ÜNİTE 7 Isı ve Kullanımı Bu üniteyi çalıştıktan sonra, Amaçlar ısının yayılma çeşitlerini ve yalıtımı, iletim, taşıma ve ışımayı, ısıtma ve soğutma sistemleri, atık ısı kavramlarını öğreneceksiniz. İçindekiler Giriş Isının Hareketi Yalıtım Soğutma Sistemleri Isıtma Sistemleri Atık Isı Özet Değerlendirme Soruları Öneriler Bu üniteyi çalışmadan önce, bundan önceki ünitedeki kavramları tekrarlayınız. Ünite sonundaki soruları yanıtlayınız. Bu üniteyi daha iyi kavramak için, her bölümle ilgili açıklama ve örnekleri dikkatle inceleyin.
1. GİRİŞ Bu ünitede, önceki ünitede öğrendiğiniz ısı kavramını günlük hayata uygulayarak kullanma sahalarını öğreneceksiniz. Isı bir enerji türüdür. Isıyı bir yerde muhafaza etmek çok zordur. Isı üç şekilde yayılabilir; iletim, taşınım ve ışıma (radyasyon). Isı kaybının önlenmesi için, ısıtılan tüm sistemler yalıtılmalıdır. Yalıtım sayesinde birçok ekonomik fayda sağlanabilir. 2. ISININ HAREKETİ Isı üç yolla hareket edebilir; iletim, taşınım ve ışıma. Metal bir kaşığı sıcak bir çorba içerisine bıraktığınızda kaşığın ısındığını farkedersiniz. Isı, kaşığın ucundan yukarıya doğru hareket eder. Isının yüksek sıcaklık bölgelerinden düşük sıcaklık bölgelerine hareket ettiğini hatırlayalım. Isı kaynağına yakın olan parçacıkların kinetik enerjisi daha büyüktür. Bunlar kaynaktan uzak olan parçacıklara nazaran çok hızlı hareket ederler. Enerjinin kaşıktan yukarı doğru hareketi kinetik enerji transferi ile mümkün olmaktadır. Parçacıklar birbirlerine çarptıkça kinetik enerji transfer edilmiş olur. Bu tarzdaki ısı hareketine iletim adı verilir. İletim olayında, enerji parçacıktan parçacığa hareket eder. Isı, katılar, sıvılar ve gazlar içerisinden iletilebilir. Sıvı ve gaz parçacıkları birbirlerinden uzakta olmalarından dolayı ısıyı bir katı kadar kolaylıkla iletemezler. Taşınım ise sıvılarda ve gazlarda ısının hareketidir. Sıvılar ve gazlar ısıtıldığında genleşirler. Bunların yoğunlukları azalır. Yoğunluğu azalan madde yükselir ve ısıyı taşıyan akım meydana getirirler. Örneğin, bir su kabı alttan bir alevle ısıtılsın. Kabın tabanındaki su ısınır ve yoğunluğu azalır. Daha az yoğun olan su yukarı doğru çıkar ve beraberinde ısı taşır. Rüzgarlar ve okyanus akımları, taşınım yoluyla ısı taşıyan gaz ve sıvı kümeleridir. Taşınım ve iletimde ısı transferi için parçacıkların hareketine ihtiyaç duyulur. Işıma (radyasyon) ise, parçacıkların hareketi olmaksızın meydana gelen bir ısı taşıma yöntemidir. Örneğin, yayılan enerji güneşten çıkmaktadır. Bu enerji uzaydan geçerek yeryüzüne ulaşır. Uzay bir boşluktur. Işıma enerjisi, elektromanyetik ışımadır. Işık lambaları, sıcak cisimler ve insanlar ışıma enerjisi yayarlar. Isı genellikle kızılötesi ışıma olarak yayılır. Sonuçta, gece karanlığında kızılötesi kamera ile fotoğraf çekmek mümkündür. Bu yolla uzaydaki uydulardan kızılötesi ışıma göndererek yeryüzünün ısıl fotoğrafı çekilebilir. Isı birden fazla yöntemle hareket eder. Örneğin, soğuk bir kış gününde ormanda içinde soba olan bir kulübedesiniz. Tek ısı kaynağınız bir sobadır. Sobada odun yanmaktadır. Soba- - 51 -
dan yayılan ışıma oda içindeki havayı ısıtır. Odadaki hava, taşınım akımları teşkil ederek oda içerisinde dolaşmaya başlar. 3. YALITIM Isı enerjisi, yüksek sıcaklık bölgelerinden düşük sıcaklık bölgelerine doğru taşınır. Bazen bu ısı akışını durdurmak veya kontrol altına almak isteyebiliriz. Isı hareketini yalıtım yoluyla kontrol edebiliriz. Yalıtım, ısının kolayca akışını fazlaca engelleyemez.? Sıcak bir günde pikniğe gidiyorsunuz. Beraberinizde götürdüğünüz buzun erimesini nasıl önleyeceksiniz? Buzu ısıtan tecrit etmeniz gerekir. Buzu ya bir buz kutusunda veyahut termos içinde muhafaza etmeniz gerekir. Buz kutusunun etrafı plastik köpükle kaplanmıştır. Köpüklü madde ısıyı kolay kolay geçirmez. Bu köpüklü madde içinde hava bulunduran kabarcıklardan yapılmıştır. Hava ısıyı pek iletmez. Bu kabarcıklar o kadar küçük boyutta yapılmıştır ki, taşınım akımları burada oluşamaz. Güneşten gelen ışımaya karşı bir yalıtım düşünmeliyiz. Güneş ışıma ısısından korumak için bu sistemin iç ve dışını parlak alüminyum levha ile kaplayabiliriz. Metalin parlayan yüzeyleri gelen ışıma enerjisini yansıtırlar. Tüm bu yalıtımlar buzun saatlerce erimeden durmasını sağlarlar. Bazı şeyleri sıcak tutmak için de yalıtım yapılır. Soğuk bir kış gününde termos içerisinde çay veya kahve gibi sıcak içecekler korunabilir. Evlerimizde yalıtım, enerji tasarrufu için yapılır. Yalıtım suretiyle evimizin çok sıcak veya çok soğuk olması önlenebilir. Evlerde yalıtım yapmanın bir yolu, duvarlar ve çatıda inşaat sırasında izocam gibi cam yünü kullanmaktadır. Bu cam yünü denilen madde, birbirine çok sıkı şekilde paketlenmiş olan cam yünü elyaflarından yapılmıştır. Elyaflar arasında hava boşlukları vardır. Ancak ne hava ne de cam ısıyı iyi iletemezler. Taşınım olayı için hava boşluğu çok küçüktür. Duvarların ve çatının yalıtılmasıyla bir evdeki ısı kaybı en aza indirgenebilir. Çatı ve duvarlara ilaveten, kapılar ve pencereler de yalıtılmalıdır. Bunları yalıtmanın bir yolu, yalıtkan şeritler kullanmaktır. Bu yalıtkan şeritler dış hava ile taşınım yapabilecek hava akımını keserler. Ayrıca, pencerelerde çift cam kullanmak ve ısıcam adı verilen özel camlar kullanmak çok yerinde olacaktır. - 52 -
4. SOĞUTMA SİSTEMLERİ Buz, soğuk içeceklerde, piknik termosu ve kutularda kullanılır. Buz aynı zamanda yiyeceklerin korunmasında da kullanılır. Buzun erirken ısı soğurması sebebiyle etrafını soğutması doğaldır. Buz erirken, bir gramı 334 jul'lük bir enerji soğurur. Bu değer buzun gizil erime ısısı olarak ta bilinir. Buharlaşma süreci, bir soğutma sistemi olarak kullanılabilir. Buharlaşma esnasında bir sıvı, ısı soğurur (yutar). Sıvıdaki parçacıkların ortalama kinetik enerjisi artar. Sıvı yüzeyinde, bazı parçacıklar kaçmak için yeterli kinetik enerjiye sahiptirler. Sıvıdan ayrılırken, parçacıklar etrafından ısı alarak giderler. Böylece etraf soğutulmuş olur. Soğutucular, dondurucular ve klimalar buharlaşma esasına göre çalışırlar. Çoğu soğutucular, soğutma sistemlerinde freon kullanırlar. Bir gramlık freon bileşiği (CCl 2 F 2 ), buharlaşmak için 167 jul'lük enerji soğurmak zorundadır. Bir soğutucuda, freon depodan yüksek bir basınçla çıkar. Borulardan geçerken freon gazının basıncı düşer. Bu düşük basınçta freon, borular içerisinde buharlaşabilir. Freon buharlaşırken etrafından ısı soğurur. Sonuçta etrafı soğuyacaktır. Freon gazı buharlaşırken kazandığı ısıyı kaybedebileceği bir yere doğru pompalanmış olur. Freon sıvıya dönüşür. Bundan sonra yine depoya geri pompalanır. Bir soğutucudaki otomatik defrost (karlanmayı önlemek) ünitesi buharlaşmayı kullanarak çalışır. Bu sistemde, kompresörden çıkan sıcak gaz, buzlanmayı eritmekte kullanılır. Eriyen buzlanma suları kompresöre yakın bir yere toplanıp taşınır. Kompresörden alınan ısı, suyu buharlaştırır. 5. ISITMA SİSTEMLERİ Evleri ve konutları ısıtmak için birkaç sayıda sistem mevcuttur. Bunlardan birisi bir sıcak su sistemi (kalorifer) dir. Bu sistemde bir fırın, bir kazan ve radyatör vardır. Kazan ve fırın genelde bodrum katta bulunur. Fırında, kömür, fuel-oil veya doğal gaz yakılarak kazanda bulunan su ısıtılır. Su yaklaşık olarak 82 C ye kadar ısıtılır. Taşınım yoluyla sıcak su odalarda bulunan radyatörlere taşınır. Radyatörlere gelen sıcak su, radyatör peteklerini ısıtır. Isınan hava oda içerisinde bir taşınım akımı teşkil ederek dolaşır. Radyatörde soğuyan su, tekrar kazana döner, sıcak su, soğuk su ile yer değiştirir. Kazandan radyatörlere suyun dolaşımı defalarca tekrarlanır. - 53 -
Bazı sistemlerde, bir pompa vasıtasıyla borulardaki su cebri olarak dolaştırılır. Sıcak sulu ısıtma sistemlerinde fırından alınan ısı, odadaki havaya transfer edilmiş olur. Buharlı ısıtma sistemi, bir sıcak sulu ısıtma sisteminin geliştirilmiş halidir. Bir buharlı ısıtma sisteminde, su basınç altında kaynayana dek ısıtılır. Sıcak su yerine, sistemde sıcak buhar dolaştırılır. Yoğuşan buhar tekrardan kazana geri döner. Bir gram buhar suya yoğuştuğunda, 2260 jul'luk ısı enerjisi açığa çıkar. Suyun yoğuşma ısısı gram başına 2260 jul'dür. Bu değer aynı zamanda buharlaşma ısısına eşittir. Şayet 10 gram buhar yoğunlaşırsa, 22600 jul'lük bir ısı açığa çıkar. Buhar radyatörleri, sıcak su radyatörlerine nazaran daha fazla enerji açığa çıkarırlar. Buharla aynı ısıyı verecek olan sıcak su miktarı 50 kez daha fazladır. Diğer bazı ısıtma sistemleri güneş enerjisini kullanırlar. Güneşli ısıtma sisteminde geniş siyah metal levhalar vardır. Gün ışığı levhaları ısıtır. Levha üzerindeki cam veya plastik örtü havaya ısı kaybını önler. Levhaların üzerinde su taşıyan borular yerleştirilmiştir. Sıcak levhalar, boru içindeki suyu ısıtırlar. Bir pompa vasıtasıyla ısınan su evin veya diğer kullanma yerlerine taşınmış olur. Bunun yanında güneş enerjisiyle çalışan ve buhar elde eden sistemler de vardır. Bu yolla elde edilen buhar yine radyatörlerde dolaştırılır ve ısı taşınım yoluyla ısıtma bölgesinde kullanılmış olur. Ayrıca, jeotermal kaynaklarından doğal olarak alınan sıcak su yine buharlaştırılarak konutlarda, seralarda ve diğer ihtiyaç duyulan yerlerde kullanılabilir. Güneş enerjisi temiz bir enerji kaynağıdır. Çevreyi kirletmez. Ayrıca 5-10 yıl içerisinde kendisini amortize eder. Yani, yakıttan sağlanan tasarruf ile yapılan masraflar karşılanmış olur. 6. ATIK ISI Makinalar, fırınlar, elektrik lambaları ve sobalar ısı yayarlar. Kullandığımız enerjinin çoğuışık, elektrik, kimyasal enerji, mekanik enerji- sonuçta ısıya dönüşür. Hergün kullandığımız enerjiden arta kalan ısıdır. Bu ısının çoğu kaybedilir. Isı önce atmosfere oradan da uzaya gider. Havadaki atık ısı, bazı şehirlerdeki havayı değiştirmiştir. Bu şehirlerde eskisine göre daha az yağmur ve kar yağar. Ayrıca, çevredeki yerler kışın kadar soğuk olmazlar. Elektrik enerji santralleri su kullanarak önce onu buhara sonra elektriğe döndürürler. Çoğu endüstriyel kuruluşlar da makinaları soğutmak üzere su kullanırlar. Fabrikalardan çıkan sıcak su en yakında bulunan bir akarsuya, göle veya denize boşaltılır. Her yıl 200 trilyon lit- - 54 -
reden fazla ılık su elektrik santrallerinden dışarı atılır. Ilık su, bitki büyümesini arttırabilir. Su, yetişen yeşil deniz yosunlarına karışır. Atık su denizi ısıtıp balıkların ölmesine yol açabilir. Balıkların çoğu sıcak dereceli sularda canlı kalamaz. Tuna balığı, örneğin 28 C de sadece 30 dakika ve 25 C de ise yalnız 12 saat canlı kalabilir. Isıl kirlenme sıcaklık artışı ile çevrenin atık su ile kirlenmesi olayıdır. Atık suyun; deniz, göl ve nehirlere boşaltılması ısıl kirlenme sebebidir. Soğutma kuleleri ısıl su kirlenmesine bir çözüm olabilir. Bir fabrikadan çıkan sıcak su, soğutma kulesinden geçerken hava ile soğutularak ısısını kaybeder. Suyun hava ile soğutulmasından sonra, en yakındaki bir su kaynağına boşaltılır. Suyun sıcaklığı giderildiği için çevredeki suyun canlı varlıklara bir zararı olmayacaktır. Suyun ısıl kirlenmesi artık sözkonusu değildir. Aşırı ısı havaya terkedilmiştir. Isı atılmayıp faydalı olarak nasıl kullanılır? Atık ısınının kullanım alanlarından birisi deniz suyunun arıtılmasıdır. Tuzlu deniz suyu ısıtılıp, buharlaştırılır. Buharlaştırılmış suyun içerisinde tuz yoktur. Bu su buharı önce soğutulup, daha sonra saf su elde etmek üzere yoğuşturulur. Bu su içme, yıkama ve sulama amacıyla kullanılabilir. Isının bir kısmı da binaları ısıtmakta kullanılabilir. Başka bir kullanım alanı da seralardır. Özet Isı üç yolla taşınabilir; ışıma, iletim ve taşınım. Yalıtım yoluyla ısınının hareketi kontrol altına alınabilir. Buharlaştırma bir soğutma işlemi olarak kullanılabilir. Isıtma sistemleri, yukarıda bahsedilen üç yöntemi kullanarak ısıtma sağlayabilirler. Isıl kirlenme, atık suyun çevre sıcaklığını artırması ile meydana gelir. Değerlendirme Soruları 1. Kazgın bir fırına sokulan demir çubuk hangi yolla ısınır? A) taşınım B) ışıma C) iletim D) atık su E) hepsi birden - 55 -
2. Ateşte pişen bir yemek tenceresi içinde ısı hangi yolla yayılır? A) iletim B) taşınım C) ışıma D) atık su E) hepsi birden 3. Buharlaşma olayı sonunda bir sistemde ne yapılabilir? A) ışıma B) taşınma C) ısıtma D) soğutma E) iletim 4. Yalıtım vasıtasıyla ısı ne yapılabilir? A) soğutma B) ışıma C) iletim D) taşıma E) kontrol 5. Atık su aşağıdaki işlerden hangisini yapamaz? A) yalıtım B) deniz suyu arıtımı C) sera ısıtılması D) bina ısıtılması E) ısıl kirlilik 6. Kullandığmız tüm enerji sonunda aşağıdakilerden hangisine dönüşür? A) yalıtım B) buharlaşma C) ısı D) elektrik E) atık su 7. Soğutucularda kullanılan en yaygın gaz aşağıdakilerden hangisidir? A) hava B) freon C) karbondioksit D) metan E) hidrojensülfür - 56 -
8. Aşağıdakilerden hangisi iyi bir iletkendir? A) camyünü B) köpüklü madde C) bakır D) su E) hava 9. Evinizde kullandığınız yalıtıma ait aşağıdakilerden hangisi bir örnek olamaz? A) duvarlar B) pencereler C) çatı D) soğutucu E) radyatörler 10. Buharlaşma olayının mekanizması nasıl meydana gelir? A) Isınan su parçacıkları yüzeyden ısı alamazlar. B) Isınan su parçacıkları yüzeyden ısı koparırlar. C) Isınan su parçacıkları tabandan ısı alamazlar. D) Isınan su parçacıkları tabandan ısı alabilirler. E) Su parçacıklarının kinetik enerjileri değişmez. - 57 -