12. ÜNİTE JOULE(JUL) KANUNU

12. ÜNİTE JOULE(JUL) KANUNU KONULAR 1. JUL KANUNU VE FORMÜLÜ 2. JUL KANUNUN GÜÇ İLE İLİŞKİSİ 3. PROBLEM ÇÖZÜMLERİ

12.1 JUL KANUNU VE FORMÜLÜ Jul (Joule) Kanunu, bir iletkende üretilen (dönüştürülen) ısı miktarının nelere bağlı olduğunu ortaya koyar. Jul Kanunu na göre bir iletkende ortaya çıkan ısının miktarı, iletkenin direncine bağlı olarak üzerinden geçirilen akımın karesi ve akımın geçme süresi ile doğru orantılıdır. Matematiksel ifadesi ise aşağıdaki gibidir. Q=I 2.R.t (jolue) Eşitlikteki sembollerin anlamları ve birimleri aşağıdaki gibidir: Q : İletkendeki ısı miktarı (Joule - J) I : İletkenden geçen akım (Amper - A) R : İletkenin direnci (Ohm - Ω) t : Akımın geçme süresi (Saniye - sn) Isı birimi olarak günümüzde genellikle kalori (Calori-Cal) kullanıldığı için jul, kaloriye dönüştürülür ve formül de aşağıdaki gibi kullanılır. Q=0.24.I 2.R.t Elektrik enerjisi ile çalışan aygıtları yaşantımızın birçok kesitinde sıkça kullanırız. Bu aygıtlardan biriside şekil 12.1 de görülen elektrikli su ısıtıcılarıdır. V + - i i A Şekil 12.1 İçinden akım geçen iletken tel ısınır Şekil 12.1 deki devrede R direnci içi su ile doldurulan bir kabın içerisine ko- 154

nulmuştur. Direnç üzerinden geçecek olan akımı ölçmek için de sisteme seri olarak bir ampermetre bağlanmıştır. Devreye enerji verildiğinde iletken üzerinden bir akım geçer, iletken atomlarında bulunan serbest elektronlar, bulunduğu yörüngeden başka bir atomun yörüngesine rasgele bir doğrultuda kolayca geçer. İletken uçlarına bağlanan üretecin negatif kutbu elektronları iterken pozitif kutup ise bu elektronları kendisine doğru çeker. Bu etki sayesinde elektronlar hız kazanır ve iletken içerisinde akmaya başlar. Belli bir kütleye sahip olan elektronlar bu hız kazanımı sırasında potansiyel enerjilerini kinetik enerji şekline dönüştürür. Elektronlar kinetik enerjilerini iletken içerisindeki hareketleri sırasında çarptıkları atom ve moleküllere aktarırlar. Atom ve moleküllerin titreşim genliğinin artması ile devredeki iletken R direnci ısınır. Direnci büyük olan iletkenlerde, elektrik yüklerinin kazandığı kinetik enerjinin tamamına yakın kısmı ısı enerjisine dönüşür. Bir iletkenin birim zamanda harcadığı elektrik enerjisine o iletkenin gücü denir. 12.2 JUL KANUNUN GÜÇ İLE İLİŞKİSİ Güç P harfi ile gösterilir. Birimi Watt tır Bu ifadeye göre bir iletkenin gücü: dır. (W=P.t) bağlantısında Güç=watt (W), Zaman=saat(h) olarak alınırsa Enerji birimi de wattsaat (Wh) olur. Enerjiye ait 3 denklem ayrı ayrı yazılacak olursa P = V. I, P = I 2.R veya şeklinde üç ayrı güç ifadesi elde edilir. 1 Kw = 1 000 Watt, 1 Wh = 3 600 joule, 1 Kwh = 3,6.10 3 joule dür. Isı şeklinde kaybolan elektrik gücü, P = I 2. R Watt bağıntısı ile bulunur. Doğrusal bir direnç veya iletkenden geçen akım I, direnç değeri R alındığında t saniyede açığa çıkan ısı enerjisi Q = 0,24.1 2. R. t olarak hesaplanır. 155

Q = Isı enerjisi ( kalori), R = Direnç ( ohm ), I = Akım (Amper ), t = Zaman ( saniye ). Joule yasaları: a- Bir iletkende meydana gelen ısı, iletkenin direnci ile doğru orantılıdır. b-bir iletkende meydana gelen ısı, üzerinden geçen akımın karesi ile doğru orantılıdır. c- Bir iletkende meydana gelen ısı, akımın geçiş süresi ile doğru orantılıdır. 12.2.1 Isı etkisinden YararlanılarakYapılan Aygıtlar 12.2.1.1 Elektrikli şofbenler Sıcak su ihtiyacını karşılamak için kullanılan şofbenlerin dış kısımları genellikle emayeden yapılır. Depo içindeki suyun ısıtılması için elektrikli rezistanslar kullanılır. Rezistans devresine seri olarak bir termostat bağlanır. Termostat yardımı ile istenilen sıcaklıkta su elde edilir. İç depoları ısı izolatörü ile sarılmış olan bu aygıtlarda ısıtılan su, sıcaklığını uzun süre muhafaza eder. Elektrikli şofbenlerin basınçsız ve basınçlı tip olmak üzere iki ayrı modeli vardır. Şekil 12.2 de bu iki şofbene ait elektrik devresi görülmektedir. Şekil 12.2 - a da basınçsız tip şofben görülmektedir. Bu şofbenlerde elektrik akımı termostat ve ısıtıcı direnç üzerinden devresini tamamlar. Depo içindeki sıcaklık istenilen seviyeye geldiğinde, termostat kontağı açılarak konum değiştirir ve devreyi açar. Isı izolasyonu olmayan bu şofbenler diğer türlerine göre daha ekonomik ve daha küçük yapılıdır. Devre akımını istenilen sıcaklıkta kesmek için bu şofbenlerde termostat yerine sıcaklık sınırlayıcısı olarak isimlendirilen devre elemanı kullanılır. Şekil 12.2-a Basınçsız tip şofben devresi 156

Mutfak ve banyolarda istenilen sıcaklıkta su elde etmek için basınçsız tip şofbenler kullanılır. Bu aygıtlar da ısıtılan suyun sıcaklığını uzun süre koruyamazlar. Şekil 12.2-b 80 litrelik basınçlı tip şofben devresi Şekil 12.2-b de basınçlı tip şofben görülmektedir. Bu şofbenlerde güvenliği sağlamak için birden fazla sayıda sıcaklık sınırlayıcıları kullanılır. Bu sınırlayıcılar, ısıtıcı direncin yanına termostatla birlikte monte edilir. Sıcaklık sınırlayıcıları, depoda su bulunmadığı durumlarda çalışarak devreyi açarak ısıtıcının yanmasına engel olurlar. Ayrıca termostatın teklemesi durumunda da devreye girerek ısıtıcı akımını keserler. Basınçlı tiple çalışan çift devreli şofbenlerde ana ısıtıcının dışında fazladan bir yedek su ısıtma devresi bulunur. Ana ısıtıcı devrede termostat ile sıcaklık sınırlayıcıları sürekli olarak çalışırlar. Yedek ısıtma devresi ihtiyaç duyulduğunda devreye girerek sisteme katkıda bulunur. Şofbenlerin kapasitesi ( hacmi) arttıkça harcadığı güçte artar. Tablo 12.1 de 5-120 litre su hacmine sahip olan şofbenlerin harcadığı güç değerleri 400-6000 watt arasında değişmektedir. Tablo 12.1 de 30 litre kapasiteli 4000 watt gücündeki şofben suyun sıcaklığını 85 C ye kadar çıkarmak için 7 saat çalışmaktadır, ve 6000 watt gücünde ve aynı kapasitede başka bir şofben ise aynı suyu aynı sıcaklığa 30 dakikada çıkarmaktadır. 157

Şofben Hacmi (Litre) Şofben Gücü (Watt) 85 C ye kadar ısıtmak için yaklaşık zaman (dakika ) 5 2000 15 10 2000 30 15 4000 20 30 4000 420 30 4000 40 30 6000 30 80 1000 480 80 4000 120 80 6000 80 120 2000 360 120 4000 180 120 6000 120 Tablo 12.1 Elektrikli şofbenlerin hacim ve güç değerleri 12.2.1.2 Elektrik Ütüleri Ütüler, evlerde, konfeksiyon atölyelerinde ve imalathanelerde giyim veya diğer mefruşat ürünlerinin kırışıklıklarını düzeltmek ve düzgün şekil vermek için kullanılır. Uygulamada otomatik, basit ve buharlı ütü olmak üzere üç ayrı ütü çeşidi vardır. Otomatik ütüler Prensip olarak normal ütülerle aynı özelliğe sahip olan bu ütülerde, farklı olarak sıcaklık ayar düğmesi ile bir sinyal lambası bulunur. Otomatik ütülerde, ütülenecek nesnenin sıcaklık değeri ısı ayar düğmesi ile yapılır (Şekil 12.4). Şekil 12.4 Otomatik ütü 158

Şekilden de anlaşılacağı üzere ışık ayar düğmesinin bimetal kontakları rezistans devresine seri bağlıdır. Sinyal lambası otomatik ütünün çalışıp çalışmadığını gösterir. Ütü çalıştığı zaman sinyal lambası da yanar. Otomatik ütülerin güçleri genel olarak 700 watt olup 1000 watt gücünde üretilen çeşitleri de vardır. Otomatik ütülerde rezistanslar alt plakaya gömülü olarak imal edilirler. Kapalı olarak üretilen rezistanslar kolay oksitlenmezler. Bundan dolayı da ömürleri uzun olmaktadır. Rezistansta herhangi bir arıza meydana geldiğinde alt plakanın tamir edilme şansı yoktur. Arızalanan ünite aynı güç değerinde yeni bir alt plaka ile değiştirilmelidir. Basit Ütüler Ütü çeşitlerinin tamamında 110-220 volt ile çalışan ve ütü rezistansı olarak adlandırılan devre elemanı kullanılır. Yassı haldeki krom - nikel tel bir mika levhanın üzerine sarılıp, alt ve üst yüzeyi mika ile yalıtılır ve uygun yerlerinden perçinlenerek rezistans elde edilir. Ütü rezistansları 400 watt gücünde imal edilir. Şekil 12.3. de basit bir ütüye ait şekil görülmektedir. Ütünün üst kapağı presle saçtan yapılır. Buhardan etkilenmemesi için sacın üzeri kromla kaplanır. Ütünün daha iyi görev yapması, ağırlık kazanması ve rezistansın sıkıştırılması için döküm ağırlık kullanılır. Buharlı ütüler Şekil 12.3 Basit bir ütünün açınımı Otomatik ütülere bir su haznesi ilave edilerek buharlı ütüler geliştirilmiştir. Bu- 159

harlı ütülerin hazneleri 1/5 litre su alabilecek kapasitededir. Bu ütülerde kullanılan rezistanslar da alt plakaya gömülü tipte olup sabittir. Otomatik kullanılan bimetalli termostat, ütü sıcaklığını 60-230 C lik ısı kademelerde ayarlanmasını sağlar. Rezistansın bulunduğu alt plakanın üzerinde ikinci bir kap bulunur. Bu kabın içine su haznesinde bulunan sular damlalar halinde yavaş yavaş akar. Alt plaka değişik yerlerinden delinmiş olduğu için, akan su damlaları bu hazneden dışarı buhar olarak çıkar. Su kabından rezistans üzerine su damlatan deliği açıp kapatmak için buhar vanası kullanılır. Buhar vanasının hangi noktalarda açılacağı Resim 12.1 de görüldüğü gibi bu ütülerin ayar düğmelerinin üzerinde işaretlidir. Resim 12.1 Buharlı ütünün dış görünüşü 12.2.1.3 Elektrik Sobaları Evleri, işyerlerini ısıtmada kullanılan aygıtlardan birisi de elektrik sobasıdır. Piyasada değişik tipte elektrikli sobaları üretilmektedir. Elektrik sobaları prensip olarak, elektrik akımının geçmesi ile ısınan rezistans ve bu rezistansın ürettiği ısıyı yayan bir yansıtaçtan meydana gelir. Elektrik sobaları 220 voltluk gerilimde ve 1,2,3 Kw gibi çeşitli güç değerlerinde imal edilir. Elektrikli sobaların rezistansları 800 C civarında ısınarak meydana getirdikleri ısıyı konveksiyon, taşıma veya yansıtma yolu ile içinde bulundukları ortama yayarlar. Elektrikli sobalarda iki tür ısıtma vardır. Bunlardan birincisi konveksiyon ( taşıma ) la ısıtmadır. Bu ısıtma şeklinde elektrikli sobalar ısınan havayı oda içerisinde hareket ettirerek ortamın ısınmasını sağlar. İkinci bir ısıtma yöntemi ise Yansıtarak ısı yayılması dır. Bu yöntemde sıcaklık taşıyan ısı radyasyonları, sobanın arkasındaki içbükey madeni yansıtaçla odaya dağıtılır. Böylece ortamın ısınması sağlanır. Şekil 12.5 de bir elektrik sobasına ait elektrik bağlantı şeması görülmektedir. 160

Şekil 12.5 Elektrik sobasına ait elektrik bağlantı şeması 12.2.1.4 Ekmek Kızartma Makineleri Bu aygıtın görevi ekmek dilimlerini kızartmaktır. Günümüzde daha çok otomatik ekmek kızartma makineleri tercih edilmektedir. Ekmek kızartma makinelerinde gövde kısmı pirinç sacdan yapılır ve üzeri kromla kaplanır. Gövdenin tam ortasına sayıları değişen rezistanslar bağlanmıştır. Bu tip kızartıcılarda dilimlenen ekmek parçaları kızartıcının ortasındaki boşluğa yerleştirilir. Ekmek dilimleri termostat yardımı ile istenilen kızartma derecesine ayarlandıktan sonra bir kol yardımı ile kızartıcının iç haznesine indirilir. Rezistanslar ekmek dilimlerinin iki yüzeyini de kızartacak biçimde yerleştirilmiş olduğundan dilimler rezistanslarla istenilen sıcaklıkta kızartıldıktan sonra Resim 12.2 de görüldüğü gibi otomatik bir yay yardımı ile yukarı doğru itilir. 12.2.1.5 Elektrik Ocakları Resim 12.2 Ekmek kızartma makinası Elektrik enerjisinin ısı enerjisine dönüştüren aygıtlardan birisi de elektrik ocaklarıdır. Elektrik ocakları; Şekil 12.8 de görüldüğü gibi gövde, ateş tuğlası, rezistans, 161

tespit vidaları ve ütü fişinin takılacağı cihaz fişi gibi kısımlardan meydana gelir. Ateş tuğlalarının üzerine rezistans yerleştirmek için oluklar açılır. Daire şekline sahip olan bu tuğlaların üzerine rezistans yerleştirildikten sonra iki adet vida ile sobanın gövdesine tutturulur. Elektrik ocaklarında helezon yay şeklindeki krom - nikel teller rezistans olarak kullanılır. Elektrik ocakları 300,500,600,750,800,1000,1200 w gücünde yapılır. Elektrik rezistansları ateş tuğlasının üzerine gergin olarak yerleştirildikten sonra boncuk içerisinden geçirilir ve tespit vidasına ocağın içerisindeki tespit vidasına bağlanır Resim 12.3 Elektrik ocakları 12.3 PROBLEM ÇÖZÜMLERİ Örnek 1: Direnci 220 Ω olan bir ısıtıcıdan 1 saat boyunca 1 A şiddetinde bir akım geçirilmiştir. Isıtıcıdan elde edilen sıcaklığın miktarı nedir? Cevap: I = 1 A t = 1. 60. 60 = 3600 sn. Q =? Q= 0.24. I 2. R.t Q=0.24.1 2.220.3600=190080 Cal.=190 kcal. Örnek 2: 10 ohmluk dirençten geçen akım 5 amper dir. Bu dirençte 10 dakikada ısı şeklinde kaybolan enerji kaç kaloridir? hesaplayınız. 162

Çözüm: Q = 0,24.1 2. R. t (t = 10 dakika = 600 saniye ) Q = 0,24. 5 2. 10.600 Örnek 3: Q = 36 000 cal = 36 Kcal. Bir elektrik ocağı 2 kilogramlık suyu 20 C den başlayarak kaynatmak için ne kadar enerji sarf eder? ( Öz ısı katsayısı su için 4,19 olarak alınacaktır.) Çözüm: Q=m.c (t2-t1) Q = 2 000. 4,19 ( 100-20 ) Q = 2 000. 4,19. 80 Q = 670 400 joule (j) 1 Kwh = 3 600 000 joule e eşittir. ocağın sarf edeceği enerji miktarı 670 400 / 3 600 000 = 0,186 Kwh olur. 163

ÖZET Jul (Joule) Kanunu, bir iletkende üretilen (dönüştürülen) ısı miktarının nelere bağlı olduğunu ortaya koyar. Isı birimi olarak günümüzde genellikle kalori (Calori-Cal) kullanıldığı için jul, kalori ye dönüştürülür ve formül de aşağıdaki gibi kullanılır. Bir iletkenin birim zamanda harcadığı elektrik enerjisine o iletkenin gücü denir. Güç P harfi ile gösterilir. Birimi Watt tır Joule yasaları: a- Bir iletkende meydana gelen ısı, iletkenin direnci ile doğru orantılıdır. b- Bir iletkende meydana gelen ısı, üzerinden geçen akımın karesi ile doğru orantılıdır. c- Bir iletkende meydana gelen ısı, akımın geçiş süresi ile doğru orantılıdır. Elektrikli şofbenlerin basınçsız ve basınçlı tip olmak üzere iki ayrı modeli vardır. Mutfak ve banyolarda istenilen sıcaklıkta su elde etmek için basınçsız tip şofbenler kullanılır. Bu aygıtlar da ısıtılan suyun sıcaklığını uzun süre koruyamazlar. Ütüler, evlerde, konfeksiyon atölyelerinde ve imalathanelerde giyim veya diğer mefruşat ürünlerinin kırışıklıklarını düzeltmek ve düzgün şekil vermek için kullanılır. Uygulamada basit, otomatik ve buharlı ütü olmak üzere üç ayrı ütü çeşidi vardır. Otomatik ütüler Prensip olarak normal ütülerle aynı özelliğe sahip olan bu ütülerde, farklı olarak sıcaklık ayar düğmesi ile bir sinyal lambası bulunur. Basit Ütüler Ütü çeşitlerinin tamamında 110-220 volt ile çalışan ve ütü rezistansı olarak adlandırılan devre elemanı kullanılır. Buharlı ütüler Otomatik ütülere bir su haznesi ilave edilerek buharlı ütüler geliştirilmiştir. Buharlı ütülerin hazneleri 1/5 litre su alabilecek kapasitededir. Evleri, işyerlerini ısıtmada kullanılan aygıtlardan birisi de elektrik sobasıdır. Piyasada değişik tipte elektrikli sobaları üretilmektedir. Elektrik sobaları prensip olarak, elektrik akımının geçmesi ile ısınan rezistans ve bu rezistansın ürettiği ısıyı yayan bir yansıtaçtan meydana gelir. Elektrikli sobalarda iki tür ısıtma vardır. 164

Bunlardan birincisi konveksiyon ( taşıma ) la ısıtmadır. Bu ısıtma şeklinde elektrikli sobalar ısınan havayı oda içerisinde hareket ettirerek ortamın ısınmasını sağlar. İkinci bir ısıtma yöntemi ise Yansıtarak ısı yayılması dır. Bu yöntemde sıcaklık taşıyan ısı radyasyonları, sobanın arkasındaki içbükey madeni yansıtaçla odaya dağıtılır. Böylece ortamın ısınması sağlanır. Bu aygıtın görevi ekmek dilimlerini kızartmaktır. Günümüzde daha çok otomatik ekmek kızartma makineleri tercih edilmektedir. Bu aygıtın görevi ekmek dilimlerini kızartmaktır. Günümüzde daha çok otomatik ekmek kızartma makineleri tercih edilmektedir. 165

DEĞERLENDİRME SORULARI 1-İçinden akım geçen iletken iletkenle ısı ilişkilidir? A. İçinden akım geçen iletken ısınır. B. Isı ile akımın ilişkisi yoktur. C. Akım azalınca ısı artar. D. Isı ile akım ters orantılıdır. 2-1 kg. suyu 1C ısıtan ısı miktarına ne denir? A. 1 Kalori B. 1 Kilokalori C. Watt D. Volt 3-Isı etkisinden yararlanılarak yapılan uygulamalardan değildir? A. Elektrikli şofben B. Elektrikli ütü C. Elektrikli soba D. Elektrikli Mikser 4-Isı etkisi ile elektrik enerjisi arasındaki ilişkiyi bulmuştur? A. Faraday B. Lenz C. Joule D. Ohm 5-Elektrik ocağını oluşturan parçalardan değildir? A. Ampul B. Rezistans C. Fiş D. Gövde 166