Is ve S cakl k Anahtar Kavramlar sı sıcaklık hareket enerjisi Termometre Termometre Yandaki iki flekil arasındaki benzerlik ve farklılıkları bulalım. Termometredeki sıvıyı oluşturan tanecikleri insan figürlerine benzetirsek, 2. flekilde insanların hareketlerinin S v S v artmasının sebebi ne olabilir? Hangi kaptaki sıvıyı oluşturan tanecikler daha hareketlidir? Hangi sıvının enerjisi daha fazladır? 1. fiekil 2. fiekil 2. flekilde termometredeki sıvı seviyesinin artmasının sebebi ne olabilir? Bu flekillere bakarak ısı ve sıcaklık kavramlarını tanımlayalım. Madde ve termometre arasındaki ısı akış yönü ile termometredeki sıvı seviyesinin yükselip alçalmasını nasıl ilişkilendiririz? Aşağıdaki etkinlikle ısının akış yönünü keşfedelim. 1. Etkinlik Gözlemleyelim, nceleyelim Ak fl Yönümü Kaybettim Bunları Yapalım Çay kaşıklarına numara vererek etiketleyelim. 1 numaralı çay kaşığını buz parçaları arasında bekletirken aynı anda 2 numaralı çay kaşığını mum alevinde ısıtmaya başlayalım. 3 ve 4 numaralı çay kaşıklarına hiçbir işlem uygulamayalım. 2 numaralı çay kaşığı yeteri kadar ısınınca ısıtma işlemini bırakalım ve aynı anda 1 numaralı çay kaşığını buzdan çıkaralım. Çay kafl klar n n sıcaklığı hakkında ne söyleyebiliriz? Her bir çay kaşığının fleklini çizelim ve çizim üzerinde kaşıkları s cak ve so uk olarak belirtelim. 1 numaralı çay kaşığı ile 3 numaralı çay kaşığını, 2 numaralı çay kaşığı ile 4 numaralı çay kaşığını şekildeki gibi bir araya getirelim. 45 saniye sonra çay kaşıklarının sıcaklıklarında ilk durumlarına göre nasıl bir fark ortaya ç kar? Resimdeki kafl klar birbirine dokundurdu umuzda, kafl klar aras ndaki s ak fl hangi yöne do ru olur? Vard m z sonucu yine bir çizimle gösterelim. 4 adet aynı tip çay kaşığı mum buz kalıpları kronometre etiket Sıcaklık farkı olan maddelerde ısı alış verişi oldu unu ve ısı ak fl n n hangi yönde olduğunu yaptığımız etkinlikle fark ettik. Peki ısı kavramı size ne ifade ediyor? 158
3 97. s. Isı; sıcaklıkları farklı iki madde arasında alınıp verilen enerjinin adıdır. Bu durumda sıcaklıkları eşit iki madde arasında ısı aktarımı gerçekleşmez. Bu iki maddeden birinin sıcaklığın n diğerinden farklı olmas hâlinde, sıcaklığı yüksek olan maddeden sıcaklığı düşük olan maddeye enerji aktarılır ve aktarılan bu enerjiye s ad verilir. Örne in, elimize bir buz parças ald m zda elimizin s cakl buzun s cakl ndan yüksek olaca için s aktar m n n yönü elimizden buza do ru olur. Isı, aktarılan enerji olduğuna göre maddenin ısısından bahsedebilir miyiz? Örneğin, suyun ısısı, havanın ısısı şeklinde ifadeler doğru mudur? Peki, s cakl düflük olan maddeye enerji aktar ld nda maddenin s cakl ndaki art fl miktar n n sahip oldu u kütle miktar na göre de iflip de iflmeyece ini yapaca m z bir etkinlikle anlamaya çal flal m. 2. Etkinlik Kütle-S cakl k liflkisi Bulal m, Keflfedelim Bunları Yapalım Beherglas musluk suyu ile dolduralım. Beherglasdan 20 ml, 30 ml ve 40 ml kadar suyu dereceli silindir ile ölçerek ayrı ayrı erlenmayerlere koyalım. Özdeş ısı kaynakları ile ayn anda erlenmayerleri ısıtmaya başladığımızı düşünelim. Bir süre sonra suların sıcaklıkları hakkında ne söyleyebiliriz? 20 ml su bulunan erlenmayerdeki su sıcaklığını termometre yardımıyla ölçerek defterimize çizeceğimiz çizelgenin ilgili kısmına kaydedelim. Örnek çizelge aşağıda verilmiştir. 20 ml su koydu umuz erlenmayeri ısıtmaya başlayalım ve çizelgede belirtilen sürelerde suyun sıcaklığını ölçelim. Aynı işlemleri 30 ml ve 40 ml lik su örnekleri için tekrarlayalım ve yaptığımız ölçümleri çizelgenin ilgili kısımlarına kaydedelim. A B C Zaman Miktar 20 ml 30 ml 40 ml Isıtmadan Önce 30 s Sonra 60 s Sonra 2 dk Sonra termometre 3 adet 100 ml lik erlenmayer dereceli silindir tahta maşa kronometre ispirto ocağı veya mum (yeterli say da) beherglas su S cakl k ( o C) Zaman (s) Çizelgeye kaydettiğimiz verilere göre her üç örnek için de sıcaklık - zaman grafiği çizelim. 4 97. s. Bafllang çta erlenmayere aynı sıcaklıkta su koymamıza rağmen, aynı sürelerde yapt m z ölçümlerden aldığımız sonuçlar neden birbirinden farklı çıktı? Is tma ifllemi tamamland ktan sonra su s cakl n her üç erlenmayerde de eşitlemek için ne yapabiliriz? Erlenmayerleri ısıtarak sular aynı sıcaklığa gelinceye veya kaynay ncaya kadar geçen süreyi kaydedelim. Aynı sıcaklığa farklı sürelerde ulafl lmas n n sebebi ne olabilir? Aynı maddenin farklı kütlelerdeki örnekleri, özdeş ısıtıcılarla ısıtıldıktan sonra bu maddelerin s cakl klar hakk nda ne söyleyebilirsiniz? Bu farklı kütlelerdeki maddeleri aynı sıcaklığa getirmek için, kütlesi büyük olanın daha uzun süre ısıtılması veya daha çok s yayan ısı kaynağının kullanılması gerekir. Peki, bunun sebebi ne olabilir? 159
5 98. s. Ayn maddenin farkl kütleleri düflünüldü ünde, kütlesi fazla olan madde için daha fazla say da tanecik içerdi i söylenebilir. Bu durumda Maddelerin ayn s cakl a ulaflmas için kütlesi fazla olan maddeye daha fazla s aktar lmas gerekir. diyebilir miyiz? Bir madde ısıtılmaya başlandığında, ısı kaynağına yakın taneciklerin hareket enerjisi artar ve bu tanecikler, yanlarındaki diğer taneciklerle çarpışarak enerjilerinin bir kısmını di er taneciklere aktarırlar. 1. flekilde de gördüğümüz gibi madde miktarı fazla olduğunda tanecik sayısı da fazla olacağından, madde miktar fazla olan n ısınması daha fazla zaman alacaktır. Çünkü enerji, daha fazla sayıda taneciğe aktarılmaktadır. 1. fiekil 2. fiekil Isı kaynağı Isı kaynağı 6 98. s. Isı kaynağının güçlü olması, maddenin kısa sürede ısınmasına nasıl katkı sağlar? Maddeyi ısıttığımızda maddeyi oluşturan taneciklerin h zlar n n artt n biliyoruz. Peki, aynı sıcaklıkta bir maddenin taneciklerinin hızları birbirine eşit midir? Maddeyi oluşturan tanecikler çarpışarak birbirlerine enerjilerini aktardıkları için her tanecik farklı enerjiye sahip olabilir ve her çarpışmada da enerjileri değişebilir. Aynı sıcaklıkta taneciklerin enerjisi birbirinden farklı olduğuna göre sıcaklık kavramını madde ile nasıl ilişkilendirebiliriz? Termometre ile ölçtüğümüz sıcaklık değeri, neyin ölçüsü olabilir? Maddeyi oluşturan tanecikleri tek tek değil taneciklerin tamam n düşünmemiz gerekmektedir. Bu durumda bir maddenin sıcaklığının ölçümünde o maddeyi oluşturan taneciklerin hepsi rol oynar. Taneciklerin enerjileri birbirinden farklı olduğu için sıcaklık ölçümü taneciklerin ortalama hareket enerjileri ile iliflkilidir. Taneciklerin ortalama hareket enerjilerinin göstergesi ise sıcaklık olarak adlandırılır. S cakl k bir enerji türü de ildir. Maddelerin s cakl termometre ile ölçülür ancak maddelerin al p verdi i s miktarlar termometre ile ölçülemez. Termometre ile farkl iki maddenin sıcaklığı ölçüldüğünde okunan değerler, o iki maddeden hangisinin taneciklerinin ortalama hareket enerjisinin diğerinden daha fazla olduğunu belirtir. Termometrede sıcaklık 0 o C u gösterdiğinde o maddeyi oluşturan taneciklerin hareket enerjisi sıfır değildir. Sıcaklıkları termometrede 10, 0 ve 25 o C olarak ölçülen maddelerin taneciklerinin hareket enerjileri hakkında ne söyleyebiliriz? Peki, termometre nasıl yapılır ve s cakl nas l ölçer? Yapaca m z etkinlikle anlamaya çal flal m. 160
Is ve S cakl k Maddenin Hâlleri ve Is 3. Etkinlik Termometre Yapal m Bulal m, Keflfedelim Bunlar Yapal m Cam şişenin kapağını kamış geçebilecek flekilde s t lm fl bir çivi yard m yla delelim. Kapaktan kamışın şekilde görüldüğü gibi çok az bir kısmını geçirelim. Kamışın sabit bir şekilde durması ve kapakla kamış arasında boşluk kalmaması için bu arayı oyun hamuru, yapışkan bant, mum gibi malzemelerle dolduralım. plastik kapaklı dar boyunlu küçük cam şişe tükenmez kalem içi veya fleffaf kamış oyun hamuru veya yapışkan bant sıvı yağ, gliserin, alkol, antifriz kâse huni cetvel buz parçaları kaynama s cakl nda su mum 1 adet büyük boy çivi Cam şişeyi kâse içine koyalım ve şişeyi hiç boşluk kalmayıncaya kadar sıvı yağ ile dolduralım. Kamış geçirilmiş kapağı yağ dolu şişeye kapatalım. Kamışı şişeye yerleştirdikten sonra hazırlanan düzenekte ne gözlemledik? Gözlemlediğimiz durumu nasıl açıklar z? Hazırladığımız düzeneği içi buz parçaları dolu kâseye yerleştirelim. Buz parçalar n arada bir karıştıralım ve 15 dakika bekledikten sonra kamıştaki sıvı hizasını işaretleyelim. Bu sıvı seviyesi termometrelerde kaç o C a karşılık gelmektedir? Aynı işlemi şişeyi kaynayan su içinde beş dakika bekleterek tekrarlayalım. Bu sıvı seviyesi termometrelerde kaç o C a karşılık gelmektedir? Farklı sıcaklıklarda, kamıştaki sıvı seviyesinin yükselip düşmesinin sebebini nasıl açıklarız? şaretlediğimiz iki seviye arasını cetvel yardımıyla 10 eşit parçaya bölelim. Günün farklı saatlerinde sıvı seviyesini bir çizelgeye kaydedelim ve o güne ait sıcaklık - zaman grafiğini çizelim. Aynı basamakları cam şişeye gliserin, alkol, antifriz koyarak gerçekleştirelim. Bu düzeneklerin hepsini aynı ortama koyduğumuzda sıvı seviyelerinde bir fark görülür mü? Görülüyorsa bu farkın sebebi ne olabilir? Bildi imiz gibi termometrelerdeki sıvı seviyesinin yükselip alçalması, haznedeki sıvının ısındığında genleşmesi ve soğuduğunda büzülmesi ile ilgilidir. Etkinliğimizde, maddeler s t l p so utuldu unda taneciklerin ortalama hareket enerjilerinin değişimesinin etkisini termometrelerdeki sıvı seviyesinin yükselip alçalmas ile iliflkilendirebilir miyiz? 161
Termometredeki hazne cıva veya alkol gibi sıvılarla doldurulur. Bu hazne, bir maddeye daldırıldığında veya madde ile temas ettiğinde o maddenin tanecikleri cam boru haznenin camına çarpar. Bu durumda önce madde ve cam arasında, daha sonra cam ve haznedeki sıvı arasında enerji aktarımı gerçekleşir. Enerji aktarımı sonucunda haznedeki sıvının taneciklerinin hareket enerjileri artarsa bu tanecikler daha hızlı hareket eder ve tanecikler arasındaki mesafe artar. Bu artış sonucunda tanecikler hazneye sığmaz ve cam borudaki hacmi doldurmaya başlar ve sıvı seviyesi yükselir. Benzer şekilde haznedeki hazne sıvının taneciklerinin hareket enerjileri azaldığında, tanecikler arasındaki mesafe azalır ve cam borudaki sıvı seviyesi düşer. Termometreden okunan değer, termometrenin temas ettiği maddenin sıcaklığı olarak kaydedilir. Bu değer, termometrenin temas ettiği maddenin taneciklerinin ortalama hareket enerjileri ile ilişkili olarak yükselir veya düşer. Araflt ral m, Haz rlanal m Çok yüksek ve çok düşük sıcaklıkları ölçmek için hangi tür termometreler kullanılır? Bu tür termometreler, günlük hayatta hangi alanlarda kullanılmaktadır? Araflt ral m ve edindi imiz bilgileri, vard m z sonuçlar rapor hâline getirerek arkadafllar m za sunal m. Termometrelerde okuduğumuz değer, maddelerin miktarları ile orantılı mıdır? Ayn ortamdaki bir bardak kaynar su ile bir kova kaynar suyun sıcaklıkları hakkında ne söyleyebiliriz? Peki, bir bardak s cak ve bir kova so uk suya özdeş maddeleri b rakt m zda hangi kaptaki suyun maddeye aktard s daha fazladır? Yapacağımız etkinlikle anlamaya çalışalım. 4. Etkinlik Artt Kütlem, Ço ald Enerjim Gözlemleyelim, nceleyelim 162 Bunları Yapalım I. Aflama Bardağı ve sürahiyi kaynama s cakl ndaki su ile dolduralım. Suların sıcaklı n tahmin edelim. Suların sıcaklı n ölçelim ve tahminimizle karşılaştıralım. Suların taneciklerinin ortalama hareket enerjilerini karşılaştıralım. Bardağa ve sürahiye aynı büyüklükte ikişer adet buz parças koyarsak kaplardaki buzların erime süreleri için ne söyleyebiliriz? Kaplara buzları koyduktan 3 dakika sonra sıcaklığı ölçtü ümüzü düflünelim. Termometrelerin gösterdi i de erler hakk nda ne söyleyebiliriz? Bir önceki maddede sözünü etti imiz durumu deneyelim ve buz parçaları tamamen eriyinceye kadar geçen süreyi ve gözlemlerimizi kaydedelim. Kaydetti imiz de erlerle tahminlerimizi karfl laflt ral m. Maddelerin sıcaklıkları farklı olduğunda, sıcaklığı yüksek olan maddenin taneciklerinin hareket enerjisi her zaman fazla mıdır? Bu durumu bir bardak so uk musluk suyuna ve bir bardak sıcak suya buz koyarak anlamaya çalışalım. II. Aflama Yukarıdaki etkinli i bardağa sıcak su ve sürahiye so uk musluk suyu doldurarak tekrarlayalım. I. Aflaman n son basama nda hangi kapta bulunan suyun daha fazla enerji aktarabilece i ile ilgili tahminimiz doğru çıktı mı? Yaptığınız etkinlikle bu durumu nasıl açıklar z? bardak cam sürahi buz parçaları kaynama sıcaklığında su musluk suyu kronometre termometre
Is ve S cakl k Maddenin Hâlleri ve Is 7 99. s. 8 99. s. Bir maddenin sıcaklığın n o maddenin taneciklerinin ortalama hareket enerjileri ile ilgili oldu unu ö rendik. Bir madde ne kadar çok tanecikten oluşuyorsa toplam hareket enerjisi de o kadar fazladır. Bu durumda tanecik say s fazla olanlar başka bir maddeye daha çok enerji aktarabilir. Örneğin kaynama sıcaklığındaki bir bardak ve bir sürahi su aynı sıcaklıkta bulunmalar na rağmen, sürahideki su daha çok tanecik içerdiği için taneciklerin toplam hareket enerjileri daha fazladır. Bu durumda s cakl kendisinden düflük olan başka bir maddeye, bardaktaki suya göre daha fazla enerji aktaracaktır. Farklı sıcaklıklardaki iki maddeden fazla miktarda olan daha fazla tanecik içerir ve sıcaklığı düşük olsa bile toplam hareket enerjisi daha fazla olabilir. Bu sayede, başka bir maddeye daha fazla enerji aktarabilir. Etkinliğimizde bir sürahi suyun sıcaklığı bardaktaki suyun sıcaklığından daha az olmasına rağmen buza daha fazla enerji aktararak buzun önce erimesine sebep olmuştur. Kendimizi De erlendirelim Afla daki sorular defterimize s ras yla cevaplayal m. 1. Kutuplardaki özdefl buz da lar ndan birisinin s cak su havuzuna di erinin Marmara Denizi ne b rak ld na hayal edelim. Hangi suda bulunan buz da daha önce erir? Neden böyle düflündü ümüzü aç klayal m. 2. Şekildeki kaplarda, aynı miktarlarda ve farklı sıcaklıklarda sıvılar bulunmaktadır. 75 o C 50 o C 25 o C 10 o C A B C D Sıvı dolu bu kaplara termometre daldırıldığında, termometrelerdeki sıvı seviyesi en fazla hangi kapta artış gösterir? Kaplar 25 o C s cakl kta olan bir odaya bırakıldığında, Hangi kaplardan çevreye ısı aktarımı olur? Hangi kaba ya da kaplara çevreden ısı aktarımı olur? Bir süre sonra termometrelerdeki sıvı seviyelerinde nasıl bir değişme olacaktır? Dört saat sonra, kapların sıcaklıkları hakkında ne söyleyebiliriz? 3. Afla daki flekillerdeki kaplar s cakl 85 o C olan bir ortama b rak ld nda, Çevreye ısı aktarımın n en fazla oldu u kap hangisidir? Hangi kaplardaki sıvıların taneciklerinin ortalama hareket enerjileri birbirinin aynıdır? A ve C kaplarında bulunan sıvıların taneciklerinin ortalama hareket enerjilerini karşılaştıralım. A ve B kaplarında bulunan sıvıların taneciklerinin toplam hareket enerjilerini karşılaştıralım. 30 o C 30 o C 60 o C 100 g su 200 g su 200 g su A B C 163