Isı ve Sıcaklık 1
Isıl olayların da nicel anlatımını yapabilmek için, sıcaklık, ısı ve iç enerji kavramlarının dikkatlice tanımlanması gerekir. Bu bölüme, bu üç büyüklük ve termodinamik yasalarından "sıfırıncı kanun" olarak bilinen kanunun anlatımıile başlanacaktır. Sonra, üç tane çok genel sıcaklık ölçeği, Celsius, Fahrenheit ve Kelvin tartışılacaktır. Daha sonra, ısıl olaylarla ilgilenirken bir cismin bileşenlerinin niçin önemli olduğu ele alınacaktır. Örneğin, gazlar ısıtıldığında önemli ölçüde genleşir, halbuki sıvı ve katılar çok az genleşir. Eğer gaz ısıtılırken serbestçe genleşemezse basıncı artar. Bazı malzemeler, yapı ve bileşimlerine bağlı olarak ısıtıldıklarında eriyebilir, kaynayabilir, yanabilir veya patlayabilirler. Bu bölümde, ideal gazlar mikroskobik ölçekte incelenecektir. Burada basınç, hacim ve sıcaklık gibi kavramlar arasındakiilişkilerele alınacaktır. 2
Sıcaklık ve Termodinamiğin Sıfırıncı Kanunu Bir nesnenin sıcaklığı dediğimizde, ona dokunulduğunda hissedilen Sıcaklık ve Soğukluk derecesini belirtiriz. Böylece duyularımız sıcaklığın nitel bir göstergesi olur. Ancak, duyularımız fazla güvenilir değildir ve bizi sıkça yanıltır. Örneğin, aynı buzdolabından alınan metal bir buz kabı ile karton kutu aynı sıcaklıkta olmalarına rağmen metal kap daha soğuk hissedilir. Çünkü metal, ısıl olarak kartondan daha iyi bir iletkendir. O halde, cisimlerin bağıl sıcaklık ve soğukluğunu belirten güvenilir ve tekrarlanabilir bir yönteme ihtiyaç vardır. Bu yüzden böyle nitel ölçümleri yapacak değişik termometreler geliştirmişlerdir. Sıcaklıkları farklı iki cisim birbirleri ile temasta olacak şekilde yerleştirilirlerse, sıcaklıklarının bir süre sonra eşit olduğu herkesçe bilinir. Örneğin bir kepçe dondurma, oda sıcaklığındaki cam bir kaseye konulduğunda dondurma erir ve kasenin sıcaklığı azalır. Aynı şekilde, bir buz küpü sıcak bir kahve fincanına döküldüğünde erir ve kahvenin sıcaklığı azalır. 3
Sıcaklık ve Termodinamiğin Sıfırıncı Kanunu Sıcaklık kavramını anlayabilmek için, önce ısıl temas ve ısıl denge kavramlarının tanımlanması yararlı olur. Isıl temasın anlaşılması için, sadece birbiri ile etkileşen, fakat dünyanın geri kalan kısmı ile etkileşmeyen, yalıtılmış bir kap içinde bulunan iki cismin varlığını düşünelim. Sıcaklıkları farklı iki cisim aynı kabın içine konulursa, birbirleriyle temasta olmasalar bile aralarında bir enerji alış-verişi olur. Isı, farklı sıcaklıktaki iki cisim arasındaki enerji naklidir (transferidir). İki cismin birbiri arasında enerji alış-verişi olabiliyorsa, bunların ısıl (termal) temasta olduklarını varsayacağız. Isıl denge, birbiri ile ısıl temasta olan iki cismin, ısıl süreç yolu ile artık enerji değiş-tokuşunun olmaması durumudur. 4
A ve B gibi ısıl temasta olmayan iki cisim düşünelim. Üçüncü bir C cismi ise termometre olsun. A ve B'nin birbirleriyle ısıl dengede olup olmadığını belirtmek istiyoruz. C cismi önce A cismine dokundurulur ve ısıl dengeye ulaşılıncaya kadar temasta tutulur. O anda termometrenin gösterdiği değer sabit olur. Sonra termometre, B'ye dokundurulur ve ısıl denge ulaşınca değeri kaydedilir. Eğer termometre A ve B için aynı değeri gösterirse, A ve B birbirleriyle ısıl dengededir denir. 5
Termometre ve Celcius Ölçeği Termometreler, sıcaklıkları ölçmek ve tanımlamakta kullanılan aygıtlardır. Bütün termometrelerde, sistemin bazı fiziksel parametrelerinin sıcaklıkla değişmesi prensibi kullanılır. Bu fiziksel parametrelerden bazıları; Ø Sıvıların hacimlerinin değişmesi, Ø Bir katının uzunluğunun değişmesi, Ø Sabit hacimdeki bir gazın basıncının değişmesi, Ø Sabit basınçtaki bir gazın hacminin değişmesi, Ø Bir iletkenin elektrik direncinin değişmesi ve Ø Çok sıcak cisimlerin renklerinin değişmesidir. Sıcaklık eşelleri, verilen bir maddenin yukarıdaki fiziksel özelliklerden birinin değişmesiyle oluşturulur. 6
Termodinamik Termometre ve Celcius Ölçeği Termal genleşmenin bir sonucu olarak test tüpündeki suyun civayı ısıtmasıyla, termometredeki civa seviyesi yükselir. 7
Termometre ve Celcius Ölçeği Yaygın kullanılan başka bir sistem, atmosfer basıncında dengede olan su + su buharı karışımının sıcaklığıdır. Bu buhar noktasının sıcaklığı 100 C dir. Civa sütununun yüksekliği bu iki sabit nokta arasında 100 eşit parçaya bölünürse, her bir bölme bir Celsius derecelik sıcaklığı gösterir. (Bu sıcaklık eşelinde, suyun buz ve buhar noktaları arası 100'e bölündüğünden santigrat eşeli de denir). Bu metotla kalibre edilen termometreler, çok hassas okumalara cevap vermede zorlanır. Örneğin, bu şekilde kalibre edilen alkollü termometreler, civalı termometreler ile yalnızca kalibrasyon noktalarında uyum içindedir. Çünkü civa ve alkol farklı termal genleşme özelliklerine sahiptirler. Bu termometrelerden, örneğin birinin 50 C gösterdiği yerde diğeri biraz farklı değer gösterir. 8
Termometre ve Celcius Ölçeği Diğer bir problem de, herhangi bir termometrenin okuduğu sıcaklık aralığının sınırlı olmasıdır. Civalı termometre, örneğin civanın donma noktasının, -39 C altındaki sıcaklıklarda okuma yapamaz. Aslında, kullanılan maddelerden bağımsız, her sıcaklık bölgesi içinuygunbirtermometreye ihtiyaçvardır. Sabit Hacimli GazlıTermometreler Bir gazlı termometrede, sıcaklık değerleri, termometrede kullanılan gazdan hemen hemen bağımsızdır. Şekilde sabit-hacimligazlı termometre görülmektedir: 9
Sabit Hacimli GazlıTermometreler Üretimde, birgazlı termometrenin kalibrasyon işlemişu şekildedir: Cam tüp, buz kabına daldırılır ve B kabındaki civa, A kolonundaki sıvı, ölçek sıfırı gösterinceye kadar alçaltılıp yükseltilir. A ve B kapları içindeki civa seviyelerinin farkı olan h yüksekliği, 0 C'de cam tüpteki basıncı gösterir. Sonra cam tüp buhar noktasındaki suya daldırılır ve A'daki civa sütunu tekrar ölçekte sıfır noktasını gösterinceye kadar B hortumu ayarlanır. Bu durumda, gazın hacmi, tüpün buz içine daldırıldığındaki hacmi ile aynıdır. (Dolayısıyla, "sabit-hacim" adı buradan gelmektedir.) B kabının ayarlanması ile gazın 100 C'deki basıncı bulunur. 10
Mutlak Sıfır -273,15 C Sıcaklığı Mutlak Sıfır olarak bilinir. T c Celsius sıcaklığı, T mutlak sıcaklıktır. Suyun u çlu noktası, sıvı, gaz ve buz (katı su) hallerinin denge halinde bir arada bulundukları sıcaklık ve basıncın tek bir bileşimidir. Bu üçlü nokta, yaklaşık olarak 0,01 C sıcaklıkta ve 4,58 mm-civa basıncında oluşur. Kelvin Kelvin birimini kullanan yeni eşelde, u çu l noktadaki suyun sıcaklığı, yaklaşık 273,15 kelvin veya kısaca yaklaşık 273,15 K kabul edilmiştir. NOT: K birimi ile "o" derece işareti kullanılmaz. 11
Fahrenheit ABD'de kullanılan diğer bir sıcaklık eşeli de Fahrenheit ölçeğidir. Bu eşel, buz noktasının sıcaklığını 32 F, buhar noktasının sıcaklığını 212 o F alır. Fahrenheit sıcaklık ölçeği ile Celsius sıcaklık ölçeği arasındaki ilişki: 9/5 çarpanının fizikselanlamınedir? 12