Isı ve Sıcaklık konu anlatımı

Konu anlatımı

Günlük dilde ısı ve sıcaklık çoğu zaman aynı anlamda kullanılır; fizikte ise ikisi farklı kavramlardır. Sıcaklık maddenin taneciklerinin ortalama hareket enerjisiyle ilgilidir ve termometreyle ölçülür. Isı ise sıcaklık farkı nedeniyle bir yerden başka bir yere aktarılan enerjidir. Denizlerin karalardan geç ısınması, göllerin yüzeyden donması ve köprülerdeki genleşme aralıkları bu kavramlarla açıklanır.

Bu sayfada ısı, sıcaklık ve iç enerjiyi, termometreleri ve sıcaklık birimlerini, öz ısı ile ısı sığasını, hâl değişimini, ısıl dengeyi, enerjinin iletim yollarını ve genleşmeyi göreceksin. TYT'de bu konuda yalnızca sıcaklık birimleri arasındaki dönüşümler hesaplanır; öz ısı, hâl değişimi, ısıl denge, enerji iletimi ve genleşme nitel olarak, karşılaştırma ve grafik yorumuyla sorulur.

Isı, sıcaklık ve iç enerji

Sıcaklık, bir maddeyi oluşturan taneciklerin ortalama hareket enerjisinin bir ölçüsüdür; termometreyle ölçülür ve SI birimi kelvindir. Isı, sıcaklıkları farklı cisimler arasında sıcak olandan soğuk olana aktarılan enerjidir; birimi joule'dür ve kalori de kullanılır. İç enerji ise bir maddedeki bütün taneciklerin hareket ve etkileşim enerjilerinin toplamıdır; bu yüzden maddenin miktarına da bağlıdır. Bir bardak kaynar suyun sıcaklığı bir küvet ılık suyunkinden yüksektir, ama küvetteki suyun iç enerjisi daha büyüktür.

Termometreler ve sıcaklık birimleri

Termometreler sıcaklıkla değişen bir özellikten yararlanır: sıvılı termometreler sıvının genleşmesinden, metal termometreler metalin genleşmesinden, dijital termometreler elektriksel bir özelliğin değişiminden yararlanır. Celsius ölçeğinde suyun donma noktası 0, kaynama noktası 100; Fahrenheit ölçeğinde 32 ve 212; Kelvin ölçeğinde 273 ve 373'tür. Dönüşümlerde K = °C + 273 ve °F = 1,8·°C + 32 bağıntıları kullanılır. Kelvin ölçeğinde negatif sıcaklık yoktur; 0 K mutlak sıfırdır.

Öz ısı ve ısı sığası

Bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 1 °C artırmak için gereken ısıya öz ısı denir; öz ısı maddenin ayırt edici bir özelliğidir. Bir cismin sıcaklığını 1 °C artırmak için gereken ısıya ısı sığası denir; ısı sığası kütle ile öz ısının çarpımıdır ve kütleye bağlı olduğu için ayırt edici değildir. Alınan ısı ile sıcaklık değişimi arasındaki ilişki Q = m·c·ΔT bağıntısıyla verilir. Aynı ısıyı alan cisimlerden ısı sığası küçük olanın sıcaklığı daha çok değişir; suyun öz ısısı büyük olduğu için denizler karalardan geç ısınır ve geç soğur.

Hâl değişimi

Saf bir madde sabit basınçta belirli bir sıcaklıkta hâl değiştirir ve hâl değişimi süresince sıcaklığı değişmez; alınan ısı tanecikler arasındaki bağları zayıflatmaya harcanır. Erime, buharlaşma ve süblimleşme ısı alarak; donma, yoğuşma ve kırağılaşma ısı vererek gerçekleşir. Hâl değişimi için gereken ısı Q = m·L bağıntısıyla verilir; L, maddenin erime ya da buharlaşma ısısıdır. Isı-sıcaklık grafiğinde yatay bölümler hâl değişimini gösterir. Kaynama noktası dış basınca bağlıdır: basınç düşünce kaynama noktası düşer.

Isıl denge

Sıcaklıkları farklı iki cisim birbirine değdiğinde sıcak olan ısı verir, soğuk olan ısı alır. Sıcaklıklar eşitlenince ısı alışverişi durur; bu duruma ısıl denge, ortak sıcaklığa denge sıcaklığı denir. Çevreyle ısı alışverişi yoksa verilen ısı alınan ısıya eşittir. Denge sıcaklığı iki ilk sıcaklığın arasındadır ve ısı sığası büyük olan cismin ilk sıcaklığına daha yakındır. TYT'de ısıl denge hesabı yapılmaz; sıcaklık değişimleri karşılaştırılır ve grafikler yorumlanır.

Enerji iletim yolları

Isı üç yolla aktarılır. İletimde enerji, katının tanecikleri arasında çarpışmalarla aktarılır; metaller iyi, tahta, plastik ve hava kötü iletkendir. Konveksiyonda (taşınımda) sıvı ya da gazın ısınan kısmı yükselir, soğuk kısmı aşağı iner ve enerji madde akımıyla taşınır. Işımada enerji elektromanyetik dalgalarla, maddesiz ortamda da aktarılır; Güneş'in enerjisi Dünya'ya böyle ulaşır. Bir katıda iletim hızı maddenin cinsine, kesit alanına, kalınlığına ve sıcaklık farkına bağlıdır; ısı yalıtımı bu ilkeye dayanır.

Genleşme

Isıtılan katı ve sıvıların tanecikleri daha hızlı titreşir ve aralarındaki ortalama uzaklık artar; madde genleşir. Soğutulan madde büzülür. Farklı maddeler aynı sıcaklık değişiminde farklı miktarda genleşir; bimetal şeritler, termostatlar ve köprülerdeki genleşme aralıkları bu ilkeyle açıklanır. Su ise 0 °C ile 4 °C arasında ısıtılınca büzülür; suyun özkütlesi 4 °C'de en büyüktür ve donunca hacmi artar. TYT'de genleşme hesabı yapılmaz.

Çözümlü örnekler

Sık yapılan hatalar

• Isı ile sıcaklığı aynı şey sanmak; sıcaklık ölçülen bir durum, ısı aktarılan bir enerjidir.
• Hâl değişimi sırasında sıcaklığın arttığını sanmak; saf madde hâl değiştirirken sıcaklık sabit kalır.
• Öz ısı ile ısı sığasını karıştırmak; öz ısı ayırt edicidir, ısı sığası kütleye bağlıdır.
• Denge sıcaklığını her zaman iki sıcaklığın tam ortası sanmak; ısı sığası büyük olanın sıcaklığına daha yakındır.
• Suyun her sıcaklıkta ısınınca genleştiğini düşünmek; su 0 °C ile 4 °C arasında büzülür.