Isı, Sıcaklık ve Termometreler

YAZIMIZIN DAHA DAR KAPSAMLI VİDEO HALİNE BURADAN ULAŞABİLİRSİN!

 

Bir önceki yazıda bir seriye başladığımızı söylemiştim. Bu serinin 2. yazısı. Isı ve sıcaklık kavramlarının karıştırıldığını en az bir kere bir yerde duymuşsunuzdur, Isı ve Sıcaklık kavramları malesef çok karıştırılan ve bu yüzden yanlış kullanılan iki kavram. Bu yazıda ilk önce bu soruna açıklık getireceğiz, ardından sırasıyla Isı sığası kavramından ve "Kel macit" olarak akıllara kazınmış bir formülden bahsedeceğiz, en sonunda da sosyal medyada çok paylaşılan sorumuzu cevaplayacağız. Öyleyse başlayalım.

Isı nedir?

Daha önceki Madde ve Özellikleri adlı yazımızda bahsettiğimiz gibi her şeyin ama her şeyin madde olduğunu, maddelerin de atom ve moleküllerden oluştuğunu biliyoruz. Bu yazıda Modern Atom Teorisinden bahsetmeyeceğiz ama onun alanına giren birkaç bilgiyi paylaşmak gerekiyor. Atomu bir arada tutan kuvvetler yeğin kuvvetlerdir. Yeğin kuvvetler (Güçlü Nükleer Kuvvetler) muazzam derecede büyük kuvvetlerdir, atom bombasının temelinde de yeğin kuvvetlerdeki enerjinin bir anda ortaya çıkması yatar, buradan kuvvetin büyüklüğünü anlayabilirsiniz. Bir de atomlar ve moleküller arası zayıf kuvvetler vardır. Maddenin katı, sıvı, gaz veya plazma halde bulunacağına bu Zayıf Kuvvetler karar verir. Molekküller arası kuvvetler olarak da Adezyon ve Kohezyon kuvvetlerinin varlığını bilmemiz gerekiyor. İşte bu kuvvetlerin toplam enerjileri maddenin hangi halde (Katı, sıvı, gaz veya plazma) bulunacağına karar verir. İşte Maddenin sıcaklığında (Hangi halde bulunacağına) değişime neden olan enerji transferine "Isı" denir. Yani ısı bir enerji türüdür. Birimi kaloridir.

Sıcaklık nedir?

Dokunma duyumuzla maddelere dokunduğumuzda algıladığımız şey sıcaklıktır. Maddelerin kinetik (Hareket) enerjilerinin ortalamasıdır. Kinetik enerjiyi ise madde içinde dönme, titreşim veya öteleme hareketi yapan tanecikler sağlar. SI sistemine göre birimi Kelvin'dir, (K) harfi ile gösterilir.  

Isı ve Sıcaklığın farkı

Tekrarlamak gerekirse ısı bir enerji türüdür, sıcaklık ise maddelerin hareket enerjilerinin ortalamasıyla doğru orantılı olan bir göstergedir. Yani sıklıkla duyduğumuz "Havanın ısısı önümüzdeki ay çok artacakmış." "Vücut ısısı düşmüş." gibi kullanımlar yanlıştır. Artan ve düşen sıcaklıktır, artıran veya düşüren ısı enerjisidir. Günlük kullanımda buna dikkat etmek gerektiğini düşünüyorum.

Termometreler

Katı, sıvı, gaz halde bulunan maddelerin sıcaklığını ölçmek için kullandığımız ölçüm aletlerine "Termometre" denir. Genellikle günlük hayatta kullandığımız termometreler ince cam bir borudan oluşur, cam haznenin içi genleşme katsayısı yüksek "Civa" ile doludur. Genleşme katsayısının yüksek olması küçük sıcaklık değişimlerini fark edebilmemizi sağlar. Su kullanılsaydı, civada 2 derecelik bir yükselme veya alçalma için 26 derecelik değişim gerekecekti.

Sıcaklığı ölçmek için farklı coğrafi bölgelerde oraya uygun özelleşmiş termometreler ve yeni termometrelere geçmemiş ülkelerin hala kullandığı termometreler vardır. Bunların en bilinenleri Celcius, Fahrenheit, Kelvindir. 

Celcius termometresi suyun donma noktasını 0 derece, kaynama noktasını 100 derece alırken, Fahrenheit termometresi suyun donma noktasını 32 derece, kaynama noktasını 212 derece kabul eder. Kelvin termometresi genellikle bilimsel hesaplamalarda kullanılır ve suyun donma noktası 273 derece iken, kaynama noktası 373 derecedir. 

Hala daha Fahrenheit kullanan ülkelerin bazıları aşağıdadır.

1. Bahamalar
2. Marshall Adaları
3. Cayman Adaları
4. Palau
5. Belize
6. Mikronezya Federal Devletleri
7. Amerika Birleşik Devletleri
8. Porto Riko
9. Virgin Adaları

Bu üç termometre arasındaki sıcaklık değişimlerini veren formül aşağıdadır. 

C - 0 / 100   =  F - 32 / 180  =  K - 273 / 100

Anlayacağınız gibi C Celcius termometresini, F fahrenheit termometresini ve K Kelvin termometresini gösterir.

Özısı

Maddenin sıcaklığını artırmak için ne yapmamız gerekir? Ona ısı vermemiz gerekir. Peki 1 kilogram suyu kaynatmak için mi yoksa 10 kilogram suyu kaynatmak için mi daha fazla ısı vermemiz gerekir? Tabi ki 10 kilogram suyu, çünkü orada sıcaklığı artırılması gereken daha fazla madde vardır. Peki ya suyun sıcaklığını 1 derece artırmak mı daha kolay, yoksa zeytinyağının mı? Aynı kilogramda olsalar, ikisine de aynı seviyede ısı versek hangisinin sıcaklığı daha hızlı artar? 
Bu soruda imdadımıza "Özısı" kavramı çıkıyor. Siz de hak verirsiniz ki her madde birbirinden farklıdır, dolayısıyla moleküller arası bağların ne kadar güçlü oldukları da farklıdır. Bir gram maddenin sıcaklığını 1 derece artırmak için vermemiz gereken ısı miktarına "Özısı" denir. 

Maddeler arasında hangisinin daha önce sıcaklık değişimi göstereceğini bilmemiz için "Isı sığası" kavramını bilmemiz gerekiyor. Isı sığası maddenin kütlesi ve Özısısının çarpımıdır. "C" ile gösterilir. Isı sığası daha büyük olan maddeler sıcaklık değişimlerini daha zor gösterir. 

Kel macit

Lise hocalarımızın akıllarımıza kazıdığı kel macit formülü, sıra onu açıklamakta. Kütlesine m, özısısına c dediğimiz maddenin sıcaklığında t kadar bir değişim istiyorsak, o maddeye vermemiz gereken ısı miktarı bu üç niceliğin çarpımı kadardır. Formülize edilmiş hali şudur:

Q = m.c.t

Burada Q verilmesi gereken ısı miktarını, m kütleyi, c özısıyı t ise istediğimiz ısı değişimini simgeler.

Hal değişimleri

Sıcaklığı artan maddelerin tanecikleri hızlanır, aradaki bağlar zayıflar. Böyle bir durumda madde katı ise sıvı, sıvı ise gaz hale geçebilir. Sıcaklığı azalan maddelerin tanecikleri yavaşlar, aradaki bağlar kuvvetlenir. Böyle bir durumda madde gaz ise sıvı, sıvı ise katı hale geçebilir. İşte bu değişimlere hal değişimi denir. Hal değiştiren maddenin sıcaklığında değişim olmaz. Son cümleyi şöyle örneklendirebiliriz. -5 derecede buzumuz olduğunu farz edelim, bunu ısıtırsak 0 dereceeye gelince madde hal değiştirmeye başlar. Buzlar erir, sıvılaşır. Maddenin buzları erirken sıcaklığı değişmez. Tüm buz eridikten sonra sıcaklık yükselmeye devam eder. Yine sıvı halden gaz hale geçişte de durum aynıdır. 

Bunun sebebi şudur; sıcaklığı artan maddelerin kinetik enerjileri artarken, hal değiştiren maddelerin potansiyel enerjileri değişir. Daha önceden de dediğimiz gibi bu değişimi sağlayan da dışarıdan verilen "Isı" enerjisidir.

 

Bir ısı ve sıcaklık sorusu 

-30 santigrat derecedeki buza 300 kalorilik ısı verildiğinde son durumda  -15 santigrat derecelik buz elde ediliyorsa, buzun kütlesi nedir?

[c_b = 0,5 cal/g]

Bu soruyu çözmek için kullanacağımız formül "Kel macit" formülümüzdür. Formülde bilinenleri yerleştirirsek şöyle bir sonuçla karşılaşırız:

300 = m . 0,5 . 15

Tek bilinmeyenli formülümüzde gereken işlemleri yaparsak suyun kütlesinin 40 gram olduğunu buluruz :)

Hava bugün 0 derece, yarın iki katı soğuk olursa sıcaklık ne olur?

Gelelim sosyal medyada çok paylaşılan sorumuza. Hava sıcaklığı bugün 0 derece, yarın iki katı kadar daha soğuyacaksa, yarın sıcaklık ne olur? 

Eğer sıcaklık hakkında böyle bir işlem yapacaksak kelvin sistemini kullanmamız gerekiyor. Kelvin sisteminin bilimsel hesaplamalarda kullanıldığını daha önce söylemiştik. Yukarıda verdiğimiz termometre arası geçiş formülünü aşağıya bir daha koyuyorum.  

C - 0 / 100   =  F - 32 / 180  =  K - 273 / 100

Formüle göre 0 derece aslında 273 kelvin. İşler şimdi çok kolaylaştı. 273 kelvinin iki katı 546 kelvin. Eğer iki katı kadar daha soğuyacaksa 273 - 546 kelvin derece olur. Bu da -273 kelvin derece demektir. Eğer bu sıcaklığa erişebilen biri olursa beni bulsun :) Yıllardır bilim insanları 0 kelvine ulaşmaya çalışıyor ama nafile. çünkü mutlak sıfır bizim evrenimiz için bir limit noktası. Maddenin entropisinin minumum olduğu değer, henüz ulaşılmadı.