9. SINIF FİZİK · ÜNİTE 22 · ISI AKTARIM YOLLARI

Bir ortamdan başka bir ortama ısı aktarımı üç farklı yolla gerçekleşir. Bu yollar; iletim, konveksiyon ve ışımadır.

Üçünün de sebebi aynıdır: sıcaklık farkı. Isı her zaman sıcak olandan soğuk olana akar; bu üç yol, ısının hangi taşıyıcıyla yol aldığını anlatır.

Düğmelere bas: aynı sıcak–soğuk kutusunda üç yolun taneciklere ne yaptırdığı ayrı ayrı canlanıyor.

• • Maddesel ortam gerekli mi? İletim ve konveksiyonda gerekli, ışımada gerekli değil.
• • Madde yer değiştiriyor mu? İletimde hayır (tanecikler yerinde titreşir), konveksiyonda evet (akışkanın kendisi taşınır).

Bu iki soru üçünü de birbirinden ayırır; sayfanın geri kalanı bu iki sorunun ayrıntısıdır.

Maddeyi oluşturan tanecikler arası uzaklık, maddenin fiziksel hâline göre değişiklik gösterir. Katı maddelerin tanecikleri sıvı taneciklerine, sıvı tanecikleri de gaz taneciklerine göre birbirine daha yakındır. Dışarıdaki herhangi bir kaynaktan ısı alan katı taneciğinin titreşim hızı artar. Titreşim hızının artması, komşu tanecikleri etkileyerek onların da hızının artmasına neden olur. Isının bu şekilde tanecikten taneciğe aktarılarak yayılmasına ısının iletim yoluyla yayılması denir.

Tanecikleri arasındaki mesafeler katılara göre daha fazla olduğu için sıvı ve gazlarda ısının iletim yoluyla yayılması zordur. Bu durum, sıvı ve gazlarda iletim yoluyla ısı aktarımının hiç olmayacağı anlamına gelmez.

Bir noktanın altı özellikle çiziliyor: sıvı ve gazda iletim zordur, yok değildir. “Gazlarda iletim olmaz” cümlesi yanlıştır.

“Isı iletildi” demek “madde taşındı” demek değildir. Metal kaşığın sapı ısınırken kaşığın çorbaya batan ucundaki metal, sapa doğru gitmez. Yerinde duran her tanecik daha hızlı titreşir ve komşusunu hızlandırır; hareket eden şey enerjidir.

Tersi de tuzaktır: bir odada sıcak hava tavana çıkarken havanın kendisi yer değiştirir — orada iletim değil konveksiyon vardır.

Sıvı veya gaz gibi akışkanlarda taneciklerin yer değiştirmesiyle ısının akışkan içinde yayılmasına ısının konveksiyon yoluyla yayılması denir. Akışkan ısıtıldığında ısının akışkana temas ettiği bölgelerde taneciklerin titreşim hızı ve aralarındaki mesafe artar. Sıcaklığın arttığı bu bölgelerde akışkanın yoğunluğu azalır. Yoğunluğu azalan tanecikler yukarıya, üstte bulunan ve yoğunluğu daha fazla olan tanecikler aşağıya doğru hareket eder. Bu olaya sürüklenme denir.

Yoğunluğu azalan sıcak tanecikler yukarı çıkarken aldığı enerjiyi de beraberinde taşır. Bu hareket sırasında sıcak ve soğuk tanecikler birbiriyle çarpışır ve çarpışma anında yüksek enerjili tanecikler enerjisinin bir kısmını soğuk taneciklere aktarır. Bu olaya da yayılma denir. Konveksiyon, “sürüklenme” ve “yayılma” hareketlerinin birleşimidir.

Örnek: sobada yanan odunların oluşturduğu ısının tüm odaya yayılması ve ocakta bulunan tencere içindeki suyun ısınması.

Sınavda sık sorulan cümle şudur: konveksiyon = sürüklenme + yayılma. Yalnız birine konveksiyon denmez.

Soru: İçinde akışkan bulunan bir ortamın ısıtılmasında kullanılan ısıtıcı sistemler, ortamın zeminine yakın bir yere konumlandırılır. Örneğin su ısıtıcılarında ısıtıcı tel, su ısıtıcısının tabanına yerleştirilir. Benzer şekilde kalorifer petekleri odanın zeminine yakın kısımlarına yerleştirilir. Bu uygulamanın amacı nedir?

Çözüm: Akışkanların bulunduğu ortamlar konveksiyon yoluyla ısınır. Kalorifer peteğine temas eden havanın sıcaklığı artar ve yoğunluğu azalır. Sıcak hava, odanın tavanına doğru yükselirken yerini daha soğuk hava tabakasına bırakır. Kalorifer sistemi çalıştığı sürece bu hareket devam eder ve oda ısınır. Petekler odanın zemini yerine tavana yakın yerlere yerleştirildiğinde konveksiyon hareketine sadece odanın üst kısmındaki hava katılacak, zemindeki hava tabakası ısınmayacaktır.

Sobalı bir odanın tavanı ile tabanının sıcaklıkları farklıdır. Sebebi konveksiyondur: ısınan hava yoğunluğu azaldığı için yükselir ve tavana yakın bölge önce ve daha fazla ısınır; soğuk hava tabanda birikir. Bu yüzden kışın ayakların üşürken başın terleyebilir.

Aynı sebeple dışarısı soğukken pencere açıldığında soğuk hava alt taraftan içeri girer, sıcak hava üst taraftan dışarı çıkar. Kapı aralığından ayaklarına vuran soğuk akım budur.

Isının elektromanyetik dalgalar aracılığıyla yayılmasıdır. Isının iletim ve konveksiyon yoluyla yayılmasında maddesel ortam gerekliyken ışıma yoluyla yayılmasında maddesel ortama ihtiyaç yoktur. Diğer bir deyişle ısı ışıma yoluyla boşlukta da yayılabilir. Sıcaklığı 0 Kelvinin üzerindeki tüm maddelerden elektromanyetik dalgalar grubunda yer alan kızılötesi ışınlar yayılır.

Sıcak cisimlerden yayılan ve enerji taşıyan bu dalgalar, bir cisme çarpana kadar boşlukta ışık hızında yayılır. Bu dalgalar, bir cisme çarptığında enerjisinin bir kısmını ya da tamamını cisme aktarır. Bu cismin ya sıcaklığı artar ya da cisim hâl değiştirir.

Isının ışıma yoluyla yayılmasında kızılötesi ışınların yanı sıra görünür ışık ve morötesi ışınlar da etkilidir. Görünür ışık ve morötesi ışınlar da madde tarafından soğurulduğunda maddeye enerji aktarır. Güneş’ten bu ışınların üçü de yayılır. Koyu renkli nesneler, açık renkli nesnelere göre bu ışınları daha fazla soğurur.

Elektrik yüklü parçacıkların ivmeli hareketleri sonucunda oluşan dalgaların genel adıdır. Görünür ışık, birçok türü olan elektromanyetik dalgalar ailesinin bir üyesidir. Elektromanyetik dalgaların tamamı yansıma, soğurulma, kırılma olaylarını gerçekleştirir. Elektromanyetik dalgalar boşlukta ışık hızıyla yayılır.

Kamp ateşinden yayılan elektromanyetik dalgalar kişinin ateşe dönük kısımları tarafından soğurulur ve kişi ısınır. Bu kişinin ateşe dönük tarafı ısınırken ateşe dönük olmayan kısımlarına herhangi bir elektromanyetik dalga çarpmayacağı için bu kısımlar doğrudan ısınmaz. Bununla birlikte ısının vücut içinde yayılmasıyla tüm vücut ısınmış olur.

Ateşin başında ön tarafın yanarken sırtının üşümesi tam olarak budur: ön yüz ışımayla, sırt ise ancak vücut içindeki iletimle ısınır. Bu yüzden zaman zaman dönmek gerekir.

Aynı ortamda güneş altında aynı süre kalan siyah araç, beyaz araca göre daha çok ısınır: koyu renkli yüzey gelen ışınların büyük kısmını soğurur, açık renkli yüzey büyük kısmını yansıtır. Yansıyan ışın enerjisini araca bırakmaz.

Ders kitabında geçmeyen ama kesin olan bir eşlik kuralı: iyi soğuran yüzey iyi de yayar. Koyu bir yüzey gündüz daha çok ısınır, gece de daha hızlı soğur.

Yaz aylarında güneş altındaki aracın içi, dış ortamdan çok daha sıcaktır. Güneş’ten gelen görünür ışık ve morötesi ışınlar camdan geçip araç içindeki koltuk ve gösterge panelince soğurulur. Isınan bu yüzeyler ise düşük sıcaklıkta oldukları için ağırlıklı olarak kızılötesi yayar ve bu ışınların önemli kısmı camdan dışarı çıkamaz. Üstelik camlar kapalıyken içerideki sıcak hava konveksiyonla dışarı atılamaz; enerji içeride birikir.

Ders kitabından: “Güneşten gelen radyasyon atmosferi geçerek yeryüzüne ulaşır. Yer tarafından tutulan güneş radyasyonu daha sonra yer radyasyonu olarak atmosfere geri döner. Atmosfere bırakılan radyasyonun bir kısmı sera gazları (su buharı başta olmak üzere, karbondioksit, metan, ozon, aerosoller vb.) tarafından tutulur.” Uzmanlara göre bu doğal sera etkisi olmasaydı yeryüzü sıcaklığı bugünküne göre yaklaşık 30 °C daha soğuk olurdu ve hayat mümkün olmazdı.

Dikkat: sera etkisi kötü bir şey değildir; yaşamı mümkün kılan şeydir. Sorun, sera gazlarının atmosferdeki oranının artması ve bunun küresel ısınmaya yol açmasıdır.

Güneş ile Dünya arasında büyük ölçüde boşluk var: iletim için tanecik, konveksiyon için akışkan yok. Buna rağmen ısınıyoruz, çünkü ışıma maddesel ortam istemez. Güneş’in Dünya’yı ısıtması, ışımanın en büyük örneğidir.

Ara kutusuna “kaşık”, “ateş”, “boşluk” gibi bir kelime yaz; ilgili satırlar kalsın.

Yanan ocağın üstündeki tencereyi düşün:

• • Ocaktan tencere tabanına ve tabandan tencere sapına: iletim (katı içinde, tanecikten taneciğe).
• • Tencere içindeki suyun tamamının ısınması: konveksiyon (alttaki ısınan su yükselir, üstteki soğuk su iner).
• • Alevin, tencereye değmeyen kısımlarını ve elini ısıtması: ışıma.

Bu yüzden “bu olayda hangi yol var?” sorusunda tek cevap aramak tuzaktır; soru genellikle “hangisi baskındır” ya da “hangileri vardır” diye sorar.

Soru: Bir kişi, gerekli güvenlik önlemlerini alarak elini mum alevine üstten ve yandan yaklaştırdığında sıcaklığı farklı hisseder. Sebebi nedir?

Çözüm: Elini üstten yaklaştırdığında sıcaklığı artan hava moleküllerinin yukarı yönlü hareket etme eğiliminde olması nedeniyle kişinin eli hem konveksiyon hem ışıma yoluyla ısınır. Yandan yaklaştırdığında ise çoğunlukla ışıma yoluyla ısınır. Bu nedenle kişi, elini üstten yaklaştırdığında sıcaklığı daha fazla hisseder.

Havası boşaltılmış (vakumlanmış) bir odada tanecik yok demektir: iletim de konveksiyon da çalışmaz, yalnız ışıma kalır.

• • Rezistanslı elektrikli ısıtıcı teli akkor hâline gelecek kadar ısındığı için güçlü ışıma yapar; vakumlu odadaki duvarları ve cisimleri ışımayla ısıtabilir.
• • Kalorifer peteği içinden geçen suyun sıcaklığında (yaklaşık 60–80 °C) çalışır ve odayı asıl olarak konveksiyonla ısıtır. Hava olmayınca bu yol kapanır; geriye çok zayıf bir ışıma kalır, oda pratikte ısınmaz.

Termosun iki çeperi arasındaki boşluk da tam bu sebeple vakumlanır: iletim ve konveksiyon yolları kapatılır. Geriye kalan ışımayı da parlak (aynalı) yüzeyler yansıtarak azaltır.

Sorular karışık sırada geliyor; her cevaptan sonra kısa açıklama çıkıyor.