m ) ile yay lma denir. hava borusu potasyum permanganat kristalleri hava ak m flamandra taflan su ç k fl s cak toprak so uk su (deniz) so uk su musluk hava ak m so uk toprak l k su (deniz) s cak su Yukar daki flekillerde gösterilen hava ak mlar n n yönlerini aç klama çal fl n z. Is n n konveksiyon yoluyla yay lmas ndan baca sistemlerinde, odalar n havaland r lmas nda ve s cak su sistemlerinde yararlan l r. S cak su sistemi X yak t s t c 145

7 Beherde s t lan su içinde bir ak m oluflur. Bir oda içindeki s nan havan n yükselmesi sonucunda da bir ak m oluflur. ÖRNEK fiekilde s t c y su dolu kovan n dibine koydu umuzda suyun her taraf s n yor. Fakat s t c y suyun üst k sm na dald rd m zda suyun alt k sm s nm yor. Bunun nedeni nedir? Çözüm: S v alttan s t ld nda genleflen suyun öz kütlesi azalarak yukar ç kar. Yukar daki so uk ve öz kütlesi büyük olan su afla inerek konveksiyon ak m meydana gelir. Su üstten s t ld nda öz kütlesi büyük olan so uk su yukar ç kamaz. Yani konveksiyon ak m oluflmaz. Su kötü iletken oldu u için iletim yoluyla da s iletilmez. Sonuçta suyun üst k sm s cak, alt k sm so uk olur. c. Ifl ma (Radyasyon) Kaynaktan ç kan s enerjisi etrafa görülür veya görülmez fl nlarla da yay labilir. Is n n bu flekilde yay lmas na, fl ma (radyasyon) ile yay lma denir. Günefl ten Dünya ya gelen fl nlar enerjilerini üzerine düfltükleri cisimlere aktararak onlar s t rlar. Mikrodalga f r nlar nda, elektrik ampullerinde s, fl - ma yoluyla yay l r. Tüm s cak cisimler etraflar na k - z l ötesi fl nlar yayarlar. Bu nedenle az veya çok fl - ma yoluyla s yayarlar. Soba, ütü, kalorifer ve s t c gibi aletlerde s n n yay lma flekli hem konveksiyon hem de fl ma ile olur. K fl n güneflli günlerde, d flar da s cakl k s f r n alt nda iken güney yönünde olan ve iyi günefl alan evlerin içinin soba gerektirmeyecek kadar s nmas, fl ma yoluyla s yay lmas na iyi bir örnektir. fiekil (a) daki engelin arkas ndaki el k sa sürede s n r. Bunun nedeni s n n fl ma ile yay lmas d r. Ayn deney (b) deki gibi yap lacak olursa, elin daha k sa sürede s nd gözlenir. Maddelerin fl nlar tutup s ya dönüfltürmeleri olay na so urma denir. 146

8 Yandaki flekilde hangi el s n r, niçin? Ifl k düz, parlak ve aç k renkli yüzeylerden daha iyi yans rken, pürüzlü, koyu renkli ve mat yüzeyler bu fl nlar tutarak (so urarak) s enerjisine çevirirler. Bu nedenle sobalar ile duvar aras na düzgün parlak levhalar konur. Bu levhalardan yans yan fl n tekrar oda içine yönelir. Siyah ve beyaz boyal iki özdefl teneke kutunun içine su doldurup bir süre günefl alt nda bekletildikten sonra flu görülür: Siyah renkli teneke kutudaki su daha s cakt r. Siyah kutu fazla fl n so urarak çabuk s n r. Aç k renkli maddelerde so urma fazla olmaz. Bir teneke kutunun iç yüzeylerinden birini siyaha boyayal m. Karfl s ndaki yüz parlak kals n. Bu karfl l kl iki yüzeye d fltan mumla metal paralar yap flt ral m. metal Daha sonra kutunun içine flekilde görüldü ü gibi yanan bir para ampul sallay p bir süre bekleyelim. Hangi yüzdeki mum daha önce erir ve metal para düfler? boyal yüzey Dünya ikliminin s cak kalmas üzerinde atmosferin etkisi büyüktür. Atmosferi olmayan gezegen ve uydular n gündüz ve gece s cakl klar aras nda büyük fark vard r. Hava kirlili inin çok oldu u bölgelerde günefl fl nlar n n bir k sm n n yeryüzüne ulaflmas engellenir. Bu nedenle bu bölgeler nispeten so uktur. Karbondioksit ve metan gibi gazlar yeryüzünden yans y p uzaya yönelen günefl fl nlar n so utarak atmosferin s nmas na neden olurlar. Bu olaya sera etkisi denir. 100 W ampul metal para parlak yüzey 3. ISI YALITIMININ TEKNOLOJ K ÖNEM Is kayb n n istenmedi i durumlarda s yal t m malzemeleri kullan l r. So uk ve s cak s v lar muhafaza eden termoslar, evlerin s cak ve so uktan korunmas için s yal t m n n yap lmas, pencerelerin çift cam olmas, oda zeminlerinin tahta parke ile döflenmesi, su borular n n izocamla sar lmas, tu lalar aras köpük kullan lmas gibi olaylar s yal t m ile ilgilidir. Yans t c yüzeyler de s yal t m nda kullan l r. Bunun en iyi örneklerinden birisi ayna cepheli modern binalard r. 147

9 Buzdolab n ve onun bir bölmesi olan buzlu un ne ifle yarad n düflününüz. Günlük hayatta baz cisimlerin s cak tutulmas gerekirken baz lar n n da so uk tutulmas gerekir. Siz bu maddelere örnekler verebilirsiniz. S cak ve so uk cisimlerin s cakl klar ortamla karfl laflt r l r. Bir maddeyi ortama göre uzun süre s cak veya so- uk tutmak nas l sa lanabilir? Bunun için yal tkan cisimlerden ve s yal t m ndan yararlan l r. nflaat duvarlar nda, pencerelerde, tavanlarda, su depolar nda, buhar borular nda, k sa süreli g da paketlerinde ve so uk hava depolar nda de iflik yal t m malzemeleri kullan l r. Yayg n s yal t m malzemeleri olarak plastik köpük, ahflap, asbest, volkan tüfleri, katran, fosfatlar, cam yünü, silikon yünü gibi maddelerden yararlan l r. Bu yal tkanlar s y iletmedikleri gibi yanmaya karfl da dayan kl d r. Kolay kolay tutuflmazlar. Yani tutuflma s cakl klar çok yüksektir. Binalarda yal t m enerji tüketimi aç s ndan da önemlidir. Çat, kap, pencere ve buhar iletim borular nda yal t m, ekonomik aç dan büyük tasarruf sa lar. K fl n s t lan veya yaz n so utulan bir mesken veya büroda, yal tma olmazsa, s tma ve so utma giderleri büyük oranda artar. Bu nedenle s yal t m na gereken önem verilmelidir. nsanlar içinde s yal t m önemlidir. K fl n giyilen k yafetler koyu renkli ve yün, kufl tüyü gibi malzemelerden yap l rken yaz n ise aç k renkli, pamuklu ve ince k yafetler kullan lmaktad r. Kutup ay lar n n kal n kürkleri sayesinde vücut s cakl klar n korumas, kar üzerinde duran kufllar n tüylerini kabartmas ve kutup bölgelerinde yaflayan insanlar n buzdan yapt klar evlerde (iglo) yaflamas s yal t m ile ilgili örneklerdir. ÖRNEK Termosun, içinin ve d fl n n parlak yap lmas n n sebebi nedir? Çözüm: çinin parlak olmas n n sebebi, içindeki s cak maddenin s s, termosun parlak yüzeyine çarparak yans s n ve tekrar kendi içine dönsün. Yani d flar ya s akmas n. D fl n n parlak olmas n n sebebi ise içine so uk su kondu unu düflünelim. Bu sefer de bunun s nmas istenmeyecektir. D flar dan termosun içine s girmemifl olur. ALIfiTIRMA Kutucuk numaralar n kullanarak, kutucuklar n alt ndaki sorular yan tlay n z. a) çinde s yla ilgili araçlar n yaz l oldu u kutucuklar n numaralar :... b) çinde s n n maddeye yapt etkilerin yaz l oldu u kutucuk numaralar :... c) çinde s n n yay lma yollar n n yaz l oldu u kutucuklar n numaralar :... ç) çinde s cakl k art fl amac yla kullan lan araçlar n yaz l oldu u kutucuklar n numaralar :