Isı ÜNİTE. Amaçlar. İçindekiler. Öneriler. Bu üniteyi çalıştıktan sonra,

Transkript

1 ÜNİTE 6 Isı Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Amaçlar enerji kavramını, sıcaklık ve ısıyı, özgül ısıyı, ısı ölçümünü, erime ve buharlaşmayı, genleşmeyi, gazları öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Enerji Sıcaklık ve Isı Özgül Isı Isı Ölçümü Erime ve Buharlaşma Genleşme Gazlar Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu ünitedeki kavramları iyice çalışınız. Ünite sonundaki soruları yanıtlayınız. Soruları yanıtlarken aceleci davranmayın. Ünite işlenirken verilen örnekleri dikkatli okuyun. Verilen örneklere benzerlerini siz bulun.

2 1. GİRİŞ Bu ünitede enerjinin korunumu ilkesinin doğal uzanımları üzerinde durulacaktır. Enerji bir şekilden diğerine dönüştürülebilir. Isı da bir nevi enerjidir. Sıcaklık ve ısı arasındaki fark üzerinde durulacaktır. Farklı cisimlerin ısı soğurma kabiliyetleri bir hal değişikliği esnasında enerji salınmasına veya yutulmasına sebep olur. Cisimlerin ısı ile genleşme veya büzülmeleri kinetik teori yardımıyla açıklanacaktır. Bir gazın sıcaklığı, basıncı ve hacmi arasındaki ilişki anlatılacaktır. 2. ENERJİ Enerji iş yapabilme yeteneğidir. Mekanikte iki tür enerji olduğunu daha önce görmüştük. Bunlar kinetik ve potansiyel enerjilerdir. Enerji bir şekilden diğerine dönüştürülebilir. Potansiyel enerji, kinetik enerjiye dönüşebilir. Bir barajdan aşağı inen suyun potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşür. Düşen suyun kinetik enerjisi vardır. Bir su çarkının kanatlarına düşen su, çarkları döndürebilir. Düşen su bir iş yapmış olur. Enerji hiçbir zaman yaratılamaz veya yok edilemez. Düşen bir cismin kinetik enerjisine ne olur? Bunun bir kısmı yere çakılınca büyük bir sese dönüşür. Diğer kısmı ise ısıya dönüşür. Yerden beş metre yüksekliğe bir topu çıkaralım. Yerçekimi kuvvetini yenmek için bir iş yapılmalıdır. Top yükselirken yere göre potansiyel enerjisi bir artış gösterir. Ne kadar çok yükseltilirse, potansiyel enerjisi o derece büyük olur. Topun 10 m. yükseklikteki potansiyel enerjisi, 5 m yükseklikteki potansiyel enerjisinden daha fazladır. Şimdi bu topu serbest bırakalım. Top aniden yere düşer ve çarpar. Topun yükseklik kaybetmesiyle sahip olduğu potansiyel enerji, kinetik enerjiye dönüşür ve hızı artar. Yere çarptığı anda tüm potansiyel enerjisi, kinetik enerjiye dönüşmüş olur. 3. SICAKLIK VE ISI Bütün maddeler parçacıklardan yapılmıştır. Bu parçacıklar sabit bir hareket içindedirler. Bunların tamamı kinetik enerjiye sahiptirler. Sıcaklık, bir madde içindeki parçacıkların ortalama kinetik enerjilerinin bir ölçüsüdür. İki madde, ancak sahip oldukları parçacıkların kinetik enerjilerinin aynı olmaları durumunda, aynı sıcaklıkta olurlar. Örneğin, buzdolabında bu

3 lunan bir portakal ile bir bardak süt aynı sıcaklıktadır. Bu durumda portakalın parçacıkları ile sütün parçacıkları aynı kinetik enerjiye sahiptir. Sıcaklık ve ısı aynı şey değildir. Isı, maddenin toplam iç enerjisidir. Bir maddedeki parçacık-ların toplam kinetik enerjisine o maddenin iç enerjisi veyahut ısısı denir. Bir maddenin iç enerjisi, o maddenin kütlesine olduğu kadar sıcaklığına da bağlıdır. Şimdi bir yüzme havuzu ve bir bardak su ele alalım. Herbirindeki suyun sıcaklık derecesi aynı olsun. Hangisi daha çok ısı enerjisine sahiptir? Yüzme havuzundaki suyun kütlesi daha fazladır. Kütlesi daha büyük havuzda daha çok sayıda su parçacıkları vardır. Çok sayıda parçacık ise daha çok toplam kinetik enerjiye sahiptir. Beşinci kesimde, ısı enerjisini hesaplarken sıcaklık derecesi kullanılacaktır. Sıcaklığı derece (Celcius ( C)) cinsinden ölçüyoruz. Eski ısı birimi kaloridir (cal). Yeni ısı birimi ise jul'dür (J). Bir kalori 4,18 jul'e eşittir (1 cal= 4,18 J). Sıcaklık aynı zamanda bir maddenin ısıyı kazanmak veya almak eğiliminde olup olmadığını gösterir. Örneğin, buzlu su kabına bir termometre daldıralım. Termometredeki cıva yüksekliği düşecektir. Kaynayan suya aynı termometre daldırılırsa bu kez civa sütunu hızla yükselir. Termometre, kaynayan sudan ısı kazanmıştır. Isı yüksek sıcaklık bölgelerinden alçak sıcaklık bölgelerine doğru akar. 4. ÖZGÜL ISI Sıcaklık ve ısı birbiriyle ilgilidir. Bir maddenin iç enerjisi artınca onun parçacıkları daha hızlı hareket ederler. Parçacıkların kinetik enerji artışı, sıcaklıktaki artışla anlaşılır. Madde ısı kazanır. Bir madde ısı kaybederken, onu teşkil eden parçacıklar daha yavaş hareket etmeye başlarlar. Maddenin sıcaklığı da bu oranda azalır. Özgül ısı (Cp), bir maddenin ısıyı soğurma (yutma) yeteneğidir. Özgül ısının birimi J/g C dir. Örneğin, suyun özgül ısısı 4,18 J/g Cdir. Bu değer, bir gram suyun sıcaklığını bir derece arttırmak için 4,18 jul'lük ısı enerjisi gerektiğini gösterir. Farklı maddeler farklı özgül ısılara sahiptir. Demir için bu değer 0,45 J/g Cdir. Yani, bir gram demirin sıcaklığını bir derece arttırmak için 0,5 jul 'lük ısı enerjisi gerekmektedir. Bazı maddelerin özgül ısıları Tablo 1'de gösterilmiştir

4 Tablo:1 Bazı Yaygın Maddelerin Özgül Isıları ( J/g C ) su... 4,18 demir... 0,45 aluminyum... 0,92 bakır... 0,38 karbon... 0,71 civa... 0,14 5. ISI ÖLÇÜMÜ Bir maddenin ısı enerjisindeki değişmeler ölçülebilir. Isı enerjisindeki değişmeyi bulmak için, maddenin kütlesi ile sıcaklığını ölçeriz. Bundan sonra, madde ısıtılır veya soğutulur. Daha sonra son sıcaklık ölçümü yapılır. Maddenin özgül ısısını kullanarak, madde tarafından alınan veya verilen ısı enerjisini bulabiliriz. Isıdaki bu değişme, sıcaklık farkının, kütle ve özgül ısı ile çarpımına eşit olur. Alınan veya verilen ısı = Sıcaklık değişimi x Kütle x Özgül ısı H= t x m x c p (delta) değişiklik demektir.? 10 gramlık su, 5 C den 20 C ye kadar ısıtılmıştır. Su tarafından alınan ısıyı hesaplayınız? H = (t 2 - t 1 ) x m x c p = (20 C-5 C) x 10 g x 4,18 J/g C = 15 C x 10 g x 4,18 J/g C = 627 J Isı değişiklikleri bir kalorimetre ile ölçülebilir. Isıtılan bir metali içerisinde su bulunan bir kalorimetre kabına atalım. Sıcak cisimden, daha soğuk olan suya ısı akışı olacaktır. Biraz beklenirse termometrede yükselme durur ve denge sıcaklığına kavuşulur. Yukarıdaki ısı enerjisi denklemi kullanılarak, metalin özgül ısısı deneysel olarak bulunur (Şekil. 1)

5 Karıştırıcı Termometre m İç kap Su Yalıtkan Metal Şekil 1. Kalorimetre 6. ERİME VE BUHARLAŞMA Şimdi içinde buz bulunan bir kabın sıcaklığını ölçelim. Buzun sıcaklığı -20 C olsun. Bundan sonra buzu hafif ateşte ısıtalım ve her 30 saniyede sıcaklığını ölçelim. Aldığımız sıcaklık derecelerini zamana karşı bir grafikle gösterelim (Şekil. 2). Sıcaklık ( C) Zaman (dak) Şekil 2. Sabit ısıda sıcaklık artışı Birkaç dakika sonra, sıcaklık artışı durur. Sadece buzun eridiğini farkedebiliriz. Buzun erimesi sona erdikten sonra sıcaklık yeniden artmaya başlar. Buz erirken verilen ısının hepsi, suyu buz (katı) halde tutan kuvvetleri yenmek ve parçalamak için harcanmıştır. Buzun erime noktası sıfır derece Celcius'tur. Bu derecede, bir gramlık su (buz) 334 Jul'luk enerji ola

6 rak katı halden sıvı hale geçer. Katı halden sıvı hale geçiş için gerekli olan enerjiye suyun gizil ergime ısısı denir. Suyu ısıtmaya devam edelim ve grafiği çizelim. Sıcaklık 100 dereceye ulaşınca, artış yeniden durur. Şimdi, su kabını bir kapakla kapatalım. Bu durumda sıcaklığın tekrar artışı için uzunca bir zaman beklemek zorundasınız. Bu zaman sırasında su buhara dönüşmüştür. Suyu katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerjiden daha fazla bir enerjiye sıvı-gaz dönüşümü için ihtiyaç duyulacaktır. Bir gramlık suyu sıvı halden gaz haline dönüştürmek için 2260 Jul'lük enerjiye ihtiyaç vardır. Bu enerjiye buharlaşma ısısı adı verilir. Bir sıvı gaza dönüşürken ısı enerjisi alır. Aynı şekilde, bir katı sıvıya dönüşürse yine ısı enerjisi alacaktır. Hal değişikliği sırasında sıcaklık sabit kalır. Bir gaz bir sıvıya yoğuşurken ısı kaybeder veya ısı verir. Aynı şekilde, katılaşan bir sıvı sahip olduğu enerjiyi kaybeder. Her iki durumda da sıcaklık değişmesi olamaz. 7. GENLEŞME Bir madde ısıtıldığında, maddenin parçacıklarının kinetik enerjisi artar. Enerjileri arttıkça parçacıklar daha hızlı hareket ederler. Parçacıklar hızlı hareket ederlerken, birbirleriyle çok şiddetli şekilde çarpışırlar. Bu sık ve şiddetli çarpışmalar parçacıkları birbirlerinden uzağa itebilir. Madde içinde itilen parçacıklar sebebiyle, maddenin hacmi artar. Madde genleşmeye uğrar. Köprülerin çoğunda köprü ile yol yatağı arasında açıklık bırakılır. Yazın sıcaklık artışında asfalt genleşir ve bu açıklık sebebiyle köprüde sıkışma olmaz. Soğukta bu aralık geniştir. Sıcaklık arttıkça aralık da küçülür. Sıvılarda, katılara benzer tarzda genleşme ve büzülme sözkonusudur. Örneğin, benzin deposu tıka basa doldurulmuş olsun. Gece sıcaklık düşer ve sabahleyin benzin seviyesi depo kapağının altına inmiştir. 8. GAZLAR Otomobil lastiğinin havasını kontrol eden bir teknisyen basıncını ölçer. Basınç ölçeri 200 kilopaskalı gösterir. Lastikteki bu basınca ne yol açmaktadır? Hava lastiğe pompalandığında, hava sıkıştırılmıştır ve hava daha küçük bir hacme zorlanmıştır. Lastik içerisin

7 deki gaz parçacıkları kinetik enerjiye sahiptirler. Bunlar sürekli hareket halindedirler. Bunlar hareket ederken hem birbirleriyle hem de lastik çeperiyle çarpışırlar. Lastik çeperlerine çarpan bu parçacıkların kuvveti, lastikteki basıncı ortaya çıkarmaktadır. Basınç, birim alana isabet eden kuvvettir. Eğer gazın sıcaklığı arttırılırsa, gaz parçacıklarının kinetik enerjisi artar ve daha hızlı hareket ederler. Böylelikle, lastik duvarlarına parçacıklar daha sık ve daha büyük bir kuvvetle çarparlar. Toplam kuvvet artınca, basınçta artmış olur. Bir lastikteki basıncı artırmanın diğer bir yolu da içine daha çok hava pompalamaktır. Daha fazla sayıda parçacığın lastik duvarlarına çarpması basıncın artması demektir. Lastik içindeki havanın basıncı, dış hava basıncından daha fazladır. Sıcak bir günde çok uzak mesafe giden bir otomobilin lastiğini ele alalım. Lastiğe ne olabilir? Lastik büyük bir olasılıkla patlayabilir. Hava basıncı, barometre adı verilen bir gereçle ölçülür. Basınç birimi paskal (Pa)dır. Deniz seviyesinde hava basıncı 101 kilopaskaldır paskal 1 kpa dır. Civalı bir barometrede, 75 cm. yüksekliğindeki civa sütunu 100 kilopaskal'lık bir ölçümü gösterir. Bir gazın sıcaklığı, basıncı ve hacmi arasında bir bağıntı vardır. Bu bağıntılardan bir tanesi Boyle Kanunu olarak bilinir. Boyle kanunu şöyle ifade edilebilir: Sıcaklık değişmediği takdirde, basınç artınca bir gazın hacmi azalır. Bir gazın parçacıkları birbirlerine yakın olmaları artan basınç sebebiyle ortaya çıkar. Böylece, hacim azalmış olur. Şayet bir gaz üzerindeki basınç azalırsa, gaz genleşecektir. Bir soda şişesinin kapağını aniden açalım. Karbondioksit gazı hemen dışarı çıkar. Şişenin kapağı açılır açılmaz gaz basıncı azalır. Bir gaz daha küçük bir hacme sıkıştırılabilir. Aynı gaz daha büyük bir hacme doldurmak üzere genleşebilir. Gazlarla ilgili diğer bir bağıntı Charles kanunu ile ifade edilir: Basınç değişmediği takdirde, sıcaklık artınca bir gazın hacmi artar. Gazın ısıtılması onun genleşmesine yol açar. Isıtıldıklarında gaz parçacıklarının kinetik enerjileri artar. İçinde bulundukları kap içinde daha hızlı hareket edip, kabın çeperlerine hızla çarparlar. Kabın duvarları esnek ise, gaz bunları yıkabilir. Hacimde bir artış sözkonusudur. Örneğin, balondaki hava ısıtılınca, balon genleşir

8 Özet Enerji bir şekilden diğerine dönüşebilir. Bir maddeyi oluşturan parçacıkların ortalama kinetik enerjisine sıcaklık denir. Isı enerjisi, bir maddenin parçacıklarının toplam kinetik enerjisidir. Özgül ısı, bir maddenin ısı soğurma kabiliyetini gösterir. Isı enerjisindeki değişme; sıcaklık, kütle ve özgül ısının kullanılmasıyla hesaplanabilir. Bir madde hal değiştirirken, ısı enerjisi soğurulur. Maddenin genleşmesi, parçacıklarının kinetik enerjilerinin artması yüzündendir. Parçacıklar birbirlerinden uzaklaşacak şekilde hareket ederler. Bir gazın hacmi, basıncı ve sıcaklığı arasında bir ilişki vardır. Bu ilişki Boyle ve Charles kanunları olarak bilinir. Değerlendirme Soruları 1. Aşağıdakilerden hangisi hareket enerjisi olan kinetik enerjiyi en iyi temsil eder? A) Bir cismin hızıyla kütlesinin çarpımıdır. B) Bir cismin hızının karesiyle kütlesinin çarpımıdır. C) Bir cismin kütlesiyle, hızının karesinin çarpımının yarısıdır. D) Isıtılan bir cismin kazandığı enerjidir. E) Isıtılan bir cismin sıcaklığı ile kütlesinin çarpımıdır kg lık bir sandık 5 m yükseğe çıkarılınca kazandığı potansiyel enerji ne olur? (g= 10 m/s 2 ) A) 2500 J B) 3000 J C) 1500 J D) 1000 J E) 3500 J 3. Günde 4000 kalori kazanan bir insan vücudunda biriken enerji nedir? Bu insanın enerjiyi harcamadığını kabul edelim. A) J B) J C) J D) J E) J

9 4. Aşağıda verilen tüm maddeler aynı kütleye sahiptirler. Hepsinin sıcaklığını 50 C artır-mak istiyoruz. En fazla ısıyı hangisi alacaktır? Özgül ısı değerleri parantez içinde verilmiştir. A) aluminyum (0,92) B) demir (0,45) C) bakır (0,38) D) civa (0,14) E) karbon (0,71) 5. Bir kilogram su 20 C de iken kaynatılıyor (100 C). Gerekli ısı miktarı nedir? (Suyun özgül ısısı 4,18 J/g C). A) 352,4 kj B) 80 kj C) 240 kj D) 334,4 kj E) 336,4 kj kg kütleli bir karbon parçası 80 C den 15 C ye kadar soğutuluyor. Kaybedilen ısı miktarı nedir? (karbonun özgül ısısı 0,71 J/g C dir) A) 1480 J B) 1660 J C) 1590 J D) 1790 J E) 1846 J g lık bir aluminyum çubuk, 25 Cden 100 C ye kadar ısıtılıyor. Daha sonra suya atılıp, sıcaklığı 40 o C ye düşürülüyor. Suyun kazandığı ısı miktarı nedir? A) J B) J C) J D) J E) J 8. Hava basıncını ölçen aletin adı aşağıdakilerden hangisidir? A) termometre B) milimetre C) barometre D) manometre E) paskal 9. Sıcaklığı sabit tutulan bir gazın, basıncı arttırıldığı zaman hacmi ne olur? (Boyle kanunu) A) azalır B) artar C) değişmez D) soğur E) ısınır 10. Basıncı sabit tutulan bir gazın, sıcaklığı arttırılınca hacmi ne olur? (Charles kanunu) A) soğur B) ısınır C) değişmez D) azalır E) artar