T.C. MİLLÎ EĞİTİM BAKANLI

Transkript

1 T.C. MİLLÎ EĞİTİM BAKANLI MEGEP (MESLEKİ EĞİTİM VE ÖĞRETİM SİSTEMİNİN GÜÇLENDİRİLMESİ PROJESİ) KİMYA TEKNOLOJİSİ ISI TRANSFERİ ANKARA, 2009

2 Milli Eğitim Bakanlığı tarafından geliştirilen modüller; Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığının tarih ve 186 sayılı Kararı ile onaylanan, Mesleki ve Teknik Eğitim Okul ve Kurumlarında kademeli olarak yaygınlaştırılan çerçeve öğretim programlarında amaçlanan mesleki yeterlikleri kazandırmaya yönelik geliştirilmiş öğretim materyalleridir (Ders Notlarıdır). Modüller, bireylere mesleki yeterlik kazandırmak ve bireysel öğrenmeye rehberlik etmek amacıyla öğrenme materyali olarak hazırlanmış, denenmek ve geliştirilmek üzere Mesleki ve Teknik Eğitim Okul ve Kurumlarında uygulanmaya başlanmıştır. Modüller teknolojik gelişmelere paralel olarak, amaçlanan yeterliği kazandırmak koşulu ile eğitim öğretim sırasında geliştirilebilir ve yapılması önerilen değişiklikler Bakanlıkta ilgili birime bildirilir. Örgün ve yaygın eğitim kurumları, işletmeler ve kendi kendine mesleki yeterlik kazanmak isteyen bireyler modüllere internet üzerinden ulaşılabilirler. Basılmış modüller, eğitim kurumlarında öğrencilere ücretsiz olarak dağıtılır. Modüller hiçbir şekilde ticari amaçla kullanılamaz ve ücret karşılığında satılamaz.

3 İÇİNDEKİLER AÇIKLAMALAR...ii GİRİŞ...1 ÖĞRENME FAALİYETİ ISI İLE GENLEŞME Sıcaklık Sıcaklık Ölçüleri Sıcaklık Dönüşümleri Isı Öz Isı ( Isınma Isısı ) Genleşme ve Sıkıştırılabilirlik...7 UYGULAMA FAALİYETİ...13 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...15 ÖĞRENME FAALİYETİ REAKSİYON ISISI (ENTALPİSİ) Entalpi ( H) Oluşum Entalpisi (Isısı ) Reaksiyon Entalpisi Reaksiyon Isılarının Ölçülmesi ve Kalorimetre...22 UYGULAMA FAALİYETİ...24 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...26 ÖĞRENME FAALİYETİ ISININ HAREKETİ Isı İletimi (Kondüksiyon) Faurier Isı İletim Kanunu...29 UYGULAMA FAALİYETİ...34 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...36 ÖĞRENME FAALİYETİ ISI TRANSFERİ Konveksiyon ile Isı Transferi Işınımla Isı Transferi...42 UYGULAMA FAALİYETİ...47 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME...49 MODÜL DEĞERLENDİRME...52 CEVAP ANAHTARLARI...57 KAYNAKÇA...59 i

4 AÇIKLAMALAR AÇIKLAMALAR KOD 524KI0100 ALAN DAL Kimya Teknolojisi Petrol- Petrokimya, Petrol- Rafineri MODÜL Isı Transferi Isı alış verişi ve ısı iletimi ile ilgili bilgilerin verildiği MODÜLÜN TANIMI öğrenme materyalidir. SÜRE 40 / 24 ÖN KOŞUL YETERLİLİK Isı transferi yapmak Genel Amaç Bu modülle gerekli ortam sağlandığında kurallara uygun olarak ısı transferini inceleyebileceksiniz. Amaçlar MODÜLÜN AMACI Gerekli ortam sağlandığında kurallara uygun olarak: 1. Isıyla metallerin genleşmesini inceleyebileceksiniz. 2. Reaksiyon ısını saptayabileceksiniz. 3. İletim ile ısı transferini gerçekleştirebileceksiniz. EĞİTİM ÖĞRETİM ORTAMLARI VE DONANIMLARI ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Giriş 4. Taşınım ile ısı transferini gerçekleştirebileceksiniz. Ortam Sınıf, atölye, laboratuar, işletme, kütüphane, bilgi teknolojileri ortamı (İnternet) vb, kendi kendinize veya grupla çalışabileceğiniz tüm ortamlar. Donanım Termometre, metal çubuklar (Al, Cu, Fe), fırın, beher, izolasyon malzemesi, ısıtma düzeneği, destek çubuğu, sabitleme malzemesi, bek, metal cetvel, alüminyum folyo Modülün içinde yer alan herhangi bir öğrenme faaliyetinden sonra, verilen ölçme araçları ile kendi kendinizi değerlendireceksiniz. Modül sonunda öğretmeniniz tarafından teorik ve pratik performansınızı ölçme teknikleri uygulayarak modül uygulamaları ile kazandığınız bilgi ve becerileri ölçerek değerlendirileceksiniz. ii

5 1 GİRİŞ GİRİŞ Sevgili Öğrenci, Isı transferi hayatın bir parçasıdır ve yaşamın devam etmesi için önemlidir. Vücudun ısı dengesi, soğuk havalarda kalın giysiler giyerek ısı kaybının azaltılması, sıcak havalarda ise ince giysiler giyerek fazla ısının vücuttan atılması ile sağlanır. Evimizin içinde bulunan buzdolabı, fırın, termos, düdüklü tencere, saç kurutma makinesi, ütü ve ısıtma cihazları gibi aletlerin yanı sıra; otomobilin motoru, radyatör, ısıtma sistemi ve kliması hep birer ısı transfer uygulamasıdır. Günlük yaşantımızda kullandığımız bazı kelimeleri anlamını tam olarak ifade edemediğimiz halde kullanırız. Enerji bu kelimelerden biridir. Enerjinin iş yapmada kullanıldığı yaygın olarak bilinmektedir, fakat enerji, ısı ve iş arasındaki ilişki çoğu zaman yanlış değerlendirmelere sebep olmaktadır. Bunun yanı sıra ısı ve sıcaklık terimleri de çoğu zaman yanlış yerde ve yanlış anlamlarda kullanılmaktadır. Bu modülle sıcaklığın skaler, ısının vektörel bir büyüklük olduğunu, kimyasal tepkimeler gerçekleşirken ısı alıp verdiklerini, sıcaklıkla metallerin uzadığını, ısının iletim, taşınım ve ışınımla transfer edildiğini öğreneceksiniz. Bu modülü başarıyla bitirdiğinizde, evinizde, okulunuzda ve fabrikalarda ısının nasıl transfer edildiğini ve kontrol altında tutulduğunu çok daha iyi anlayabileceksiniz. 1

6 2 2

7 3 ÖĞRENME FAALİYETİ 1 ÖĞRENME FAALİYETİ 1 AMAÇ Kuralına uygun olarak ısınan metalin boyca uzaması ile ilgili ölçüm yapabileceksiniz. ARAŞTIRMA Boyları ve kütleleri aynı olan farklı iki metalin eşit sıcaklık artışındaki uzamalarının farklı oluşunu araştırınız. Boyları ve kütleleri aynı olan farklı iki metalin eşit sıcaklık artışında uçları arasında oluşan elektrik voltajını nedenleri ile araştırınız Sıcaklık 1. ISI İLE GENLEŞME Sıcaklık çok sık kullanılan bir kavram olduğu halde, sıcaklığın tam bir tanımını yapmak oldukça güçtür. Sıcaklık duyularla algılanmakta ve genellikle sıcak veya soğuk kavramlarıyla ifade edilmektedir. Gözlemlerimizden, sıcak ve soğuk iki cisim birbirine temas ettirilmesi halinde, sıcak olanın soğuduğunu, soğuk olanında ısındığını, belli bir süre temas halinde kaldıklarında ise, her ikisinde aynı sıcaklık veya soğukluğa ulaştıklarını biliyoruz. Bir maddenin ısıl durumunu belirten bir ifade olan sıcaklık ısı geçişine neden olan etken olarak da tanımlanmaktadır. Ancak, sıcaklık artmaksızın da ısı geçişi olabileceği (hal değişimleri esnası) hatırda tutulmalıdır. Kaydedilen ilk sıcaklık ölçümü, Galileo tarafından on altıncı yüz yılın sonlarında yapılmıştır. Galileo nun termometresi havanın genişlemesi olayına bağlıydı. Sıcaklık ile ısı arasındaki farkın bilinmesi gerekir. Sıcaklığın etkisi ortamdaki moleküllerin hem dönmesi hem de titreşiminden doğan bir çalkantı halidir. Cismin sıcaklığı ne kadar fazla ise, moleküllerin titreşim enerjisi o kadar büyük ve bu moleküllerin kinetik enerjilerinin bir başka cisme transfer potansiyeli o kadar yüksek olur. Sıcaklık, ısının yüksek sıcaklık noktasından düşük sıcaklık noktasına hareketini sağlayan bir potansiyeldir Sıcaklık Ölçüleri Sıcaklıkları karşılaştırmak ve ölçmek için sıcaklık ölçüsünde anlaşma gereği vardır. Sıcaklık ölçüleri sabit sıcaklıklarda meydana gelen fiziksel olaylar cinsinden ifade edilir. Bu olayların sıcaklıkları sabit noktalar olarak bilinir. Sıcaklık ölçü aletlerine termometre denilmektedir. Yaygın olarak kullanılan sıcaklık göstergeleri Celsius ( o C), Fahrenheit ( o F), Kelvin ( o K), Rankin ( o R) ve Reaumur ( o R) dür. 3

8 4 Sıcaklık bir ısı ölçüsüdür. Tüm ölçüm sistemlerinde bir referans noktası vardır. Sıcaklık ölçümleri içinde referans noktası, suyun donma sıcaklığı olarak alınmıştır. Bu sıcaklık 0 santigrat derece ( o C) olarak kabul edilmiştir. Bilinen en düşük sıcaklık ise bir maddenin moleküler hareketinin durduğu, herhangi bir ısı enerjisinin olmadığı Mutlak 0 olarak ifade edilen derece Kelvin ( o K) kabul edilmiştir Sıcaklık Dönüşümleri Şekil 1.1: Sıcaklık ölçekleri Farklı birimlerde verilen sıcaklık değerleri birbirlerine dönüştürülebilir. Celsius (santigrat) ile Fahrenheit derecesi arasında; suyun donma ve kaynama noktaları baz alınarak oranlama yapılırsa bağıntıları yazılır. Örnek 1.1: 167 Fahrenheit derecesinin kaç Celsius (santigrat) a eşit olduğunu hesaplayınız? Çözüm: Verilen Fahrenheit derecesini bağıntıda yerine yazarak; t F C = 0 C = C = 75 1,8 1,8 Örnek 1.2: 60 C kaç Fahrenheit a eşit olduğunu hesaplayınız? Çözüm: Verilen Celsius derecesini bağıntıda yerine yazarak; F = 1,8. t C + 32 F = 1, F = 140 4

9 5 Celsius ile Reaumur derecesi arasında; suyun donma ve kaynama noktaları baz alınarak oranlama yapılırsa bağıntıları yazılır. Örnek 1.3: 65 Celsius derecesinin kaç Reaumur e eşit olduğunu hesaplayınız? Çözüm: Verilen Celsius derecesini bağıntıda yerine yazarak; R = t C R = 65 R = Mutlak Sıcaklık: On dokuzuncu yüz yılın ortalarında Lord Kelvin sıcaklık ölçümünü mekanik iş cinsinden tarif etmiştir. Kelvin donma ve kaynama noktaları arasındaki aralığı 100 eşit aralığa böldü. Böylece bir Kelvin, bir Celsius derecesi ile aynı sıcaklık aralığını göstermesini sağladı. Termodinamik hesaplamalarında sıcaklık ölçeği Kelvin olarak kullanılmaktadır. Kelvin ve Celsius ölçüleri arasındaki ilişki; T ( o K) ve t ( o C) sembolleriyle ifade edilir T ( K) = t( C) veya t ( C) = T ( K) 273 Rankin değerleri mutlak derecelerdir. Mutlak değerde olması gereken en düşük sıcaklık 0 o C dir. Fahrenhayt ve Rankin ölçekleri İngiltere, ABD de kullanılmaktadır. Genelde veriler, birimler, buhar tabloları bu iki ölçek kullanılarak basılmıştır. Rankin ölçeği Fahrenhayt a karşılık gelen termodinamik sıcaklıktır. Rankin in derecesi genelde Fahrenayt cinsinden ifade edilir. Hatırlanması gereken sayı 460 dır. o R yi o F e çevirmek için R den 460 çıkarılır. o F e o R yi çevirmek için 460 eklenir Isı Örnek 1.4: 530 o R kaç o F dir? Çözüm : F= R 460 F = F = 70 Termodinamiğin en önemli kavramlarından biri de ısıdır. Isı, belirli sıcaklıktaki bir sistemin sınırlarından, daha düşük sıcaklıktaki bir sisteme, sıcaklık farkı nedeniyle transfer edilen enerjidir. Bir cismin içindeki ısı miktarı o cismin sıcaklığı ile orantılıdır. Isı da iş gibi bir enerji transfer biçimidir. Isı termal bir enerjidir. Isı ve iş hiçbir cisimde depo edilemez, ancak geçiş halinde iken belirlenebilir. Bir başka deyişle ısı ve iş geçiş halindeki enerjidir. 5

10 6 Isı birimi iş birimi ile aynıdır, yani joule (J) dür. Kalori de (cal) kullanılmaktadır. 1 cal 1gram suyun sıcaklığını 14,5 o C den 15,5 o C ye yükseltmek için gerekli olan ısı miktarıdır. 1 cal = 4,187 joule dir Öz Isı ( Isınma Isısı ) Öz ısının bir diğer adı ısınma ısıdır (CGS birim sisteminde). Bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 1 ºC değiştirmek için alınması veya verilmesi gerekli ısı miktara Öz Isı (ısınma ısı) denir. SI birim sisteminde bir maddenin öz ısısı, o maddenin 1 kg lık kütlesinin sıcaklığını 1 o K artırmak için gerekli ısıdır. Öz ısı c ile gösterilir. Bir maddenin m gramının sıcaklığını 1 o C değiştirmek için gerekli ısı miktarına Isı Sığası denir. Kütlesi m gram, öz ısı (ısınma ısısı) c cal /g o C olan bir maddenin sıcaklığını t o C değiştirmek için verilmesi veya alınması gereken ısı aşağıdaki eşitlikle bulunur. Q= Alınan ya da verilen ısı (cal) t = t 2 -t 1 t 1 = İlk sıcaklık, t 2 = Son sıcaklık *Farklı sıcaklıklarda iki madde karıştırıldığında sıcaklığı fazla olan düşük olana, sıcaklıkları eşit oluncaya kadar ısı geçişi olacaktır. Her zaman Q verilen = Q alınan dır. Madde Öz ısı (cal /g o C) Madde Öz ısı (cal /g o C) Su 1 Cıva 0,033 Buz 0,5 Gümüş 0,056 Zeytinyağı 0,47 Kurşun 0,031 Naftalin 0,41 Bizmut 0,294 Hidrojen 0,41 Kobalt 0,107 Oksijen 0,22 Cam kum 0,15 Bor 0,58 Su buharı 0,48 0,5 Magnezyum 0,26 Hava(sabit 0,23 basınçta) Alüminyum 0,217 Etil alkol 0,6 Krom 0,12 Pirinç 0,094 Manganez 0,115 Buz 0,55 Demir 0,113 Uranyum 0,026 Nikel 0,110 Kripton 0,047 Bakır 0,1 Çinko 0,095 Tablo 1.1: Bazı maddelerin öz ısıları 6

11 7 Örnek o C deki 600 g kütleli bir sıvının sıcaklığını 75 o C a çıkarmak için gerekli ısı miktarı kaç kaloridir (c sıvı = 0,6 cal /g o C)? Çözüm: Verilen değerleri formülde yerine yazarak; t 2 =75 o C, t1=45 o C, m=600 g, csıvı = 0,6 cal /g o C, Q=? Q = m.c. t Q =600. 0,6(75-45) Q =10800cal Örnek C deki 0.02 kg lık bir cisme 400 cal ısı verilince sıcaklığı 80 o C ye çıkıyor. Bu cismin öz ısısı kaç cal / g o C dır? Çözüm: m= 0.02 kg = 20 g olur. t 2 =80 0 C, t 1 =40 0 C, Q=400 cal Verilenleri formülde yerine yazarsak: Q = m.c. t 400 = 20. c. (80-40 ) c= 0,5 cal /g o C Örnek gram 400 o C taki su ile 60 g 600 o C taki su karıştırılırsa karışımın son sıcaklığı kaç o C olur? Çözüm: Her ikisinin ısınma ısıları aynı olduğundan ve Q verilen = Q alınan olacağından son sıcaklığa t son dersek; m 2 csu t ( t2 t son ) = m1 csu ( t son 1) Eşitliğin her iki tarafında c su olduğundan sadeleştirip 60 (60 t ) = 20 ( t 20) t = 20t t = 4000 son son t 0 son = 50 C Genleşme ve Sıkıştırılabilirlik Isı alan cisimlerin (taneciklerin) hareketleri hızlanır ve molekülleri arasındaki uzaklık artar. Bunun sonucunda da cisim genleşir yani hacmi artar. Bütün genleşmeler aslında hacimcedir. Uzun bir demir çubuk ısıtıldığı zaman boyu uzar, boyu uzamanın yanı sıra kalınlığı da artar. Ancak kalınlığındaki artış, boyundaki uzamanın yanında ihmal edilecek kadar küçük olduğundan, bu olay sadece boyca uzama diye tanımlanır. Bunun gibi bir metal levha ısıtıldığında metal levhanın yüzeyi artar. Yani hacimce genleşir. Ancak kalınlığındaki artış yüzeyindeki artışın yanında ihmal edilecek kadar küçük olduğundan, bu olay sadece yüzeyce genleşme diye tanımlanır. Netice olarak diyebiliriz ki, ısıtılan cisimlerin hacimlerinde meydana gelen artışa genleşme denir. Genleşme olayının tersi ise büzülmedir. Üzerinden ısı alınan cisimlerin hacimlerinde meydana gelen küçülmeye büzülme denir. Maddenin ilk hacimleri büyükse, aynı sıcaklık değişiminde genleşme miktarı da büyük olur. O halde genleşme miktarı maddenin ilk hacmi ile doğru orantılıdır. Farklı 7 son son son

12 8 metallerin molekülleri arasında boşluklar da farklıdır. Örneğin bakır molekülleri ile demir molekülleri arasındaki boşluklar farklıdır. İkisi de aynı miktarda ısıtılsa bile boşluklardaki artmalar, yani genleşmeler aynı olmayacaktır. O halde genleşme miktarı, maddenin cinsine bağlıdır. Sıcaklık artışı ne kadar çok olursa maddenin molekülleri de o kadar çok hızlanır ve birbirinden daha çok uzaklaşırlar. Bundan da anlaşılacağına göre genleşme, sıcaklık artışıyla doğru orantılıdır. Genleşme sıvı ve katılar için ayırt edici bir özelliktir. Fakat gazlar için ayırt edici değildir. Maddeler tanecikli yapıdadır ve tanecikler arasında boşluklar vardır. Maddenin üzerine basınç uygulanarak tanecikler arasındaki uzaklıklar azalır ve madde sıkışır. Katılarda ve sıvılarda tanecikler birbirine değer durumda oldukları için bunları sıkıştırmak ve hacimlerini küçültmek çok zordur. Ama gazlarda tanecikler arasındaki uzaklık fazla olduğundan sıkıştırılabilir. Bu durumda tanecikler birbirine yaklaşır ve hacimleri küçülür. Isıtılan bir madde genleşir. Soğuduğunda ise hacmi küçülür, yani sıkışır. Sıkışma genleşmenin tersidir. Gazlarda sıkıştırma sabit sıcaklıkta gaz basıncını arttırarak ya da sabit basınç altında sıcaklığı düşürerek veya her iki etkeni de uygulanarak gerçekleştirilebilir Katılarda Genleşme Boyca uzama: Bir cismin sıcaklığını 1 o C artırdığımızda birim boyunda meydana gelen uzama miktarına boyca uzama kat sayısı denir. Boyca uzama kat sayısı λ ile gösterilir, birimi 1/ 0 C tur. Boyca uzama kat sayısı maddeler için ayırt edici özelliktir. 1cm lik boydaki 1 o C luk sıcaklık artışındaki uzama λ,l 0 cm lik boydaki 1 o C luk sıcaklık artışındaki uzama λ.l 0, l 0 cm lik boydaki t o C luk sıcaklık artışındaki uzama; dir. Şekil 1.2: Katıların boyca uzaması Buna göre yeni boy; olur. 8

13 9 Madde Boyca uzama kat sayısı (1/ o C) Madde Boyca uzama kat sayısı (1/ o C) Platin Pirinç Çelik Gümüş Demir Alüminyum Bakır Kurşun Tablo 1. 1: Bazı maddelerin boyca uzama kat sayıları Metalin ısıtılmadan önceki sıcaklığı ile ısıtıldıktan sonraki sıcaklığının farkıdır. Önemli Uyarılar Boyca genleşme kat sayısı sadece katının cinsine bağlıdır. Aynı cins maddeden yapılan iki metalin ilk boyları aynı, kalınlıkları farklı olsun.λ Sıcaklık değişimleri aynı olacak şekilde ısıtıldığında son boyları yine aynı olur. Aynı cins maddeden yapılan iki metalin ilk boyları aynı kütleleri farklı olsun. İlk sıcaklıları aynı olan bu metallere eşit miktarda ısı verdiğimizde son boyları eşit olmaz. Çünkü kütlesi büyük olanın sıcaklık artışı daha az olacağından uzama miktarı da az olur. Aynı cins maddeden yapılan iki metalin ilk boyları ve sıcaklıkları aynı olsun. Sıcaklık farkları aynı olacak şekilde birisini ısıtıp diğerini soğuttuğumuzda, ısıtılanın boyu artar, soğutulanın boyu azalır. Ancak uzama ve kısalma miktarları aynı miktarda olur. Birbirine perçinlenmiş X ve Y metal çubukları ısıtıldığında ve soğutulduğunda birbirlerini bırakmadıkları için bükülürler. Uzama kat sayısı büyük olan ısıtıldığında daha fazla uzar, soğutulduğunda daha fazla büzülür. Örnek 1.7: Sıcaklığın 20 o C olduğu bir ortamda 10 cm boyundaki bakır çubuk, 100 o C 6 deki bir fırında boyu kaç cm olur?( λ = / o C) Çözüm: Sıcaklık farkının neden olduğu boyca uzamayı hesaplamak için: t = ( t ) 2 t1 6 5 l = l0 λ t l = 10 1,7.10 (100 20) l = cm l = l 0 + l l = , l = 10, 00136cm 9

14 10 Örnek 1.8: Demir ve pirinçten yapılmış iki çubuğun uzunlukları arasındaki fark her sıcaklık derecesinde 20 cm oluyor. Pirinç çubuğun uzunluğu kaç cm dir? (λ pirinç = / o C, λ demir = / o C) Çözüm: Çubukların uzamaları arasındaki farkın her sıcaklıkta aynı kalması, uzama miktarının eşit olması ile mümkündür. λ demir < λ pirinç olduğundan demir çubuğun uzama miktarının pirinç çubuğun uzama miktarına eşit olması için λ pirinç > λ demir olmalıdır. λ demir 0( pirinç) l = l l t = l λ t 0 ( demir) pirinç t aynı olduğundan; l 0 ( demir) λ demir = l0( pirinç) λ şeklinde yazılır. pirinç Değerleri bağıntıda yerine yazarak; ( 6 6 x + 20) = x x 20) 3 5x ( + = x = 30cm Yüzeyce genleşme: Bir cismin sıcaklığını 1 o C artırdığımızda birim yüzeyde meydana gelen genleşme miktarına yüzeyce genleşme kat sayısı denir. Yüzeyce genleşme kat sayısı 2λ ile gösterilir. Bu ifadeye göre Aynı cins maddeden yapılan iki metalin ilk yüzeyleri ve sıcaklıkları aynı, kalınlıkları farklı olsun. Kalınlıkları farklı olunca kütleleri de farklı olur. Bu metallere eşit miktarda ısı verelim. Kalın levhanın kütlesi ince levhanın kütlesinden büyük olduğu için, Q= m.c. t ye göre kütlesi büyük olanın sıcaklık değişimi küçük olur. Böylece yüzeyce genleşmeleri de farklı olur. Hacimce genleşme: Bir cismin sıcaklığını 1 o C artırdığımızda birim hacimde meydana gelen genleşme miktarına hacimce genleşme kat sayısı denir. Hacimce genleşme kat sayısı 3λ ile gösterilir. Bu ifadeye göre: 10

15 11 Önemli Uyarılar Aynı cins maddeden yapılan iki metal küreden birisinin boş, diğerinin içi dolu olup dış hacimleri ve ilk sıcaklıkları eşit olsun. Bu metal küreleri sıcaklık değişimleri eşit kalmak şartıyla ısıttığımızda ve soğuttuğumuzda dış hacimleri yine eşit olur. Aynı şartlardaki metal kürelere eşit miktarda ısı verelim. İçi boş kürenin kütlesi, içi dolu olan kürenin kütlesinden küçük olduğu için, Q = m.c. t ye göre kütlesi küçük olanın sıcaklık değişimi büyük olur. Sonuçta eşit ısı verilen içi boş kürenin son hacmi daha büyük olur. İçinin bir kısmı boş olan bir küre ısıtılırsa küre genleşeceğinden boş olan kısmın hacmi de artar. Dolayısıyla üç boyutlu cisimler de dışa doğru genleşirler Sıvılarda Genleşme Isıtılan bir sıvı sadece hacimce genleşebilir. Genleşme sıvılar için de ayırt edicidir. Sıvının hacmi değişirken içinde bulunduğu kap da genleşir. Sıvının gerçek genleşme miktarı, sıvının görünen genleşme miktarı ile kabın genleşme miktarının toplanmasıyla bulunabilir. Sıvılar kaba doldurulduklarında kabın şeklini aldıklarından bir geometrik şekli yoktur. Dolayısıyla boyca ve yüzeyce genleşmeden bahsetmek oldukça güçtür. Hacimsel olarak genleşmelerini incelemek ise oldukça kolaydır. Bir sıvının birim hacminin sıcaklığını 1 o C artırınca hacimdeki genleşme miktarına hacimce genleşme kat sayısı denir. Sıvının hacimsel olarak genleşme miktarı, V :Hacimdeki değişim V 0 : İlk hacim a Hacimsel olarak genleşme kat sayısıdır. Su ise farklı özellik gösterir. Suyun 1 atmosferlik basınç altında +4 ºC altında ve üstündeki sıcaklıklarda hacmi artar. +4 ºC de suyun hacmi minimum, öz kütlesi maksimumdur. Eğer suyun diğer sıvılardan farklı özelliği olmasaydı yani diğer sıvılar gibi davransaydı, sular üstten değil dipten donar ve denizlerde hayat olmazdı. Hâlbuki su üstten donup 1 m kalınlığında buz tabakası olsa da, suyun dip taraftaki sıcaklığı +4 civarındadır. Çünkü yoğunluğu en fazla olan sıvı dipte olur. Bizmut ve Antimon da su gibi davranır. Madde Hacimce genleşme kat sayısı (1/ o C) Cıva Gliserin Sülfürik asit Etil alkol Eter Tablo 1.2: Bazı sıvıların hacimce genleşme katsayıları 11

16 12 Örnek 1. 9: Yarıçapı 20 cm olan küresel bir kap 30 o C ta su ile doludur. Kaptaki suyun sıcaklığı 60 o C a çıkarılırsa 4 cm taban yarıçaplı silindirde su seviyesi kaç cm yükselir? 0 ( π = 3, a 4 / su = C, kabın genleşmediğini varsayınız.) Çözüm: Suyun hacmini hesaplamak için V su = π r V su = 3 20 V su = 32000cm 3 3 Suyun sıcaklığı 30 o C tan 60 o C a çıkarılınca genleşen miktarı hesaplamak için; 4 V = V0 a t V = (60 30) V = 1920cm Suyun genleşme miktarının silindirde kapladığı yüksekliği hesaplamak için: 2 2 V = π r h 1920 = 3 4 h h = 40cm Gazların Genleşmesi Gazların genleşmesi sadece hacimce olur. Genleşme kat sayısı bütün gazlarda aynıdır. Bütün gazların sıcaklıkları 1 o C artırıldığında hacimlerinin 1/273 ü kadar genleşirler. Bu nedenle genleşme gazlar için ayırt edici bir özellik değildir. 3 12

17 13 UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ Size verilen bakır telin boyca genleşme miktarını bulunuz. Gerekli malzemeler: Bakır tel, metal cetvel, destek çubuğu (2 adet), sabitleme malzemesi, termometre İşlem basamakları 30 cm boyunda bakır tel hazırlayınız. Öneriler Laboratuar önlüğünüzü giyerek çalışma tezgâhınızı düzenleyiniz. Çalışma ortamınızı hazırlayınız. Ölçümü hassas yapınız. Destek çubuğuna telin bir ucunu sabitleyiniz. Sabitleyeceğiniz bakır telin ucuna ısı yalıtımı yapınız. İkinci bir destek çubuğuna metal metre sabitleyiniz. Metal metrenin ısı ile temas etmemesine dikkat ediniz. Bakır telin ucu metal metrenin sıfır noktasına değmeyecek şekilde yerleştiriniz. Metal ısı aldığında, genleşmeyi metal metreden okunacak şekilde destek çubuğunu yerleştiriniz. 13

18 14 İki ayrı beki metal çubuğun altına yerleştiriniz. Cetvel ve destek çubukları, ısıdan fazla etkilenmemesine dikkat ediniz. Atölye ortamının sıcaklığını ölçünüz. Termometre ölçüm kurallarına uyunuz. Sıcaklığı kaydetmeyi unutmayınız. Bekleri yakınız. Bek yakma kurallarına uyunuz. Belli bir süre (5 10 dk. arası) sonra metaldeki uzamayı cetvelden okuyunuz. Bekleri kapatınız. Ne kadar uzamasına neden olan sıcaklığı hesaplayınız. Sonucu rapor ediniz. Hesaplamayı dikkatli yapınız. Yaptığınız işlemleri ve deneyleri, sonuçları ile raporunuza yazınız. 14

19 15 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Aşağıdaki cümlelerde boş bırakılan yerleri doğru sözcüklerle doldurunuz. 1. İlk sıcaklık ölçümü, tarafından yüzyılın sonlarında yapılmıştır. 2. Sıcaklık ölçümleri içinde referans noktası..sıcaklığı baz alınmış ve bu sıcaklık olarak kabul edilmiştir. 3. Belirli sıcaklıktaki bir sistemin sınırlarından, daha düşük sıcaklıktaki bir sisteme, sıcaklık farkı nedeniyle transfer edilen enerjiye..denir. 4. Bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 1 o C değiştirmek için alınması veya verilmesi gerekli olan ısıya. denir. 5. Isıtılan cisimlerin hacimlerinde meydana gelen artışa..denir. Aşağıdaki sorularda doğru seçeneği işaretleyiniz. 6. Aşağıdakilerden hangisi sıcaklık ölçüm göstergesi değildir? A) Celsus B) Fahrenheit C) Pascal D) Rankin o C un Fahrenheit derecesi olarak karşılığı aşağıdakilerden hangisidir? A) 167 B) 108 C) 43 D) o C nin Kelvin derecesi olarak karşılığı aşağıdakilerden hangisidir? A) 173 B) 212 C) 273 D) Aşağıdakilerden hangisi mutlak sıcaklıkta en düşük sıcaklık derecesidir? A) 492 B) 273 C) 32 D) 0 15

20 o C deki m gram kütleli bir sıvının sıcaklığını 75 o C a çıkarmak için harcanan ısı cal olduğuna göre sıvı kaç gramdır? (c sıvı = 0,6 cal /g o C) A) 60 B) 120 C) 300 D) g 20 o C deki su ile 30g 40 ºC deki karıştırılırsa son sıcaklık kaç o C olur? A) 35 B) 30 C) 25 D) Sıcaklığın 20 o C olduğu bir ortamda 20 cm boyundaki demir çubuğun 120 o C da boyu 6 0 kaç cm olur? ( λ = / C) A) 20,024 B) 24,024 C) 24,24 D) 24 DEĞERLENDİRME Cevaplarınızı modül sonunda yer alan cevap anahtarı ile karşılaştırınız ve doğru cevap sayınızı belirleyerek kendinizi değerlendiriniz. Ölçme sorularındaki yanlış cevaplarınızı tekrar ederek, araştırarak ya da öğretmeninizden yardım alarak tamamlayınız. 16

21 17 UYGULAMALI TEST 40 cm boyundaki alüminyum telin 5 ile 10 dakika arasındaki süre içinde, iki bek alevinin sıcaklığı ile boyca artışını cetvelden okuyarak genleşmedeki son sıcaklığı hesaplayınız. λ = / 0 C Al Aşağıda hazırlanan değerlendirme ölçeğine göre yaptığınız çalışmayı değerlendiriniz. Gerçekleşme düzeyine göre evet-hayır seçeneklerinden uygun olan kutucuğu işaretleyerek belirtiniz. DEĞERLENDİRME ÖLÇÜTLERİ Evet Hayır 1. İş önlüğünüzü giyip çalışma masanızı düzenlediniz mi? 2. Malzemelerinizi aldınız mı? cm boyunda alüminyum çubuk hazırladınız mı? 4. Metalin sabitlenecek ucunu izolasyonunu yapıp destek çubuğuna sabitlediniz mi? 5. Metal cetveli destek çubuğuna sabitlediniz mi? 6. Metalin sabitlenmeyen ucunu cetvelin sıfır noktasına değmeyecek şekilde destek çubuklarını yerleştirdiniz mi? 7. Atölye ortamının sıcaklığını ölçtünüz mü? 8. Bekleri metal çubuğun altına yerleştirip yaktınız mı? 9. Cetvelden verilen süre aralığında boyca uzamayı okudunuz mu? 10. Hesaplama yaptınız mı? 11. Rapor hazırladınız mı? DEĞERLENDİRME Uygulamalı test sonunda yapacağınız değerlendirme ölçütlerinde verdiğiniz cevaplardaki Hayır işaretli cevaplarınız yapamadığınız işlemleri göstermektedir. Buraları tekrar ederek başarmaya çalışınız. Tüm işlemleri başarıyla tamamladıysanız bir sonraki faaliyete geçiniz. 17

22 18 ÖĞRENME FAALİYETİ 2 ÖĞRENME FAALİYETİ 2 AMAÇ Kuralına uygun olarak reaksiyon ısısını ölçebileceksiniz. ARAŞTIRMA Reaksiyon ısısı nedir, araştırınız. Reaksiyon ısısı nasıl ölçülür, araştırınız. 2. REAKSİYON ISISI (ENTALPİSİ) Kimyasal olaylar gerçekleşirken, az ya da çok mutlaka bir enerji değişimi olur. Kimyasal reaksiyonlara eşlik eden enerji, genellikle ısı enerjisidir. Ancak bir kimyasal tepkimeye eşlik eden enerji bazen ışık ve elektrik enerjisi şeklinde de görülebilir. Örneğin; kibritin yanması kimyasal bir değişmedir. Kibrit yanarak kimyasal değişmeye uğrarken, olaya ısı ve ışık enerjisi eşlik eder. Kimyasal tepkimelerde alınan ya da verilen enerjiler, tepkime denklemlerinde ısı enerjisi biçiminde gösterilir. Isı enerjisinin değerinin de gösterildiği kimyasal denklemlere termokimyasal denklem denir. Tepkimelerde gösterilen ısı değerleri, o tepkimelerin 25 o C sıcaklıkta ve sabit atmosfer basıncında (1 atm.) oluşması sırasındaki ısı enerjisidir. Kimyasal reaksiyonlarda, açığa çıkan ya da alınan bu enerjiler, tepkimeye giren maddeler ile tepkimeden çıkan maddelerin potansiyel enerjileri arasındaki farkın karşılığıdır. İşte bu farka reaksiyon ısısı adı verilir. Isı birimi olarak joul ya da joulenin 1000 katı olan kilojoule kullanılır ve J ya da kj sembolleri ile gösterilir. Ayrıca ısı hesaplarında yaygın olarak kalori (cal ) ya da bunu 1000 katı olan kilokalori (kcal ) birimi kullanılmaktadır. Reaksiyonlar ısı yönüyle ikiye ayrılır. Ekzotermik reaksiyonlar (ısıveren) Endotermik reaksiyonlar (ısıalan) Bir kimyasal reaksiyon söz konusu ise mutlaka enerji değişimi olur. Ya dışarıya ısı verir ya da dışarıdan ısı alır. H 2 + 1/2 O 2 H 2 O + 68 kcal (ekzotermik reaksiyon) C + O 2 CO kcal (ekzotermik reaksiyon) N 2 + 3/2 O kcal N 2 O 3 (endotermik reaksiyon) 18

23 Entalpi ( H) Herhangi bir madde bir kimyasal reaksiyonda dışarıya enerji vererek başka bir maddeye dönüşüyorsa, açığa çıkan enerji önceden başlangıçtaki maddede depo edilmiş halde bulunmalıdır. Aynı şekilde oluşan maddeler de, başka bir maddeye dönüşürken yine enerji verebildiklerine göre bu maddelerde de depo enerjisi vardır denilebilir. Herhangi bir maddenin kimyasal yapısına bağlı olarak depo edilmiş olan bu enerjiye ısı kapsamı denir. Sabit basınçta H ile gösterilir. İç enerji değişimine Entalpi adı verilir. Her maddenin kendi içinde bulunduğu bir iç enerji vardır. İç enerji değişimi H ile gösterilir. Bir maddenin katı, sıvı, gaz hallerinde entalpi değişimleri farklıdır. Entalpi; Madde miktarına, Maddenin fiziksel haline, Basınca bağlıdır. H : (+) işaretli ise ya da H > 0 ise reaksiyon endotermiktir. H : (-) işaretli ise ya da H < 0 ise reaksiyon ekzotermiktir. 2Fe + 3/2 O 2 Fe 2 O kcal 2Fe + 3/2 O 2 Fe 2 O 3 H = kcal Ekzotermik CaCO kcal CaO + CO 2 CaCO 3 CaO + CO 2 H = kcal Endotermik 2.2. Oluşum Entalpisi (Isısı ) Elementlerin ve tabiatta bulunan halleri ile tek cins atomdan oluşmuş moleküllerin (Na, Fe, H 2, O 2 ) entalpileri sıfır kabul edilmiştir. Herhangi bir maddenin bir molünün elementlerinden oluşurken aldığı ya da verdiği ısı miktarına oluşum entalpisi denir. C + O 2 CO 2 H = - 94 kcal 2Fe + 3/2 O 2 Fe 2 O kcal denklemine göre Fe ve O 2 nin entalpileri sıfır olduğundan Fe 2 O 3 ün oluşum entalpisi kcal /mol dür denir. Fotoğraf 2.1: Yanma tepkimeleri sonucu ısı açığa çıkar 19

24 20 Örnek 2.1: Normal koşullarda 5,6 L N 2 O gazının elementlerinden oluşabilmesi için dışardan 5 kcal ısı alınmıştır. Buna göre N 2 O nun oluşum entalpisi kaç kcal / mol dür? Çözüm: N.Ş:A da 5,6 L olan N 2 O gazının kaç mol olduğunu hesaplayalım. V 5,6 n = n = n = 0, 25mol 22,4 22,4 0,25 mol 5 kcal ısı alındığına göre; 1 mol X kcal 5x 1 X= =20 kcal olay endotermiktir. Entalpi pozitiftir. ( H = + 20 kcal /mol) 0,25 Örnek 2.2: 12 g Ca un yeterli miktarda O 2 ile reaksiyona girmesi sırasında 45 kcal ısı açığa çıkıyor. Buna göre, CaO in oluşum entalpisi kaç kcal /mol dür? (Ca =40) Çözüm: 12 g Ca nın kaç mol olduğunu hesaplamak için; n = m M A n = n = 0,3mol Ca + ½ O 2 CaO denklemine göre 0,3 mol Ca dan 0,3 mol CaO oluşur mol = 1mol = 150kkal. Buna göre, CaO in oluşum entalpisi -150 kcal 0,3 /mol dür. 25 o C ve 1 atm basınç altında ölçülen oluşum entalpilerine standart oluşum entalpisi denir Reaksiyon Entalpisi Tepkimede oluşan ürünlerin standart oluşum entalpileri ile tepkimeye girenlerin standart oluşum entalpileri toplamı arasındaki farka eşittir. Standart oluşum entalpilerini kullanarak tepkime ısısını aşağıdaki bağıntı yardımıyla hesaplayabiliriz. H 0 = H 0 ürünler - H 0 grenler ( = Toplam ) ( 0 standart koşullar) Örnek C 3 H 8(g), CO 2(g) ve H 2 O (s) yun standart oluşum entalpilerinin sırasıyla - 104; -394 ;- 286 kj/mol olduğu bilindiğine göre; C 3 H 8(g) + 5 O 2(g) 3 CO 2(g) + 4 H 2 O (s) tepkimesinin H 0 sini hesaplayınız. Çözüm: Bağıntıda verilen değerleri yerine yazarak; H 0 = H 0 ürünler - H 0 girenler H 0 = [3. ( H 0 CO2) + 4. ( H 0 H2O )] - [ ( H 0 C3H8 ) + 5.( H 0 O2) ] H 0 = [3.( ) +4. ( ) ] - [ (-104 ) + 5. (0) ] 20 H 0 = 2222 kj

25 21 Örnek 2.4: CaO + 2 HCl CaCl 2 + H 2 O tepkimesi için H 0 = -110 kcal, denklemde, HCl = - 22 kcal /mol, CaO = kcal /mol ve H 2 O = - 68 kcal /mol olarak veriliyor. Buna göre, CaCl 2 in oluşum entalpisini kaç kcal / mol dür? Çözüm: Verilen değerleri bağıntıda yerine yazarak; CaO + 2 HCl CaCl 2 + H 2 O H 0 = H 0 ürünler - H 0 girenler H 0 = [( H 0 CaCl2) +( H 0 H2O )] - [( H 0 CaO ) + 2.( H 0 HCl)] 110 = [( H 0 CaCl2) +(-68)] - [(-150) + 2.(-22)] H 0 CaCl2 = kcal /mol 2.4. Reaksiyon Isılarının Toplanabilirliği (Hess Kanunu) Bir tepkime denklemi, iki ya da daha çok tepkime denklemlerinin toplamı olarak yazılabilir. Bu durumda toplam tepkimenin tepkime ısısı, denklemleri toplanan tepkimelerin tepkime ısılarının toplamına eşittir. İlk kez Hess (H. Hess) tarafından 1840 yılında ifade edilen bu yasaya, tepkime ısılarının toplanabilirliği yasası ya da Hess Yasası adı verilir. Kalorimetre ile pek çok tepkimenin tepkime ısısı hesaplanabilir. Ancak, bazı tepkimelerde girenlerin tümü ürünlere dönüşmez. Böyle tepkimelerin ısıları kalorimetre yöntemi ile bulunmaz. Bu durumda Hess Yasası ndan yararlanılarak tepkimelerin ısısı hesaplanır. Hess Yasası na göre, bir tepkimedeki ısı değişimi, o tepkimenin izlediği yola bağlı değildir. Tepkime entalpileri hesaplanırken aşağıdaki kurallara uyulur: Bir tepkime denklemi her hangi bir sayı ile çarpılırsa ya da bölünürse H değeri de bu sayı ile çarpılır ya da bu sayıya bölünür. Bir tepkime denklemi ters çevrildiğinde H değerinin işareti değişir. Yani H nin değeri (+) ise (-), (-) ise (+) olur. Reaksiyonlar toplanırsa H lar da toplanır. Örnek 2.5: I. NO + ½ O 2 NO 2 H = - 10 kcal II. CO + ½ O 2 CO 2 III. NO 2 + CO CO 2 + NO H =? H = - 65 kcal Denklemine göre H si bilinmeyen III. tepkimenin değeri kaç kcal /mol dür? Çözüm: Hess Yasası na göre III. tepkimenin elde edilebilmesi için; I. tepkime ters çevrilir, II. tepkime aynen alınır, tepkimeler taraf tarafa toplanırsa III. tepkime elde edilir. I. NO 2 NO + ½ O 2 H 1 = 10 kcal (tepkime ters çevrildi değeri (+) oldu) II. CO + ½ O 2 CO 2 H 2 = - 65 kcal III. NO 2 + CO CO 2 + NO H 3 =? H 3 = H 1 + H 2 H 3 = 10 + (-65) H 3 = -55 kcal 21

26 22 Örnek 2.6. I. H 2 + ½ O 2 H 2 O H 1 = -286 kj II. H 2 + S H 2 S H 2 = -21 kj III. 2H 2 S + SO 2 3 S +2 H 2 O H 3 = -233 kj Tepkimeleri verildiğine göre; S + O 2 SO 2 tepkimesi için H 4 değerini hesaplayınız. Çözüm : H 4 değerini istenen tepkime denkleminde elde etmek için H değeri verilen tepkime denklemleri üzerinde uygun değişiklikler yapılır. Buna göre, I. Tepkime denklemi ve H 1 değeri 2 ile çarpılır. Bu durumda I. tepkime denklemi aşağıdaki gibi olur; I. 2H 2 + O 2 2 H 2 O H 1 = 2.(-286 kj) =-572 kj II. tepkime denklemi ters çevrilip 2 ile çarpılır. H değeri 2 ile çarpılır ve işareti pozitif olur. Bu durumda tepkime denklemi aşağıdaki gibi olur: II. 2H 2 S 2H 2 + 2S H 2 = 2.21kJ = 42 kj SO 2 entalpisi istenen IV. tepkimenin ürünler kısmında, III. tepkimenin ise girenler kısmında yer aldığından III. tepkime denklemi ters çevrilerek H değerinin işareti değiştirilir. Bu durumda III. tepkime denklemi aşağıdaki gibi olur; III: 3 S + 2H 2 O 2H 2 S + SO 2 22 H 3 = kj Üzeride değişiklik yaptığımız üç tepkime denklemi Hess Yasası na göre taraf tarafa toplanarak IV. tepkimenin entalpisi bulunur. Buna göre; I. 2H 2 + O 2 2 H 2 O H 1 =-572 kj II. 2H 2 S 2H 2 + 2S H 2 = +42 kj III: 3 S + 2H 2 O 2H 2 S + SO 2 H 3 = kj IV. S + O 2 SO 2 H 4 =? H 4 = H 1 + H 2 + H 3 H 4 = -572 kj + 42 kj+233 kj H 4 = -297 kj 2.4. Reaksiyon Isılarının Ölçülmesi ve Kalorimetre Bütün yanma tepkimeleri sonucunda ısı açığa çıkar. Tepkime ısıları, tepkimelerin çevre ile ısı alış verişinden yararlanarak hesaplanabilir. Tepkime ısılarını hesaplamak için yapılan özel kaplara kalorimetre (ısıölçer ) adı verilir. Kalorimetre, çevresi ısı kaybını önlemeye yarayan yalıtkanla kaplanmış olan bir kaptır. Bu kabın içinde; termometre, yakma düzeneği ve belli bir miktar su bulunur. Tepkimenin oluştuğu kap, su içine daldırılmıştır. Tepkime sırasında alınan ya da verilen ısı, suyun ve kabın sıcaklığının değişmesine neden olur. Sıcaklık değişiminden yararlanılarak tepkimedeki ısı değişimi hesaplanabilir. Q = m.c. t formülü kullanılarak alınan ya da verilen ısı hesaplanır. Bir kalorimetrenin ısı sığası; kalorimetre sisteminin sıcaklığını 1 o C artırmak için verilmesi gereken ısı miktarıdır.

27 23 Örnek 2.7: 500 gram camdan yapılmış bir kalorimetre içinde 900 gram su vardır. Bu kalorimetrenin ısı sığası kaç cal / o C dir. (c su = 1 cal / g o C, c cam = 0,2 cal /g o C) Çözüm: Su ve camın ayrı ayrı ısı sığalarını hesaplayarak; m su = 900 g, c su = 1 cal / g o C, t = 1 o C Q su = m c su t ise Q su = Q su = 900 cal m cam = 500 g, c cam = 0,2 cal / g o C, t = 1 o C Q cam = m c cam t Q su = 500 0,2 1 Q cam = 100 cal Q Toplam = Q su + Q cam Q Toplam =1000 cal Örnek.2.8: Camdan yapılmış 600 gramlık bir kalorimetre kabında 2 L su bulunmaktadır. Kapta 44,8 g KOH çözündüğünde sıcaklık 15 o C tan 20 o C a yükseliyor. c cam = 0,63 J/ g o C, c su = 4,184 J /g o C olduğuna göre; Cam kabın aldığı ısıyı bulunuz. Suyun aldığı ısıyı bulunuz. (dsu= 1 g/ ml) 44,8 g lık KOH in çözünmesinde açığa çıkan ısıyı bulunuz. 1 mol KOH çözeltisi ile açığa çıkan ısıyı bulunuz. (KOH =56) Çözüm: Cam kabın aldığı ısı; Q cam = m.c cam. t Q cam = ,63.(20-15 ) Q cam = 1890 J dür. Suyun aldığı ısı; m m d su = 1 = m = 2000g V 2000 Q su = m.c su. t Q su = ,184. (20-15) Q su = J dür. 44,8 g KOH in çözünmesiyle açığa çıkan toplam ısı (Q T ): Q T = Q cam + Q su Q T = Q T = J m 44,8 d. n = nkoh = nkoh = 0, mol KOH M 56 8 A 43,73 1 mol için x = x 54, 66 kj ısı açığa çıkar 0,8 23

28 24 UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ 0,01 g NaOH ın çözünme ısısını bulunuz. Gerekli Malzemeler: Beher 250 ml, hassas terazi, termometre, spatül, NaOH (katı), Mezür İşlem basamakları 250 ml lik kuru ve temiz beher tartınız. Behere 100 ml arı su koyup karıştırarak sabit bir sıcaklığa gelmesini sağlayınız. Öneriler Laboratuar önlüğünüzü giyerek çalışma tezgâhınızı düzenleyiniz. Çalışma ortamınızı hazırlayınız. 250 ml lik beheri temiz olmasına dikkat ediniz. Beheri kurulayınız. Beherin kütlesini (mbeher=?) not etiniz. 100 ml saf suyu mezürde ölçüp behere boşaltınız. Suyun kütlesini hesaplayınız. Beherle suyun sıcaklıklarının eşit olmasına dikkat ediniz. Beherdeki saf suyu sıcaklığını 0,2 o C hassaslıkta ölçünüz. Yaklaşık 1 gram NaOH i 0,01 g hassaslıkta tartınız. Termometreyi saf suyun içinde belli bir süre bekletiniz. Termometre ile ölçüm kurallarına uyunuz. Termometre ile hassas ölçüm yapmaya özen gösteriniz. Ölçtüğünüz sıcaklık değerini (t1=?) not ediniz. Tartımda kullanacağınız kâğıdın darasını almayı unutmayınız. Kâğıdın nemli olmamasını dikkat ediniz. NaOH nem çekici bir madde olduğu için tartımı hızlı yapınız ve kâğıtta bekletmeyiniz. NaOH in kütlesini (mnaoh=?) not ediniz. 24

29 25 Tarttığınız NaOH i beherdeki saf su içine katınız. Beherdeki saf suya kattığınız NaOH iyice karıştırıp çözünmesini sağlayınız. Çözeltini kütlesini hesaplayınız. (m Çözelti =?) Çözünme anında termometredeki yükselmeyi takip ediniz. NaOH in çözünmesi sırasında termometredeki en yüksek sıcaklığı (t2=?) not ediniz. Sıcaklık değişimini hesaplayınız. Hesaplama yapabilmeniz için t = ( t ) 2 t1 bağıntısını kullanınız. Çözelti tarafından alınan ısıyı hesaplayınız. Hesaplama yapmak için (Q=mçözeltix cçözelti x t ) bağıntısını kullanınız. Beherin aldığı ısıyı hesaplayınız.(j) NaOH in çözünme ısısını hesaplayınız (J) (ccam= 0,836 J/ g oc) olarak alınız. Q=mbeherx ccam x t bağıntısını kullanınız. NaOH= 40 g/mol alınız. NaOH in mol başına verdiği ısıyı hesaplayınız.(j) NaOH in H sini (J) olarak hesaplayınız. 25

30 26 ÖLÇME ÖLÇME VE VE DEĞERLENDİRME DEĞERLENDİRME Aşağıdaki sorularda doğru seçeneği işaretleyiniz. 1. I. S + O 2 SO kcal II. H 2 O (g) H 2 O (s) + 10 kcal denklemine göre 16 gram S nin yakılması için açığa çıkan enerji ile 100 o C taki kaç gram su buharlaştırılabilir? (S= 32 g /mol) A) 18 B) 36 C) 54 D) Farklı sıcaklıklardaki iki sıvı karıştırıldığında ısı dengesinde denge sıcaklığının hesaplanabilmesi için sıvıların; I. İlk sıcaklıkları II. Öz ısı III. Kütle niceliklerinden hangileri hakkında bilgi verilmelidir? A) I ve II B) I, II ve III C) Yalnız III D) I ve III 3. H 0 NH3(g) = 46,0 kj/mol; H 0 NO(g) = + 90,5 kj/mol; H 0 H2O(g) = 242 kj/mol; Tepkimelerin oluşma ısıları bilindiğine göre, 0,2 mol NH 3 ün O 2 ile tepkimesinden NO (g) ve H 2 O (g) oluşturulmasında kaç kj ısı açığa çıkar? A) 453 B) 113 C)+226,5 D) NaOH in molar çözünme ısısı : 10,2 kcal, molar nötrleşme ısısı ise 13,6 kcal dir. Yeterli ve derişik HCl çözeltisine 8 gram NaOH katısı bırakıldığında açığa çıkan ısı kaç kcal dir? (NaOH = 40 g /mol) A) 0,68 B) 0,34 C) 2,38 D) 4,76 DEĞERLENDİRME Cevaplarınızı modül sonunda yer alan cevap anahtarı ile karşılaştırınız ve doğru cevap sayınızı belirleyerek kendinizi değerlendiriniz. Ölçme sorularındaki yanlış cevaplarınızı tekrar ederek, araştırarak ya da öğretmeninizden yardım alarak tamamlayınız. 26

31 27 UYGULAMALI TEST Size verilen 2 gram KOH in 100 ml saf sudaki çözünme ısını belirleyiniz. (KOH= 56 g/mol), (c çözelti c su = 4,18 J/g C), (c cam = 0,836 J/ g C) Aşağıda hazırlanan değerlendirme ölçeğine göre yaptığınız çalışmayı değerlendiriniz. Gerçekleşme düzeyine göre, evet-hayır seçeneklerinden uygun olan kutucuğu işaretleyerek belirtiniz. DEĞERLENDİRME ÖLÇÜTLERİ Evet Hayır 1. İş önlüğünüzü giyip çalışma masanızı düzenlediniz mi? 2. Malzemelerinizi aldınız mı? 3. Kullandığınız cam malzemenin temizliğini yaptınız mı? 4. Beherin tartımını yaptınız mı? 5. Behere 100 ml saf su koyup sıcaklığını ölçtünüz mü? 6. Suyun kütlesini hesapladınız mı? 7. 2 gram KOH in tartımını yaptınız mı? 8. Tarttığınız KOH in saf suya ekleyip çözünme işlemini yaptınız mı? 9. Çözeltinin kütlesini hesapladınız mı? 10. Karıştırma yaparken termometreden sıcaklığı kontrol ederek en yüksek değeri not ettiniz mi? 11. Sıcaklık değişimini hesapladınız mı? 12. Çözelti tarafından alınan ısıyı hesapladınız mı? 13. Beherin aldığı ısıyı hesapladınız mı? 14. KOH in mol başına verdiği ısıyı hesapladınız mı? 15. KOH in çözünme ısısını ( Η ) hesapladınız mı? 16. Rapor hazırladınız mı? DEĞERLENDİRME Uygulamalı test sonunda yapacağınız değerlendirme ölçütlerinde verdiğiniz cevaplardaki Hayır işaretli cevaplarınız yapamadığınız işlemleri göstermektedir. Buraları tekrar ederek başarmaya çalışınız. Tüm işlemleri başarıyla tamamladıysanız bir sonraki faaliyete geçiniz. 27

32 28 ÖĞRENME FAALİYETİ 3 ÖĞRENME FAALİYETİ 3 AMAÇ Gerekli ortam sağladığında, kurallara uygun olarak ısı iletimini ölçebileceksiniz. ARAŞTIRMA Proseste ısı iletimi hakkında araştırma yapınız 3. ISININ HAREKETİ Isı bir enerji türüdür. Isıyı bir yerde muhafaza etmek çok zordur. Isı, iletim, taşınım ve ışıma yolları ile hareket edebilir. Metal bir kaşığı sıcak bir çorba içerisine bıraktığınızda kaşığın ısındığını fark edersiniz. Isı, kaşığın ucundan yukarıya doğru hareket eder. Isının yüksek sıcaklık bölgelerinden düşük sıcaklık bölgelerine hareket ettiğini hatırlayalım. Isı kaynağına yakın olan parçacıkların kinetik enerjisi daha büyüktür. Bunlar kaynaktan uzak olan parçacıklara nazaran çok hızlı hareket eder. Enerjinin kaşıktan yukarı doğru hareketi kinetik enerji transferi ile mümkün olmaktadır Isı İletimi (Kondüksiyon) Isı iletimi, bir ortam (katı, sıvı, gaz) içerisinde bulunan bölgeler arasında veya doğrudan doğruya fiziki temas durumunda bulunan farklı atomlar arasında, atom veya moleküllerin fark edilebilir bir yer değiştirmesi olmaksızın bunların doğrudan teması sonucu meydana gelen ısı yayınımı işlemidir. Resim 3. 1: Katı maddenin ısı iletimi Termodinamiğin ikinci kanununa göre, ısı yüksek sıcaklıkta bulunan bir bölgeden düşük sıcaklıktaki bir bölgeye akar. Kinetik teoriye göre bir maddenin, bu maddeyi meydana getiren moleküllerin ortalama kinetik enerjileri ile orantılıdır. Kinetik enerjinin fazla olması, iç enerjinin fazla olması demektir. 28

33 29 Bir bölgede moleküllerin ortalama kinetik enerjileri, sıcaklık farkından dolayı bitişik bölgedeki moleküllerin ortalama kinetik enerjilerinden fazla ise, enerjileri fazla olan moleküller bu enerjisini komşu olan moleküllere iletir. Bu enerji transferi, akışkanlarda moleküllerin elastik çarpmaları, metallerde ise serbest elektronların yüksek sıcaklıktan alçak sıcaklık bölgelerine yayınımı ile olur. Katılarda enerji transferi, elektron yayınımına ilaveden maddenin yapısını meydana getiren kafes titreşimleri ile de komşu bölgelere iletilir. Fakat bu son halde enerji transferi miktarı azdır. Bu sebepten elektriği iyi iletenler aynı zamanda iyi ısı iletkenidir. Katı cisimler içerisinde ısı transferi genel olarak ısı iletimi ile olur. Fakat çok az katı cisimler ile bazı gazlar ve sıvılar içerisinden ısı enerjisi, ışıma ile transfer edilir ve bir kısmı ortam içerisinde soğurulur. Isı iletiminde genel olarak ısı transferi sıcaklığa ve sıcaklık basamağına bağlıdır Faurier Isı İletim Kanunu Isı iletiminin temel denklemi Faurier Isı İletim Kanunu ile ifade edilir. Faurier ısı iletim kanunu yapılan gözlemler ve deneyler sonucu elde edilmiştir. Bu kanunu açıklamak için yan yüzeyi yalıtılmış (ısı kaybı olmayan) bir metal çubuğu ele alalım. Silindir şeklindeki metal çubuğun uç yüzeyleri T 1 > T 2 olacak şekilde sabit sıcaklıkta tutulduğunu kabul edelim. Bu durumda iki uç yüzey arasında ki sıcaklık farkı pozitiftir. Bu da x yönünde ısı transferine neden olacaktır. Birim zamanda transfer edilen ısı (ısı transfer oranı) ölçülebilir ve Q x in, yüzeyler arası sıcaklık farkı T (T 2 - T 1 ), kesit alanı A(=A 1 =A 2 ) ve çubuğun boyu L (= x 2 -x 1 ) ile değişimi incelenebilir. Resim 3.2: Yan yüzeyi yalıtılmış silindirden ısı iletimi İlk olarak T ve L yi sabit tutalım ve kesit alanı A yı değiştirelim. Bu durumda Q x in A ile doğru orantılı olarak değiştiği gözlemlenecektir. Benzer olarak T ve A yı sabit tutarsak ve L yi değiştirirsek Q x in L ile ters orantılı olarak değiştiği görülecektir. Son olarak A ve L sabit tutulup T değiştirilirse, Q x in T ile doğru orantılı olarak değiştiğini gözlemleyebiliriz. O halde toplu olarak bunları aşağıdaki şekilde ifade edebiliriz: Q x α A T L 29

34 30 Çubuğun malzemesini (örneğin metal yerine plastik) değiştirirsek yukarıdaki orantının geçerliliğinin devam ediği gözlenecektir. Ancak, aynı A, L ve T için plastik çubukta Q x daha küçük olacaktır. Bu durum orantının bir eşitlik şekline dönüştürülebileceğini gösterir. Malzemenin ısı iletimindeki rolünün bir ölçüsü olarak orantı kat sayısı da tanımlanarak eşitlik yazılır. şeklinde yazılır. Isı iletimi termodinamiğin II. kanunu na göre azalan sıcaklık yönünde olacağından pozitif ısı transferi oranı (Q x ) için eşitliğin sağ tarafı (-) işareti ile çarpılır. Burada; k=isı iletim kat sayısı (W /mk) (malzemenin önemli bir özelliğidir) Q x =Isı transfer oranı (W) (birim zamanda) d T =sıcaklık farkı ( C) d x =Boyu (m) dt Q x = ka denklemi aşağıdaki gibi ifade edilebilir. dx Burada q x, x istikametinde birim zamanda birim yüzeye ısı transfer miktarı olup kısaca ısı akısı adını alır. q x vektörel bir miktar olup, yön ve değeri vardır. Yönü, azalan sıcaklık doğrultusundadır. Isı iletim kat sayısı malzemenin bir özelliği olması yanında yön ve sıcaklığa da bağlıdır. Verilen bir sıcaklık gradyanı için, iletimle ısı akışı artan ısı iletim kat sayısı ile artar. Genel olarak katılar sıvılardan, sıvılar ise gazlardan daha yüksek ısı iletim kat sayısına sahiptir. Isı iletim kat sayısının değeri moleküler ya da atomlar arasındaki mesafe ile bağlantılıdır. Isı iletim kat sayısının değeri farklı maddeler için genel olarak şekil 3.1 de verilmiştir. Akışkanlarda moleküller arası mesafe katılara nazaran daha fazla olduğu için ısıl enerji transferi daha az etkilidir. Bu nedenle gaz ve sıvıların ısı iletim kat sayısı katılardan daha düşüktür. Gaz, sıvıların ve yalıtım malzemelerinin ısı iletim kat sayısı genellikle artan sıcaklıkla artar. Sıcaklıkla değişim genellikle fazladır. 30

35 31 Şekil 3.1: Değişik maddeler için ısı iletim kat sayısı değerleri Malzeme Isı iletim kat sayısı(w/mk) Gazlar 0,002 0,2 Yağlar 0,1 1,0 Su 0,5 0,7 Sıvı metaller Katılar (metal olmayan 0,03 3,0 ) Katılar (alaşımlar ) Saf metaller Tablo 3.1: Çeşitli maddeler için ısı iletim katsayılarının mertebeleri Şekil 3.2: Bazı sıvıların ısı iletim katsayılarının sıcaklıkla değişimi Bir kural olarak, yoğunluk arttığı zaman k artar. Bununla beraber malzemenin içyapısına, içerisinde bulunan gözeneklere ve nem derecesine bağlıdır. Nemli bir malzemenin ısı iletim kat sayısı kuru malzemenin ve suyun ayrı ayrı ısı iletim katsayılarından daha fazla olabilir. Örneğin kuru tuğlanın k = 0,3 kcal /mh ºC, suyun k = 0,5 kcal /mh ºC değerine karşılık nemli tuğla için k = 0,9 kcal /mh ºC bulunmuştur. 31

36 32 Isı iletim kat sayısı k = 0,2 kcal /mh ºC den daha küçük olan malzemeler ısı yalıtkanı olarak kullanılmaktadır. (1 kcal /mh ºC = 1,163 W/mK) Bazı metallerin ısı iletim şekil 3.2 de verilmektedir. En iyi gümüş, bunu takiben bakır, altın, alüminyum görülür. Saf bir metalin ısı iletim kat sayısı, eğer içerisinde başka bir bileşen ilave edilirse kuvvetle azalır. Örneğin 20 ºC de (%60 Cu + %40 Ni) karışımının ısı iletim kat sayısı 22,7 W/mK olduğu halde yalnız başlarına Cu 336 W/mK, Ni 69 W/ mk dir. Şekil 3.3: Bazı metallerin ısı iletim katsayılarının sıcaklıkla değişimi Örnek 3.1: Bir fırının duvarı 12 mm paslanmaz çelikten yapılmıştır. Duvarın iç yüzeyi 200 ºC dir. Duvarın ısı iletim kat sayısı 26 W /mk ve duvardan geçen ısı akısı 50 kw/m 2, olduğuna göre duvarın dış yüzey sıcaklığını hesaplayınız? Çözüm: Verilenleri yazıp q x = 50 kw /m 2 = W /m 2 t 1 = 200 ºC (duvarın iç yüzey sıcaklığı) t 2 =? (duvarda bulunması gereken diş yüzey sıcaklığı) L= 12 mm = 0,012 m (duvarın kalınlığı) k= 26 W /mk Verilenleri bağıntıda yerine yazarsak: dt q x = Q x / A = k dx 0 T1 T C T2 0 q x = k 50000W / m = 26W / mk T2 = 176, 9 C L 0,012m 32

37 33 Örnek 3.2: 30 cm kalınlığında bir duvarın yüzey sıcaklıkları sırası ile 15 ºC, -5 ºC ve malzemenin ısı iletkenlik kat sayısı 0,872 W/mK olduğuna göre, 15 m 2 lik duvar yüzeyinin ısı kaybını hesap ediniz? Çözüm; verilen değerleri yazarak; k= 0,872 W/mK A=15 m 2 T 1 = 15 ºC T 2 =-5 ºC L =30 cm = 0,3m Q x =? Verilen değerleri bağıntıda yerine yazarak; T T [ 15 ( 5) ] Q 1 2 x = k A Qx = 0, L 20 Q x = 13,08 Qx = 13,08 66,7 0,3 Q x = 872W 0,3 33

38 34 UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ Size verilen bakır telde ısı iletimini gözlemleyiniz. Gerekli malzemeler: Beher, bakır tel, alüminyum tel, 3 adet termometre, alüminyum folyo, izolasyon malzemesi, spor, kıskaç, üç ayak, amyant tel İşlem basamakları 50 cm boyunda bakır tel kesiniz. Öneriler Laboratuar önlüğünüzü giyerek çalışma tezgâhınızı düzenleyiniz. Çalışma ortamınızı hazırlayınız. Bakır teli metal testeresi ile kesiniz. Kesme işlemini mengeneye sıkıştırarak yapınız. Ölçümü dikkatli ve hassas yapınız. Bakır telin kesit alanını hesaplayınız. Ölçümü hassas yapınız ve kumpas kullanınız. 2 A = π r formülünü kullanınız. Bakır telin yalıtımını yapınız. İç kaplamasını pamukla yapınız. Pamuğun dışını alüminyum folyo ile kaplayınız. Folyonun açılmaması için belli noktalardan iple bağlayınız. Beherde su kaynatmak için düzenek hazırlayınız. 250 ml lik beheri yarısına kadar su doldurunuz. Suyu kaynatınız. 34