Bir maddenin “ısısı” yoktur
“Çocuğun vücut ısısı 39 derece”, “ısı termometreyle ölçülür”, “atmosferdeki ısı artışı”… Üçü de yanlış. Isı bir maddenin sahip olduğu şey değil, iki madde arasında aktarılan enerjidir. Bu sayfada sıcaklık, ısı ve iç enerji üçlüsünü birbirinden ayıracak, sonra sıcaklığı ölçen beş termometre türünü ve üç ölçeği tanıyacaksın.
Tüm maddeler taneciklerden (atom veya molekül) oluşur. Sıcaklığı 0 kelvinden (yaklaşık –273 °C) büyük olmak şartıyla maddeyi oluşturan tanecikler; sürekli dönme, öteleme veya titreşim hareketi yapar. Bu hareketler taneciklerin kinetik enerjisini oluşturur. Atom ve molekülleri birbirine bağlayan kimyasal bağlar da maddenin elektriksel potansiyel enerjisine ve bağlanma enerjisine katkı sağlar. Isı, sıcaklık ve iç enerji kavramları maddeyi oluşturan taneciklerin sahip olduğu bu enerjilerle doğrudan ilişkilidir.
Üç hareket türünü ayırt et: öteleme (tanecik bir yerden başka yere gider), dönme (kendi ekseni etrafında döner), titreşim (yerinde ileri geri sallanır). Katılarda ağırlıklı olarak titreşim, gazlarda üçü birden görülür.
Maddeyi oluşturan her bir taneciğin ortalama kinetik enerjisinin göstergesine sıcaklık denir. SI’da birimi kelvin (K) olan sıcaklık, termometre ile dolaylı yoldan ölçülür.
Tanımdaki iki sözcük sınavda ayırt eder: ortalama (toplam değil!) ve gösterge. Sıcaklık, taneciklerin kaç tane olduğuna bakmaz; bir bardak kaynar su ile bir kova kaynar su aynı sıcaklıktadır.
Maddeyi oluşturan her bir taneciğin ortalama kinetik enerjisinin bir göstergesidir.
SI’daki birimi: kelvin
Sıcaklık termometre ile dolaylı yoldan ölçülür.
Aralarındaki sıcaklık farkı nedeniyle bir cisimden veya sistemden diğerine aktarılan enerjidir.
Isının SI’daki birimi: joule
Isı, kalorimetre kabı ile dolaylı yoldan ölçülür.
Maddeyi oluşturan tüm taneciklerin toplam enerjisidir.
Tanecikler arası etkileşimlerden dolayı oluşan her türlü enerji iç enerjinin bileşenlerinden biridir.
Taneciklerin gerçekleştirdiği öteleme, dönme ve titreşim hareketiyle oluşan kinetik enerji iç enerjinin bileşenlerindendir.
Isı maddeler arasında aktarılan enerji olduğundan maddelerin sahip olduğu ısıdan bahsedilemez.
Bu yüzden “bu suyun ısısı ne kadar?” sorusu anlamsızdır. Doğru sorular şunlar: “sıcaklığı kaç derece?”, “iç enerjisi ne kadar?”, “bu suya ne kadar ısı verildi?”
Isı aktarımının yönü, sıcaklığı fazla olan maddeden sıcaklığı düşük olan maddeye doğrudur. Aktarım sonucu ısı alan ya da veren maddenin iç enerjisi kesinlikle değişir.
Isının hangi yollarla aktarıldığı (iletim, konveksiyon, ışıma) bir sonraki ünitelerin konusu. Şimdilik bilmemiz gereken tek şey yönü: sıcaktan soğuğa, hiçbir zaman tersi değil.
İç enerji, maddeyi oluşturan tüm taneciklerin toplam enerjisidir. Bu enerji; taneciklerin hareketinden kaynaklanan kinetik enerji, yüklerinden dolayı sahip oldukları elektriksel potansiyel enerji ve tanecikler arasındaki etkileşimlerden kaynaklanan enerjiler olmak üzere farklı türdeki enerjilerin toplamından oluşur.
Bir maddenin ya da sistemin iç enerjisi, madde miktarına ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. Örneğin aynı sıcaklıktaki bir bardak suyla bir kova dolusu suyun iç enerjisi farklı olup kovadaki suyun iç enerjisi bardaktaki suyun iç enerjisinden büyüktür. Benzer şekilde aynı miktarda ama sıcaklıkları farklı sulardan sıcaklığı yüksek olan suyun iç enerjisi diğerinin iç enerjisinden daha büyüktür.
Tüm maddelerin iç enerjisi vardır.
Aynı ortamdaki K, L ve M kaplarında su var: K = 300 g, 20 °C · L = 300 g, 60 °C · M = 200 g, 20 °C.
a) İç enerji, maddenin taneciklerinin sahip olduğu toplam enerjidir. Maddenin cinsine, kütlesine ve sıcaklığına bağlıdır. Aynı cins ve aynı sıcaklıktaki iki maddeden kütlesi fazla olanın tanecik sayısı da fazla olacağından iç enerjisi daha büyük olur. Aynı cins ve eşit kütleli iki maddeden sıcaklığı fazla olanın tanecikleri daha fazla titreşeceğinden iç enerjisi daha büyük olur. Buna göre iç enerjiler arasındaki büyüklük ilişkisi L > K > M olur.
b) Isı, aralarındaki sıcaklık farkı nedeniyle bir cisimden veya sistemden diğerine aktarılan enerjidir. Maddelerin ısısından söz edilemez. Bu nedenle böyle bir karşılaştırma anlamsızdır.
Sıralamanın mantığı: K ile L kütlece eşit, sıcaklığı büyük olan L kazanır. K ile M sıcaklıkça eşit, kütlesi büyük olan K kazanır. Bu yüzden L > K > M.
| SICAKLIK | ISI | İÇ ENERJİ | |
|---|---|---|---|
| Nedir | ortalama kinetik enerjinin göstergesi | aktarılan enerji | taneciklerin toplam enerjisi |
| SI birimi | kelvin (K) | joule (J) | joule (J) |
| Ölçen araç | termometre | kalorimetre kabı | doğrudan ölçülmez |
| Madde “sahip olur” mu? | evet | hayır | evet |
| Kütleye bağlı mı? | hayır | aktarılan miktar bağlı olabilir | evet |
| Örnek cümle | “Suyun sıcaklığı 60 °C.” | “Sudan bardağa ısı geçti.” | “Kovadaki suyun iç enerjisi daha büyük.” |
Günlük dilde “ısı” sözcüğü neredeyse her zaman sıcaklık yerine kullanılıyor. Haber bültenleri, ilaç prospektüsleri, hatta doktorlar bile “vücut ısısı” diyor. Fizik dilinde bu yanlıştır ve sınavda doğrudan sorulur.
Karar vermek için tek bir soru yeter: “Bu, bir maddenin sahip olduğu bir özellik mi, yoksa iki madde arasında aktarılan bir şey mi?”
1. Alıştırma. Her satırda tek hücre doğru; işaretle, sonra “Denetle”ye bas. Altta doğru kullanımların tamamı yazılı.
Boşluk doldurma cümleleri, karışık sırada geliyor. Her cevaptan sonra kısa açıklama çıkıyor.
Sıcaklığı değişen bir maddenin boyutu, basıncı, elektrik direnci gibi birtakım özellikleri de değişir. Ayrıca canlı ya da cansız, sıcaklığı 0 K’den yüksek olan her madde insan gözünün algılayamadığı kızılötesi ışınlar yayar. Sıcaklıkla birlikte maddede meydana gelen değişimleri algılayan ve bu sayede maddelerin veya ortamların sıcaklığını ölçen araçlara termometre denir.
“Dolaylı ölçüm” tam olarak bu demek: termometre taneciklerin kinetik enerjisini doğrudan ölçmez; sıcaklık değişince değişen başka bir şeyi (sıvı boyu, metalin uzaması, gaz basıncı, direnç, yayılan ışın) ölçüp sıcaklığa çevirir.
Termometreler, kullanım amacına göre farklı maddelerden üretilir. Termometrelerde kullanılan maddenin seçiminde maddenin erime ve kaynama sıcaklığı ile basınç ve direnç değişimleri dikkate alınır. Kullanım amacına göre termometreler; sıvılı, metal, gazlı, kızılötesi ve dijital olmak üzere beş gruba ayrılır.
Her termometre türünün diğerlerine göre avantaj ve dezavantajları bulunur. Doğru sıcaklık ölçümü yapabilmek için ortama en uygun termometre seçilmelidir.
Sıvılı, metal ve gazlı termometreler maddenin genleşme özelliğinden yararlanarak sıcaklık ölçümü yapar.
Sıvılı termometreler, yapımında kullanılan sıvının donma ve kaynama sıcaklıkları arasında ölçüm yapabilir. Yaygın olarak vücut sıcaklığını ve ortam sıcaklıklarını ölçmek için kullanılır.
Metal termometreler, erime sıcaklığı yüksek olan metallerden yapılır. Metal termometrelerin çalışma ilkesi, sıcaklığı artan metalin genleşmesi ilkesine dayanır. Bu termometreler, çok düşük sıcaklıklarda hassas ölçüm yapamaz. Yaygın olarak yüksek sıcaklıklarda çalışan termostatlarda, fırınlarda ve yüksek endüstriyel sıcaklık ölçümlerinde kullanılır.
Gazlı termometreler, sabit hacimdeki gaz basıncının sıcaklıkla değişimi prensibine göre çalışan ve hassas ölçüm yapabilen termometrelerdir. Bu termometreler, içinde kullanılan gazın cinsine bağlı olarak 1 K gibi çok düşük sıcaklıkları ölçebilir. Gazlı termometreler, genellikle laboratuvarlarda ve hassas endüstriyel sıcaklık ölçümlerinde kullanılır.
Kızılötesi termometreler, cisimlerin yüzeyinden yayılan kızılötesi ışınları algılayarak sıcaklık ölçümü yapar. Bu nedenle cisimlere temas etmeden sıcaklık ölçümü yapabilir. Genellikle kamuya açık alanlarda, sağlık kurumlarında, gıda üretim tesislerinde ve sıcaklığı nedeniyle yanına yaklaşılması tehlikeli olan ortamlarda sıcaklık ölçümü için kullanılır.
Dijital termometrelerin yapımında direnci sıcaklıkla değişen devre elemanları kullanılır. Bu devre elemanlarının sıcaklık değişimlerindeki tepki süreleri uzundur. Diğer bir deyişle bu termometreler ani sıcaklık değişimlerini yakalayamaz. Dijital termometreler, günlük hayatta vücut sıcaklığını ölçmek için sıkça kullanılır.
Kızılötesi ve dijital termometreler; sıvılı, metal ve gazlı termometrelere göre çok daha hassas ölçümler yapabilir.
2. Alıştırma üç ortam soruyor. Gerekçeleriyle:
Genel kural: sıvılı termometre, ancak içindeki sıvının donma ve kaynama sıcaklıkları arasında ölçüm yapabilir. Termometre seçiminin birinci ölçütü budur.
Sıvılı termometrelerin ölçeklendirilmesi birbirinden farklı olabilir. Ölçeklendirmede suyun donma ve kaynama sıcaklıkları temel alınır. Kelvin ölçeğinde suyun donma sıcaklığı 273 K, kaynama sıcaklığı 373 K kabul edilirken Celcius (Selsiyus) ölçeğinde suyun donma sıcaklığı 0 °C, kaynama sıcaklığı 100 °C kabul edilir. Fahrenheit (Fahrenhayt) ölçeğinde ise suyun donma sıcaklığı 32 °F, kaynama sıcaklığı 212 °F alınır.
Ders kitabı yalnız iki sabit noktayı veriyor. Ölçekler eşit aralıklı olduğu için aradaki bağıntı bu iki noktadan çıkarılabilir:
T(K) = T(°C) + 273
Denetim: 0 °C → 273 K ✓ · 100 °C → 373 K ✓ — iki nokta da tutuyor.
T(°F) = 1,8 · T(°C) + 32
Denetim: 0 °C → 32 °F ✓ · 100 °C → 1,8 · 100 + 32 = 212 °F ✓
1,8 sayısı nereden geliyor? Suyun donma ile kaynama noktası arasında Celsius ölçeği 100, Fahrenheit ölçeği 212 − 32 = 180 bölmeye ayrılmış. 180 / 100 = 1,8. Yani 1 °C’lik değişim, 1,8 °F’lik değişime karşılık gelir.
Celcius ölçeklendirmeli termometreler dünyada ortam sıcaklıklarının ölçümünde Fahrenheit ve Kelvin ölçeklendirilmeli termometrelere göre daha çok kullanılır. Fahrenheit termometresinin bölme sayısı Celcius ve Kelvin termometrelerine göre daha fazladır. Termometrelerde bölme sayısının fazla olması hassas ölçümleri mümkün kılar. Bu nedenle birçok ülke, sağlık alanında Fahrenheit ölçeklendirmeli termometreler kullanır. Bilimsel çalışmalarda ise Kelvin ölçeklendirmeli termometreler tercih edilir.
Kelvin ile Celsius’un bölme aralığı aynıdır (ikisinde de 100 bölme); ikisi arasındaki tek fark başlangıç noktası. Bu yüzden bir sıcaklık farkı her iki ölçekte de aynı sayıyla ifade edilir: 20 °C’lik artış = 20 K’lik artış. Bir sonraki ünitede Q = m · c · ΔT hesaplarken bu çok işe yarayacak.
Kelvin ölçeğinin sıfırı keyfî değil: 0 K, taneciklerin hareketinin durduğu kabul edilen sıcaklıktır ve yaklaşık –273 °C’a karşılık gelir. İlk cümledeki “sıcaklığı 0 kelvinden büyük olmak şartıyla” koşulu buradan geliyor.
Bunun bir sonucu var: Kelvin ölçeğinde negatif sıcaklık yoktur. Sınavda “–5 K” gibi bir değer görürsen o şık elenir.
Annen alnına dijital termometreyi tutup “ateşin var” diyor. Ölçtüğü şey vücut sıcaklığın; “vücut ısısı” değil. Termometre bir süre beklemek ister çünkü dijital termometrelerin tepki süreleri uzundur, ani değişimleri yakalayamaz.
Alnına değmeden ölçüm yapan alet kızılötesi termometredir. Vücudundan yayılan ve gözle görülemeyen kızılötesi ışınları algılar. Sıcaklığı 0 K’den yüksek olan her madde bu ışınları yayar — sen de yayıyorsun.
Sıcak çay bardağını tuttuğunda elin ısınır. Aktarılan şey ısıdır, çünkü bardakla elin arasında sıcaklık farkı var. Bardağın ısısı yoktur; bardağın sıcaklığı ve iç enerjisi vardır, ısı ise ikisi arasında akan enerjidir.
Sunucu “yarın hava sıcaklığı artacak” derse doğru konuşuyordur; “havalar ısınacak” demesi de doğrudur (ısınmak bir eylemdir). Ama “atmosferin ısısı artacak” derse yanlış: atmosfer ısıya sahip olamaz.
Fırının kadranındaki 180 °C’lik ayarı yapan parça bir termostattır ve içinde çoğunlukla metal termometre ilkesi çalışır: ısınan metal genleşir, belli bir uzamada devreyi keser. Yüksek sıcaklıkta çalışabildiği için tercih edilir.
Basketbol maçında ayağını burktuğunda üstüne buz torbası koyarlar. Buz “soğukluk vermez”; senin ayağından buza ısı geçer. Isı her zaman sıcaktan soğuğa akar, tersi olmaz.
Bir kase çorbayla ondan alınan bir kaşık çorbanın sıcaklığı aynıdır, ama kasedekinin iç enerjisi çok daha büyüktür: tanecik sayısı fazla. Bu ikisini ayırmanın en kolay örneği budur.
Uzun oyun oturumundan sonra telefonun arkası ısınır. Pil ve işlemcideki elektrik enerjisi taneciklerin hareketine dönüşür, telefonun iç enerjisi ve dolayısıyla sıcaklığı artar; sonra elinden ve havadan ısı olarak dışarı akar.
Yabancı bir dizide “bugün 70 derece” diyorsa panik yapma: Fahrenheit konuşuyorlar. T(°C) = (70 − 32) / 1,8 ≈ 21 °C — yani ilkbahar havası.
İç enerji, ısı, sıcaklık kavramları ve termometreler üzerine test
Maddeyi oluşturan her bir taneciğin ortalama kinetik enerjisinin göstergesine sıcaklık denir. SI birimi kelvin (K), termometre ile dolaylı yoldan ölçülür.
Isı, aralarındaki sıcaklık farkı nedeniyle bir maddeden veya sistemden diğerine aktarılan enerjidir. SI birimi joule (J), kalorimetre kabı ile dolaylı yoldan ölçülür.
Maddelerin sahip olduğu ısıdan bahsedilemez.
İç enerji, maddeyi oluşturan tüm taneciklerin toplam enerjisidir: kinetik enerji + elektriksel potansiyel enerji + tanecikler arası etkileşim enerjileri. Tüm maddelerin iç enerjisi vardır.
Madde miktarına ve sıcaklığa bağlıdır. Aynı sıcaklıkta kova > bardak; aynı kütlede sıcak su > soğuk su.
K: 300 g / 20 °C · L: 300 g / 60 °C · M: 200 g / 20 °C → L > K > M
Isı aktarımının yönü, sıcaklığı fazla olan maddeden sıcaklığı düşük olan maddeye doğrudur. Aktarım sonucu ısı alan ya da veren maddenin iç enerjisi kesinlikle değişir.
Sıcaklıkla birlikte maddede meydana gelen değişimleri algılayan ve maddelerin veya ortamların sıcaklığını ölçen araçlara termometre denir. Beş tür: sıvılı · metal · gazlı · kızılötesi · dijital.
Genleşme: sıvılı, metal, gazlı.
Kızılötesi ışın: kızılötesi (temassız).
Direnç değişimi: dijital (tepkisi yavaş).
Kızılötesi ve dijital; sıvılı, metal ve gazlı termometrelere göre çok daha hassastır.
Suyun donması: 273 K · 0 °C · 32 °F
Suyun kaynaması: 373 K · 100 °C · 212 °F
T(K) = T(°C) + 273
T(°F) = 1,8 · T(°C) + 32
Ortam sıcaklığı: Celsius (dünyada en yaygın).
Sağlık: birçok ülkede Fahrenheit — bölme sayısı fazla olduğu için hassas.
Bilimsel çalışmalar: Kelvin.
“Vücut ısısı”, “ısı termometreyle ölçülür”, “atmosferdeki ısı artışı” — üçü de yanlış. Derece ile söylenen her şey sıcaklık; “verdi / aldı / geçti” denen her şey ısı.