6 Isı - Sıcaklık ve Genleşme 1 est 1 in Çözümleri 1. Sıcak yun içine atılan metal cisimler ve ısıl dengeye geldiğinde her üçünün de sıcaklığı eşit olur. anıt D dir. 3. Bir sistemi oluşturan atom ve moleküllerin kinetik (titreşim) ve potansiyel (bağ) enerjilerinin toplamına iç enerji denir. Sistem üzerinde iş yapıldığında, sisteme enerji aktarıldığında ya da sistem dışarıya enerji verdiğinde sistemin iç enerjisinde değişiklik gerçekleşir. I. Isı veren maddenin iç enerjisi azalır. Bu nedenle I. öncül doğrudur. II. Isı alan madde hâl değiştiriyorsa sıcaklığı değişmez. II. öncül her zaman doğru değildir. III. Denge sıcaklığı her zaman sıcaklığı yüksek olan cismin sıcaklığına yakın olmaz. 2. termometre 4. sıcaklık ( C) 2 ısı (cal) 0 Q sıcaklık ( C) 2 ısı (cal) 0 2Q s cakl k ( C) sıcaklık ( C) sıcaklık ( C) buz 10 C 110 100 III IV V 3 Z ısı (cal) 0 2Q 2 P ısı (cal) 0 2Q Şekil I 0 10 Q I = m. 0,5. (10) = 5m Q II = m. buz = 80m Q III = m. 1 (100) = 100m Q IV = m. buhar = 540m Q V = m. 0,5. (10) = 5m I II Şekil II s (cal) Buna göre IV. aralıkta en fazla ısı enerjisi harcanmıştır. anıt D dir. Bir cisme verilen ısı miktarı Q = mc. bağıntısı ile hesaplanır. Cisimler eşit kütleli olduğundan bağıntıdaki m sabit olur. Buradan; Q Q mc. = = ( 2 ) 2Q Q m. c = = ( 2 0) 2Q 2Q m. cz = = ( 3 0) 3 m. 2Q 2Q c P = = ( 2 ) olduğundan ile sıvıları aynı cins olabilir.
2 ISI - SICAI VE GENEŞME 5. termometre 8. gaz buz buz buz Sıvıların sıcaklıklarının farklı olmasının nedeni buz parçalarının ilk sıcaklıklarının farklı olmasıdır. Buz eridiğinde hacmi azalır. Bunun sonucunda gazın bulunduğu bölmenin hacmi artar ve buna bağlı olarak P gaz azalır. Suyun yüksekliği azaldığından cismi üzerindeki basınç da azalır. cismine uygulanan kaldırma kuvveti; F k = V b. d sıvı. g olduğundan bu kuvvet değişmez. aldırma kuvveti değişmediği için ipteki gerilme kuvveti de değişmez. 6. Metal kapakla cam kavanozun farklı miktarda genleşmeleri sonucu ikisi birbirinden ayrılmıştır. Benzer biçimde termometrenin cam kısmı ve sıvı kısmı farklı miktarda genleşmektedir. Eğer aynı miktar genleşseydi sıvı boruda yükselmezdi. I. ve II. bilgilerde doğru bilgiler olmalarına rağmen olayla ilgili değildir. anıt B dir. 9. cismi ile sıvının genleşme katsayıları eşit olsaydı ısıtılma sonucu sıvı basıncı değişmezdi. daha az genleştiğine göre, sıvı basıncı azalacaktır. sıvı ip 7. Hâl değiştiren sıvının sıcaklığı değişmediğinden ortalama kinetik enerjisi de değişmez. Ancak potansiyel enerji değişir. anıt E dir. cismi ile sıvının genleşme katsayıları eşit olsaydı kaldırma kuvveti, dolayısıyle ipteki gerilme kuvveti değişmezdi. Sıvı daha fazla genleştiğine göre, sıvının özkütlesi cisminin özkütlesinden daha fazla azalmıştır. Bunun da anlamı, kaldırma kuvvetinin azalmasıdır. Buna bağlı olarak da ipteki gerilme kuvveti azalır. anıt B dir.
V V 2 V 4 ISI - SICAI VE GENEŞME 3 10. 12. buz ip Hem yun hem de buzun sıcaklığı 0 C olduğundan sıcaklık değişimi yoktur. Buz eridiğinde hacim küçülmesi olacağından kaptaki sıvının yüksekliği bir miktar azalır. Bunun sonucunda A noktasındaki sıvı basıncı azalır. İpteki gerilme kuvvetini oluşturan neden, yun buza uyguladığı kaldırma kuvvetidir. Erime sırasında buzun hacmi küçüleceğinden kaldırma kuvveti, dolayısıyla azalır. A anıt E dir. P 1 P 2 Şekil I Şekil II Şekil I deki kabın biçimi düzgündür. Sıvının sıcaklığı arttırılırsa hacminde genleşme olacağından yüksekliği artar. Aynı oranda özkütlesi azalır. Bu nedenle P 1 değişmez. Şekil II deki kabın üst kısmı ince bir borudur. Genleşme sonucu sıvı boruda yükselir. Sıvının özkütlesindeki azalma borudaki yükselmeden az olacağından P 2 artar. 11. 1 2 3 A A A 2 Sıvılarda genleşme miktarı; V = V 0 a bağıntısı ile bulunur. Sıvıların türleri yani a ları ve leri eşit olarak verilmiştir. V doğrudan V 0 la yani ilk hacimle doğru orantılıdır. Buna göre; V 1 > V 2 > V 3 yazabiliriz. 2 numaralı sıvının hacmi V 2, borunun kesiti A, 3 numaralı sıvının hacmi V 4, borunun kesiti A dir. Bu nedenle borulardaki sıvı 2 yüksekliği h 1 > h 2 = h 3 olur. anıt B dir.
4 ISI - SICAI VE GENEŞME est 2 nin Çözümleri 1. C F 3. Birbirine değmekte olan iki cisim arasında ısı alış verişi oluyorsa kesinlikle bu iki cismin sıcaklıkları farklıdır. Bu bilgi ile cisimlerin öz ısıları ve genleşme katsayıları karşılaştırılamaz. 0 32 273 I II III Sıcaklığın elvin ile ifadesinde derece kavramı yoktur. ani yazılmaz. alnızca olarak yazılır. Çünkü bir birim mutlaksa yani bir niceliğin ölçümünü doğrudan veriyorsa o birim için derece ifadesi kullanılmaz. Ancak Fahrenheit ve Celcius için F ve C yazılır. anıt C dir. 2. yun kaynama s cakl ğ 84 125 85 Z 4. lamba Z + V zil buzun erime s cakl ğ 4 5 5 Şekildeki elektrik devresinde,, Z metallerinin genleşme katsayıları arasında > > Z bağıntısı bulunur. C - 0-4 = 100 80 20 x - 4 = & = 16 + 4 = 20 100 80 C- 0-5 = 100 100 20-5 = & = 25 100 100 C- 0 Z- 5 = 100 80 20 100 Z - 5 = & Z = 21 80 Buna göre, yalnız termometresi 20 C sıcaklıkta 20 yi gösterir. küresi r halkası r r Z halkası I. Üçü birlikte aynı sıcaklığa kadar ısıtılırsa küresi daha çok genleşeceği için halkalardan geçemez. II. III. Üçü birlikte soğutulursa küresi daha çok büzüleceği için halkalardan geçer. alnız küresi ısıtılırsa genleşir ve halkalardan geçemez. anıt B dir.
ISI - SICAI VE GENEŞME 5 5. 8. M tekeri dönmediğine göre ve M metallerinin uzama katsayıları eşittir. M metal çifti daha soğuk ya da daha sıcak bir ortama götürülürse doğrusallığı bozulmaz. M Sera etkisinin olumzluklarından biri de okyanuslarda asit oranının artmasıdır. D seçeneğinde bunun tam tersi söylenmektedir. anıt D dir. anıt C dir. 6. Öz ısısı büyük olan maddelerin sıcaklık değişimi yavaş, küçük olanlarınki daha hızlı gerçekleşir. Ayrıca öz ısı maddeler için ayırt edici bir özelliktir. anıt D dir. 7. r 9. 1 2 3 Sıcaklık değişimi kütle ile ters orantılıdır. İlk kürenin hacmi 4 r r 3 olup kütlesi m oln. İkinci kürenin yarıçapı 2r dir. Bu 3 durumda; 4 3 m2 = r( 2r) = 8m 3 bulunur. ütlesi m olan kürenin sıcaklığını C artırmak için Q kadar ısı enerjisi gerekiyorsa, kütlesi 8m olan kürenin sıcaklığını 2 yapmak için 16Q ısı enerjisi gerekir. anıt D dir. 1, 2, 3 numaralı maddelere eşit miktarda ısı enerjisi verilmesine rağmen en çok 3, en az 1 numaralı maddenin eridiği görülmektedir. Erime ısısı ne kadar küçükse madde o kadar az ısı ile hâl değiştirebilir. Bu nedenle 1, 2, 3 numaralı maddelerin erime ısıları arasında 1 > 2 > 3 ilişkisi vardır.
6 ISI - SICAI VE GENEŞME 10. 12. ip h 0 C de yatay İyonize hâldeki parçacıkların gaz hâline geri dönmesine deiyonizasyon denir. anıt C dir. 0 C deki yun sıcaklığı arttırıldığında, büzülür. Bu durum, sıcaklığı +4 C oluncaya kadar devam eder. +4 C de, minimum hacim ve maksimum özkütleye sahiptir. Özkütlesi artan yun cismine uyguladığı kaldırma kuvveti artacağından ipteki gerilme kuvvetinin büyüklüğü azalır. anıt C dir. 11. S S V 2V kabındaki sıvının hacmi 2V, dakinin V dir. Sıvıların ilk sıcaklığı ve cinsi aynı olduğu için kaplara eşit ısı enerjisi verildiğinde Q = m c bağıntısına göre daki sıvının sıcaklığı dekinin iki katı olur. Bir başka ifadeyle, son sıcaklıkları eşit olmaz. Cinsleri aynı olmak koşuluyla sıvıların madde miktarları ne olursa oln eşit ısı enerjisi karşısında genleşme miktarları eşit olur. Sıvıların genleşen miktarları boruların boş kısmında yükselir. apların kesit alanları eşit olduğundan kaplardaki sıvı yükselme miktarları eşit olur. anıt II ve III tür. anıt D dir.
ISI - SICAI VE GENEŞME 7 est 3 ün Çözümleri 4. + + 1. Işıma biçimindeki enerji kayıplarını en aza indirmenin pratik yolu yansıtcı yüzeyler kullanmaktır. ermosların iç ve dış yüzeyinde gümüş gibi parlak malzemeler kullanılmasının nedeni budur. Şekil I Şekil II + Z Şekil III α > α olduğundan, Şekil I deki metal çifti ısıtılırsa devre tamamlanamaz ve lambası ışık vermez. 2. buhar türbin jeneratör Şekil II de ve metal çubukları uç uca eklidir. Bu çift ısıtılırsa devre tamamlanır ve lambası ışık verir. α > α olduğundan Şekil III teki metal çifti ısıtılırsa devre tamamlanabilir ve Z lambası ışı verebilir. anıt E dir. nükleer reaktör Su, öz ısısı büyük olan maddelerdendir. Suyun öz ısısı büyük olduğundan hem geç ısınır hem de geç soğur. Bu özelliğinden dolayı ısıtma ve soğutma sistemlerinde kullanılır. 3. Başlangıçta çiftlerin ağırlık merkezi O noktasında olduğundan dengede kalıyorlar. α > α > α M olduğundan ısıtılma sonucunda çubuğu den, çubuğu da M den daha çok uzar. Böylece ağırlık merkezi O nun soluna kayar. 5. 1 2 α 3 O O M P Her iki çubuk çifti (I) yönünde döner. anıt B dir. Sistem daha sıcak bir ortama götürüldüğünde metal teller uzar. Bunun sonucunda α küçülür. α küçülünce 1 ve 2 de küçülür. 3 ise değişmez. anıt C dir.
8 ISI - SICAI VE GENEŞME 6. 30 30 1 1 2 2 P 8. M 1 M 2 R R P S 3 P Şekil I P Şekil II Ortamın sıcaklığı artırıldığında Şekil I deki teller arasındaki açı küçüleceğinden 1 gerilme kuvvetinin büyüklüğü küçülür. Şeki li deki teller birbirine paralel olduğundan 2 ve 3 ün büyüklükleri değişmez. anıt D dir. Önce M 2 mumu eridiğine göre, S çubuğunun ısı iletkenliği P ninkinden büyüktür. I. yargı doğrudur. Bu verilenlerle R çubuğunun iletkenliği hakkında yorum yapamayız. Bu nedenle II ve III. yargılar yanlıştır. 7. 3, 2,, boy 0 2 sıcaklık Şekil I Şekil I deki boy-sıcaklık grafiğine göre, metalinin uzama katsayısı inkinden büyüktür. 1 yatay 9. Şekil II Şekil II deki metal çifti ısıtılırsa uzama katsayısı büyük olan metali dışta kalacak biçimde bükülür. Bükülme sırasında ucu 1 numaralı yolu izler. İlk hacmi V 0, genleşme katsayısı a olan sıvının sıcaklığı Δ kadar artırıldığında hacmindeki artış miktarı; ΔV = V 0 a Δ bağıntısı ile bulunur. Sıvının boruda yükselme miktarı borunun cinsine de bağlıdır. Ancak yükselme miktarı borunun kesitine bağlı değildir. anıt E dir.
ISI - SICAI VE GENEŞME 9 10. 12. soğuk s cak Şekil I Şekil II Şekil I deki sistem ısıtıldığında hem katı, hem de birlikte genleşir. Suyun genleşme katsayısı katınınkinden büyük olduğundan daha çok genleşir. Bunun sonucunda yun özkütlesi küçülür ve katı cisim Şekil II deki gibi dengeye gelir. O hâlde katı cismin genleşme katsayısı yunkinden küçük olduğundan bu durum gerçekleşmiştir. Güneş ocakları, ışıma enerjisinden yararlanan düzeneklerden birisidir. Ocağın yansıtıcı yüzeyine çarpan güneş ışınları ocak içerisinde bir noktada toplanır. emeğin pişirileceği tencere ışınların odaklandığı noktaya yerleştirilir. 11. A B s v s s v s I. Sıvılara eşit miktarda ısı enerjisi verildiği hâlde sıvısının sıcaklığı Δ, ninki 2Δ artıyor. Q = m c Δ bağıntısına göre; m. c = 2 m. c olur. ütleler bilinmediğinden c ile c karşılaştırılamaz. II. III. Isıtılma sonucu sıvısı daha çok genleştiğine göre, sıvısının genleşme katsayısı ninkinden büyüktür. Isıtılma sonucunda sıvısının daha çok genleşmesi iletkenlikle ilgili değildir. anıt B dir. 13. buz metal küre Hâl değişimi sırasında sıcaklık sabit kalır. Bu nedenle buzun tamamı eriyinceye kadar yun, dolayısıyla metal kürenin sıcaklığı sabit kalır. anıt B dir.
10 ISI - SICAI VE GENEŞME 14. esnek balon 16. gaz s v Verilen her üç bilgi de doğru bilgilerdir. Ancak kabın ısıtılması sonucu balonun hacminin büyümesi ve buna bağlı olarak ipteki gerilme kuvvetinin büyümesini II ve III. önermeler açıklar. ip anıt C dir. buz A esnek balon Buzun özkütlesi yunkinden küçüktür. Bu nedenle buz eridiğinde hacmi küçülür. Buzun tamamı eridiğinde gaz kısmında hacim büyümesi olur. Bu da gaz basıncının azalmasına yol açar. Gaz basıncı azalınca esnek balon üzerindeki toplam basınç biraz azalır. Balonun hacmi büyüyeceğinden gerilme kuvvetinin büyüklüğü artar. Balonun hacminin büyümesi sonucu seviyesi birazcık yükselir. Bunun sonucunda da A noktasındaki sıvı basıncı artar. ip anıt C dir. 15. ip gaz 0 s v s n n kat s A İpteki gerilme kuvvetinin büyüklüğü sıfırdan farklıdır. katısı serbest bırakıldığında kendi sıvısında batar. O hâlde sıvısı değildir. Buzun dışındaki katı cisimler eridiklerinde daha büyük hacim ortaya çıkar. nın katısı eridiğinde sıvı yüksekliği artar. Bunun sonucunda gazın basıncı ve A noktasındaki sıvı basıncı artar. anıt B dir.
ISI - SICAI VE GENEŞME 11 est 4 ün Çözümleri 3. 1. hacim özkütle (g/cm 3 ) küre halka 0 I sıcaklık ( C) 4 0 4 1 II sıcaklık ( C) Su diğer sıvılardan farklı özellik gösterir. 0 C deki yun sıcaklığı artırıldığında büzülür. Bu yun sıcaklığı artıkça, +4 C ye kadar büzülmeye devam eder. +4 C de, minimum hacim ve maksimum özkütleye sahiptir. +4 C den sonra ısıtılmaya devam edilirse genleşmeye başlar. Bu durum, 100 C de kaynama sıcaklığına kadar devam eder. anıt E dir. ürenin genleşme katsayısı halkanınkinden büyük olduğundan her ikisi de ısıtılırsa küre halkadan geçemez. Öteki durumlarda küre halkadan geçebilir. anıt D dir. 2. atı maddelerde atom veya moleküllerin enerjilerini birbirine aktarmasına enerjinin iletim yoluyla yayılması denir. Buna göre kaşığın ısınmasında ısı iletim yoluyla yayılmıştır. Sıvı ve gazlarda özkütle farkından dolayı atom veya moleküller madde içinde hareket ederek yer değiştirir. Böylece enerji madde içindeki atom veya moleküllerin hareketiyle taşınmış olur. Isının madde içindeki atom veya moleküllerin öteleme hareketi ile taşınması olayına enerjinin konveksiyon yoluyla yayılması denir. Buna göre çorbanın içinde ısı konveksiyon yoluyla dağılır. anıt E dir. 4. 3 2 P çubuğunun sıcaklığı azaldığı için boyu kısalır. S çubuğunun sıcaklığı arttığı için boyu artar. R çubuğunun sıcaklığı değişmediği için boyu değişmez. P R S anıt E dir.
12 ISI - SICAI VE GENEŞME 5. 2 7. P R 1 metal çubuk 3 Verilen bilgiler incelendiğinde sorunun ısı iletkenliği ile ilgisi olmadığı görülür. Bu nedenle I. yargı hakkında yorum yapılamaz. P nin sıcaklık artışı fazla olduğu hâlde R ile aynı miktar uzamış. Buna göre II kesinlikle doğrudur. Sıvı ve gaz hâldeki maddelerde ısının iletim yoluyla taşınması önemsenmeyecek kadar küçüktür. Isının konveksiyon yoluyla iletimi ısı enerjisi yüksek taneciklerin düşük taneciklerle yer değiştirmesi şeklinde gerçekleşir. Bu olayın nedeni, sıcaklığı artan madde moleküllerinin hacminin genleşmesi ve bunun sonucunda özkütlesinin küçülmesidir. Özkütlesi küçülen tanecikler yanlara doğru değil düşey yukarı doğru hareket eder. Hem kütleler hem de verilen ısılar eşittir. Buna göre, sıcaklığı daha fazla artan P nin öz ısısı R ninkinden küçüktür. III kesinlikle yanlış olur. Buna göre 1 numaralı ele ısı enerjisi yalnız ışıma yoluyla ulaşır. 6. Grafiğin sabit kaldığı 4-6 ve 8-9 arasında maddesi hâl değiştirmiştir. 8. M sıcaklık ( C) M 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 zaman Şekiller dikkate alındığında boyu en çok kısalan çubuğudur. O hâlde ilk sıcaklığı en fazla olan dır. ve M çubukları Şekil I e göre uzamışlardır. Bunun anlamı ve M çubukları dan enerji almıştır. çubuğunun verdiği ısı enerjisini alarak en çok uzayan çubuk dir. Öyleyse çubuğunun ilk sıcaklığı en azdır. anıt B dir.
ISI - SICAI VE GENEŞME 13 9. A 2 2A 2 2A 2 10. Havanın dan soğuk olduğu zamanlarda gölde soğumanın büyük kısmı yüzeyde gerçekleşir. Başlangıçta sıcaklığı +4 C nin üstünde olan yüzeydeki, soğudukça özkütlesi artar ve dibe çöker. Göldeki tüm yun sıcaklığı +4 C ye inmeden doğrudan 0 C inmez. Bu nedenle buz oluşmadan önce göldeki tüm yun +4 C ye soğuması gerekir. Sonra hava sıcaklığı +4 C nin altında kalırsa, yüzeydeki da +4 C nin altına iner. Bu yüzey yu batmaz. Çünkü sıcaklığı daha düşük olduğu için özkütlesi alttaki yun özkütlesinden küçüktür. Z 3 buz Isı iletim hızı; D H = k A, bağıntısı ile bulunur. Cisimler aynı metalden yapıldıkları için ısı iletim katsayıları (k) aynıdır. Değerleri verilen bağıntıda yerine yazarsak; H = A, 2A A H = = 4,, 2 2A 2 A H Z = = 4,, Böylece daha soğuk ve özkütlesi küçük yüzeyde kalır. üzey yu hava sıcaklığına bağlı olarak soğuyarak donar. üzeyde buz oluşurken, sıvı bir ortama gereksinim duyan organizmalar, buzun altında +4 C deki yun içinde yaşamaya devam eder. anıt E dir. bulunur. Buna göre, = Z > tir. anıt C dir.
14 ISI - SICAI VE GENEŞME 11. II. küresinin genleşmesi daha büyük olduğundan Z halkasından geçemez. G O G G O G III. halkasının genleşmesi daha büyük olduğundan Z küresi halkasından geçer. Şekil a Şekil b + çubuğu Şekil a daki gibi dengede iken sistem ısıtılıyor. Bu ısıtma sonucunda çubuğu daha çok uzadığı için sistem (1) yönünde dönmüş. Bir başka ifadeyle α > α dir. I II Z Z III Soruda verilen +Z çifti soğutulunca (2) yönünde döndüğü söyleniyor. Hem hem de Z ayrı ayrı kısalmış. Ancak daha çok kısalmış olmalı ki sistem (2) yönünde dönebilsin. O hâlde α > α Z dir. anıt B dir. anıt D dir. 12. Su kaynarken sıcaklık sabit kalır. Buharlaşma sırasında sıvının sıcaklığı genellikle düşer. anıt E dir. 13. boy 14. Z 0 s cakl k Grafikten; metalinin uzama katsayısının en büyük, Z ninkinin en küçük olduğu bulunur. I, II, III numaralı düzeneklerin sıcaklığı eşit miktarda artırılırsa; I. küresinin genleşmesi daha büyük olduğundan halkasından geçemez. M s v yatay Birim yüzeye uygulanan kuvvete basınç denir. Sıcaklık artınca sıvı genleşeceğinden ve noktaları üzerindeki sıvı miktarları artar, fakat M noktası üzerindeki sıvı miktarı değişmez. Bu nedenle P ve P artarken P M değişmez. anıt B dir.
ISI - SICAI VE GENEŞME 15 15. üylerinin arasındaki hava yalıtkanlık görevi görerek kuşların üşümesini engeller. Benzer biçimde pencerelerin çift cam yapılması ve tuğlaların delikli yapılmasında da aynı ilke kullanılmaktadır. Bu iki sistemde de hava yalıtkanlık görevi yapar. anıt E dir. 16. 20 C cıvata 25 C Her zaman ısı enerjisi, moleküller enerjisi fazla olandan az olana geçmez. Sıcaklığı 20 C olan 5 litrelik ile sıcaklığı 25 C olan cıvatayı karşılaştıralım. Cıvatanın sıcaklığı fazla olmasına rağmen 5 litrelik daki kinetik enerji daha büyüktür. Eğer cıvatayı yun içine atarsak, enerji; dan, cıvataya geçmez; aksine cıvatadan ya geçer. Isı, her zaman sıcaklık farkına göre akar. Isı, hiçbir zaman soğuk cisimden sıcak cisme geçmez. anıt E dir.