9. Sınıf Isı, Sıcaklık ve Hâl Değişimi — Konu Anlatımı

Metal Bank Neden Daha Soğuk?

Ocak ayında bir sabah parkta iki bank var: biri metal, biri tahta. İkisi de bütün gece dışarıda kaldı, ikisinin de sıcaklığı 5 °C. Elinizi metal banka koyunca "buz gibi", tahtaya koyunca "o kadar değil" diyorsunuz. Metal daha mı soğuk?

Hayır; termometre ikisinde de 5 °C gösterir. Farkı yaratan, elinizden ne kadar hızlı enerji çekildiğidir. Metal ısıyı iyi iletir ve elinizin enerjisini hızla uzaklaştırır; tahta kötü iletkendir. Deriniz sıcaklığı değil, enerji kaybının hızını hisseder. Bu tek örnek bu konunun üç kavramını birbirinden ayırmamızı istiyor:

• İç enerji: Bir cismi oluşturan bütün taneciklerin hareket (kinetik) ve aralarındaki etkileşim (potansiyel) enerjilerinin toplamı. Birimi joule (J).
• Sıcaklık: Taneciklerin ortalama hareket enerjisinin ölçüsü. Termometreyle okunur; °C ya da kelvin (K). $T = t + 273$ olduğundan 27 °C, 300 K eder.
• Isı: Sıcaklık farkı yüzünden bir cisimden ötekine aktarılan enerji. Birimi joule ya da kalori; $1\ \text{cal} \approx 4{,}18\ \text{J}$.

Küvet mi, Bardak mı?

Bir bardakta 90 °C'lik çay, bir küvette 40 °C'lik 150 litre su var. Hangisinin sıcaklığı yüksek? Bardağın. Hangisinin iç enerjisi büyük? Küvetin. Sıcaklık bir ortalama olduğu için tanecik sayısına bakmaz; iç enerji ise toplam olduğu için kütle büyüdükçe artar.

Aynı maddeden, aynı sıcaklıkta iki cisim karşılaştırılırsa iç enerjisi büyük olan, kütlesi büyük olandır: 50 °C'deki 5 kg su, 50 °C'deki 2 kg sudan daha fazla iç enerjiye sahiptir. Mini soru: İki bardak 50 °C'lik su aynı sürahiye dökülürse karışımın sıcaklığı kaç olur? Cevap birkaç satır aşağıda, karışım bölümünde.

Öz Isı ile Isı Sığası

Bir maddeyi ısıtmak için gereken ısı üç şeye bağlıdır: kütle, sıcaklık artışı ve maddenin cinsi.

$Q = m \cdot c \cdot \Delta T$

$c$ öz ısıdır: 1 g maddenin sıcaklığını 1 °C artırmak için gereken ısı. Suyun öz ısısı 1 cal/g·°C, demirinki yaklaşık 0,11 cal/g·°C.

Çözümlü örnek: 250 g suya ve 250 g demire ayrı ayrı 500 cal ısı veriliyor.

• Su: $\Delta T = \dfrac{500}{250 \cdot 1} = 2$ °C
• Demir: $\Delta T = \dfrac{500}{250 \cdot 0{,}11} \approx 18{,}2$ °C

Öz ısısı büyük olan madde geç ısınır, geç soğur. Yazın kumsalda kum ayağı yakarken deniz serin kalır; akşam da kum çabuk soğur, deniz ılık kalır. Kıyı kentlerinde gece-gündüz sıcaklık farkının az olması bu yüzdendir.

$m \cdot c$ çarpımına ısı sığası denir: cismin sıcaklığını 1 °C artıran ısı. 400 g suyun ısı sığası $400 \cdot 1 = 400$ cal/°C, 400 g demirinki $400 \cdot 0{,}11 = 44$ cal/°C. Öz ısı yalnız maddenin cinsine bağlıdır ve maddeyi tanıtır; ısı sığası kütleye de bağlıdır, bu yüzden ayırt edici değildir.

Buz Küpünden Ilık Suya: Hâl Değişimi

Dondurucudan çıkan 50 g buz −20 °C'de. Onu saniyede 100 cal veren bir ısıtıcıyla 30 °C'lik suya çevirelim. Buzun öz ısısı 0,5 cal/g·°C, erime ısısı 80 cal/g.

Toplam 6000 cal, 60 saniye. Sürenin üçte ikisinde termometre hiç kıpırdamadı. Verilen ısı nereye gitti? Tanecikleri bir arada tutan bağları çözmeye. Ortalama hareket enerjisi artmadığı için sıcaklık sabit kaldı; iç enerjinin potansiyel kısmı arttı. Bu yüzden hâl değişiminde sıcaklık farkı yoktur:

$Q = m \cdot L$

$L$ erime ya da buharlaşma ısısıdır. Su için buharlaşma ısısı yaklaşık 540 cal/g; aynı kütleyi buharlaştırmak eritmekten yaklaşık 7 kat fazla ısı ister. Kaynayan tencerenin altını kısmak yemeği yavaşlatmaz, çünkü kaynayan su zaten 100 °C'de kalır; yalnız buharlaşma yavaşlar.

Isı Hangi Yöne, Hangi Yolla Gider?

Isı kendiliğinden hep sıcaktan soğuğa akar ve sıcaklıklar eşitlenince durur. Bu son duruma ısıl denge denir. Yalıtılmış bir kapta alınan ısı, verilen ısıya eşittir.

Çözümlü örnek: 200 g 10 °C'lik su ile 100 g 70 °C'lik su karıştırılıyor.

$200 \cdot 1 \cdot (T - 10) = 100 \cdot 1 \cdot (70 - T) \Rightarrow 300T = 9000 \Rightarrow T = 30$ °C

Sonuç iki sıcaklığın tam ortası (40 °C) değil; kütlesi büyük olan soğuk suya yakın. Kütleler eşit olsaydı orta nokta çıkardı. Yukarıdaki mini sorunun cevabı da buradan: iki bardak 50 °C'lik su karışınca yine 50 °C olur, sıcaklıklar toplanmaz.

Aktarımın üç yolu vardır:

• İletim: Tanecikler yerinde titreşip enerjiyi komşusuna verir. Sıcak çaya bırakılan metal kaşığın sapı ısınır. Metaller iyi, yün, köpük ve hava kötü iletir.
• Konveksiyon: Akışkanın kendisi yer değiştirir. Kalorifer peteğinin ısıttığı hava yükselir, soğuk hava aşağı iner; oda böyle ısınır.
• Işıma: Madde gerekmez. Güneş'in enerjisi aradaki boşluğu geçip Dünya'ya böyle ulaşır.

Çift camlı pencerede iki cam arasındaki hava ya da gaz iletimi azaltır. Isınan katılar genleşir: demir yolu raylarının arasına küçük boşluk bırakılması, yazın uzayan rayların birbirini itip eğilmemesi içindir.

Su Isıtıcısının Verimi

1800 W'lık bir su ısıtıcısı 1 kg suyu 25 °C'den 100 °C'ye 210 saniyede getiriyor. Suyun öz ısısını joule cinsinden alalım: 4180 J/kg·°C.

• Suyun aldığı ısı: $Q = 1 \cdot 4180 \cdot 75 = 313\,500$ J
• Isıtıcının çektiği enerji: $E = P \cdot t = 1800 \cdot 210 = 378\,000$ J
• Verim: $\dfrac{313\,500}{378\,000} \cdot 100 \approx \%83$

Kalan yaklaşık 64 500 J yok olmadı; ısıtıcının gövdesini ve çevredeki havayı ısıttı. Çevreye yayılan ısı arttıkça verim düşer. Yalıtımlı bir gövde aynı suyu daha az enerjiyle kaynatır.

Sık Yapılan Hatalar ve Sınav İpucu

• "Sıcaklıkları eşitse ısıları da eşittir." Cisim ısı içermez; ısı yalnız aktarılırken vardır. Eşit sıcaklıkta aynı maddeden iki cismin iç enerjileri bile kütleye göre farklıdır.
• "Kaynayan suya ısı vermeye devam edersem sıcaklığı artar." Hâl değişimi bitene kadar sıcaklık sabit kalır.
• "Kapı açık kalınca soğuk içeri girer." Soğuk diye aktarılan bir şey yoktur; içerideki ısı dışarı akar.

Sınav ipucu: TYT'de bu konu çoğunlukla tablo ya da ısınma grafiğiyle gelir. Grafikte yatay bölüm varsa orada $Q = m \cdot L$, eğik bölümde $Q = m \cdot c \cdot \Delta T$ kullanın. "Eşit kütlelere eşit ısı" ifadesini görürseniz sıcaklık artışı öz ısıyla ters orantılıdır. "Denge sıcaklığı" soruluyorsa alınan ısıyı verilen ısıya eşitleyin.

Sık sorulanlar