12. Sınıf FİZİK Cemil AYAN M.E.B Talim ve Terbiye Kurulu'nun 11.10.2007 gün ve 168 sayılı kararı ile kabul edilen 12. sınıf Fizik dersi öğretim programına uygun hazırlanmıştır. Redaksiyon Emre GÜNDEM Kemal KAYMAN Kezban ŞAHİN Gündüz KARATAŞ Zafer VARHAN Şerif ÖZER Hakan ÜLKER Serpil TEMÜRTÜRKAN Fatma ÇETİN PALME YAYINCILIK Ankara 2012 i
PALME YAYINLARI: 634 Sınıf / Cemil AYAN Yayın Editörü : Cemil AYAN Yayına Hazırlama : PALME Dizgi Grafik Tasarım Birimi Yayıncı Sertifika No : 14142 Palme Yayıncılık 2012 ISBN : 978 605 4414 89 5 : : : Bu kitap 5846 sayılı yasanın hükümlerine göre kısmen ya da tamamen basılamaz, dolaylı dahi olsa kullanılamaz, teksir, fotokopi ya da başka bir teknikle çoğaltılamaz. Her hakkı saklıdır, PALME YAYINCILIK a aittir. GENEL DAĞITIM YAZIT Yayın-Dağıtım Sağlık Sokak 17/30 Sıhhiye-ANKARA Tel 0312-433 63 85-433 56 65 Faks 0312-433 73 17 ii
"Denebilir ki, hiçbir şeye muhtaç değiliz. Yalnız bir tek şeye ihtiyacımız var: Çalışkan olmak!" "Türkiye'nin çocukları, Batı'nın teknolojisinin haraç güzarı olarak değil, kendi icat ettikleri tekniklerle değerlerimizi yeryüzüne çıkarmalı dünyaya duyurmalıdır" "Küçük hanımlar, küçük beyler! Sizler hepiniz geleceğin bir gülü, yıldızı, ikbal nurusunuz. Yurdu asıl nura gark edecek sizsiniz. Kendinizin ne kadar mühim ve kıymetli olduğunuzu düşünerek ona göre çalışınız. Sizlerden çok şey bekliyoruz." Mustafa Kemal Atatürk iii
EDİTÖR Editör'den, Son yıllarda ilk ve ortaöğretimde uygulanmaya başlanan öğretim programlarının ana felsefesi, yaşam temelli yaklaşımı esas almasıdır. Bu yaklaşımla, soyut gibi algılanan birçok fen kavramı gerçek yaşamla ilişkilendirilmiş, somut hale getirilmiştir. Bu yaklaşım okullarımızdaki öğretim sürecine tam olarak yerleştirildiği ve uygulandığı zaman öğrencilerimizin derslere olan ilgi ve motivasyonları ciddi bir biçimde artacaktır. Tüm bu gelişmelerin sonucu olarak bilişim toplumunun gerektirdiği becerilere sahip, objektif ve analitik düşünebilen, yaratıcı bir kafa gücüne sahip kuşaklar yetişecektir. Böyle yetişen genç insanlar, ezberden uzak kalacak, sağlıklı iletişim kurabilme yetileri gelişecek; kendini iyi tanıyan, çevresiyle barışık bireyler olacaktır. Palme yayıncılığın hazırladığı bu kitap serisinin içeriği yukarıda belirtilen bakış açısı çerçevesinde oluşturulmuştur. Ayrıca bu kitaplar değişen yeni sınav sistemine (YGS LYS) uygun bir niteliğe sahiptir. Üniversite sınavlarında sorulacak soruların kapsamı ve ağırlık düzeyine uygun bir konu akışı sağlanmıştır. Bu kitapların hazırlanmasında büyük bir özveriyle bana destek veren Palme Yayıncılık'ın genel müdürü sayın İlhan Budak'a teşekkür ederim. Ayrıca bu kitap serisinin tüm dizgi ve grafik çalışmalarını yapan ve yöneten İlhan Akçay ve ekibine minnettarım. Palme Yayıncılık'tan çıkan bu kitap serisinin tüm öğrencilere yararlı olması ve onların gelişimine bir katkı sağlaması dileğiyle... Cemil AYAN Ağustos 2012 Ankara iv
ÖNSÖZ Sevgili Öğrenciler, Palme Yayıncılık'ın hazırladığı bu kitap, 12. sınıflara yönelik olarak Milli Eğitim Bakanlığı'nın müfredatına uygun hazırlanmıştır. 12. sınıf Fizik kitabı da yayınevimizin diğer seri kitapları gibi büyük bir titizlikle hazırlanmış, deneyimli ve uzman bir kadro tarafından gözden geçirilmiştir. Bu kitap nasıl hazırlandı, kitapta neler var? Konular günlük yaşamla ilişkilendirilerek anlatıldı, üç boyutlu fotoğraflarla desteklenerek somutlaştırıldı, böylece kolay anlaşılır hale getirildi. Çok sayıdaki örnekli alıştırmalar konuyu kavratmak ve özümsemenize yardımcı olmak amacıyla düzenlendi. Kavramsal sorular, boşluk doldurmalar, doğru yanlış gibi etkinlikler bilginizi soruya uyarlama yeteneğinizi geliştirecek bir bölüm olarak konuların sonuna eklendi. Klasik problemlerse yazarak düşünme, soru çözme ve ayrıntıları görme titizliği oluşturmak ve yazılı sınavlarınızda size destek olmak amacıyla kitabımızda yer aldı. Her konunun sonunda yer alan çoktan seçmeli sorular hazırlanırken hem her türlü zorluk derecesine uygun olması hem de YGS LYS'ye hazırlık çerçevesi yaratması titizlikle önemsendi. Sevgili Öğrenciler, Bu kitap sizlerin okul derslerinize doğrudan yardımcı olacağı gibi, yaklaştığınız YGS LYS'ye de sağlam bir altyapı oluşturacaktır. Kitaptan yüksek bir verim alacağınızı ve çok başarılı olacağınızı umuyor, hepinize sağlıklı ve başarılı bir gelecek temenni ediyorum. Esenlikler Cemil AYAN Ağustos 2012 Ankara v
Ç NDEK LER Sayfa No ÜNİTE 1 MADDE VE ÖZELLİKLERİ TERMODİNAMİK...............................................9 HAL DEĞİŞİMİ................................................15 ÜNİTE 2 KUVVET VE HAREKET BASİT HARMONİK HAREKET...................................35 ÜNİTE 3 ELEKTRİK VE ELEKTRONİK DOĞRU AKIM VE DEĞİŞKEN AKIM...............................57 ALTERNATİF AKIM............................................58 SIĞAÇLAR (KONDANSATÖRLER)................................61 TRANSFORMATÖRLER........................................76 ÜNİTE 4 DALGALAR IŞIĞIN YANSIMASI VE AYNALAR................................102 IŞIĞIN KIRILMASI............................................135 MERCEKLER................................................159 ELEKTROMANYETİK DALGALAR...............................193 vi
Sayfa No ÜNİTE 5 MODERN FİZİK X IŞINLARI..................................................224 MADDENİN YAPISI............................................225 ÇEKİRDEĞİN YAPISI..........................................227 RADYOAKTİFLİK.............................................232 NÜKLEER ENERJİ............................................239 ÜNİTE 6 ATOMLARDAN KUARKLARA ATOM ALTI TEMEL PARÇACIKLAR..............................249 ÜNİTE 7 FİZİĞİN DOĞASI FİZİĞİN DOĞASI.............................................260 vii
1 MADDE VE ÖZELLİKLERİ Sayfa No TERMODİNAMİK........................................................... 9 Isının Mekanik Eşdeğeri............................................ 9 Isıl Enerji Aktarma Yöntemleri....................................... 10 Isı Alışverişi ve Hal Değişimi........................................ 15 Hal Değişimine Basıncın Etkisi...................................... 16 Süblimleşme ve Faz Diyagramı...................................... 19 Problemler....................................................... 25 Çoktan Seçmeli Sorular............................................ 29
Mekanik enerjiyi ısıl enerjiye dönüştürerek ateş yakılabilir. TERMODİNAMİK 19. yüzyılın ortalarına kadar fiziğin termodinamik ile mekanik bölümlerinin birbirlerinden farklı konuları içerdiğine inanılıyordu. Yani genel anlamda enerjinin korunumu sadece mekanik enerji ile sınırlı olduğu düşünülüyordu. 1850ʼli yıllarda İngiliz James Joule ve bazı bilim insanları yaptıkları deneylerde ilk defa mekanik enerjinin ısıl enerjiye dönüşebileceğini kanıtlamışlardır. Bugün ısıl enerjinin de mekanik enerjiye dönüştüğü çok iyi bilinmektedir. Böylece enerjinin korunumu doğanın evrensel bir yasası olarak karşımıza çıkar. Enerjinin bu şekilde korunum yasası termodinamiğin birinci yasası olarak bilinir. Termodinamiğin ikinci yasası enerjinin miktarının yanında niteliğinin de dikkate alınması gerektiğini ortaya koyar ve doğadaki değişimlerin enerjinin niteliğini azaltan yönde gerçekleştiğini belirtir. Örneğin masaya bırakılan bir fincan kahve zamanla soğur, fakat hiçbir zaman kendiliğinden ısınmaz. Termodinamiğin sıfırıncı yasası, iki ayrı cismin bir üçüncü cisimle ısıl dengede olmaları durumunda, kendi aralarında da ısıl dengede olacaklarını belirtir. Sıfırıncı yasa ilk olarak 1931 yılında R.H.Fowler tarafından ortaya konmuştur. Sıfırıncı yasanın temel bir fizik ilkesi olarak değeri, birinci ve ikinci yasaların ortaya konmasından yarım yüzyıl sonra anlaşılabilmiştir. Birinci ve ikinci yasalardan önce gelmesi gerektiği için adı, sıfırıncı yasa olarak konmuştur. ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Termodinamik Bir çekiç ile sert bir zeminde bir kurşun parçası dövülürse kurşun parçasının sıcaklığının arttığını hepimiz biliriz. Çekicin kinetik enerjisi ne olmaktadır? sorusunun cevabı çok açıktır: Bu kinetik enerji kurşun parçasında iç enerjiye dönüşmektedir. Görülen bu mekanik enerji ile ısıl enerji arasındaki ilişkiyi ilk kez Benjamin Thompson (1753 1814) fark etmiştir. Thompson, bir top namlusunun delinmesi esnasında delme makinalarının çalışma sürecinde namlunun ısındığını gözledi. Buradan mekanik enerjinin ısıl enerjiye dönüşebileceği anlaşılmıştır. Ancak mekanik enerji ile ısıl enerjinin eşdeğerliliğini ilk kez James Joule ortaya atmıştır. Yukardaki açıklamalardan da anlaşıldığı gibi termodinamik; çekiçle dövülen kurşun parçasının sıcaklığının artışı, buzdolabının içindekileri nasıl soğuttuğu, otomobil motorunun içinde hangi tip enerji dönüşümlerinin olduğu, yere doğru düşüp yerde duran cismin kinetik enerjisinin ne olduğu gibi benzer olaylarla ilgilenir. 9
ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Termodinamik Yıldız kayması olarak adlandırılan meteorlar, kinetik enerjinin ısıl enerjiye dönüşümüne çarpıcı bir örnektir. Isının Mekanik Eşdeğeri Isının mekanik eşdeğeri hesabı için, James Joule tarafından yapılan ünlü deney düzeneği yanda gösterilmiştir. Bu sistemde, Isı yalıtımı olan kabın içine bir miktar su konur. Kabın içindeki kanatlar dönerek su üzerinde bir iş yapılır. Bu işlemde ağırlıklar, aşağı doğru sabit hızla düşürülür. Kanatlar dönerken su ile kanatlar arasındaki sürtünmeden dolayı su ısınır. Dış sistemdeki sürtünmelerden dolayı enerji kaybı önemsiz sayılırsa, ağırlıkların potansiyel enerjilerindeki azalma miktarları dönen kanatların su üzerinde yaptığı işe eşittir. Yandaki düzenekte m görülen iki adet mg ağırlığındaki cismin h kadar düşmesi sonucu azalan 2mgh mekanik enerji değeri suyun Δt sıcaklık artışı ile orantılı olduğu ortaya çıkar. Yapılan duyarlı deneyler sonucunda suyun sıcaklığı 14,5 Cʼden 15,5 Cʼye çıkarıldığında oluşan orantı sabiti 4,186J/g C olmaktadır. Bu sayısal nicelik ısının mekanik eşdeğeri olarak bilinir. SΙ birim sisteminde iş birimi joule ile ısı birimi olan kalori arasında ilişkisi vardır. Aldığı kilolara karşı çok duyarlı olan bir öğrenci, bir yemek ziyafetinde 2000 besin kalorisi içeren yemek yemiştir. Aldığı bu enerjiyi 42 kg kütlesindeki halteri her seferinde 2m yükseğe kaldırarak harcamak istiyor. Buna göre, a) Halteri kaç kez kaldırmalıdır? b) Her kaldırış 3,6 saniye sürdüğüne göre bu iş için kaç saat gereklidir? (Halteri indirirken harcanan enerji önemsiz sayılacaktır; g = 10 m/s 2 ; 1 cal = 4,2 J; 1 besin kalorisi = 1000 kalori) 1 cal = 4,1855 J Isıl yalıtkan a) Önce 2.10 6 kalorinin kaç joule yaptığını bulalım. 1 cal = 4,2 joule yaparsa 2.10 6 kalori 8,4.10 6 J yapar. n kez kaldırma işlemindeki mekanik enerji, yukarıdaki değere eşitlenir. nmgh = 8,4.10 6 n.42.10.2 = 8,4.10 6 n = 1.10 4 kez kaldırmalıdır. b) 1 saat 3600 sʼdir. Toplam geçen zaman, 3,6.10 4 s olur. Buna göre bu süreyi saat değerine çevirirsek 10 saat bulunur. Not: Kilo vermek için önerimiz; perhiz yapmasıdır. m ISIL ENERJİ AKTARMA YÖNTEMLERİ 1) İletim Yöntemi İle Isıl Enerji Akatrımı Bir ucundan tuttuğunuz metal bir çubuğu ateşe soktuğunuzda bir süre sonra metalin, tuttuğunuz uç kısmının sıcaklığının arttığını hissedersiniz. Burada ısı, iletim yoluyla elinize ulaşmıştır. Madde içindeki ardışık moleküllerin, sıcaklık farkından dolayı ısı enerjisini birbirlerine aktarma olayına ısının iletim yöntemi ile yayılması denir. Konutlarda ısı yalıtımı, ısı kaybını azaltır. Şimdi ısı iletim yöntemi ile ısıl enerji aktarımının nasıl gerçekleştiğini öğrenelim: Ateş, metal çubuğu ısıtırken metalin ateşe yakın olan atom ve elektronları gittikçe büyüyen genlikte titreşmeye başlar. Bu titreşimler zincirleme olarak ardışık moleküller tarafından enerjilerinin bir kısmını birbirlerine aktarırlar. Büyük genlikle titreşim hareketi, elin tuttuğu uca kadar gelir. Bu artan titreşimin etkisi metalin sıcaklığının artışı olarak hissedilir. 10
25 Cʼde metaller Metal olmayan katılar 20 Cʼde gazlar Madde Is l letim Katsay s (k) watt = ^metreh^kelvinh Gümüş 427 Bakır 397 Altın 314 Alüminyum 238 Buz 2 Cam 0,8 Su 0,6 Lastik 2 Odun 0,08 Suni köpük 0,0 Hidrojen 0,170 Helyum 0,130 Hava 0,023 W mk Bazı maddelerin ısıl iletkenlik katsayıları Isıl enerji iletim hızı, ısıtılan maddenin özelliklerine bağlıdır. Örneğin bir odun parçasının bir ucu yanabilir ve bu sırada öteki ucu yanan uca göre daha soğuktur. Bunun yanında, metal çubuk veya metal kaşık ısıyı odun parçasına göre bir ucundan öteki ucuna daha hızlı ilettiği çok izlediğimiz bir olaydır. Burada, iletim hızındaki bu farklılığın tamamen maddelerin atomik yapılarındaki farklılıktan ileri geldiğini söyleyebiliriz. Metallerdeki bu iletim hızının büyük olması, metallerdeki serbest elektronların çok fazla olmasından kaynaklanmaktadır. Serbest elektronlar ısıyı iletmede son derece etkilidir. Isı iletim hızını nicel olarak hesaplamak için aşağıda gösterilen bir blok üzerinde yapılan deneyin sonuçlarını bağıntı olarak ifade edelim. k : Isı iletim katsayısı T 1 : Bloğun bir yan yüzündeki sıcaklık T 2 : Bloğun diğer yan yüzündeki sıcaklık Δx : Blokun kalınlığı A Q Δt : Yan yüzeyin yüzölçümü : Isı iletim hızı Yukarıdaki ısı iletim hızı bağıntısı bloğun bir yüzünden diğer yüzüne birim zamanda geçen ısı enerjisi miktarıdır. Yukarda görülen bloğun yüzleri arasında sıcaklık farkı vardır. Yani T 1 > T 2 olduğundan ısı, yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru akar. Isı iletim hızının birimi, güç birimi ile aynıdır. Saniyede geçen ısı miktarı joule ise, joule saniye şeklinde yazılır. Bağıntıdaki k katsayısı ısı iletim katsayısıdır. Bloğun yapıldığı maddenin türüne bağlıdır. Yaşamımızda kullanılan malzemelerin ısı iletkenliği bu katsayı ile karşılaştırılır. Isı iletim katsayıları büyükse iyi bir ısıl iletken, ısı iletim katsayıları küçükse iyi bir ısıl yalıtkan olduklarını söyleriz. Değişik maddelerin bazılarının ısı iletim katsayıları yandaki çizelgede verilmiştir. Bu çizelge dikkatli incelenirse genellikle metal maddelerin ısıl iletkenliklerinin yüksek olduğu görülür. Sıvı ve gaz halindeki maddeler, moleküller arası uzaklıkların büyük olmasından dolayı kötü ısıl iletken ya da iyi ısıl yalıtkan olarak nitelendirilirler. İletim yöntemi ile ısıl enerji aktarımından çıkan önemli bazı sonuçlar şunlardır: 1. İletim yöntemi ile ısı aktarımına en uygun maddeler genellikle katı maddelerdir. Sıvı ve gazlarda bu yöntem ile ısı iletimi oldukça zayıftır. 2. Isı iletim hızı: = watt & s J = W a) Maddenin türüne bağlıdır. Δ b) Sıcaklık farkı olan ΔT ile doğru orantılıdır. c) Yüzey alanı olan A ile doğru orantılıdır. d) Kalınlık olan Δx ile ters orantılıdır. Q A. ΔT =-k Δt Δx ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Termodinamik 11
ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Termodinamik Madde Bir pencere camının kalınlığı 8mm, yüzölçümü ise 1m 2 dir. Pencerenin dış yüzündeki sıcaklık 10 C, iç yüzündeki sıcaklık ise 30 dir. Camda meydana gelen ısı kayıp hızı kaç wattʼdır? (k = 0,8 W/mK) J/kg C Özgül ısı cal/g C Su 4186 1,0 Buz ( 5 C) 2090 0,50 Buhar (100 C) 2010 0,48 Odun 1700 0,41 Cıva 140 0,033 Cam 837 0,20 Demir 448 0,10 Bakır 387 0,09 Altın 129 0,03 Alüminyum 900 0,21 2. Konveksiyon Yöntemi İle Isıl Enerji Aktarımı su (a) Boya A : 1 m 2 Δx : 8.10 3 m T: 1 273-10= 263K 4 ΔT = 40K T 2 : 273 + 30 = 303 K Isı iletim hızı : bulunur. Q AΔT = k Δt Δx Q 1.40 = 0,8 $ Δt 8.10-3 Q = 4000W Δt Ak fl yönü Ak fl yönü Konveksiyon ile ısıl enerji aktarımını anlatmak için basit bir deney düzeneği yukarda verilmiştir. Sıcaklığı her yerinde aynı olan su dolu cam kabın üstü açık ağzından içeri renkli bir sıvı döküldüğünde renkli sıvı hemen hemen hareketsiz kalır. Şekil (b)ʼde görüldüğü gibi cam kap K ucundan ısıtıldığında su renkli sıvı ile birlikte düşük sıcaklığa doğru hareket etmeye başlar. (b) su K Is kayna Ak fl yönü Bu hareketin nedeni oldukça basittir. Sıcaklığı artan sıvı bölgesi, yoğunluğu azaldığından yukarı yükselir. Daha önce bulunduğu yeri ise yoğunluğu büyük sıvı doldurur. Böylece sıvı hareket ederek ısı enerjisi, bir yerden başka bir yere taşınmış olur. Bu olaya konveksiyon ile ısı transferi denir. Sonuç olarak konveksiyon olayında; hareketli olan akışkan bir yerden başka bir yere ısı taşır. Konveksiyon olayında hareket eden hava, enerjiyi evin tüm noktalarına taşıyabilir. İletim yöntemi ile konveksiyon yöntemi arasındaki temel fark: İletim yönteminde ısı, molekülden moleküle çarpışma yoluyla taşınır. Konveksiyonda ise moleküller öteleme hareketi yaparak ısıyı taşır. Sadece sıvılar ve gazlar konveksiyon yoluyla ısı taşıyabilirler. Çünkü sadece bu tür maddeler içinde moleküller uzak mesafelere hareket edebilirler. Eğer konveksiyon hareketi olmasaydı, bir kap içinde suyu kaynatmak çok zor olurdu. 12
Fırtına ve benzeri atmosfer olayları ısının konveksiyonla yayılmasının bir sonucudur. Örneğin bir çaydanlıkta su ısıtıldığında, önce alt tabaka ısınır. Isıtılan bölgeler genleşir ve yoğunlukları azaldığı için yukarı doğru yükselirler. Daha yoğun olan soğuk su bölgesi aynı anda alt kısma geçer. Bir odanın radyatör ile ısıtılmasında da aynı olay görünür. Sıcak radyatör, odanın alt seviyelerdeki havayı ısıtır. Isınan hava yoğunluğu azaldığı için yükselir. Daha yüksek yoğunluktaki üstteki tabaka ısıtılmış havanın yerini alır. Atmosfer olayları bile kısmen konveksiyon etkisi ile oluşur. Dağlık bölgelerde günün belli saatlerinde soğuk havanın dağdan aşağı akarken düzlüklerdeki ılık havanın yukarı yükselmesi çok rastlanan olaylardandır. Konveksiyon ile ısıl enerji aktarımından çıkan bazı önemli sonuçlar şunlardır: 1. Konveksiyon yöntemi ile ısı aktarımı sadece sıvı ve gazlarda olur. 2. Konveksiyon akımları, sıcaklığı değişen akışkanın yoğunluğunun değişimine bağlı olarak akışkanın öteleme hareketinden oluşur. 3. Işıma Yöntemi İle Isıl Enerji Aktarımı Güneşin Dünyamızı ısıttığını biliyoruz. Güneşten Dünyaʼya aktarılan ısının iletim ya da konveksiyon yolu ile olmadığı açıktır. Çünkü Güneş ile Dünya arasındaki ortamda ısıyı taşıyacak maddesel ortam yoktur. Öyleyse boşluktan geçebilen ve ısı enerjisi taşıyan bir dalga sözkonusudur. Bu dalgalara elektromanyetik özellik taşıyan ışıma adı verilir. Bilindiği gibi bütün cisimler sıcaklıklarından dolayı elektromanyetik dalgalar yayar. Elektromanyetik dalgaların üretimi moleküllerin ısıl titreşimleriyle olur. Yayılan ışıma enerjisi elektromanyetik dalgaların hızı ile hareket eder. Güneş ışınlarından yararlanmamıza yol açan bu yayılma biçimi aynı zamanda başka etkilerinden dolayı günlük yaşamımızı etkilemektedir. Bir başka örnek ise, bulutlu gecelerdeki sıcaklık bulutsuz gecelerdeki sıcaklıktan fazladır. Bunun nedenini şöyle açıklayabiliriz: Gökyüzü bulutlarla kaplıysa bulutlardaki su buharı, yeryüzünün yaydığı kızıl ötesi ışınımın (her madde, sıcaklığına bağlı ışıma yapar) bir kısmını geri yansıtır. Bulutsuz gecelerde ise uzağa yansıyan ışıma engellenemediğinden sıcaklık bulutlu gecelere göre daha düşüktür. Isıl dalgaları ışıma şeklinde bir cisim üzerine düşürüldüğünde, bu cisim tarafından ya yansıtılır ya da soğurulur veya bu cismin içinden geçerler. Işınımı soğuran cisimlerin sıcaklığı artar, ışınım yayan cisimlerin sıcaklığı ise azalır. Sıcaklıkları ne olursa olsun tüm cisimlerin sıcaklık derecesi ile orantılı biçimde ışıma yaptığı bilinmektedir. Buna bağlı olarak da cisimlerin bu ısı dalgalarını soğurma özellikleri de vardır. Soğurma olmasaydı ışıma yayması sonucunda cismin sıcaklığı mutlak sıfır sıcaklığına ulaşır ki bu gözlenen bir olay değildir. Buna göre sıcaklığı değişmeyen bir cisim, yaymış olduğu ışıma enerjisini aynı anda çevresindeki cisimlerden soğurmaktadır. Yani enerji yayması ve soğurması aynı hızda olur. Böylece en iyi ışıma yapabilen cisim aynı zamanda, ışıma ile yayılan ısıyı en iyi soğuran cisimlerdir. Cisim çevresinden daha sıcak durumda olduğunda soğurduğundan daha fazla enerji yayar ve soğur. İdeal bir soğurucu, üzerine düşen ışınların tamamını soğuran cisim olarak tanımlanır. Böyle bir cisim kara cisim olarak bilinir. Bu olayın tam tersi de üzerine düşen ışınları soğurmayan ve tamamına yakınını yansıtan cisimler için vardır. Parlatılarak bu hale getirilen cisimlerin, büyük bir yansıtma ve çok az soğurma özellikleri vardır. ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Termodinamik 13
ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Termodinamik Dewar Şişesi Vakum Gümüfllenmifl yüzey S cak veya so uk madde İletim, konvensiyon ve ışınım yolu ile oluşan ısı kaybını en aza indirmek için tasarlanmış bir kap olan termoslar, bilimsel çevrede Dewar şişesi olarak bilinir (Sir James Dewar (1842 1923) tarafından icat edilmiştir). Böylece bir kap, uzun zaman boyunca hem soğuk hem de sıcak sıvıyı saklamak için kullanılır. Standart yapısı yukarıdaki şekilde görüldüğü gibidir. İçleri gümüşlenmiş, çift duvarlı, ve ateşe dayanıklı bir cam kaptan ibarettir. İletim ve konveksiyon ile ısı aktarımını en düşük seviyeye indirmek için, duvarlar arası boşaltılmıştır. Gümüşlenmiş yüzeyler, ışınım yolu ile aktarılan ısının çoğunu yansıtarak ısı transferini en aza indirir. Cam iyi bir iletken olmadığı için, şişenin boyun kısmından çok az ısı kaybı olur yani cam kapağın içinden geçen iletim küçüktür. Dewar şişeleri genelde sıvı azot (kaynama noktası 196 C) ve sıvı oksijen (kaynama noktası 183 C) depolamak için kullanılır. Yükü ile birlikte kütlesi 100 kg olan bir dağcı yediği bir çikolatadan dolayı 500 besin kalorilik enerji almıştır. Dağcı bu enerjiyi dağa tırmanarak harcamak istiyor. Dağcının dağda kaç metre yükselmesi gerekir? (1 besin kalorisi=1000 kalori; 1 kalori = 4,2 joule; g=10m/s 2 ) Bir diyetisyen, zayıflamak isteyen bir müşterisine buzlu su içmesini tavsiye etmektedir. Diyetisyenin düşüncesine göre: Vücut; 0 C sıcaklıktaki suyu kendi sıcaklığı olan 36 C değerine çıkarıncaya kadar ısı kaybedecektir. Bu ısı kaybı vücuttaki yağ yakımı sonucu gerçekleşir. 1g yağ yakmak için 8 besin kalorisi gerekli olduğuna göre, 450 gʼlık yağ yakmak için kaç kg buzlu su içilmelidir? (1 besin kalorisi=1000 kalori, suyun özgül ısısı = 1 cal/g C) 500 besin kalorilik enerji: 500.1000.4,2 = 2,1.10 6 J değerindedir. Bu enerji miktarının, dağa tırmanarak tamamen harcanması için çıkılması gerekli yükseklik: bulunur. mgh = 2, 1.106 100.10.h = 2, 1.106 h = 2100 m 1g yağ yakmak için 8000 kalori gerekli olduğuna göre 450 g için gerekli kalori miktarı: 450.8000 = 36.10 5 kalori olur. Bu ısı miktarı kaç gram suyun sıcaklığını 0 Cʼden 36 C değerine yükseltir. su içilmelidir. Q = mcδt 36.105 = m.1^36-0h m = 105 g = 100 kg Günümüzde, yeni tasarım ısı kaplarında fiberglaslarla birbirinden ayrılmış, çok tabakalı yansıtıcı malzemelerden oluşan süper yalıtkanlar kullanılır. (Serway Beichner: Fizik-1. Palme yayıncılık. Çeviri: Prof.Dr.Kemal Çolakoğlu) Bir pencere camının kalınlığı 8 mmʼdir. Camın iç kısmındaki hava sıcaklığı 30 C, dış kısmındaki hava sıcaklığı 5 Cʼdir. Pencere camının alanı 4m 2 olduğuna göre, saniyede camdan dışarı akan ısı miktarı kaç jouleʼdir? W (Cam için ısıl iletkenlik katsayısı = 0,8 ) m K Isı iletim hızı: Q AΔT = k Δt ΔX dir. W k = 0,8 m K A = 4m2 ΔT = T2 - T1= 303-278 = 25 K ΔX = 8mm = 8.10-3 m Q 25 = 0,8 $ 4 $ = 1.104 watt Δt 8.10-3 Yani saniyede 1.10 4 joule kadarlık ısı enerjisi, camdan dışarı aktarılır. 14
Donan suyun oluşturduğu buz parçalarının özkütlesi küçüldüğünden su üstünde yüzer. HAL DEĞİŞİMİ Bir maddeye ısı verildiğinde ya da maddeden ısı alındığında maddenin sıcaklığının değişebileceğini biliyoruz. Bununla birlikte maddeye verilen ısının sıcaklık değişimlerine yol açmadığı durumlar da vardır. Bu durumlarda maddenin fiziksel özelliklerinde değişimler olur. Bu olaya hâl değişimi denir. Katıdan sıvıya (erime), sıvıdan gaza (kaynama) olan hâl değişimlerinde ortamdan ısı alınır. Gazdan sıvıya (yoğunlaşma), sıvıdan katıya (donma) şeklinde olan hal değişimlerinde maddeden ortama ısı verilir. Bütün bu hal değişimlerinde maddenin iç enerjisi değişmesine rağmen sıcaklığında değişme olmaz. Örneğin ısı alan bir sıvı maddenin molekülleri arasındaki uzaklıklar artmaya başlar. Yani moleküller arasındaki potansiyel enerji artar. Bir süre sonra moleküller arasındaki bağlar kırılarak kaynama olayı gerçekleşir. Kaynama olayında gaz molekülleri birbirlerinden iyice uzaklaşarak buharlaşma meydana gelir. Beklendiği gibi farklı tür maddelerin hal değişim özellikleri de farklıdır. Çünkü moleküler düzenleri farklıdır. Ayrıca hal değişimini oluşturmak için maddeye aktarılan enerjinin miktarı maddenin kütlesi ile doğru orantılıdır. Örneğin bir kaptaki buzu eritmeye harcanan enerji ile donmuş bir gölün buzunu eritmek için harcanan enerji aynı değildir. Kütlesi m olan bir maddenin hal değiştirmesi için gerekli olan ısı miktarı Q ise, oranı o maddenin önemli bir ısıl özelliğini belirler. Bu özellik hal değiştirme ısısı (gizli ısı) adını alır. Buna göre, birim kütlenin hal değiştirmesi için gerekli ısı miktarına hal değiştirme ısısı denir ve L ile gösterilir. Erime m Q = L Deneyde kolaylıkla kullanılabilecek buz ve naftalin gibi kristal yapılı maddelere düzenli olarak ısı verilirse, önce belirli bir sıcaklığa kadar katı halde sıcaklıkları artar. Daha sonra bu belli sıcaklıkta katı halden sıvı hale geçiş başlar. Yani erime olayı gerçekleşir. Madde tamamen eriyinceye kadar sıcaklıkta bir değişme olmaz. Maddenin katı halden sıvı hale geçtiği bu sıcaklık derecesine erime noktası denir. Örneğin buzun ve katı naftalinin 1 atmosfer basınç altında erime noktası sırasıyla 0 C ve 80 Cʼdir. Erime olayındaki hal değiştirme ısısına erime ısısı denir. Buna göre erime sıcaklığına kadar ısıtılmış katı bir cismin birim kütlesini bu sıcaklıkta katı halden sıvı hale geçirmek için gerekli ısıya o cismin erime ısısı denir. Buz için erime ısısı: L = 3,35.10 5 J/kg ve L = 80 cal/g dır. Yani 1 kg buzu eritmek için gerekli ısı miktarı 3,35.10 5 joule ya da 1g buzu eritmek için gerekli ısı miktarı 80 kaloridir. ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Hal Değişimi Donma Bir maddeden ısı alınırsa, örneğin bir miktar su, düzenli olarak soğutulursa belirli bir sıcaklıktan itibaren madde katılaşmaya başlar. Yani donma olayı gerçekleşir. Madde tamamen donuncaya kadar sıcaklık değerinde bir değişme olmaz. Maddenin sıvı halden katı hale geçtiği bu sıcaklık derecesine donma noktası denir. Örneğin suyun ve sıvı naftalinin donma noktası sırasıyla 0 C ve 80 C dir. Bir maddenin erime ve donma noktaları aynıdır. Donma olayında hâl değiştirme ısısına donma ısısı denir. Buna göre, donma sıcaklığında bir sıvının birim kütlesinin tamamen donması için sıvıdan alınması gerekli ısı miktarına o maddenin donma ısısı denir. Su için 1 atmosfer basınç altında donma ısısı: L = 3,35.10 5 J/kg ve L = 80 cal/g dır. 15
ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Hal Değişimi Madde 2 kg kütlesindeki buz parçasının sıcaklığı 0 Cʼdir. Bu buz parçasının tamamen erimesi için kaç joule değerinde enerjiye ihtiyaç vardır? (L = 3,35.10 5 j/kg) Erime noktası ( C) Erime ısısı (cal/g) Erime ısısı (J/kg) Civa 38,85 2,7 11,2.10 3 Buz 0 80 3,33.10 5 Kurşun 327 5,8 2,45.10 4 Alüminyum 660 94,9 3,97.10 5 Gümüş 960 2,1 8,82.10 4 Bakır 1090 32 1,34.10 5 Erime ve Donma Olaylarında Hacim Değişimleri Erime ya da donma olayları gerçekleşirken bazı maddelerin hacmi artar, bazı maddelerin hacmi küçülür. Kristal yapıya sahip olmayan birçok maden ve alaşımın donma esnasında hacimleri küçülür. Ancak su, bizmut ve antimon gibi maddeler donarken hacimleri artar. Yine tam tersi olarak bu maddeler erirken hacimleri küçülür. Suyun donmasının sonuçları, çok bildiğimiz olaylardır. Kışın içlerindeki suların donmasıyla patlayan su boruları, otomobil radyatörleri birkaç örnektir. Böylece su donduğunda özkütlesi azaldığından su içine atılırsa yüzer. Oysa katı kalay eridiğinde hacmi artar, özkütlesi azalır. Buna göre katı kalay, erimiş kalayın içinde tabana iner. Suyun donması esnasında oluşan buz parçalarının su üstünde kalmasının çok önemli bir yararından burada bahsedebiliriz. Eğer donma sonucunda hacim küçülerek özkütle artsaydı buz su tabanına inecekti. Böylece üstten donan suyun meydana getireceği buzlar hep dibe inerek bütün gölleri ve denizleri dolduracaklardı. Bu koşullar altında denizdeki hayat, bugünkü şekilde olamayacağı gibi, denizlerde ve göllerde ulaşım araçları kullanılmayacaktı. Erime ve Donma Olaylarında Basıncın Etkisi Erime esnasında basıncın etkisi tüm maddelerde aynı sonuçları doğurmaz. Basınç hacim artışını zorlaştıracağı için erime sırasında hacimleri artan maddeler basınç altında daha zor erirler. Yani erime noktaları yükselir. Buz, bizmut gibi maddeler erime esnasında hacimleri azaldığından basıncın artması hacim küçülmesini kolaylaştırır. Yani erime noktası düşer. Örneğin kışın yollarda yayaların veya arabaların geçtiği yerlerde, karlar basınç etkisiyle 0 Cʼnin altında erirler. Basınç etkisiyle eriyen kar ve buz basınç kalktığında tekrar donar. Basıncın erime noktasını düşürdüğünü görmek için aşağıdaki gibi bir deney yapılabilir. Metal tel Bu parçası erime sıcaklığında olduğu için verilen ısının tamamı buzu eritmek için kullanılır. bulunur. Q = ml Q = 2.3, 35.10 5 = 6, 7.10 5 J Bazı maddelerin erime noktaları ve erime ısıları Bir buz kalıbının üzerine konan metal bir telin iki ucuna ağırlıklar asılır. Telin buza gömüldüğü, bir süre sonra gittikçe buz içinde aşağıya doğru inip sonunda buzun altına gelbuz kalıbı buz kalıbı 16
Sıcaklık Kaynama Noktası Maksumum buhar basıncı Su yüzeyine etki eden dış basınç 0 C 4,75 mmhg 10 C 9,10 mmhg 20 C 17,40 mmhg 50 C 92,00 mmhg 100 C 760,0 mmhg 140 C 2718,0 mmhg Bazı basınç değerlerinde suyun kaynama noktaları diği ama buzun bölünmediği görülür. Ağırlıkların aşağı doğru çektiği telin basıncı altında buz erimiş ancak tel geçtikten sonra basınç kalktığı için yeniden donmuştur. Bu deneyin yapılabilmesi için sıcaklığın çok düşük olmaması gerekir. Eğer sıcaklık buzun o basınç altında bile erimeyeceği kadar düşük olursa telin buzdan geçmediği görülecektir. Erime ve Donmada Etkili Olan Başka Faktörler Suyun donma noktasını değiştirmek için suya alkol ya da benzeri maddeler karıştırılabilir. Bu maddeler suyun donma noktasını düşürür. Otomobil radyotörlerinde kışın antifiriz olarak kullanılan etilen glikol maddesi donma noktasını düşürerek motor içinde soğutma için kullanılan suyun donmasını engeller. Bu önlem alınmadığı takdirde motor içindeki su donarak genleşeceğinden motorun çatlamasına neden olur. Deniz suyundaki tuz da onun donma noktasını düşürür. Bunun için Kuzey Kutup Bölgeleriʼnin dışında deniz suyunun donmasına pek sık rastlanmaz. Yine aynı nedenle, soğuk havalarda karın buzlaşmasını önlemek için yollara tuz serpirilir. Katı haldeki maddelerin erimeleri hep aynı sıcaklıkta olduğu halde; soğutulan bir sıvı, her zaman aynı sıcaklıkta donmayabilir. Bazı maddelerin erime noktasından çok düşük sıcaklıklarda bile uzun süre sıvı halde kaldıkları görülmektedir. Donmada gecikme adı verilen bu olay, sarsıntısız olarak ve yavaş yavaş soğutulan bütün sıvılarda görülebilir. Donma noktasının altında sıcaklığa sahip sıvının donmasının geç kalması durumunda dışardan bir etki ile sıvı sarsılarak donması sağlanır. Kaynama Bir kap içindeki bir miktar su ısıtılırken kabın iç çeperlerinde hava kabarcıkları oluştuğu görülür. Suda erimiş hava moleküllerinin ısınınca genleşmelerinden doğan bu kabarcıklar, bir süre sonra suyun üstüne çıkmaya başlar. Sıvının her yanı ısındıktan sonra yükselen buhar kabarcıkları büyümeye başlar. Büyüyerek yükselen buhar kabarcıkları sıvının yüzüne vardıklarında gürültüyle patlayarak havaya karışırlar. Bu olaya kaynama denir. Kaynamakta olan bir sıvıda aşağıda gösterilen iki özellik daima vardır. 1. Belli bir sıvı, belli bir basınç altında belli bir sıcaklıkta kaynamaya başlar. Kaynama süresince bu sıcaklık sabit kalır. Bu sıcaklığa kaynama noktası denir. Örneğin saf suyun 1 atmosfer basınç altındaki kaynama sıcaklığı 100 Cʼdir. 2. Kaynama sıcaklığında olan sıvı buharlarının maksimum basıncı sıvı yüzüne etki eden dış basınca eşittir. Basıncın Kaynama Noktası Üzerindeki Etkisi Sıvı yüzeyine uygulanan dış basınç artarsa kaynama noktası yükselir veya dış basınç azalırsa kaynama noktası düşer. Yandaki tabloda görüldüğü gibi basıncın kaynama noktası üzerinde yaptığı etkiden yararlanılarak bir sıvıyı istenilen sıcaklıklarda kaynatmak mümkündür. Tamamen kapalı bir kaptaki sıvı, dışardan ısı enerjisi verilerek hiç bir zaman kaynatılamaz. Örneğin kapalı kaptaki bir miktar suya dışardan sürekli ısı enerjisi verildiğinde sıvıdan ayrılan buhar, kaptan çıkamayacağı için suyun üstündeki basıncı devamlı arttıracaktır. Basıncın artması kaynama noktasını da yükseltecek ve su 100 C değerine ulaştığında kaynamayacaktır. Su yeni kaynama noktasına doğru ısındıkça oluşan buhar basıncı da artacaktır. Böylece kaynama hiç bir zaman gerçekleşmez. Bu şekilde yüksek basınçta gerçekleştirilecek kaynamanın bir takım yararlı uygulamaları vardır. Örneğin düdüklü tencere denen araçlarla yiyeceklerimiz 100 Cʼnin üstünde kaynatılarak yiyeceklerin kısa sürede pişmesi sağlanır. ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Hal Değişimi 17
ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Hal Değişimi Dış basınç Kaynama anında su yüzeyindeki kabarcığın buhar basıncı dış basınca eşittir. Buharlaşma Bir sıvının gaz haline geçmesi olayına buharlaşma denir. Bir sıvıyı oluşturan moleküller birbirlerini kohezyon adı verilen bir kuvvetle çeker. Aynı zamanda moleküller hareket halindedir. Isıl enerji bu hareketlerin hızını arttırır. Sıvı yüzeyindeki bu moleküllerin hareket enerjileri kohezyon kuvvetini yenecek düzeye geldiğinde sıvı yüzeyinden ayrılarak buhar dediğimiz biçimde havaya karışır. Enerjisi yüksek moleküller sıvıdan ayrıldıklarında geride kalan moleküllerin ortalama enerjileri buharlaşma devam ederken azalır. Bu yüzden; sıcaklık enerjinin bir ölçüsü olduğu için yalıtılmış bir sıvının sıcaklığı buharlaşma esnasında azalması gerekmektedir. Böylece buharlaşan sıvı çevresinden ısı enerjisi alarak çevresini soğutur sonucu ortaya çıkar. Buna göre, buharlaşmanın serinletici etkisinin olduğunu söyleyebiliriz. Ellerimize sürülen kolonyanın serinletici etkisi, sıvı moleküllerinin buharlaşıp giderken bulundukları ortamdan ısı almalarından kaynaklanır. Günlük yaşamımızda bu olaya birçok örnek verebiliriz. Bunların bir kaçından bahsedersek; kesilen karpuzun güneş altında soğuması, eskiden içme suyunu serin tutmak için gözenekli testilerin kullanılması gibi. Buzdolaplarının çalışma ilkesi de buharlaşmanın soğutucu etkisine dayanır. Açık havada buharlaşmayı ya da buharlaşma hızını etkileyen faktörler aşağıda ifade edilmiştir. 1. Kaynama ya da erime belli bir sıcaklıkta olmasına karşın buharlaşma her sıcaklıkta olabilir. 2. Basıncın erimeye olan etkisi çok sınırlı olmasına karşın buharlaşmada oldukça etkilidir. Basınç ne kadar büyükse buharlaşma hızı o kadar azdır. 3. Buharlaşma hızı buharlaşacak sıvının türüne de bağlıdır. Benzin ve metil alkol, eter gibi sıvılar suʼya göre çabuk buharlaşır. Çünkü molekülleri arasındaki kohezyon kuvvetleri sudakinden çok küçüktür. 4. Buharlaşma hızı, buharlaşacak sıvı buharının atmosfer içinde bulunma miktarına bağlıdır. Havasında çok su buharı bulunan bir ortamda buharlaşma az olur. Taşıyabileceği kadar su buharı almış olan havaya doymuş hava denir. Doymuş havada buharlaşma olmaz. Bir havada bulunan su buharı miktarının doymuş havadaki su buharına oranına bağıl nem denir. Bağıl nemi sıfır olan hava tam kuru hava, bağıl nemi 100 olan hava doymuş havadır. 5. Buharlaşma hızı, buharlaşacak sıvının havaya açık olan yüzeyinin genişliğine de bağlıdır. Bu yüzey ne kadar büyükse, buharlaşma hızı o derece büyük olur. Çamaşırların çabuk kuruması için serilmesi, tuz üretmek için tuzlalarda buharlaştırılacak suyun geniş havuzlara alınması bu nedenledir. 6. Buharlaşma hızı, atmosferin sıcaklığına bağlıdır. Sıcak havalarda buharlaşma daha hızlıdır. 7. Havanın sıvıya göre, hareketli olması sıvının buharlaşma hızını arttırır. Çamaşırların rüzgarlı havada çabuk kuruması bu nedenledir. Buharlaşma Isısı Sıvı halden gaz haline geçiş için gerekli enerjiye buharlaşma ısısı denir. Buna göre bir sıvının T Cʼdeki buharlaşma ısısı şöyle tanımlanır. T Cʼdeki sıvının birim kütlesinin doymuş buhar haline geçmesi için gerekli ısı miktarına T Cʼdeki buharlaşma ısısı denir. Normal atmosfer basınçta suyun 100 Cʼdeki buharlaşma ısısı: 539 cal/g = 2,256.10 6 J/kg dır. Yani 100 Cʼdeki 1 g suyu buhar haline getirmek için 539 kalori gereklidir. Yine 1 kg 18
suyu 100 Cʼdeki buhar haline getirmek için 2,256.10 6 J gereklidir. Buna göre, buharlaşma ısısı: şeklinde yazılır. L = 539 cal/g = 2,256.10 6 J/kg Buharlaşmanın tersi olan olaya, yani buharın sıvı haline geçmesine yoğunlaşma denir. Kaynama sıcaklığındaki gazdan ısı enerjisi alınırsa gaz, sıvı hale geçer. Yani yoğunlaşır. Belli bir basınçta kaynama ve yoğunlaşma sıcaklıkları aynıdır. Böylece bir madde için belli basınç ve sıcaklıkta buharlaşma ısısı yoğunlaşma ısısına eşittir. Süblimleşme ve Faz Diyagramı Bir katının sıvı hale geçmeden doğrudan buhar haline geçmesi olayına süblimleşme denir. Bir maddenin katı, sıvı ve gaz hallerinin birbirlerine dönüşümünü gösteren basınç sıcaklık diyagramına faz diyagramı denir. Aşağıda su ve karbondioksit için iki faz diyagramı çizilmiştir. 8 4,58 Basınç (mmhg) KATI Erime Süblimleflme SIVI 20 0,01 Buharlaflma Üçlü nokta BUHAR Su için faz diyagramı Sıcaklık( C) Yukarıdaki faz diyagramlarında katı, sıvı ve gaz durumları birbirlerinden bir eğriyle ayrıldığı görülmektedir. Süblimleşme eğrisi katı ve buhar bölgelerini ayırır, buharlaşma eğrisi sıvı ve buhar bölgelerini ayırır, erime eğrisi ise katı ve sıvı bölgelerini ayırır. Bu üç eğri, katı, sıvı ve gaz hallerinin bir arada bulunduğu üçlü nokta da buluşur. Bu nokta; sadece tek sıcaklık ve basınç için bir maddenin üç halde görüldüğü özelliği içerir. Bu nokta su için 0,01 C ve 4,58mmHgʼda olur. Karbondioksit için ise bu nokta 56,6 C ve 5,11 mmhgʼdır. 10 5,11 100 Basınç (mmhg) KATI Süblimleflme Erime BUHAR 56,6 SIVI Buharlaflma Üçlü nokta Karbondioksit için faz diyagramı Sıcaklık( C) ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Hal Değişimi Eridiğinde hacmi küçülen maddeler için erime grafiği yukarıda görüldüğü gibi diğer maddelerden farklı olarak negatif eğime sahiptir. Karbondioksitte süblimleşmeyi 1 atmosfer basınçta rahatlıkla gözleyebiliriz. Çünkü 1 atmosfer basınç üçlü noktanın epeyce altındadır. Bu yüzden katı karbondioksite kuru buz denmektedir. Havadaki Nem ve Hissedilen Sıcaklık Havadaki nemin insan yaşamı üzerinde önemli etkileri vardır. Düşük bağıl nem, kuru hava demektir. Böyle bir hava, burun ve boğazdaki solunum yollarını kurutur, soğuk algınlığı, öksürük ve nezle olma olasılığını arttırır. Ayrıca vücuttaki nemin buharlaşmasını hızlandırarak ısı kaybından dolayı üşümeye neden olur. Yani insan vücudu var olan hava sıcaklığından daha düşük hava sıcaklığı hisseder. Sıcak havalarda nem oranının yüksek olması da insanı rahatsız eder. Çünkü vücudun soğuması derideki terin buharlaşmasına bağlıdır. Eğer hava hem sıcak, hem de nemliyse vücut daha fazla nem soğuramaz ve bunun sonucunda da buharlaşma azalır, vücut giderek ısınır. Bu durumda hissedilen sıcaklık hava sıcaklığından yüksektir. 19
ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Hal Değişimi Sıcaklığı 20 C olan 200g kütlesindeki buza düzenli olarak ısı enerjisi veriliyor. Buzu 120 Cʼde buhar haline getirmek için kaç kalorilik ısı enerjisine ihtiyaç vardır. c buz = 0,5 cal/g C c su = 1 cal/g C L erime = 80 cal/g L buhar = 540 cal/g c buhar = 0,5 cal/g C Sonuç olarak yüksek bağıl nem, terleme yoluyla ısı geçişini yavaşlatır, düşük bağıl nem ise hızlandırır. İnsanların çoğu yüzde 40 ile yüzde 60 oranları arasındaki bir bağıl nemi tercih eder. Buza verilen ısının sıcaklığa bağlı grafiği aşağıdaki gibi çizlir. Δ Δ Her aralıkta verilen ısı değerleri, grafikte gösterilen bağıntılarla hesaplanır. Q1 = mc buz ΔT = 200.0, 5.20 = 2000 kalori Q 2 = ml erime = 200.80 = 16000 kalori Q 3 = mc suδt = 200.1.100 = 20000 kalori Q 4 = ml buhar = 200.540 = 108000 kalori Q 5 = mc buhar ΔT = 200.0, 5.20 = 2000 kalori Q toplam = Q1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 = 148000 kalori Δ 20
TERMOELEKTRİK ÇEVİRİCİ Sıcaklık farkından dolayı oluşan ısı enerji akışı, önce elektrik enerjisine dönüştürülür ve bu enerji küçük bir elektrik motorunun milini döndürür. Bu mile bağlı sistemden mekanik enerji elde edilir. Her iki kaptaki sıcaklık aynı olduğundan enerji dönüşümü olmaz. Sıcaklığı 0 C olan 30 g buzun üzerine 60 g kütlesinde su döküldüğünde buzun tamamı eriyerek son sıcaklık 0 C olmaktadır. Suyun ilk sıcaklığı kaç Cʼdir? (L buz = 80 cal/g; c su = 1 cal/g C; sistem ısıca yalıtılmıştır.) su buz Sıcaklığı 0 C olan 100 g buz üzerine 40 g kütlesinde 80 C su dökülüyor. Isıl denge durumunda ortamdaki su ve buz kütle değerleri ne olur? (Sistem ısıca yalıtılmıştır; L buz = 80 cal/g; c su = 1 cal/g C) Önce buzun tamamının erimesi için gerekli ısı miktarı bulunur. Q = ml buz = 30.80 = 2400 cal Bu ısı 60g kütlesinde ve T sıcaklığındaki sudan elde edilir. Q = mcδt 2400 = 60.1 (T 0) T = 40 C Önce buz ve suyun 0 Cʼde su olması için gerekli ısı miktarlarına bakarak son durumu yorumlayabiliriz. Suyun 0 Cʼde su olması için vereceği ısı miktarı Qsu = mcδt = 40.1^80-0h = 3200 kalori Buzun tamamının eriyerek 0 Cʼde su olması için gerekli ısı miktarı Q buz = ml buz = 100.80 = 8000 kalori Gözüküyor ki buzun tamamı eriyemez. Öyleyse 3200 kalorinin kaç g buz erittiğini bulalım. 3200 = ml buz = m 80 m = 40 g Buz eridiğine göre ortamdaki buz ve su kütleleri Buzun kütlesi = 100 40 = 60 g Suyun kütlesi = 40 + 40 = 80g ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Hal Değişimi Kaplar farklı sıcaklıkta olduğu için ısıl enerji akışı sonuçta pervanenin dönüşüne neden olur. Isı izolasyonu yapılmış bir kabın içinde 85 C sıcaklıkta 120g su vardır. Suyun içine 0 C sıcaklıkta 12g buz atılıyor. Sistem ısıl dengeye ulaşıncaya kadar, a) Suyun sıcaklığı kaç C azalır? b) Suyun verdiği ısının yüzde kaçı buzu eritmiştir? Verilere bakıldığında buzun tamamının eridiği anlaşılır. Buzun erimesi için gerekli enerji, Q = ml = 12.80 = 960 kalori dir. Bu durumda kapta 0 Cʼde 12 g su ile 85 Cʼde 120g su olduğu düşünülebilir. Alınan ısı, verilen ısıya eşitlenerek son sıcaklık bulunur. a) 960 + 12.1 (T s 0) = 120.1.(85 T s ) (L buz = 80 cal/g; c su = 1 cal/g C) T s = 70 C bulunur. b) Suyun verdiği ısı: 120.1(85 70) = 1800 kalori Buzun erimesi için gerekli ısı = 960 kalori 960 1800, 0,53; Suyun verdiği ısının %53ʼü buzu eritmiştir. 21
ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Hal Değişimi EK BİLGİ TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASI Termodinamiğin ikinci yasası, doğa da ısıl enerji ile mekanik enerji arasındaki dönüşümler için hangilerinin gerçekleşebileceğini ve hangilerinin gerçekleşemeyeceğini anlatır. Sadece tek yönde gerçekleşen aşağıdaki birkaç olay termodinamiğin ikinci yasasına uyar. Sıcaklığı farklı iki cisim, termal olarak temas ettirilirse, sıcak cisimden soğuk cisme doğru ısı akışı olur, fakat soğuktan sıcağa doğru asla ısı akışı olmaz. Bir lastik top yere düştüğü zaman birçok kez sıçradıktan sonra sonuçta durgun hale gelir fakat yerde duran bir top asla kendi kendine sıçramaz. buz su 60 C 80 C Isıca yalıtılmış bir ortamda 60 C sıcaklıktaki 200g suyun içine 80 C sıcaklıkta 150 g buz atılıyor. Isıl denge sağlandığında ortamda kaç gram buz olur? (c buz = 0,5 cal/g C; L buz = 80 cal/g; c su = 1 cal/g C) m 1 m 2 Su kütlesi 0 Zaman t 1 t 2 Isıca yalıtılmış bir ortamda bir kabın içindeki bir miktar suyun içine bir parça buz atılıyor. Kaptaki su kütlesinin zamana bağlı değişim grafiği şekilde verilmiştir. Buna göre, I. t = 0 anında suyun sıcaklığı 0 C değerinin altındadır. II. (t 1 t 2 ) zaman aralığında kapta su buz karışımı vardır. III. t = 0 anında buzun sıcaklığı 0 Cʼdeğerinin altındadır. yargılarından hangileri doğrudur? 60 0 80 Sıcaklık( C) buz su buz + su Alınan ısı = Verilen ısı mbuz cbuz ΔTbuz + mlbuz = msu csu ΔTsu 150.0,5.80 + m.80 = 200.1.60 m = 75 g buz erir. Ortamda kalan buz kütlesi: 150 75 = 75g olur. Isı(kalori) t = 0 anından itibaren suyun kütlesinin azalması suyun ilk sıcaklığının 0 C ve buzun sıcaklığının 0 Cʼnin altında olduğunu gösterir. Çünkü 0 t 1 zaman aralığında su donmaktadır. (t 1 t 2 ) zaman aralığında su kütlesinde değişim olmadığına göre ortamda ısıl dengede olan 0 Cʼde su buz karışımı vardır. Grafikten çıkarılan bu bilgiler ışığında II ve III yargıları doğrudur. Cevap: E A) Yalnız I B) Yalnız II C) Yalnız III D) I ve II E) II ve III Kütlesi 6g olan 0 C sıcaklığındaki mermi 200 m/sʼlik hızla 0 C sıcaklıktaki büyük bir buz kütlesine girerek bir miktar yol aldıktan sonra buz içinde duruyor. Oluşan tüm ısı, buzu eritmeye harcandığına göre, kaç gram buz erir? (L buz = 80 cal/g; 1 cal = 4 joule) Merminin mekanik enerjisi 1 E m 2 1 6.10 3. 200 2 k = ϑ = 2 2 - ^ h Ek = 120 joule 1 kalori 4 joule yaparsa 120 joule 30 kalori yapar. Q = mll 3 30 = m l.80 & ml = 8 g 22
1. Suyun özgül ısısı etil alkolün özgül ısısının iki katıdır. Her ikisinin aynı kütlesine aynı miktarda ısı verilirse sıcaklık artışları için ne söylenebilir? 2. Bir oda içinde dönmekte olan vantilatör, odanın havasını soğutur şeklinde bir bilgi doğru mudur? 3. Sıcaklıkları aynı olan bir metal parçası ile bir odun parçasına dokunduğunuzu düşününüz. Eliniz, metal ve odun parçasından soğuk ise hangisini daha sıcak hissedersiniz? Açıklayınız. 4. Buzdolabının buzluğundan yeni çıkardığınız metal buz kabına parmaklarınız neden yapışır? 5. Metal bir şişe geçirilmiş et neden daha kolay pişer? 6. Bir cisme ısı verildiği halde sıcaklığının sabit kalması gibi bir durum olur mu? Açıklayınız. 7. Sıcaklık artışında genleşen bir madde üzerindeki basınç, erime sıcaklığını nasıl değiştirir? 1. Sıcaklık farkından dolayı bir sistemle çevresi arasında alışverişi yapılan enerjiye... denir. 2. Kalori birimidir. 3. 1kg suyun sıcaklığını 14,5 Cʼden 15,5 Cʼye çıkarmak için suya verilmesi gerekli ısı miktarına adı verilir. 4. Isı ile mekanik enerji arasındaki ilişkileri inceleyen fizik dalına denir. 5. Sıvı maddeler için ısı transferine en uygun yöntem dur. 6. Güneşten Dünyaya ısı enerjisi ile transfer edilir. 7. Bir metal çubukta ısı iletim hızı çubuğun iki ucu arasındaki farkı ile doğru orantılıdır. 8. Kaynama sıcaklığındaki bir sıvının birim kütlesinin tamamını gaz haline çevirmek için harcanan enerjiye denir. 9. Denizden itibaren yükseldikçe suyun kaynama sıcaklığında olur. 1. Bir maddeki ısı enerjisi o maddenin iç enerjisidir. 2. Isı, düşük sıcaklıktaki cisimden yüksek sıcaklıktaki cisme geçer. 3. Bir sistemin iç enerjisi, hem ısı akımı ile hem de mekanik iş yaparak değiştirilebilir. 4. joule/kg C birimi hal değiştirme ısısı birimidir. 5. İletim yöntemi ile ısı transferine en uygun maddeler katılardır. 6. Konveksiyon ile ısı transferi olmasaydı bir kaptaki suyu alttan ısıtarak kaynatmak çok zor olurdu. 7. Konveksiyon ile ısı akışında hareket eden maddesel parçacıklar daima sıcaktan soğuğa doğrudur. 8. Soğuk olan cisimler de ışıma yapar ancak sıcaklığı çevreden az olduğu için yaptığı ışımadan daha fazlasını soğurur. 9. Işıma ile ısı aktarımı için cisimler arasında fiziki temas zorunludur. 10. Su donduğu zaman hacmi artar. 11. Işıma olarak ısıyı hızlı yayan bir cisim aynı zamanda ısıyı hızlı soğurur. ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Termodinamik ve Hal Değişimi 8. Sıcaklık artışında hacmi küçülen bir madde üzerindeki basınç, donma sıcaklığını nasıl değiştirir? 10. Bir maddenin katı halden gaz haline dönüşmesine adı verilir. 11. Buzun üstündeki basınç artarsa erime sıcaklığında olur. 12. Belirli bir madde türü için buharlaşma ısısı, erime ısısından küçüktür. 13. Buharlaşma her sıcaklıkta olabilir. 23
ÜNİTE 1 MADDE ve ÖZELLİKLERİ Termodinamik ve Hal Değişimi 1. Suyun özgül ısısı etil alkolün özgül ısısının iki katıdır. Her ikisinin aynı kütlesine aynı miktarda ısı verilirse sıcaklık artışları için ne söylenebilir? Etil alkolün sıcaklık artışı, suyun sıcaklık artışının iki katı olur. 2. Bir oda içinde dönmekte olan vantilatör, odanın havasını soğutur şeklinde bir bilgi doğru mudur? Doğru değildir. Gerçekte havanın sıcaklığı artar. Vantilatörün serinletici etkisi havanın sirkülasyonu sonucu gerçekleşir. 3. Sıcaklıkları aynı olan bir metal parçası ile bir odun parçasına dokunduğunuzu düşününüz. Eliniz, metal ve odun parçasından soğuk ise hangisini daha sıcak hissedersiniz? Açıklayınız. Metal parçası daha soğuk hissedilir. Çünkü metalin oduna göre ısı iletme hızı daha büyüktür. 4. Buzdolabının buzluğundan yeni çıkardığınız metal buz kabına parmaklarınız neden yapışır? Parmaklarınız her zaman için az da olsa nemlidir. Buzluktan yeni çıkmış bir buz kabını tuttuğunuzda elinizdeki nem donar. Böylece parmaklarınız buza yapışır. 5. Metal bir şişe geçirilmiş et neden daha kolay pişer? Metal, ısıyı hızlı ilettiği için etin iç kısmı da dış kısmı ile birlikte pişer. 6. Bir cisme ısı verildiği halde sıcaklığının sabit kalması gibi bir durum olur mu? Açıklayınız. Eğer cisim hal değiştiriyorsa sıcaklık sabittir. 7. Sıcaklık artışında genleşen bir madde üzerindeki basınç, erime sıcaklığını nasıl değiştirir? Erime sıcaklığı yükselir. 8. Sıcaklık artışında hacmi küçülen bir madde üzerindeki basınç, donma sıcaklığını nasıl değiştirir? Donma sıcaklığı düşer. 1. Sıcaklık farkından dolayı bir sistemle çevresi arasında alışverişi yapılan enerjiye ısı denir. 2. Kalori ısı birimidir. 3. 1kg suyun sıcaklığını 14,5 Cʼden 15,5 Cʼye çıkarmak için suya verilmesi gerekli ısı miktarına 1 kalori adı verilir. 4. Isı ile mekanik enerji arasındaki ilişkileri inceleyen fizik dalına termodinamik denir. 5. Sıvı maddeler için ısı transferine en uygun yöntem konveksiyon dur. 6. Güneşten Dünyaya ısı enerjisi ışıma yöntemi ile transfer edilir. 7. Bir metal çubukta ısı iletim hızı çubuğun iki ucu arasındaki sıcaklık farkı ile doğru orantılıdır. 8. Kaynama sıcaklığındaki bir sıvının birim kütlesinin tamamını gaz haline çevirmek için harcanan enerjiye buharlaşma ısısı denir. 9. Denizden itibaren yükseldikçe suyun kaynama sıcaklığında düşme olur. 10. Bir maddenin katı halden gaz haline dönüşmesine süblimleşme adı verilir. 11. Buzun üstündeki basınç artarsa erime sıcaklığında düşme olur. Y Y D Y D D D D Y D D Y D 1. Bir maddedeki ısı enerjisi o maddenin iç enerjisidir. 2. Isı, düşük sıcaklıktaki cisimden yüksek sıcaklıktaki cisme geçer. 3. Bir sistemin iç enerjisi, hem ısı akımı ile hem de mekanik iş yaparak değiştirilebilir. 4. joule/kg C birimi hal değiştirme ısısı birimidir. 5. İletim yöntemi ile ısı transferine en uygun maddeler, katılardır. 6. Konveksiyon ile ısı transferi olmasaydı bir kaptaki suyu alttan ısıtarak kaynatmak uzun zaman alırdı. 7. Konveksiyon ile ısı akışının olduğu bir ortamda hareket eden maddesel parçacıklar daima sıcaktan soğuğa doğrudur. 8. Soğuk olan cisimler de ışıma yapar Ancak sıcaklığı çevreden az olduğu için yaptığı ışımadan daha fazlasını soğurur. 9. Işıma ile ısı aktarımı gerçekleştirilirken cisimler arasında fiziki temas zorunludur. 10. Su donduğu zaman hacmi artar. 11. Işıma olarak ısıyı hızlı yayan bir cisim aynı zamanda ısıyı hızlı biçimde soğurur. 12. Belirli bir madde türü için buharlaşma ısısı, erime ısısından küçüktür. 13. Buharlaşma her sıcaklıkta olabilir. 24