T.C. MİLLÎ EĞİTİM BAKANLIĞI AÇIK ÖĞRETİM OKULLARI (AÇIK ÖĞRETİM LİSESİ - MESLEKİ AÇIK ÖĞRETİM LİSESİ) FİZİK

Transkript

1 T.C. MİLLÎ EĞİTİM BAKANLIĞI AÇIK ÖĞRETİM OKULLARI (AÇIK ÖĞRETİM LİSESİ - MESLEKİ AÇIK ÖĞRETİM LİSESİ) FİZİK 3 DERS NOTU YAZAR AYHAN ALBAY ANKARA 2013

2 MEB HAYAT BOYU ÖĞRENME GENEL MÜDÜRLÜĞÜ YAYINLARI AÇIK ÖĞRETİM OKULLARI DERS NOTLARI DİZİSİ Copyright MEB Her hakkı saklıdır ve Millî Eğitim Bakanlığına aittir. Tümü ya da bölümleri izin alınmadan hiçbir şekilde çoğaltılamaz, basılamaz ve dağıtılamaz. Yazar Grafik Kapak : Ayhan ALBAY : Hatice DEMİRER : Güler ALTUNÖZ

3

4 ATATÜRK'ÜN GENÇL E H TABES Ey Türk gençli i! Birinci vazifen, Türk istiklâlini, Türk cumhuriyetini, ilelebet, muhafaza ve müdafaa etmektir. Mevcudiyetinin ve istikbalinin yegâne temeli budur. Bu temel, senin, en k ymetli hazinendir. stikbalde dahi, seni, bu hazineden, mahrum etmek isteyecek, dahilî ve haricî, bedhahlar n olacakt r. Bir gün, istiklâl ve cumhuriyeti müdafaa mecburiyetine düflersen, vazifeye at lmak için, içinde bulunaca n vaziyetin imkân ve fleraitini düflünmeyeceksin! Bu imkân ve flerait, çok nâmüsait bir mahiyette tezahür edebilir. stiklâl ve cumhuriyetine kastedecek düflmanlar, bütün dünyada emsali görülmemifl bir galibiyetin mümessili olabilirler. Cebren ve hile ile aziz vatan n, bütün kaleleri zapt edilmifl, bütün tersanelerine girilmifl, bütün ordular da t lm fl ve memleketin her köflesi bilfiil iflgal edilmifl olabilir. Bütün bu fleraitten daha elîm ve daha vahim olmak üzere, memleketin dahilinde, iktidara sahip olanlar gaflet ve dalâlet ve hattâ h yanet içinde bulunabilirler. Hattâ bu iktidar sahipleri flahsî menfaatlerini, müstevlilerin siyasî emelleriyle tevhit edebilirler. Millet, fakr u zaruret içinde harap ve bîtap düflmüfl olabilir. Ey Türk istikbalinin evlâd! flte, bu ahval ve flerait içinde dahi, vazifen; Türk istiklâl ve cumhuriyetini kurtarmakt r! Muhtaç oldu un kudret, damarlar ndaki asîl kanda, mevcuttur!

5 .. MUSTAFA KEMAL ATATURK

6

7 İÇİNDEKİLER 1. ÜNİTE MADDE ve ÖZELLİKLERİ GİRİŞ Katılarda Boyutlar Arası İlişkiler ve Dayanıklılık Sıvılarda Kılcallık ve Yüzey Gerilimi Sıvılarda Yüzey Gerilimi Sıvılarda Kılcallık Gazlar ve Plazmalar Gazlar Plazma 43 NELER ÖĞRENDİK 51 BİRAZ DÜŞÜNELİM ÜNİTE TEST SORULARI ÜNİTE KUVVET VE HAREKET GİRİŞ Kuvvet ve Özellikleri Dengelenmiş Kuvvetler Etkisinde Hareket Dengelenmemiş Kuvvetler Etkisinde Hareket Etki Tepki Kuvvet Çiftleri Eylemsizlik 105 NELER ÖĞRENDİK 109 BİRAZ DÜŞÜNELİM ÜNİTE TEST SORULARI 112

8 3. ÜNİTE ELEKTRİK GİRİŞ Elektrostatik Elektrik Devreleri 164 NELER ÖĞRENDİK 202 BİRAZ DÜŞÜNELİM ÜNİTE TEST SORULARI 206 SÖZLÜK 215 KAYNAKÇA 219 İNDEKS 220 BİLİMSEL SEMBOL VE KISALTMALAR 222 BİLİMSEL SABİTLER 223 BİRİMLERİN SEMBOL VE KISALTMALARI 224 UZUNLUK BİRİMLERİ 225 KATLAR VE ASKATLAR 226 TRİGONOMETRİK CETVEL 227 ETKİNLİK VE DEĞERLENDİRME SORULARININ CEVAPLARI 229

9 1. ÜNİTE MADDE ve ÖZELLİKLERİ Şekilde gördüğünüz nedir? Bir uzay aracının bıraktığı iz ya da yağmur bulutlarının düzenli dizilişi değil. Bu şekil Auroradır. Yeryüzündeki tüm maddeler düzgün geometrik cisimler halinde bulunmayabilir. Bazıları ise düzgün olmayan şekilde bulunabilirler. Şekil 01.01: Bazı Geometrik Cisimler Maddeler neden katı, sıvı, gaz diye üçe ayrılır? Plazma denilince aklınıza ne gelmektedir?

10 Bu ünitenin sonunda; NELER ÖĞRENECEĞİZ? 1. Varlıkların en ve boyca belli bir oranda büyütülmesi veya küçültülmesi durumunda kesit alanları, yüzey alanları, hacimleri ve kütlelerinin hangi oranda değişeceğini hesaplayabilecek, 2. Canlıların çeşitli özellik ve ihtiyaçlarını, yüzey alanlarının kütlelerine veya hacimlerine oranı ile ilişkilendirebilecek, 3. Yapışma (adezyon) ve birbirini tutma (kohezyon) olaylarını örneklerle açıklayabilecek, 4. Yüzey gerilimini örnekler vererek birbirini tutma ile açıklayabilecek, 5. Kılcallık olayını örnekler vererek yapışma ve birbirini tutma ile açıklayabilecek, 6. Atmosferin oluşumunu, havayı oluşturan moleküllere etkiyen yer çekimi kuvveti ve Güneş enerjisi ile etkileşmelerini kullanarak açıklayabilecek, 7. Soğuk ve sıcak plazmaya örnekler verebileceksiniz. ANAHTAR KAVRAMLAR Bir oranda büyütme veya küçültme Yapışma ve birbirini tutma Yüzey gerilimi Kılcallık Plazma 10

11 GİRİŞ Maddenin kaç hali vardır? (..) Artık değil. Katı, sıvı, gaz olarak bildiğimiz maddenin üç halini, bilim adamları yapılan çalışmalarla 4 olduğunu ispatlamışlardır. Maddenin 4. hali olarak plazmayı öğreneceksiniz. Plazma, yüksek sıcaklıkta iyonize olmuş gaz demektir. İlk akla gelebilecek plazma Güneştir. Resim 01.01: Isı ve ışık kaynağımız Güneş 1.1 KATILARDA BOYUTLAR ARASI İLİŞKİLER VE DAYANIKLILIK Yaşadığımız gezegen, evrenin içerisinde küçücük bir yapı olmasına rağmen, içerisindeki irili ufaklı sayamayacağız çoklukta varlıklar bulundurmaktadır. Bu varlıkları gözümüzle görme imkânımız olduğu gibi, göremediğimiz varlıkları da inkâr edemeyiz. 11

12 Resim 01.02: Dünya ve atmosfer Resim de de görüldüğü gibi Dünya ve Dünya nın katmanları görülmektedir. Dünya ne kadar büyük olsa da evren içerisinde küçücük bir nokta gibidir. Varlıkların renkleri, boyutları, kokuları, tatları, şekilleri vb. özellikleri birbirinin aynısı ya da benzeri olduğu gibi birbirinden farklı özelliklere de sahip olabilir. Ancak tüm varlıkların iki ortak özelliği mevcuttur. Bunlar; 1. Hacim 2. Kütle. Gözümüzle göremediğimiz havanın bile bir hacmi ve kütlesi söz konusudur. Bunu bir balonu şişirerek hacminin ve kütlesinin olduğunu görebiliriz ve hissedebiliriz. Bu bilgiler ışığında, bir hacme sahip ve kütlesi olan tüm varlıkları madde olarak adlandırabiliriz. Hava, su, toprak vb. varlıklar maddedir ancak pencere camı, demir çubuk, altın kolye gibi maddelerin şekil almış haline ise cisim denir. Madde ile cisim birbirine karıştırılmamalıdır. Resim 01.03: Balon 12

13 Maddeleri birçok kategoride gruplamamız mümkündür. Bunlardan bazıları görünen ve görünmeyen maddeler, canlı ve cansız maddelerdir. Resim deki sandalye görünen maddedir ayrıca cansız bir madde olarak da adlandırılabilir. Maddeleri tek tek incelemek yerine maddelerin özelliklerine göre incelemek daha kolay ve anlaşılırdır. Bu anlamda maddeler genel anlamda doğada katı, sıvı ve gaz ortamında bulunduğundan dolayı, bu durumlardan her birine maddenin hali denir. Yapılan araştırmalar sonucunda maddenin 4. hali olan plazma hali ise, sıvı maddeler ile gaz maddelerin bazı özelliklerini göstermektedir. Resim 01.04: Sandalye Toprak, Taş, Su, Buz, Yağ, Metan Gazı, Doğal Gaz, Hidrojen, Oksijen KATI MADDE Toprak Buz Tahta Demir Çelik Taş SIVI MADDE Su Yağ Süt Alkol Benzin Tablo 01.01: Maddelerin hâli GAZ MADDE Hava Hidrojen Oksijen Doğal Gaz Su Buharı Günümüzde maddenin 4. hali olarak bulunan plazma maddelerden bolca söz edilmektedir. Özellikle teknolojide çok kullanılan plazma maddelerin sıcaklıkları çok yüksek olup, bu tür maddelerin atomları parçalanmış ve enerjileri oldukça yüksektir. Plazma maddeden yapılmış ve plazma teknolojisi kullanılmış plazma TV ler günümüzde oldukça popülerdir ( Resim ). Resim 01.05: Plazma teknolojisi ile yapılmış TV 13

14 Katılarda Boyutlar Arası İlişkiler Katı cisimlerin ortak özellikleri olduğu gibi, birbirinden farklı özellikleri de mevcuttur. Tüm katı cisimlerin aynı yükseklikte, aynı genişlikte ve aynı uzunlukta olması mümkün müdür? Cevabınız tabiî ki hayır dır. Eskilerde çok kullanılan, şimdilerde ise çok nadir kullanılan toprak malzemeden yapılan güveç denilen kaplarda yapılan yemeklerin çok lezzetli olduğunu büyüklerimizden öğrenebiliriz. Ancak toprak malzemeden yapılan güveç kapta yemeğin pişmesi çok uzun sürmektedir. Güveç kabın ısınması (enerji alması) çok uzun sürdüğünden, bu kaplardan zamanla vazgeçilmiştir. Şimdilerde ise mutfaklarda vazgeçilmez hale gelen çelik tabanlı tencereler kullanılmakta ve yemeğin pişmesi için (enerji alması) daha az ısıtılmaktadır (enerji almaktadır). Resim 01.06: Güveç ve çelik tencere Çelik tencerelerin, toprak kaplara göre daha dayanıklı malzemeden yapılmış olması, hafif olması da tercihlerin çelik tencereden olması nedenidir. ( Resim ) Evimize eşya alırken hem kullanışlı, hem az yer kaplayan, hem de dayanıklı maddelerden yapılan eşyaları tercih ederiz. Ancak hem uygun fiyatta hem de dayanıklı eşya almamız, aile bütçemize ve eşyalarımızın hemen bozulup, kırılmaması açısından önem taşımaktadır. Bir balığın tüm boyutlarının katı büyüklüğünde bir denizaltı yapılabilir. Ancak bu denizaltının denizdeki hareketi zorlaşır, ayrıca çok fazla enerjiye ihtiyaç duyar. Aynı mantıkla bir kuşun 1000 ya da 2000 katı büyüklüğünde bir uçak yapılabilir. Bu seferde uçağın uçması zorlaşır, belki de imkânsızdır. Uçağın kanatları boyundan uzun olması sonucunda, uçağın havalanması inmesi de büyük sorun oluşabilir. ( Resim ) Tüm bu düşünceler ışığında katıların boyutları, kesitleri, yüzey alanları ve hacimleri arasındaki ilişki ile katıların dayanıklılığının iyi bilinmelidir. Hayatımıza katkı mı sağlayacağı, zarar mı getireceği iyi düşünülmeli ve ona göre üretim yapılmalıdır. 14

15 Resim 01.07: Kartal ve uçak İnce bir ipin kaldırabileceği yük ile kalın bir ipin (halat) kaldırabileceği yük birbirinden farklıdır. Şekil de görüldüğü gibi, ince ve kalın iplere eşit kütlede cisimler asıldığında, ince ipin cismi taşıyamayıp koptuğunu görürüz. Ancak kalın ip cismi taşıyabilir. Yani kalın ip, ince ipe göre daha dayanıklıdır. Resim de görüldüğü gibi, küçük arabalar taşımacılıkta kullanılmayıp, büyük tırlar, trenler, gemiler vb. büyük araçlar taşımacılıkta kullanılır. Çünkü küçük arabalara yük konulduğunda bu yükü taşıması mümkün değildir. Şekil 01.02: İnce ve kalın iplerle bağlı kütleler Resim 01.08: Araba ve tır 15

16 Resim 01.09: Konteyner ve tır Resim daki konteyner ve tır yük taşımacılığında kullanılan başlıca araçlardır. Katı maddelerde, hem düzgün geometrik cisimler, hem de düzgün olmayan geometrik cisimlerin boyutları, büyütülse de küçültülse de dayanıklılıkla direkt olarak ilişkilidir. Kesit alanının küçültülmesi dayanıklılığı azaltır. Kesit alanının büyütülmesi dayanıklılığı artırır. Dikdörtgen Prizması h w l Şekil 01.03: Dikdörtgen Prizması 16

17 Geometrik şekil Dikdörtgen Prizma Yarıçap Uzunluk Genişlik Yükseklik Yüzölçümü Kesit alanı Hacim l w h 2(lw + hw +lh) lw l.w.h Tablo 01.02: Dikdörtgen prizma özellikleri Kesit alanı Hacim Yüzey alanı Hacim 1 2 ( lw + hw + lh) h lwh ÖRNEK 1: Şekil 01.04: Dikdörtgen prizması Şekil deki görülen uzunluğu 8 cm, genişliği 6 cm, yüksekliği 10 cm olan dikdörtgen prizmanın hacmi ve kesit alanını bulunuz? ÇÖZÜM: Dikdörtgen prizmasının hacmi = l. w. h olduğuna göre, = Hacim = 480 cm 3 Dikdörtgen prizmasının kesit alanı l. w olduğuna göre, = 6. 8 Kesit alanı = 48 cm 2 olur. 17

18 Silindir r h Şekil 01.05: Dikdörtgen prizması Geometrik şekil Yarıçap Uzunluk Genişlik Yükseklik Yüzölçümü Kesit alanı Hacim Kesit alanı Hacim Yüzey alanı Hacim Silindir r h 2 prh + 2pr 2 πr 2 πr 2. h Tablo 01.03: Silindir Özellikleri 1 h 2 ( h + r) r. h ÖRNEK 2: Resim 01.10: Silindir şeklindeki varil Taban yarıçapı 30 cm olan bir silindir şeklindeki varilin yüksekliği 100 cm dir. Varil yarı yarıya kadar su doldurulursa suyun hacmi kaç m 3 olur (π = 3 alınacak)? ÇÖZÜM: Silindir şeklindeki varilin hacmi : V = π. r². h v = 3. (30) v = v = cm 3 18

19 Silindir şeklindeki varilin yarısına kadar su doldurulduğuna göre, varilin hacminin yarısı kadar su doldurulmuştur. V su = V 2 V su = V su = cm 3 Problemde sonuç cm 3 cinsinden değil de, m 3 cinsinden istediğine göre v = cm 3 v = 135 m 3 tür. Küre r O Şekil 01.06: Küre Geometrik şekil Yarıçap Uzunluk Genişlik Yükseklik Yüzölçümü Kesit alanı Hacim Kesit alanı Hacim 4 Küre r 4πr 2 πr 2 πr 3 3 r 3 4 Tablo 01.04: Kürenin Özellikleri Yüzey alanı Hacim 3 r ÖRNEK 3: Yarıçapı 5 cm olan kürenin hacminin, kesit alanına oranı nedir (π = 3 alınacak)? ÇÖZÜM: Kürenin hacmi = 3 4 πr 3 = = Hacim = 500 cm 3 19

20 Kürenin kesit alanı = πr 2 = 3. 5² = = 75 cm² Kürenin Hacmi = 500 = 666, cm olarak bulunur. Kesit Alanı 75 ÖRNEK 4: r yarıçaplı cam bir küre G ağırlıklı bir cismin altına konulduğunda kırılmaktadır. Aynı cam kürenin yarıçapını 4r yaparsak kaç G ağırlıklı bir cisim altına konulduğunda kırılır? ÇÖZÜM: 4 r r r yarıçaplı küre 4r yarıçaplı küre Şekil 01.07: r ve 4r yarıçaplı küreler Kürenin dayanıklılığı yarıçapının karesi ile doğru orantılıdır. Kürenin yarıçapı 4r olduğuna göre, = (4r)² = 16 r² Büyük küre 16 G ağırlıklı cisim altında ancak kırılabilir. Küp l l l Şekil 01.08: Küp 20

21 Geometrik şekil Yarıçap Uzunluk Genişlik Yükseklik Yüzölçümü Kesit alanı Hacim Kesit alanı Hacim 1 Küp l l l 6l 2 l 2 l 3 I Yüzey alanı Hacim 6 I Tablo 01.05: Küpün Özellikleri ÖRNEK 5: Resim 01.11: Rubik in sabır küpü Resim deki Rubik ( Rubik ) küpünüm hacim formülünü bulunuz? ÇÖZÜM: Küpün uzunluğu, genişliği ve yüksekliği birbirine eşittir. O halde kürenin hacmi = l x l x l = l 3 dür. Dikdörtgen prizması, silindir ve kürenin hacimleri ve yüzey alanlarını göz önünde bulunduralım. Bu üç geometrik cismin kesit alanları ve hacimleri, Kesit alanları sırasıyla, Dikdörtgen prizma : l. w Silindir prizma : πr 2 Küre prizma : πr 2 Hacimleri sırasıyla, Dikdörtgen prizma : l. w. h Silindir prizma : πr 2. h Küre prizma : 4 πr 3 3 dir. Şimdi de yüzey alanlarının hacimlerine oranlarını bulalım. Dikdörtgen prizma : Iw Iwh Silindir prizma : pr2 pr2. h pr2 Küre prizma : 4. pr 3 3 = h 1 = h 1 = 3 4r 21

22 Bu sonuçlara göre yüzey alanlarının, hacimlerine oranlarından en küçük değerin, küreye ait olduğu görülür. Buda bize, Küçük cisimlerin birim kütlesine düşen yüzey alanının, büyük cicimlere göre daha fazla olduğunu göstermektedir. Bu yargıyı bir örnekle açıklayacak olursak; 1 kilogram büyük patateslerin kabuklarını ve 1 kilogram küçük patateslerin kabuklarını soymamız sonucunda küçük patateslerden daha fazla kabuk çıkacaktır. ÖRNEK 6: Bir dikdörtgen plazmasının eni iki katına çıkartılıp, boyu değiştirilmeyip, yüksekliği yarıya indirilirse hacmi, kesit alanı ve kesit alanı/hacim ilk durumuna göre nasıl değişir? ÇÖZÜM: Dikdörtgen prizma hacmi, v = l. w. h = l. 2w. h Şekil 01.09: Dikdörtgen prizma 2 = l. w. h Hacim Değişmez. Dikdörtgen prizma kesit alanı, A = l. w = l. 2w = 2. l. w Kesit alanı 2 katına çıkar. Dikdörtgen prizma, Kesit Alanı = I. w Hacim I. w. h = 1 h Kesit alanı/hacim oranı sadece yüksekliğe bağlıdır. Yükseklikte değişmediğine göre kesit alanı/hacim oranı değişmez. 22

23 Resim de görüldüğü gibi hacimleri eşit, küre ve küp şekerden, küre şeklindeki şekerin yüzeyi, küp şeklindeki şekerinin yüzeyinden çok daha küçüktür. Hepimizin masallarda okuduğumuz Gulliver Resim 01.12: Küp ve küre şeker (Guliver ) ile bir insanın boyutları arasındaki oran 1 dür. Her ikisinin de görünüşü insan görünümünde ancak 10 boyutları farklıdır. Devler ülkesi Brobdingnag daki Gulliver ile bir insanın kesitleri arasındaki ilişki uzunluğun karesi yani 10² = 100 dür. Yani insanlar, Gulliver den 100 kat dayanıklıdır. Hacimleri ise 10 3 = 1000 kattır. O halde devin dayanıklılığının, hacmine oranı 100/1000 den 1/10 kadar olacaktır. Sonuç olarak dev Gulliver in kendisini taşıması yada İnsanın kendisi gibi 3 kişiyi sırtında taşıması kadar zordur. ÖRNEK 7: Şekil 01.10: Büyük ve küçük elmalar Şekil daki elmaların hacimleri toplamı birbirine eşittir. Aynı cins bu elmaların kabukları soyuluyor. Bu durum göz önüne alınarak kabuklar arasındaki ilişki nasıl açıklanır? 23

24 ÇÖZÜM: Eşit hacimdeki cisimlerden, küçük cisimlerin yüzey alanı, büyük cisimlerin yüzey alanından büyüktür. Bu yapıya göre, küçük elmaların kabukları, büyük elmaların kabuklarından daha fazla yüzeye sahiptir. Dayanıklılık = k (kalınlık)² Katı cisimler özelliklerini kaybetmeden, sıkıştırma ya da genişletme gibi etkilere gösterdiği dirence dayanıklılık denir. Madde N Sıkıştırılma Sabiti ( m 2 ) Alüminyum Bakır Çelik Cam Tablo 01.06: Maddelerin sıkıştırılma sabitleri Tablo de bazı maddelerin sıkıştırılma oranları verilmiştir. ÖRNEK 8: Resim 01.13: Maymun, karınca ve fil Resim de görülen hayvanların dayanıklılıkları hakkında ne söylenebilir? En dayanıklı ve en az dayanıklı hayvan hangileridir? ÇÖZÜM: Dayanıklılık, yüzey alanlarının hacimlerine oranından bulunur. Yani, Yüzey Alanı Dayanıklılık = dır. Hacim 24

25 Maymun, karınca ve filin yüzey alanlarının hacimlerine oranları bakımından fil yüzey alanı/hacim oranı en düşük, karıncanın yüzey alanı/hacim oranı en büyük, maymunun yüzey alanı/hacim oranı karıncanınkinden küçük, filinkinden büyüktür. Kısacası küçük canlıların yüzey alanları, hacimlerinden büyüktür. Bu anlamda dayanıklılık küçük canlılarda daha fazladır. O hâlde dayanıklılık sıralaması karınca, maymun, fil şeklindedir. En dayanıklı hayvan karınca, En az dayanıklı hayvan ise fildir. Dünyaca ünlü haltercimiz Naim Süleymanoğlu kendi ağırlığının yaklaşık 3 katı kadar ağırlığı kaldırmış ve dünya rekoru kırmıştır. Ancak bu yetenek ve güç ne yazık ki insanlarda sadece Naim Süleymanoğlu ve Naim Süleymanoğlu gibi haltercilerde vardır. Oysa karıncalar kendi ağırlığının 4 5 katı kadar ağırlığı rahatlıkla kaldırabilmektedirler. Karıncalar insan büyüklüğünde olsa idi, her bir karınca Dünya rekoru kırardı. Ama bu söz konusu bile değildir. İnsanlar kendi ağırlıkları kadar ancak yük kaldırabilmektedirler. Maddelerin kütleleri, hacimleri ile doğru orantılıdır. Boyutları büyültülen cisimlerin hacimleri artar, boyutları küçültülen cisimlerin hacimleri küçülür. Maddelerin kütlesi ile hacim arasındaki ilişki şeklindedir. m = d. V Büyüklüğün Adı Maddenin Kütlesi Yoğunluk Hacim Sembolü m d V Birimi g g cm3 cm 3 Tablo 01.07: Birim Tablosu 25

26 ÖRNEK 9: Bir cismin hacim yoğunluk ilişkisi grafikteki gibidir. Bu cismin 5 cm 3 teki, yoğunluğu kaç g/cm 3 tür? ÇÖZÜM: Hacim Grafiğe göre hacim yoğunluk ilişkisi verilmiş olup, cismin değişmeyen kütlesini bulmak gerekir. 20 V = 20 cm 3 d = 0,1 g / cm 3 olduğuna göre, d = m 5 V m = d. V Yoğunluk 0,1 m = 0,1. 20 Şekil 01.11: Hacim yoğunluk grafiği m = 2 gr olarak bulunur. Cismin kütlesi 2 gr olduğuna göre 5 cm 3 teki yoğunluğunu bulabiliriz. d = m V d = 2 5 d = 0,4 cm 3 olarak bulunur. ÖRNEK 10: Yarıçapı 2 cm olan kürenin, yoğunluğu 2 g/cm 3 tür. Kürenin yarıçapı iki katına çıkartıldığında, kürenin ağırlığı kaç kat artar (g = 10 m/s², π=3 alınacaktır)? ÇÖZÜM: Kürenin hacmi = 4 πr 3 3 = = 4. 8 = 32 cm 3 Kürenin kütlesi m = d. V m = m = 64 g 26

27 Ağırlık G = m. g G = G = 640 N Yarıçap iki katına çıkartılırsa yani r = 4 cm Kürenin hacmi v = 3 4 πr 3 v = v = v = 256 cm 3 Ağırlık G = m. g G = G = 2560 N Sonuç olarak 2580 = 4 olarak bulunur. 640 Kürenin yarıçapı 2 katına çıkartılırsa, kürenin ağırlığı 4 kat artar. Yeryüzünde mükemmel bir denge vardır. Kutup ayıları çölde, yılanlar kutuplarda yaşayamaz. Bir köfte ile aynı kütleye sahip hamburger, aynı ortamda pişirildiğinde hangisi önce pişer? Cevap hamburgerdir. Çünkü hamburgerin yüzey alanı geniş olduğundan, daha çok parça ısı alacaktır. Canlıların vücut ısıları birbirinden farklıdır. İnsanların vücut ısısı, foklarınkinden, fillerinkinden, karıncalarınkinden farklıdır. Kilolu insanların zayıf insanlara göre daha az üşümesi de çok bilindik bir kavramdır. Buna bağlı olarak insanların ısı yayma hızı, yüzey büyüklüğüne bağlıdır. Sadece insanlarda değil, maddelerin tamamı için ısı yayma hızının maddelerin yüzeylerine bağlı olduğu söylenebilir. Bir köfte ile aynı kütleye sahip hamburger, aynı ortamda pişirildiğinde hangisi önce pişer? Cevap hamburgerdir. Çünkü hamburgerin yüzey alanı geniş olduğundan dolayı daha çok parça ısı Resim 01.14: Şişman ve zayıf çocuk alacaktır. 27

28 Canlıların fiziksel anlamda boyutları da olması gerektiği gibidir. İnsanların, kuşların, fillerin, karıncanın, kedilerin ve ismini saymadığımız diğer tüm hayvanların iskelet sistemi, vücut ısısı, kemik yapıları, bacak kalınlıkları, kulakları, ağızları ve ağırlıkları yüzey alanları ile ilişkilendirelim: Bir filin ağzı karıncanınki kadar, karıncanın bacakları kedininki kadar, kuşların kulakları insanlarınki kadar, penguenlerin ağızları balinanınki kadar olsaydı dünyamız ne kadar dengesiz olurdu; değil mi? Farklı bir düşünce ile tüm canlıların taşıyabileceği yük miktarları ve yemek ihtiyaçları kendi boyutlarına göre değil de farklı boyutlardaki canlıların boyutlarına göre olsaydı? Bu tür beyin jimnastikleri sadece düşüncelerimizi zorlar ve bizleri gülümsetmekten öte götürecek durumlar değildir. Sonuç itibari ile tüm canlıların boyutlarına uygun ve olması gerektiği gibidir. ÖRNEK 11: 20 metre Şekil 01.12: 20 metreden düşen canlılar Şekil de görüldüğü gibi 20 metreden aynı anda düşen adam, kedi ve karınca için ne söylenebilir? ÇÖZÜM: Eşit yükseklikten düşen insan, kedi ve karıncadan en az zarar gören hangisidir? Sıralamayı yapacak olursak 1. Karınca, hemen hemen hiç zarar görmez. 2. Kedi, yükseklik 20 m olduğu için, her zamanki gibi dört ayağının üzerine düşer, belki bacakları incinebilir. 3. İnsan, yere düştüğü anda yere ilk temas eden yüzeyde kırık, çıkık, zedelenme veya daha büyük zarar görür, belkide ölebilir. 28

29 20 metre yükseklikten düşen üç canlıdan en fazla yüzeyi en büyük, boyutları en büyük olan canlı yani insan zarar görecektir. En az zararı ise karınca yani boyutu, yüzeyi en küçük olan canlı görecektir. 1.1 ETKİNLİKLER: BOŞLUK DOLDURMA Konu ile ilgili olarak verilen aşağıdaki cümlelerdeki boşlukları doğru olarak doldurunuz. Bölmek Tahta Madde Gaz 1. Bir hacme sahip ve kütlesi olan tüm varlıklara denir. 2. Hava, hidrojen, oksijen gibi maddelere.. maddeler denir. 3. Katı maddelere örnek olarak.. verilebilir. 4. Özkütleyi bulmak için, maddenin kütle miktarını, maddenin hacmine.. gerekir. 1.1 ETKİNLİKLER: DOĞRU YANLIŞ Aşağıdaki konu ile ilgili olarak verilen cümlelerin yanındaki parantez içerisine cümle doğru ise ( D ) cümle yanlış ise ( Y ) yazınız. (.) (.) (.) (.) (.) 1. Kesit alanının küçültülmesi dayanıklılığı azaltır. 2. Kesit alanının büyütülmesi dayanıklılığı artırır metreden küçük bir böcek ve kaplumbağa yere düşerse kaplumbağa böcekten daha fazla zarar görür. 4. Birim hacimdeki kütle miktarına yoğunluk ( özkütle ) denir. 5. Özkütlenin birimi kg/m dir. 29

30 1.2 SIVILARDA KILCALLIK ve YÜZEY GERİLİMİ Sıvılarda Yüzey Gerilimi Su, alkol, süt gibi maddeler bulunduğu kabın biçimini alır ve akışkandırlar. Bu tür maddelere sıvı maddeler denir. Sıvıların genel anlamda belirli bir hacimleri, şekilleri yoktur. Sıvıların akışkan özelliği, sıvı maddeleri meydana getiren moleküllerin birbirinin üzerinden kayabilmeleridir. Bu kayabilmenin nedeni, sıvı moleküller arasındaki çekim kuvvetinin zayıf olmasından kaynaklanmaktadır. Aynı tür moleküller arasındaki çekim kuvvetine kohezyon kuvvet denir. Farklı tür moleküller arasındaki çekim kuvvetine adezyon kuvvet denir. Şekil 01.13: Bir sürahiden su akması. Şekil deki bir sürahiden suyun akması gibi, dere, çay ve akarsularda da sıvıların akışkan özelliğini görmek mümkündür. Sıvıların içinde bulunduğu kabın değişik yerlerine delikler açtığımızda, sıvılar dışarı doğru akarlar. Resim deki gibi bir kaba konulan sıvı, açılan delikten farklı şekilde dışarı akmaktadır. Bunun nedeni sıvıların bulundukları kabın yüzeylerine basınç uygulamalarıdır. Resim 01.15: Birkaç yerinden delinmiş borudan suyun akması 30

31 Şekil deki görüldüğü gibi, basıncın, yükseklik ile olan grafiği ters orantılıdır. Basınç Kabın tabanından yukarı doğru delik açıldıkça, dışarı akan sıvıya daha az basınç uygulanacağından sıvının tazyiki azalır. Sıvıların sıkıştırılabilme değerleri çok küçük olduğundan, çok küçük düzeyde sıkıştırılabilir olma özelliğine sahiptirler. Yükseklik Şekil 01.14: Basınç yükseklik grafiği Sıvılar konuldukları kabın şeklini aldığı gibi, kabın en üst kısmında yatay bir düzlem oluştururlar. Sıvı yüzeyinde tanecikler arasındaki çekim kuvvetlerinden kaynaklanan gerilmeye yüzey gerilimi denir. Yüzey gerilimi, yüzey katmanın esnek bir tabaka gibi özellik göstermesinden kaynaklanır. Yüzey gerilimine örnek olarak aşağıdaki durumlar verilebilir. 1. Nilüfer çiçeklerinin su yüzeyinde durabilmesi 2. Küçük böceklerin su yüzeyinde yürüyebilmesi 3. Kağıdın su yüzeyinde kalabilmesi 4. Zeytinyağı ve suyun birbirine karışmaması 5. Süzgeç ıslatıldığında süzgeçteki gözenekler arasında su tabakasının oluşması 6. Temizlik maddelerin bakteri ve mikropların hücre çeperlerini parçalaması 7. Masa üzerine küçük miktarda su döküldüğünde, su damlacıklarının birbirinde ayrı ayrı damla damla durabilmesi Zeytinyağı ile suyun birbirine karışmaması, iki sıvının birbirleri arasında bir sınır oluşması ile sağlanır. (a) Zeytinyağı ve su (b) Zeytinyağı ve su Şekil 01.15: Zeytinyağı ve suyun sınır yüzeyi 31

32 Şekil de görüldüğü gibi zeytinyağı ile su örneğindeki adezyon kuvvetine başka bir örnekte çay bardağı ile tabak arasındaki su ya da çay tabakasıdır. Lenslerin gözler üzerinde düşmeden durması ile Cebeli Tarık Boğazındaki tatlı ve tuzlu suyun birbirine karışmadan durması, sınır yüzeyi sayesinde sağlanmaktadır. Adezyon ve kohezyon, moleküller arasında bir çekim kuvveti ve bu çekim kuvveti bir elektriksel kuvvettir. Aynı zamanda moleküller arasındaki kütle çekim kuvvetidir. Çekim kuvvetlerinden kaynaklanan yüzey gerilimi, sıvının yüzeyindeki herhangi bir doğrunun birim uzunluğuna, dik olarak etki eden kuvvettir. Sıvıların yüzey gerilimi, sıvı yüzeyinin her doğrultusunda ve sıvı yüzeyinin her noktasında aynıdır. Her sıvının yüzey gerilimi birbirinden farklıdır. Sıvı Sıcaklık ( C) Yüzey Gerilimi N ` j m Kloroform ² Etanol 20 2,27.10 ² Kan 37 5,8. 10 ² Su 20 7, ² Civa 20 43, ² Asetik asit 20 2, ² Aseton 20 2, ² Metanol 20 2, Gliserin 20 6, Civa 20 4, Etil Alkol 20 2, Benzin 20 2, Amanyok 20 2, Gazyağı 20 2, Kan 30 5, Tablo 01.08: Sıvı sıcaklık yüzey gerilimi ilişkisi Resim 01.16: Cebelitarık boğazı 32

33 Bir sıvının farklı sıcaklıklardaki yüzey gerilimi de birbirinden farklıdır. Sıvı Sıcaklık ( C) Yüzey Gerilimi Su 100 5,89.10 ² Su 50 6,79.10 ² Su 25 7, ² Su 20 7, ² Su 0 7, ² Tablo 01.09: Suyun değişik sıcaklıklardaki yüzey gerilimi N ` j m Sonuç itibari ile bir sıvının sabit bir sıcaklıktaki yüzey gerilimini, sıvının yapısına bağlı olduğu yüzey gerilim katsayısına bağlıdır. Yüzey geriliminin birimi N/m veya J/m² dir. Suyun 50 C deki yüzey gerilimi 6, J/m² olduğuna göre suyun 50 C de 1 m² genişletebilmek için 6,79 Joule lük bir enerjiye ihtiyaç vardır. ÖRNEK 12: 20 C de su ve kloroformun 1 metre boyunca moleküller arasındaki kuvvetlerinin oranı kaçtır? (20 C suyun yüzey gerilimi 7, N/m, 20 C kloroformun yüzey gerilimi 2,0. 10 ² N/m ) ÇÖZÜM: 20 C de suyun yüzey gerilimi 7, N/m moleküller arası kuvveti kesebilmek için gereken kuvvet 7,27 N, 20 C de kloroformun yüzey gerilimi 2, N/m moleküller arası kuvveti kesebilmek için gereken kuvvet 2 N olduğuna göre, Yüzey Gerilim 727, Oran = , Oran = 2 Oran= 3,63 tür. Şekil da görüldüğü gibi, yüzey gerilimi, sıcaklık ile ters orantılıdır. Bir sıvının sıcaklığı arttıkça, sıvının yüzey gerilimi artmaktadır. Sıcaklık Şekil 01.16: Yüzey gerilimi sıcaklık grafiği 33

34 Sıvının sıcaklığı artırıldığında veya bu sıvıya başka bir sıvı eklendiğinde, moleküller arasındaki etkileşme azalır, moleküller arasındaki çekim kuvveti azalınca da yüzey gerilimi azalacaktır Sıvılarda Kılcallık Kılcallık, bir sıvının başka bir maddeyi kendisine doğru çekmesi olayıdır. Bu çekme olayına Kapiler Olay da denilmektedir. Kılcallık, sıvının başka maddelerinin moleküler çekim kuvvetinin, sıvının kendi moleküllerinin arasındaki çekim kuvvetinden büyük olması sonucunda oluşur. Sıvının dik bir yüzeye dokunduğu bölümde, sıvı yüzeyinin içbükey bir hal almasına ( menisküs ) neden olur. Buna örnek verecek olursak, bir kova içerisindeki suyun üst bölümüne, kağıt peçete dokundurduğumuzda, kağıt peçete suyu emmeye başlar. Resim deki peçetenin suyu emmeye başladığı mantığındaki gibi, bir fitil, gazyağı lambasındaki gaz yağına dokundurulduğunda aynı olay gözlenir. Resim 01.17: Su dokundurulan peçetenin su emmesi Resim de fitil, gazyağını emer ve fitilin diğer ucuna ulaşan gazyağı ateşlendiğinde aydınlanma başlar. Resim 01.18: Gaz yağı lambası Resim daki gibi bir küp şekerin köşelerinden herhangi birini çaya dokundurduğumuzda, çay molekülleri hızla yukarı doğru yani şekerin iç kısımlarına doğru ilerler. Bu olayların tamamını adezyon olayı ile açıklayabiliriz. Yani bir madde ile farklı bir maddenin molekülleri arasındaki çekim kuvvetidir. Resim 01.19: Çaya batırılan küp şekerin çayı emmesi 34

35 Kılcallığı gözlemlemek için en çok kılcal borulardan faydalanarak yapılan deneyleri açıklamamız gerekir. Cam bir boruyu, dikey olarak, su dolu bir sıvının içerisine batırıldığında iç bükey bir menisküs oluşturur. Yüzey gerilimi, sıvının bulunduğu kolonu, yerçekimi ile moleküller arası kuvvetler dengeye gelinceye kadar yukarı doğru çekilir. Kolon içerisindeki sıvının ağırlığı, borunun yarıçapının karesiyle, sıvı ve boru arasındaki temas uzaklığı borunun yarıçapıyla orantılı olduğundan, dar borudaki yükselme seviyesi geniş borudaki yükselme seviyesinden daha büyüktür. Şekil : Yarıçapları farklı kılcal borularda suyun yükselmesi Şekil de dar borudaki sıvı seviyesinin geniş borudaki su seviyesinden büyük olduğu görülmektedir. Cam atomları ile civa atomları arasındaki çekim kuvveti çok güçlüdür. Her katı sıvı atomları arasında cam civa ilişkisi kadar güçlü çekim yoktur. Bu nedenle konveks bir menisküs oluşur ve kılcallığın tersine işlediği görülür. Bazı elbiseler, spor malzemeleri, spor ayakkabıları, vücut terlediğinde, deri üzerinden teri çekerken, kılcallıktan faydalanılmaktadır. Çekim kuvvetine karşı, sıvı yüzeye yapışır ve daha sonra bulunduğu yüzeye yapışan sıvı, kohezyon kuvveti ile daha fazla sıvının yüzeyden geçmesi sağlanır. Bu işlem adezyon kuvvetini yenecek kadar kuvvet sağlanıncaya kadar tekrar edilir. Bu olay doğadaki ağaçların, bitkilerin köklerinden başlayıp en yüksek dallara kadar var olan kılcal damarlar vasıtasıyla yerçekimine karşı hareket etmesine de örnektir. 35

36 Şekil de görüldüğü gibi bitkiler ve ağaçlar köklerindeki su taneciklerini yaşamlarını sürdürebilmek için, gövde ve en uç dallarına kadar iletilmesi doğanın devamı ve ekolojik denge için çok büyük bir olaydır. Aynı zamanda Kılcallık, bitki ve ağaçların büyümesi, fotosentez ve diğer faktörlerde de etkilidir. Şekil 01.18: Ağacın köklerinden suyu, yapraklara kadar taşıması 1.2 ETKİNLİKLER: BOŞLUK DOLDURMA Konu ile ilgili olarak verilen aşağıdaki cümlelerdeki boşlukları doğru olarak doldurunuz. Hacmi Kılcallık Çekim Ters 1. Bir kaba bir miktar sıvı konuyor. Daha sonra aynı sıvıdan, aynı kaba sıvı eklemeye devam ediliyor. Bu deneyde sıvının, kabın tabanına uyguladığı basınç ile sıvının yüksekliği arasında ilişki grafiği..orantılıdır. 2. Adezyon ve kohezyon, moleküller arasında bir kuvvetidir. 3. Bir sıvının sıcaklığı arttıkça sıvının. de artar. 4. Bazı elbiseler, spor malzemeleri, spor ayakkabıları deri üzerindeki teri çekerken.. tan yararlanılmaktadır. 36

37 1.2 ETKİNLİKLER: DOĞRU YANLIŞ Aşağıdaki konu ile ilgili olarak verilen cümlelerin yanındaki parantez içerisine cümle doğru ise ( D ) cümle yanlış ise ( Y ) yazınız. (.) 1. Sıvı maddelerin bulundukları kabın hacmini almasında yapışma ( adezyon ) etkilidir. (.) (.) 2. Sıvı moleküllerinin birbirini tutmada kohezyonun etkisi yoktur. 3. Yüzey Gerilimi birimi Newton/metre ( N/m ) dir. (.) 4. Bir sıvının, başka bir maddeyi kendisine doğru çekmesi olayına kılcallık denir. 1.3 GAZLAR ve PLAZMALAR Gazlar Maddenin üçüncü hali olan gazların, belirli bir hacmi yoktur. Bulundukları kabın yada konuldukları kabın tamamını doldururlar. Gazlar sıkıştırılabilir. Arabanın tekerleğini şişirdikten sonra biraz daha hava verdiğimizde, arabanın tekerleğinin daha fazla şişmediği görülür. Bu aşamada verdiğimiz hava, arabanın tekerindeki hava ile beraber tekerde sıkıştırılmıştır. Gazların Özellikleri : 1. Gazlar hacimleri vardır, bu hacim bulunduğu kabın hacmine eşittir. 2. Gaz tanecikleri arasında büyük boşluklar vardır. 3. Gazların hacimleri sıcaklığa göre değişir. 4. Gazların hacimleri, sıcaklık ya da basınçla hacim değişse bile gaz miktarı değişmez. 5. Gaz tanecikleri arasındaki çekim kuvveti çok zayıftır. 6. Gazların çoğu gözle görülmezler. Gazların hacimleri, bulundukları kaba ya da ortama göre değişken olduğu gibi farklı sıcaklık ve farklı basınçlarda özkütleleri farklıdır. Gazlar için özkütle ( yoğunluk ) ayırt edici özelliktir ancak bu durum basınç ve sıcaklıklar verilerek sağlanabilir. 37

38 Gaz Özkütle (g/cm 3 ) Hava 1, Helyum 1, Oksijen 1, Klor 3, Hidrojen 8, Tablo 01.10: Gazların özkütleleri Yukarıda verilen gazlar ve bu gazların özkütleleri Normal Şartlar Altında (N.Ş.A.) yani 0 C ve 76 cm Hg basıncı altındaki değerlerdir. 10 C, 20 C, 30 C de yada 86 cm Hg, 100 cm Hg basıncında bu gazların özkütleleri değişir. ÖRNEK 13: Yoğunluğu 0,24 g/cm 3 olan küp şeklindeki bir gazın kütlesi 0,24 kg olduğuna göre, küpün bir kenarının uzunluğu kaç cm dir? ÇÖZÜM 13: m = 0,24 kg ise m = 240 g dır. olur. Yoğunluk formülü Küpün hacmi Şekil 01.19: Yoğunluğu 0,24 g/cm 3 olan bir gaz maddesi d = V m 0,24 = 240 V V = , V = 1000 cm 3 V = l. l. l V = l 3 olduğuna göre, 1000 = l 3 10 = l l = 10 cm 38

39 Küpün bir kenarının uzunluğu 10 cm dir. Üzerinde yaşadığımız Dünya yı çevreleyerek saran bir gaz tabakası vardır. Bu gaz tabakasına Atmosfer denir. Atmosfer yerçekimi sayesinde, yaşamımızı, bitki ve hayvanların yaşamları, ekolojik dengeyi, Güneş ten gelen zararlı ve zararsız ışınları süzgeçler. Atmosfer Dünya nın kabanıdır. Atmosfer de %78 Azot %21 Oksijen %1 Asal gazlar (Hidrojen, Helyum, Argon, Kripton, Karbondioksit, Ksenon, Neon, Ozon) bulunmaktadır. Şekil 01.20: Atmosferdeki gazların oranları 39

40 Şekil deki atmosferdeki gazların oranlarına göre, atmosfer içerisinde her zaman su buharı ve karbondioksit bulunur, ancak ozon ve toz her zaman bulunmayabilir. Atmosfer de kendi içerisinde katmanlara sahiptir. Atmosfer gazların yoğunlukları ve bileşimlerinin birbirinden farklı olması ve yerçekiminin etkisi sayesinde katmanlardan oluşmuştur. Atmosfer temel olarak 5 katmandan oluşmaktadır. 1. Troposfer 2. Stratosfer 3. Mezosfer a. Ozonosfer b. Kemosfer 4. Termosfer 5. Ekzosfer Şekil 01.21: Atmosferdeki katmanlar Şekil deki atmosferin katmanlarını açıklayacak olursak; TROPOSFER : Atmosferin yerküreye temas eden 1. katmandır. Troposferin kalınlığı 17 km dir. Atmosferdeki gazların %75 i, su buharının tamamı bu katmandadır. 40

41 Yani hava akımları, nem, yağışlar, bulutlar, basınç değişiklikleri (alçak yüksek basınç) Troposferde oluşur. Yeryüzünden uzaklaştıkça her 250 m de 1 C sıcaklık azalmaktadır. STRATOSFER : Troposferden sonraki 2. katman olan Stratosferin kalınlığı 50 km dir. Rüzgarlar bu katmanda görülür. Bu katmanda sıcaklık değişikliği olmaz, ortama sıcaklık 45 C dir. Yerçekimi azaldığı için cisimler ağırlığını kaybeder. MEZOSFER : Kalınlığı 80 km olan Mezosferde, küçük boyutlu gök taşları, sürtünme sayesinde bu katmanda buharlaşır. İki kısımdan oluşur. OZONOSFER : Ozon gazlarının olduğu bu katmanda, Güneş ten gelen zararlı ultraviyole ışınları, ozon gazları sayesinde tutulur. Başka bir anlamda canlıların korunduğu katmandır. KEMOSFER : Güneşten gelen zararlı ışınlar bu katmanda da engellenir. Gazların iyonlara ayrılmaya başladığı katmandır. TERMOSFER : Mezosferden itibaren 400 km yüksekliğe sahip olan Termosferde Güneş ışınları oldukça fazla hissedilir. Zaten sıcaklığı 200 C ile 1500 C arasında değişmektedir. Termosferde gazlar iyon halindedir. Yapay uyduların haberleşme ve radyo dalgaları çok iyi iletilir. EKZOSFER : Atmosferin en üst katmanıdır. Bu katmanın sınırları kesin olarak bilinmemekle birlikte yüksekliğinin km olduğu tahmin edilmektedir. Bu katmanda az miktarda Helyum ve Hidrojen atomları bulunmaktadır. Atmosfer, yerçekiminin etkisi ile dünyamızı sarmaktadır. Kütlesi 5,2.10¹⁸ kg olan atmosferin kütlesinin yarısı 6 km lik yüksekliktedir. Kütlesinin %75 i ilk 11 km lik bölümde, kütlesinin % 90 ı ilk 18 km lik bölümde, kütlesinin % 99 u ilk 30 km lik yükseklikte olduğu tespit edilmiştir. Atmosferin Kütlesi 5,2. 10¹⁸kg Kütlenin Yükseklik Dilimi Kütlenin Bulunduğu Yükseklik Kütlesi % 50 si İlk 6 km 2,6. 10¹⁸ kg % 75 i İlk 11 km 3,9. 10¹⁸ kg % 90 ı İlk 18 km 4,68. 10¹⁸ kg %99 u İlk 30 km 5,14. 10¹⁸ kg Tablo 01.11: Atmosferin kütlesinin yüksekliğe göre oranı 41

42 ÖRNEK 14: Şekil de Dünyanın katmanları A, B ve C olarak gösterilmiştir. Bu katmanların kütleleri sırasıyla m₁, m₂ ve m₃ olarak verildiğine göre, Dünya nın katmanlarının sıralanışı nasıl olmalıdır? m 3 m 2 m 1 Şekil 01.22: Dünyanın Katmanları 42

43 ÇÖZÜM: FİZİK 3 Dünyamızın atmosferinin kütlesi 5,2.10¹⁸ kg dır. Bu kütlenin yarısı ilk 6 km de, %75 i ilk 11 km de, %90 nı ilk 18 km olduğu hesaplanmıştır. Bu bilgiye göre m₁ en büyük, m₂ küçük, m₃ ise en küçüktür. Yani şeklindedir. m₁ > m₂ > m₃ Dünyamızı çevreleyen Atmosfer, Güneş ten gelen ısı ve ışık enerjilerin dünyaya gelmesini, bu gelen ışınların zararlarının engellenmesini sağlayan, canlılar için yaşamsal önem taşıyan ve ekolojik denge sağlayan en önemli etkendir Plazma Maddelerin yapısı itibari ile 3 halde bulunduklarını daha önceden öğrenmiştiniz. Ancak maddeyi oluşturan atomların enerjileri bakımından, maddenin 4 halden oluştuğu ve bu 4. halin plazma olduğunu bilimsel alanda kabul edilmiştir. Gaz halindeki maddelere yeteri kadar enerji verildiğinde maddenin dördüncü hali plazmanın üretilmesi mümkündür. Maddenin 4.hali olan plazma, kandaki plazma ile karıştırılmamalıdır. Plazma sürekli hareket eden ve yüklü parçacıkların topluluğu olarak ifade edilir. Plazma tam olarak iyonize olmuş gaz anlamına gelmektedir. Zaten yüksek sıcaklığa sahip olan gazlar önce atomlara ayrılır, sonrada atomdan, dış yörünge elektronlarından biri yada bir kaçının kopması ile pozitif yüklü iyon haline gelir. Örneğin; N 2(gaz) + ISI 2 N (gaz ) + ISI 2 N (gaz) + 2e Bu denklem azot molekülü, atom, iyon ve elektrondan oluşmaktadır. Elektriksel anlamda nötr olup, bu karışım bir plazmadır. PLAZMANIN ÖZELLİKLERİ 1. Plazma dış ortamlara karşı elektriksel olarak nötrdür. Yani plazmadaki pozitif yük sayısı (iyonların sayısı), negatif yük sayısına (elektron sayısı) eşittir. 2. Plazma iyi bir iletkendir. Hem ısıyı, hem de elektriği çok iyi iletir. Örneğin gümüşün iletkenliğinden 120 kat daha iyi iletken olduğu tespit edilmiştir. Isı ve elektriğin çok iyi iletilmesini sağlayan elektrondur. 43

44 3. Plazma içerisinde ayrışma, iyonlaşma ve bu olayların tersi niteliğinde olan yeniden yapılanma, yüksek enerji sayesinde sağlanmaktadır. 4. Plazma, yüksek sıcaklık ve enerji yoğunluğuna sahiptir. Plazma maddeleri, gaz maddelerinden ayıran en önemli özellik sıcaklık farkıdır. Plazma maddeler çok yüksek sıcaklıkta ve elektriği iyi iletmektedirler. Oysa tüm maddelerin gaz hali yalıtkandır. Aslında plazmayı hemen her gün yaşadığımız olaylarda gözlemleyebiliriz. Örneğin bir kibriti, kibrit kutusunun kenarına sürdüğümüzde, plazma karşımızdadır. Önce büyük ve pırıl pırıl bir alev görünür. Bu alev plazmanın ta kendisidir. Resim degörüldüğü gibi, bu alev küçük bir sıcaklıkta olabilir. Ancak plazmadır. Kibrit alevindeki sıcaklığın yüzbinlerce katı sıcaklığa sahip Güneş te, bir plazmadır. Resim 01.20: Kibrit ve alevi Kâinatın %99 u plazma halinde olduğu tahmin edilmektedir. Dünyamızın ısı ve ışık kaynağı Güneş, evrendeki tüm yıldızlar, plazmaya örnektir (Resim 01.21). Resim 01.21: Güneş Dünyamızda Big Bang ( Bik benk) yani Büyük Patlama olmadan önce plazmanın bir parçası olduğu kabul edilmektedir. Oluşum gerçekleştikten sonra oluşan Güneş Sistemi içerisinde gezegenler oluşmuş ve Dünya mızda bu sistem içerisinde yerini almıştır (Resim 01.22). Güneş dev bir plazma küresi olup, tahmini sıcaklığı 15 milyon K (Kelvin) dir. Resim 01.22: Güneş Sistemi 44

45 Resim 01.23: Yıldırım Şekil de görülen floresan lamba, sokak ve güvenlik aydınlatmalarında kullanılan ark lambaları, önemli günlerde görsel şölen olarak sunulan neon ışıkları da plazmanın günlük hayatımızdaki örneklerindendir. FİZİK 3 Resim de görüldüğü gibi, özellikle yağmurlu havalarda yaşadığımız yıldırım düşmesi olayı bir plazmadır. Yıldırım olayı muhteşem bir görüntü olmasıyla birlikte, sesi ile de inanılmaz korkutucudur. Gökyüzündeki bulutların sürtünme ile elektriklenmesi sonucunda, bir elektron boşalması gerçekleşir ⁶ Volt luk bir potansiyel fark Amper civarında bir akım şiddetine sahip olan şimşek, K (Kelvin) lik bir sıcaklığa sahiptir. Böylesine büyük bir enerji ve sıcaklık plazmaya net bir örnektir. Bu anlamda yeryüzünde mal ve can kayıplarını en düşük seviyede tutabilmek için paratoner denilen cihazlar kullanılarak bu şiddetli ancak bir o kadar da büyüleyici olayı toprağa aktarılmaktadır. Floresan lambanın içerisinde civa gazı bulunmaktadır. Lamba içerisinde elektrik iletimini civa gazının elektronları ve iyonları sağlar. Elektrik, bir ucu pozitif (+) diğer ucu negatif ( ) yüklenmesini Resim 01.24: Floresan Lamba oluşturur ve elektronların negatif ( ) uçtan pozitif (+) uca hareket ederken, pozitif yüklü iyonlarda negatif ( ) uca sürüklenir. Bu iyon ve elektronlar hızlandıkça, enerjileri artar ve diğer atomlara çarptıkça elektron koparma işlemi gerçekleşir. Çarpışma aşamasında bir ışıma söz konusudur. Buda floresan lambanın çevresindeki fosfor maddesinin üzerine düştüğünde, beyaz ışığın yayılması sağlanır. 45

46 Neon lambalarında, düşük basınçta neon gazı kullanılmaktadır. Elektriğin tüp içerisinden geçerken, neonu yüklemesi ve gazın iyonize olması sonucu plazma oluşmaktadır. Gazların türüne bağlı olarak farklı renklerde görsel ziyafetle ve ışıklandırma sistemleri yapmak mümkündür. Resim de de görüldüğü gibi, plazma metallerin kaynak edilmesi, sert kayaların delinmesi için de kullanılan teknolojik gelişmedir. Dünyada var olan ve günümüzde kullandığımız tüm enerji kaynaklarının yanı sıra, bilim adamları hem ekonomik Resim 01.25: Neon Lamba olarak uygun, hem Dünya mızı kirletmeyecek, hem de bir yerden başka bir yere iletilme konusunda her zaman yeni enerji kaynakları arayışına girmiştir. Ancak temiz enerji kaynağı her zaman popularitesini korumuştur. Resim 01.27: Metallerin Kaynak Edilmesi Resim 01.26: Neon Süslemeleri ile Muhteşem Boğaz Köprüsü Gelişmiş ülkelerde, hafif atomların yüksek hızlarda çarpışmaları sonucu daha ağır atomlar oluşmaktadır. Bu çarpışma sonucunda yüksek enerji açığa çıkar işte bu olaya füzyon denilmektedir. Doğada füzyon için en uygun şartlar yıldızlarda ve Güneş te bulunmaktadır. Güneş ve yıldızlarda birer plazmadır. Bilim adamları füzyon olayından esinlenerek, araştırmalar yapmakta temiz bir enerji kaynağı için ağır Hidrojen atomunun bulunduğu deniz suyu ile deneyler yapmaktadırlar. 46

47 Resim de görüldüğü gibi, plazma teknolojisi sayesinde saniyeler içerisinde bakterileri yok edilebilmektedir. Bakteri, virüs, mantar ve sporlarda plazma sterilizasyonu ile öldürülmektedir. Güneş sistemi içerisinde bulunan Güneş ve yıldızların sıcaklıkları K ile K arasında değişmektedir. Bu tür plazmaların dış kısımları iyon halindedir ve bu nedenden dolayı sıcaklıkları çok yüksektir. Güneş ve yıldız plazmaların iç kısımları ise tamamı iyonlaşacak sıcaklığa sahiptirler. Yani plazmaların içeriye doğru gidildikçe sıcaklıkları artmaktadır. Resim 01.28: Bakterilerin plazma ile yok edilmesi. Evrende var olan galaksi, yıldız ve yıldız arası ortamların tamamı, Güneş sisteminin oluşumundaki gibi süpernova patlaması sonucu oluşmuştur. Bu sistemlerdeki plazma olmayan tüm gezegenler, göktaşları vb. oluşumların tamamı, tüm evrenin ancak %1 ini oluşturmaktadır. Uzaydaki tüm cisimlerin ilk hali plazmadır. Plazma diye tabir edilecek sistemin birim hacminde, kritik değerde yüklü bir parçacık olması gerekir. Kritik değer diye tanımlanan plazma parametreleri 6 tanedir. Plazma Parametreleri 1. Plazma Yoğunluğu 2. Plazma Sıcaklığı 3. Plazma Frekansı 4. Debye Uzunluğu 5. Plazma Kılıfı 6. İyonizasyon Derecesi Sıcaklık Derinlik Şekil 01.23: Sıcaklık Derinlik Grafiği Plazmalar çok yüksek sıcaklıkta bulunduklarından, yüksek ve düşük sıcaklıktaki plazmalar olmak üzere iki gruba ayrılır. 47

48 Yüksek sıcaklıktaki plazmalar Düşük sıcaklıktaki plazmalar : 10 6 K 10 8 K arası sıcaklık, : 10 6 K den küçük sıcaklıktır. Düşük sıcaklıktaki plazmaların sıcaklıkları 10 4 K 10 5 K gibi bir sıcaklığa sahip olsalar da soğuk ve sıcak plazma olarak 2 gruba ayırmak mümkündür. Soğuk Plazma Sıcak Plazma ÖRNEK 15: Neon lambası Floresan Lamba Yıldız Güneş Kutup Işıması : 1000 K den küçük sıcaklık, : 10 4 K 10 5 K ve daha yukarısı sıcaklıktır. Yukarıda verilen plazmalardan soğuk ve sıcak plazmaları ayırınız? ÇÖZÜM: Plazmalar sıcaklıklarına göre soğuk ve sıcak plazma olarak ikiye ayrılır. Sıcak plazma 10 6 K ile 10 8 K arasında sıcaklığa sahiptir. Soğuk plazma ise 1000 K den küçük, genelde 300 K ile 400 K arasındadır. Buna göre soğuk plazma Neon lambası, floresan lamba, kutup ışımasıdır. Sıcak plazma ise Güneş ve yıldızdır. Dünya mızın Kuzey ve Güney Kutbunda, Güneş rüzgârlarının oluşturduğu kutup ışımaları birer plazmadır. Kuzey kutbundaki bu ışımaya Aurora Borealis (Kuzey Işıkları) güney kutbundakine ise Aurora Australis (Güney Işıkları) denmektedir. Genellikle bu ışımalar, gece gözlemlenebilmekte, bazı zamanlar çıplak gözle de izlenebilmektedir. Aurolar, Güneş in dünya atmosferindeki etkisinin belirgin sebeplerinden biridir. Güneşteki fırtınaların, kuzey ve güney manyetik kutbu çevreleyen, yüksek oranlardaki elektronların Dünya Atmosferindeki element- Resim 01.29: Güney ve Kuzey kutbunda oluşan Auroralar 48

49 ler ile etkileşme gerçekleşir. Bu etkileşme sonucunda kuzey ve güney auroralar oluşur. Güneşteki fırtınalar, Dünya Atmosferine ulaştığında yeryüzündeki yerin çekim gücünün kuzey ve güney kutuplarında en yüksek olması nedeniyle, solar rüzgâr en yüksek düzeyde oluşur. Bu solar rüzgârlar, yüksek orandaki çekim gücü nedeniyle manyetik alan bölgeleri ve elektriklenme kutup bölgelerinde gerçekleşir. Rengârenk ve görsel şölen halindeki auroralar, hangi atom parçacıkları ile çarpışırsa veya karşı karşıya gelirse yüksekliğe bağlı olarak renk alırlar. Atmosferde farklı gazlar olması nedeniyle, bu gazlar auroraların renklerini oluşturur. Atmosferdeki Gaz Yeryüzünden Yükseklik Oluşan Aurora Rengi Nitrojen 90 km ye kadar Mavi Nitrojen 90 km üzeri Mor Oksijen 240 km ye kadar Yeşil Oksijen 240 km üzeri Kırmızı Tablo 01.12: Atmosferdeki gazların yeryüzünden yüksekliğine göre oluşan aurora renk çizelgesi Kutup ışığı görüntüleri yani kuzey ve güney auroralar, Güneş ten gelen solar rüzgârlardaki yüklü parçacıkların, Atmosferdeki gazlarla etkileşimi sonucu oluşur. Solar rüzgârlardaki yüklü parçacıklar, Dünya nın manyetik alanına kapılarak, Dünya nın manyetik kutuplarına kapılırlar. Sonrada Atmosferdeki moleküllerle çarpışarak büyük bir enerji açığa çıkarttıklarında, bu enerjinin bir kısmı auroraları oluşturur. ÖRNEK 16: Atmosferdeki nitrojen ve oksijen gazlarının yeryüzünden başlayarak değişik renklerde aurora oluşturur. Yeryüzünden başlayarak ilk 80 km, 90 km üzeri, 240 km ye kadar, 240 km üzeri oluşan aurora renkleri nasıl sıralanır? ÇÖZÜM: Atmosferde oluşan aurora renkleri, İlk 90 km de nitrojen gazı ve mavi renk aurora, 90 km üzeri nitrojen gazı ve mor renk aurora, 240 km ye kadar oksijen gazı ve yeşil renk aurora, 240 km üzeri oksijen gazı ve kırmızı renk aurora şeklindedir. 49

50 Resim da görüldüğü gibi auroralar, genel anlamda yay şeklindedir. Nadir olarak da bulut şeklinde görüldüğü tespit edilmiştir. 1.3 ETKİNLİKLER: BOŞLUK DOLDURMA Resim 01.30: Yay Şeklinde Auroralar Konu ile ilgili olarak verilen aşağıdaki cümlelerdeki boşlukları doğru olarak doldurunuz. Plazma Düşük Kemosfer Azot Plazma 1. Maddenin 4. hali vardır. Katı, sıvı, gaz ve.. dır. 2. Atmosferde en fazla.. gazı vardır. 3. Atmosferin katmanlarından Mezosfer kendi arasında iki bölümden oluşur. Bunlardan biri Ozonosfer diğeri ise. dir. 4. Yüksek sıcaklık ve enerji yoğunluğuna. denir K dereceden küçük sıcaklıktaki plazmalara, sıcaklıkta plazma denir. 1.3 ETKİNLİKLER: DOĞRU YANLIŞ Aşağıdaki konu ile ilgili olarak verilen cümlelerin yanındaki parantez içerisine cümle doğru ise ( D ) cümle yanlış ise ( Y ) yazınız. (.) (.) 1. Auroralar, güneş rüzgârlarının oluşturduğu kutup ışımalarıdır. Belirgin olarak ekvator üzerinde görülür. 2. Yoğunluk, birim hacimdeki kütle miktarına denir. (.) 3. Maddenin 4. hâline plazma denir. Plazma iyonize olmuş gaz demektir. Güneş, yıldızlar birer plazmadır. (.) 4. Güneş ve yıldızlar sıcak plazmaya, floresan ve kibrit soğuk plazmaya örnek olarak verilebilir. 50

51 NELER ÖĞRENDİK Maddenin 3 hali vardır. Katı, sıvı, gaz. Enerji ve sıcaklık bakımından maddeler incelendiğinde plazma maddenin 4. halidir. Katı maddeler en, boy ve genişlik boyutlarında, belli oranda büyütülürse ya da küçültülürse, kesit alanları, yüzey alanları, hacimleri ve kütleleri de değişmektedir. Karınca kendi kütlesinden 5 6 kat daha büyük kütleleri taşıyabilmekte ancak insanlar kendi kütlelerinin 2 3 katı bile kaldıramamaktadır. Sıvı maddeler, bulundukları kabın hacmini alırlar. Bulundukları kabın hacmini alırken yapışma ( adezyon ) ve birbirini tutma ( kohezyon ) sayesindedir. Aynı şekilde sıvılarda kılcallık olayının temeli de adezyon ve kohezyondur. Gaz maddeleri incelerken öncelikle Atmosfer ve Atmosferi oluşturan gazların incelenmesi gerekir. Gazlarda, sıvılar gibi bulundukları kabın hacmini alır ancak bir gaz kütlesi bulunduğu kabın tamamının hacmini alır. Maddenin 4. hâli plazma hali yani Güneş sistemleri, süpernova, yıldızlar evrenin %99 unu oluşturmaktadır. Plazmalar çok yüksek sıcaklıklarda olup, iyonize olmuş gaz olarak bilinmelidir. Soğuk ve sıcak plazma olmak üzere iki gruba ayrılır. Bir mum alevi de plazmaya örnek olarak verilebilir. 51

52 BİRAZ DÜŞÜNELİM 1. Bir dikdörtgen prizmasının genişliğini yarıya düşürdüğümüzde hacmi kaç kat değişmiş olur? 2. 4 gr/cm 3 lük özkütleli bir cismin kütlesi 20 gramdır. Bu cismin hacmini m 3 ve cm 3 cinsinden bulunuz? 3. Yarıçapı 20 cm olan bir varilin yüksekliği 120 cm dir. Bu varillerden 10 tane olan bir çiftçi, bu 10 varilin içerine kaç cm 3 benzin koyabilir ( π = 3 alınacak )? 4. Hacim Şekil 01.24: Hacim Yoğunluk Grafiği Yoğunluk Şekil deki Hacim Yoğunluk grafiği verilmiştir. Bu grafikteki verileri kullanarak kütle yoğunluk grafiğini çiziniz? 52