Entropi ve Zaman İlişkisi – Sıfır Entropi

entropi ve zaman ilişkisi

Termodinamiğin ikinci kanunun da şöyle bir tanımlama yapılmaktadır. “Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkânsızdır. (Kelvin – Planck Bildirisi)Termodinamik bir terim olan Entropi bir sistem içerisinde mekanik işe çevrilemeyecek termal enerjiyi temsil etmektedir. Rastgelelik ve düzensizlik tanımlamalarının sıklıkla kullanıldığı bu yapı içerisinde düzensizliğin hiçbir zaman değişmediği ya da arttığı söylenir.

Termodinamik İkinci Kanunu ve Örnekleri

Termodinamik kanunları içerisinde ikinci kanunda ilk olarak yukarıda da belirttiğimiz gibi düzensizliğin değişmediği ya da arttığı söylenmektedir. Örneğin ayrı durumda bulunan maddeler bir arada duranlara göre daha düzenli yapıya sahiptir.

Fizikte Entropiyi incelediğimiz de her şeyin yıpranması, canlıların yaşlanıp ölmesi ve evrendeki düzensizliğin sürekli artması ile karşılaşırız. Düzensizlik artışı ile entropi de artarken bu durum sonucunda faydalı iş miktarı azalmaktadır. Bir sistemin tam bir düzen içerisinde olması entropinin sıfır olması ile açıklanmaktadır. Enerji gibi korunan bir özellik olmayan entropi, yaşam ve ölüm arasında ki ince çizgiyi oluşturmaktadır.

Entropi ve Zaman İlişkisi

Yaşadığımız ya da içinde bulunduğumuz kainat içerisinde her şey bozulma ve düzensizlik eğilimindedir. Örneğin dalından kopardığınız bir meyve giderek bozulmaya başlayacaktır. Tersi durumda dalında bıraktığınız meyve de zaman içerisinde dalından koparak toprağa karışacak ve yine bozulmaya başlayacaktır.

Zaman ve Entropi ilişkisi ise daha çok geri getirilemez durumları içermektedir. Basit bir örnek ile kırılan bir vazo ya da herhangi bir bardağı eski haline getirmek mümkün olmayacaktır. Düzen içerisinde yer alan bu cam bardak düzensizliğe uyum sağlayarak bozulmuş ve yapısını kaybetmiştir. Zaman gibi doğrusal olarak entropi Einstein tarafından öne sürülen ve Kuantum öncesi doğru kabul edilen bir teoriyi içermektedir.

Düzensizliği oluşturan ana etmenin zaman, entropi ya da madde olduğu sıkça konuşulmaktadır. Ancak zamanı oluşturan asıl şeyin madde olduğu düşünülürse bu teorinin henüz varsayımdan öteye geçemeyeceği görülebilir. Entropinin durması ya da mutlak sıfır noktasında bulunması yaşlanmanın önlenmesi, ölümün sonlanması ve zamanın bir anlamda tersine akmasına neden olacaktır.

Yararlanılan Kaynaklar

(1) http://tr.wikipedia.org/wiki/Entropi

(2) http://tr.wikipedia.org/wiki/Termodinamik_kanunlar%C4%B1

(3) http://zamaninotesi.wordpress.com/2012/06/24/entropi-zaman/

Neden sıcak su soğuk sudan daha hızlı donar?

Bazı özel durumlarda sıcak su soğuk sudan daha hızlı donar. Bu tarih boyunca Aristo ve Descartes gibi farklı kişilerce de gözlemlenen bir durum olsa da ismini 1963 yılında bunu tekrar dile getiren Erasto Npemba’dan almaktadır. Erasto Npemba, okuduğu liseye bir seminer için gelen Denis G. Osborne’a “Eğer 35 derece ve 100 derece sıcaklıkta aynı miktarda suyu dondurucuya koyarsak bu sulardan 100 derecede olanı daha önce donar. Neden?” diye sorar. Bunun üzerine bu olayı kontrollü deneyler ile test eden Osborne, durumun gerçekten böyle olduğunu görür ve Npemba ile bu durum üzerine 1969 yılında bir makale yayınlarlar.

Uzun süredir bu durumun nedenleri üzerine çeşitli bilim insanlarınca farklı yorumlar getirilmiştir. Bunlardan bazıları:

Buharlaşma — Başlangıçta sıcak olan su soğuk suyun sıcaklığına gelene buharlaşmanın etkisi ile bir miktar su kaybedecektir. Bu başlangıçta sıcak olan suyun kütlesinin azalmasına neden olacak ve bu da daha hızlı donmasını sağlayacaktır. Bu durumda başlangıçta soğuk olan sudan daha erken donmuş olacak ancak daha az buz miktarı içerecektir. Ancak bu bazı durumlarda çözüm üretmiş gibi görünse de kapalı kaplarda yapılan deneylerde de görülen Npemba etkisini açıklayamamaktadır.

Çözünmüş gazlar – Sıcak su soğuk suya nazaran daha az çözünmüş gazı bünyesinde barındırır. Bu durumda, başlangıçta sıcak su da soğuk suya nazaran daha az çözünmüş gaz olacaktır. Bu durumun ise daha hızlı donmaya neden olabileciği öne sürülmüştür. Ancak bu da tam olarak kanıtlanamamıştır.

Konveksiyon – Su soğurken konveksiyon akımları ve dengesiz bir ısı dağılımı oluşacaktır. Çoğu durumda sıcaklık arttıkça yoğunluk azalacak ve suyun yüzeyi aşağılara göre daha sıcak olacaktır. Eğer su sıcaklığını temel olarak yüzeyden kaybederse sıcak yüzeye sahip olan su daha hızlı ısı kaybedecektir. Bu da sıcak suyun daha hızlı donmasına neden olabilir. Ancak bu da Npemba etkisini açıklamak için tek başına yeterli değildir.

Çevre – Sıcak ve soğuk su arasındaki fark, sulardan ziyade, ektiledikleri çevreden kaynaklanır. Başlangıçta sıcak olan su çevreyi daha karışık bir şekilde etkileyebilir ve bu da soğuma sürecini etkileyebilir. Örneğin su dolu kapların konulduğu yüzeydeki buz tabakası sıcak su dolu kap tarafından eritilebilir ve daha etkili bir soğuma sağlanabilir. Ancak Npemba etkisi için bu da yeterli bir açıklama değildir.

Bu yetersiz açıklamalardan sonra Nanyang Teknoloji Üniversitesi’nden  Xi Zhang, Zengsheng Ma ve Chang Q Sun Npemba etkisini açıklamıştır. Bu araştırmacılara göre Npemba etkisi suyun sahip olduğu farklı bağların sahip olduğu özellikler nedeniyle gerçekleşmektedir.

Bir su molekülü kovalent bağlı büyük bir oksijen atomu ve küçük iki hidrojen atomunu içermektedir. Su moleküllerini bir arada tutmak için de hidrojen bağları da önemli bir rol oynamaktadır. Bir moleküldeki hidrojen atomu diğer bir moleküldeki oksijen ile yakınlaşır ve ona bağlanır. Hidrojen bağları kovalent bağlara göre göre daha zayıf ancak van der Waals kuvvetlerine göre ise daha güçlüdür. Hidrojen bağları sayesinde suyun kaynama noktası benzer molekül yapısına sahip diğer sıvılara göre daha yüksektir.

Xi ve arkadaşlarına göre Npemba etkisi de bu hidrojen bağlarından kaynaklanmaktadır.Hidrojen bağları su moleküllerini bir arada tutar ve O-H kovalent bağları gerilirek enerji depolar. Su ısıtıldıkça, hidrojen bağları gerilir ve su molekülleri ayrılmaya başlar. Bu ise kovalent bağların büzülmesine ve depolanan enerjinin açığa çıkmasına neden olur. Burada önemli olan nokta enerjinin açığa çıkma süreci soğuma sürecine eşdeğerdir. Öyle ki Xi ve arkadaşları sıcak suyun bu özelliğinden ötürü soğuk suya nazaran daha hızlı soğuyacağını söylemektedirler. Bu ise Npembda etkisini diğer önerilere göre daha iyi açıklamaktadır.

Kaynaklar:
http://math.ucr.edu/home/baez/physics/General/hot_water.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Mpemba_effect
http://tr.wikipedia.org/wiki/Mpemba_etkisi
https://medium.com/the-physics-arxiv-blog/why-hot-water-freezes-faster-than-cold-physicists-solve-the-mpemba-effect-d8a2f611e853
http://arxiv.org/abs/1310.6514

Termal İz Perdesi ve Termal Görünmezlik

thermal-cloaking

Henüz bilimsel araştırmalar ve teknolojik çalışmalar fiziki olarak görünmezliği sağlayamasa da Singapur Üniversitesi Fizik bölümünde bir araştırma grubu sıcaklık etkisini ortadan kaldırarak termal görünmezlik sağlanabileceğini keşfetti. Pek çok filme konu olan ve savunma sanayinde bir çığır açması beklenen bu buluş sıcaklık etkisinde yayılan radyasyonun engellenmesi esasına dayanmaktadır.

Termal İz Nedir? Termal Görünmezlik Mümkün mü?

termal görüntü

Singapur Üniversitesinde bulunan bir araştırma grubu cisimlerin sıcaklık etkisinde yaydığı radyasyonu perdeleyecek bir sistem geliştirmeyi başardı. Geliştirilen sistem içerisinde kullanılan perdeleme ile termal kamuflaj yani yanılsama cihazı oluşturuldu.

Termal iz adı verilen bu enerji, cisimlerin sahip olduğu sıcaklıklara bağlı olarak yaymış olduğu radyasyon olarak açıklanıyor. Bu radyasyonu algılama da kullanılan termal kameralar, her cismin sahip olduğu sıcaklık değerine göre yayılan radyasyonu belirlemektedir.

Araştırma kapsamında yapılan çalışmalar ise yayılan bu radyasyonun perdelenmesi yani engellenmesini sağlamakta. Eğer radyasyon engellenebilir ya da gizlenebilirse termal ( kızılötesi ) kameralarda tespit edilmeleri mümkün olmayacak. Fiziki olarak bir gizlenme sağlamasa da savunma sanayinde etkili bir ürün olarak kullanılması mümkün gözüküyor.

Termal Görünmezlik Mümkün mü?

Araştırmacılar tarafından geliştirilen cihaz herhangi bir cismin sıcaklığa bağlı olarak yaydığı radyasyonu engellemekte ve termal görünmezlik sağlamaktadır. Isı akışını önleyen bu cihaz radyasyon yayan cismin bulunduğu konumu gizleyerek ya da perdeleyerek sanal görüntüler oluşturmaktadır. Yine cisim tarafından yayılan kızılötesi ışıklar cihaz ile dönüştürülerek farklı konumlara aktarılabilmekte.

Termal Gizlilik ve Kamuflaj Cihazı Nasıl Çalışır?

İki aşama da sağlanan gizliliğin ilk aşamasında cisim tarafından yayılan radyasyon çift katmanlı bir perde tarafından gizlenerek engelleniyor. İkinci aşamaya geçildiğinde cismin gizlenmesini sağlayan sistem yeni bir hedef oluşturarak konumu değiştiriyor. Cihaz aracılığıyla termal kamera tarafından sağlanan görüntü sanal bir perde aracılığıyla yanılsama olarak görüntüleniyor.

Henüz test aşamasında olan bu sistemin en önemli özelliği ise büyük oranda doğada yer almayan ve karmaşık bir tasarım gerektiren materyallerin cihaz tarafından geliştirilmesi, bant genişliği ve polarizasyon gibi sınırlamaları ortadan kaldırmasıdır.

Kaynaklar

(1) http://www.sciencedaily.com/releases/2014/03/140311100322.htm

(2) http://news.nus.edu.sg/highlights/7493-nus-team-scores-a-first-with-effective-camouflage-and-invisibility-device

Isı ve sıcaklık kavramlarını biliyor muyuz?

Isı ve sıcaklık günlük yaşantıda sık sık kullanılan terimlerdir. Peki ama bunlar ne anlama gelir? En başta söylememiz gerekir ki ısı ve sıcaklık birbiri yerine kullanılabilecek eşdeğer kavramlar değildir.

Sıcak bir ortama bırakılan buz parçası belli bir müddet sonra erimeye başlar ve tamamen su haline dönüşür. Yanmakta olan ocağın üstünde bulunan su bir süre sonunda kaynamaya başlar. Yazın elektrik tellerinin boyu uzar ve teller sarkık bir hal alırlar. Kışın tellerin boyu kısalır ve gergin durur. Kısacası günlük hayatımızda ısı ve sıcaklık kavramları ile ilgili çeşitli değişiklikler meydana gelir.

Günlük hayatımızda nesneleri “sıcak” ve “soğuk” olarak niteleriz. Bazı nesneler daha sıcak iken bazı nesneler ise daha soğuk olarak da nitelenebilir. Hatta nesneleri birbiri ile kıyaslarken de bu ifadelerden faydalanırız. Markete gidip kola aldığımızda “Bunun daha soğuğu yok mu?” demişizdir.  Ya da benzer bir şekilde içtiğimiz çay belli süre sonunda içmezsek artık o çayı içmek istemediğimizi “Soğuk çay güzel olmuyor, en iyisi yenileyeyim bunu.” diyerek belirtiriz.

Isı ve sıcaklık kavramlarının aynı kavramlar olmadığını yukarıda belirtmiştik. Buna ek olarak sıcak ve sıcaklık kavramlarını da biririne karıştırmamak gerekiyor. “Sıcak” öznel bir değerlendirme iken “sıcaklık” başlı başına bir fizik kavramıdır. Sıcak teriminin zıt anlamlısı olarak “soğuk” terimini kullanabiliriz, ancak fizikte “Sıcaklık” kavramına zıt bir kavram olarak soğukluk kavramını kullanmayız.

Sıcak ve soğuk terimlerine bu kadar detaylı girmemizin nedeni “Sıcaklık” kavramını açıklarken ihtiyaç duyacağımız bu terimlerin “Sıcaklık” olarak adlandırdığımız kavramdan farklı kavramlar olduğunu vurgulamak içindi. Şimdi sıcaklık nedir onun hakkında konuşabiliriz. En kaba tabirle sıcaklık çevremizde yer alan nesnelerin ne kadar sıcak (veya ne kadar soğuk) olduğunun göstergesidir. Sıcak ve soğuk terimleri ise bizim sıcaklık değerlerini nitelemek için kullandığımız sıfatlardır ve aynı durum için farklı kişilerce farklı şekillerde nitelenebilirler. Örneğin bir içecek birisi için “soğuk” olarak nitelendirilebilirken, başka birisi için “sıcak” olarak nitelendirilebilir. Ilımış çayı bir çoğumuz “bu çay soğuk” diye nitelemişizdir. Ancak ondan daha soğuk olan bir kola da eğer bizim istediğimiz kadar soğuk değil ise “bu kola sıcak” diye nitelenebilir. Sıcaklık değerini daha somut olarak termometre ile ölçebiliriz. Bu durumda sıcaklık denilen şey “termometrenin gösterdiği değer” olarak da tanımlanabilir. Örneğin şuan bu yazının yazıldığı ortamın sıcaklığı 24 °C’dir. Bu durumda bu ortamın sıcaklığı yine kimileri için sıcak kimileri içinse soğuk olarak nitelendirilebilir. Fakat şimdi bu yazıyı yazarken içmiş olduğum kahve 60 °C. Ortamdan daha sıcak ve bu yazıyı bitirdiğim zaman soğumuş olacak. Ya da bu kahve fincanını hemen yanında duran su bardağına bitiştirirsem bir süre sonra kahvem soğuyacak ve bardakta bulunan su ise daha sıcak olacak. Kahve “daha sıcak” olsaydı, su da belli bir süre sonra şimdikinden çok daha sıcak olacaktı.

Şimdi daha farklı bir açıdan bakalım ve bu kahve fincanı ile su bardağı arasında ne oluyor da biri soğurken diğeri daha sıcak oluyor onu konuşalım. Sıcak olan kahve fincanı ile temas eden su bardağına “enerji” aktarılıyor ve bu aktarılan enerji su bardağında yer alan “soğuk” suyun daha “sıcak” hale gelmesini sağlıyor. İşte bu enerji aktarma süreci bizim fizikte “ısı” dediğimiz kavramdır. Isı sıcak nesnelerden soğuk nesnelere doğru enerji aktarılması olarak tanımlanabilir.

Bu açıdan bakınca sıcaklığı daha yeni bir şekilde tanımlayabiliriz: “Sıcaklık, nesnelerin etrafında bulunan diğer nesnelere termal enerji aktarabilme yetisinin bir ölçüsüdür”. Yani sıcaklık ne kadar fazla ise bu nesnenin etrafındaki nesnelere termal enerjisini aktarma ihtimali de o kadar fazladır.

Özet:

  • Isı ve sıcaklık birbirinden farklı kavramlardır
  • Sıcak ve sıcaklık birbirinden farklı kavramlardır
  • Bir maddenin sahip olduğu ısı diyemeyiz. Isı sıcaklıkları farklı nesneler arasında enerji aktarımı sürecidir.
  • Sıcaklık bir enerji değildir. Sıcaklık, nesnelerin etrafında bulunan diğer nesnelere termal enerji aktarabilme yetisinin bir ölçüsüdür.

Isı Transferi ve Yalıtım

Isı transferi üç yolla olur.

Kondüksiyon ya da iletim , madde veya cismin bir tarafından diğer tarafına ısının iletilmesi ile oluşan ısı transferinin bir çeşididir. Isı transferi daima yüksek sıcaklıktan, düşük sıcaklığa doğrudur. Yoğun maddeler genelde iyi iletkendirler; örneğin metaller çok iyi iletkenlerdir.

Konveksiyon ya da taşınım, katı yüzey ile akışkan arasında gerçekleşen ısı transferinin bir çeşididir. Akışkan içindeki akımlar vasıtası ile ısı transfer edilir. Akışkan içindeki veya akışkanla sınır yüzey arasındaki sıcaklık farklarından ve bu farkın yoğunluk üzerinde oluşturduğu etkiden doğabilmektedir.

Işınım yolu ile ısı transferi, fotonlar (elektromanyetik radyasyon) yolu ile olan ısı transferidir.
Yalıtkanlar, bu ısı transfer yöntemlerindeki ısı akışlarının düşürülmesi ile yalıtım sağlar. Örneğin; ince bir köpük (strafor) tabakası konveksiyon ve kondüksiyon ile olan ısı geçişini düşürür. Yansıtıcı bir metalik film veya beyaz boya ısıl yayınımı düşürür. Bazı malzemeler bir ısı transfer yöntemi için iyi bir yalıtkandır, fakat diğeri için kötü olabilir. Örneğin, metal bir tabaka ışınım için iyi bir yalıtkandır, fakat iletim için çok kötü bir yalıtkandır.

Yalıtım İhtiyacının Nedenleri
Çoğu ülkede, ısıtma ve soğutma işi için oldukça büyük miktarda enerji yani para harcanmaktadır. Evler ve binalar verimli ve doğru bir şekilde yalıtıldığında:

Enerji verimi artacak ve parasal olarak tasarruf sağlanacaktır.
Yalıtımın korunması için, ekstra bir güç ve maliyete gerek yoktur, kalıcıdır ve genelde bakım gerektirmez.
Konforu arttırır. Bina boyunca, sıcaklık dağılımı daha homojen olur.
Yalıtım, dışardan gelen gürültüyü emdiği için, ses yalıtımı da sağlar.
Genel bir kazanç olarak da, yalıtım sayesinde ısınma amacı ile yakılan yakıttan çevreye olan zararlı atık gaz geçişi azalmış olur.
Eğer bina kötü yalıtılmış ve kötü havalandırılıyorsa şu işaretler görülür:

Kış aylarında, taban altı ve tavan aralarında çiğlenme ve donmuş yüzeyler oluşur.
Yaz aylarında, tavan arası son derece sıcak ve bunaltıcı olur.
Yalıtımın mutlaka tüm bina ihtiyacı gözönünde bulundurularak yapılması gereklidir. Sadece yaşam mekanlarının yalıtımı, tavan ve taban yalıtımı olmadan doğru yalıtım şekli değildir. Bina ısısının sürekliliğini koruyabilmek için mutlaka ısı kaybı olan tüm alanların saptanması ve yalıtımda göz önünde bulundurulması gereklidir.

Isı Yalıtım Malzemeleri
 
Isı yalıtım malzemesi:PerlitBina ve tesisatlarda kullanılan ısı yalıtım malzemeleri ve standartları şu şekildedir:

Binalarda kullanılan ısı yalıtım malzemeleri ve ürün standartları:
Camyünü, TS 901 EN 13162
Taşyünü, TS 901 EN 13162
Ekspande Polistiren (EPS), TS 7316 EN 13163
Ekstrude Polistiren (XPS), TS 11989 EN 13164
Poliüretan (PUR), TS EN 13165
Fenol Köpüğü, TS EN 13166
Cam Köpüğü, TS EN 13167
Ahşap Lifli Levhalar, TS EN 13168
Genleştirilmiş Perlit (EPB), TS EN 13169
Genleştirilmiş Mantar(ICB) TS EN 13170
Ahşap yünü levhalar, TS EN 13171
Tesisatlarda kullanılan ısı yalıtım malzemeleri ve standartları:
Camyünü, prEN 14303
Taşyünü, prEN 14303
Elastomerik Kauçuk (FEF) prEN 14304
Cam Köpüğü (CG) prEN 14305
Kalsiyum Silikat (CS) prEN 14306
Ekstrüde Polistiren (XPS) prEN 14307
Poliüretan (PUR / PIR) prEN 14308
Ekspande Polistiren (EPS), prEN 14309
Polietilen Köpük (PEF), prEN 14313
Fenolik Köpük prEN 14314

İletkenler ve Yalıtkanlar

Yeryüzündeki bütün maddeler, atom ‘lardan oluşmuştur.Atom ise ortada bir çekirdek ve bunun etrafındaki değişik yörüngelerde hareket eden  elektronlardan oluşmaktadır.


Elektronlar, negatif elektrik yüküne sahiptirler.Bir etkime yolu ile atomdan ayrılan elektronların bir devre içerisindeki hareketi, elektrik akımını oluşturur. Elektronların her madde içerisindeki hareketi aynı değildir.


      Elektron hareketine göre maddeler üçe ayrılır:



  • İletkenler
  • Yalıtkanlar
  • Yarı iletkenler

       İletkenler

       İletkenlerin başlıca özellikleri:



  • Elektrik akımını iyi iletirler.
  • Atomların dış yörüngesindeki elektronlar atoma zayıf olarak bağlıdır. Isı, ışık ve elektriksel etki altında kolaylıkla atomdan ayrılırlar.
  • Dış yörüngedeki elektronlara Valans Elektron denir.
  • Metaller, bazı sıvı ve gazlar iletken olarak kullanılır.
  • Metaller, sıvı ve gazlara göre daha iyi iletkendir.
  • Metaller de, iyi iletken ve kötü iletken olarak kendi aralarında gruplara ayrılır.
  • Atomları 1 valans elektronlu olan metaller, iyi iletkendir. Buna örnek olarak, altın, gümüş, bakır gösterilebilir.
  • Bakır tam saf olarak elde edilmediğinden, altın ve gümüşe göre biraz daha kötü iletken olmasına rağmen, ucuz ve bol olduğundan, en çok kullanılan metaldir.
  • Atomlarında 2 ve 3 valans elektronu olan demir (2 dış elektronlu) ve alüminyum (3 dış elektronlu) iyi birer iletken olmamasına rağmen, ucuz ve bol olduğu için geçmiş yıllarda kablo olarak kullanılmıştır.

    Yalıtkanlar

    Elektrik akımını iletmeyen maddelerdir.Bunlara örnek olarak cam, mika, kağıt, kauçuk, lastik ve plastik maddeler gösterilebilir.

    Elektronları atomlarına sıkı olarak bağlıdır.Bu maddelerin dış yörüngedeki elektron sayıları 8 ve 8 ‘e yakın sayıda olduğundan atomdan uzaklaştırılmaları zor olmaktadır.

Termometreler

Sıcaklık termometre ile ölçülür.

Termometre çeşitleri:

1.Celcius termometresi(°C): Suyun
donma noktası 0°C, kaynama noktası 100°C olarak kabul
edilir.

2.Fahrenheit termometresi(°F): Suyun donma noktası 32°F,
kayna noktası 212°F olarak alınır.

3.Reaumur termometresi(°R):
Suyun donma noktası 0°R, kaynama noktası 80°R olarak kabul
edilir.

4.Kelvin termometresi(°K): Suyun donma noktası 273°K,
kaynama noktası 373°K olarak kabul edilir.


Her hangi bir termometre birimi ile ölçülen değer aşağıdaki formül
yardımıyla diğer birimlere dönüştürülebilir.

Isı İletimi

Isı Alışverişi: Birbiriyle temas halinde bulunan sıcaklıkları farklı iki madde arasında ısı alışverişi olur. Sıcak medde ısı vererek soğurken, soğuk madde de bu ısıyı alarak sıcaklığı artar. Bu olay sıcaklıklar eşitleninceye kadar devam eder. Böyle bir olayda;

Alınan ısı=Verilen ısı

QALINAN=QVERİLEN

Eğer hal değiştirme yoksa;


olur.
 Burada Δt ler pozitif olacak şekilde düzenlenmelidir. Varsa hal değiştirmeler de hesaba katılmalıdır.

ISININ YAYILMASI:

Isı bir yerden başka bir yere üç yolla yayılır.

1. Isının iletimle yayılması: Katı maddelerde ısı bu yolla yayılır. Maddenin atomları ısıyı birbirine aktarır. Böylece ısı bir noktadan diğerine taşınmış olur.

2. Isının madde akımı(konveksiyon) ile yayılması: Bu tür yayılma, ısınan hava ve sıvı moleküllerinin diğer moleküllerle yer değiştirmesi ile olur.

3. Isının Işıma ile yayılması: Isının etrafa enerji dalgaları şeklinde yayılmasıdır(ışık gibi). Bunun için maddesel bir ortam gerekmez, yani ısı bu şekilde boşlukta da yayılabilir. Güneşin dünyayı ısıtması buna örnektir. Isı parlak yüzeyler tarafından yansıtılırken, mat yüzeyler tarafından soğutulurlar.

Isınan Maddelerde Genleşme

Genleşme genişleme anlamından gelir. Sıcaklığı artırılan bir cismin uzunluk ya da hacminin değişmesi olayıdır. Katıları, sıvıları ya da gazları oluşturan
tanecikler, ortalama konumları çevresinde sürekli çalkalanma halindedirler. Bu cisimlerden birine ısı biçiminde enerji verilirse, bu enerji kinetik enerji ye dönüşür; dolayısıyla, kinetik enerjisi artan tanecikler daha şiddetle çalkalanır ve daha geniş alana yayılmaya çalışırlar; yani sıcaklığı yükselen cisim (katı,sıvı, gaz) aynı zamanda genleşir.

KATILARDA GENLEŞME

Dışarıdan ısı alan maddenin taneciklerinin kinetik enerjisi, dolayısıyla taneciklerin titreşim hızı artar. Tanecikler birbirinden uzaklaşmaya başlar. Bu olay genleşme adı ile anılır. Tersine olarak madde dışarıya ısı verdiğinde (madde soğutulduğunda) maddenin taneciklerinin kinetik enerjisi, dolayısıyla taneciklerin titreşim hızı azalır ve maddenin hacmi küçülür.

Maddelerin genleşmesi ya da tersine büzülmesi sırasında büyük kuvvetlerin ortaya çıkması, tren raylarında, köprü gibi yapılarda hasarlara neden olmaktadır. Bu yüzden tren yaylarının eklenti yerlerinde boşluklar bırakılır, köprüler demir makaralar üzerine oturtulur. Çevremizdeki bu tür yapıları gözlemleyerek genleşme ile ilgili bir çok örnekler bulabiliriz.


BOYCA UZAMA Bir metal çubuğun ısıtılmadan önceki ilk boyu, l0 olsun. Bu metal çubuğu ısıttığımızda boyu uzayarak son boyu l olur. Boyca uzama miktarı (Δl);

ΔL =l-l0 = L0.λ.Δt bağıntısıyla bulunur.

Burada, l0 :Metalin ilk boyu.
λ:Metalin boyca genleşme katsayısı.
Δt = tson-tilk:Metalin ısıtılmadan önceki sıcaklığı ile ısıtıldıktan sonraki sıcaklığının farkıdır.



YÜZEYCE GENLEŞME Bir metal levhanın ısıtılmadan önceki ilk yüzeyi S0 olsun. Bu metal levhayı ısıttığımızda, yüzey artarak son yüzeyi S olur.

ΔS = S-S0.2 λ.Δt bağıntısıyla hesap edilir.

Burada;
S0:Metalin ilk yüzü.
2λ:Yüzeyce genleşme katsayısı (Boyca genleşmenin iki katıdır.)
Δt = tson-tilk :Sıcaklık farkıdır



HACİMCE GENLEŞME Metal bir kürenin ısıtılmadan önceki ilk hacmi V0 olsun.Bu metal küreyi ısıttığımızda son hacmi V olur. Hacimce genleşme miktarı ΔV,

ΔV = V-V0 =V0.3λ.Δt bağıntısıyla hesap edilir.Burada;
V0:Metal kürenin ilk hacmi.
3λ:Hacimce genleşme katsayısı (Dikkat edilirse boyca genleşme katsayısının üç katıdır.)
Δt = tson-tilk : Sıcaklık farkıdır.

 


SIVILARDA GENLEŞME

Katı maddelerin genleşmelerini gördük, benim aklıma şu soru geldi, peki sıvı maddelerde de genleşme olur mu? Tabi ki olur şimdi birlikte bu konuyu işleyelim. Öncelikle şu sorulara cevap bulmaya çalışalım.

Ağzına kadar dolu bir çaydanlık ısıtıldıkça neden taşar?

Termometrelerde cıva veya alkol seviyesi sıcaklık değişmelerinde neden yükselip alçalır?

Bu ve bunun gibi sorulara, bilimsel alarak daha iyi cevaplar verebilmemiz için, sıvıların davranışlarını incelememiz gerekir. Ama bir sorunumuz var. Sıvıların ısıtılmadaki davranışlarını, katılarda olduğu gibi inceleyemeyiz. Çünkü, sıvıları katılar gibi şekillendirmek, örneğin boru haline getirmek imkansızdır. Bu yüzden, sıvıların, bir kap içinde incelenmeleri gerekir.

Sıvıların genleşmesinden sıvılı termometrelerde, sıcak su kazanlarında, termosifonlarda ve kalorifer sistemlerinde yararlanılır. Sıvıların genleşme miktarı aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır.

ΔV = V. a. Δt

Bağıntıda ΔV sıvının hacimce genleşme miktarı, V sıvının ilk hacmi, a sıvının hacimce genleşme katsayısıdır.


GAZLARDA GENLEŞME

Şimdi de gazların ısı etkisiyle genleşmelerini ele alalım. Şu soruları cevaplamaya çalışalım. Soba üzerinde tutulan şişirilmiş bir balon niçin büyür ve hatta patlar? 1783 yılında Montgolfier kardeşler, balonlarını uçurabilmek için, balonun açık alt kısmında ateş yakmışlardır. Niçin? Bu sorulara bulacağımız cevaplar bize, gazlarda da hacmin, katı ve sıvılarda olduğu gibi sıcaklıkla arttığı kanısını vermekte.
Sıcaklıkla genleşme, gazdan gaza değişmemektedir.
 


METAL ÇİFTİ

Farklı metallerden yapılmış eşit uzunluktaki iki çubuk bir birine perçinlenerek metal çifti yapılabilir. Bu iki çubuk, perçinli oldukları için ısıtıldıklarında bağımsız olarak hareket edemezler. Fakat uzama katsayıları bir birinden farklı oldukları için biri diğeri üzerine bükülür.

Metal çiftlerinin birçok kullanım alanları vardır. Bunların en önemlisi elektrik termostatlarıdır. Termostat sıcaklığı kontrol altına alarak sabit bir değerde tutmaya yarayan bir alettir. Elektrikli şofben, elektrikli ütü, evlerdeki radyatör türü ısıtıcılar termostatlı aletlerdir.

Bu aletlerde sıcaklık arttığında metal çifti bükülür ve devreyi keser. Bir süre soğuyunca metal çifti soğuyarak eski durumuna gelir ve devreyi tamamlar. Isıtıcı çalışmaya başlar. Böylece aletin sabit sıcaklıkta çalışması sağlanır.

Yangın alarmlarında sıcaklık arttığında metal çifti yukarı bükülerek elektrik devresini kapatır ve zil çalar. Aynı zamanda metal termometrelerde ve flaşörlerde metal çiftleri kullanılarak yapılan araçlardır.

Hal Değiştirme

Bir maddenin katı, sıvı ve gaz halleri arasında geçişler yapmasına hal
değiştirme denir.


Erime: Bir maddenin katı halden sıvı hale geçmesine erime,
erimenin meydana geldiği sıcaklığa erime sıcaklığı denir.

Donma:
Bir maddenin sıvı halden katı hale geçmesine donma, donmanın meydana geldiği
sıcaklığa donma sıcaklığı denir.

Kaynama: Bir maddenin sıvı halden
gaz hale geçmesine kaynama, kaynamanın meydana geldiği sıcaklığa kaynama
sıcaklığı denir. Kaynama ile buharlaşma aynı şey değildir. Buharlaşma her
sıcaklıkta olurken kaynama belirli bir sıcaklıkta olur. Kaynama buharlaşmanın en
yoğun olduğu andır.

Yoğunlaşma: Bir maddenin gaz halden sıvı hale
geçmesine yoğunlaşma, yoğunlaşmanın meydana geldiği sıcaklığa yoğunlaşma
sıcaklığı denir.

Süblimleşme: bir katının sıvı hale geçmeden gaz
hale geçmesine süblimleşme denir. Naftalin ve tuvaletlerde kullanılan katı koku
gidericiler buna örnektir.

Hal değiştirme ısısı(L): 1gram maddeyi bir halden başka bir
hale geçirmek için ona verilmesi veya ondan alınması gereken ısıdır.

Eğer
madde eriyorsa erime ısısı(Le), kaynıyorsa kaynama
ısısı(Lk) adını alır.

Özısı(c): 1 maddenin 1gramının
sıcaklığını 1°C değiştirmek için ona verilmesi veya ondan alınması gereken
ısıdır.

Hal değişimi sırasında erime ve kaynama noktalarında bir süre
sıcaklık değişmez alınan ısı moleküllerin arasındaki bağları çözmek için
harcanır. Bu noktalarda harcanan enerji aşağıdaki gibi hesaplanır.

Q =
m.L

Q = ısı
m = kütle
L = Bu harlaşma yada erime erime
ısı.

Hal değişiminde yukarıda anlatılan süre dışında harcanan ısı
enerjisi miktarı aşağıdaki formül ile hesaplanır.
Q=m.c.Δt

Q = ısı
m = kütle
c = öz
ısı
Δt= sıcaklık değişimi


Hal Değiştirme İle İlgili Özellikler:

1. Hal
değiştirme süresince sıcaklık sabit kalır.

2. Bir madde için
;
erime sıcaklığı=donma sıcaklığı
kaynama sıcaklığı=yoğunlaşma
sıcaklığı
erime ısısı=donma ısısı
kaynama ısısı=yoğunlaşma
ısısı’dır.

3. Her maddenin belirli bir basınç altında belirli bir
erime noktası vardır. Erime sırasında hacmi artan maddeler de donma noktası
basıncın artmasıyla artar. Erime sırasında hacmi azalan maddelerin donma noktası
basıncın artmasıyla azalır, yani daha düşük sıcaklıklarda donar. Buzun üzerine
basıldığında 0°C den daha düşük sıcaklıklarda da erimesi buna
örnektir.

4. Her sıvının belirli bir basınç altında belirli bir
kaynama noktası vardır. Basınç azaldıkça kaynama noktası düşer. Çünkü kaynama
buhar basıncı ile dış ortam basıncın eşitlendiği anda başlar. Yükseklere
çıkıldıkça atmosfer basıncı azaldığından kaynama noktası düşer.

5.
Isı çoğaldıkça buharlaşma kolaylaşır.

6. Hava akımı buharlaşmayı
kolaylaştırır.

7. Sıvı yüzeyi genişledikçe buharlaşma
kolaylaşır.

8. Basınç azaldıkça buharlaşma
kolaylaşır.

9. Erime, donma, kaynama, yoğunlaşma sıcaklıkları,
özısı, hal değiştirme ısıları maddenin ayırt edici özelliklerindendir.