TYT ısı iletim yolları ve genleşme konusunda başarılı olmak, enerjinin hangi mekanizmayla aktarıldığını doğru ayırmayı ve sıcaklık değişiminin maddelerin boyutlarına etkisini birlikte yorumlamayı gerektirir. Bu konu anlatımında iletim, konveksiyon ve ışıma; katılarda ısı iletim hızı, ısı yalıtımı, boyca–yüzeyce–hacimce genleşme, bimetal, sıvıların görünür genleşmesi ve suyun sıra dışı genleşmesi TYT düzeyinde ele alınacaktır.
ISI AKTARIM YOLLARI
Isı Aktarımının Yönü ve Üç Temel Yol
Isı, sıcaklık farkı nedeniyle aktarılan enerjidir. Bir sistemde sıcaklık farkı sürdüğü sürece net enerji aktarımı sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğrudur. Sıcaklıkların eşitlenmesi net aktarımı durdurur; ancak mikroskobik enerji alışverişi iki yönde de sürer ve bunların ortalama etkileri birbirini dengeler.
Enerji üç temel yolla aktarılır: iletim, konveksiyon ve ışıma. Bu yollar birbirinin alternatifi olmak zorunda değildir. Ocaktaki bir tencerede ocak ile tencere arasında ve metal sap boyunca iletim, suyun içinde konveksiyon, sıcak yüzeylerden çevreye doğru ışıma aynı anda gerçekleşebilir. Sınav sorusunda günlük olayın adı değil, enerjiyi taşıyan fiziksel mekanizma aranmalıdır.
Görselde metal sap üzerindeki ok sıcak tencere gövdesinden daha soğuk sap ucuna doğru iletimi; su içindeki kapalı oklar doğal konveksiyon dolaşımını; turuncu dalgalar ise maddesel akış olmadan gerçekleşen ışımayı gösterir.
I. Metal sapın dış ucuna enerji taşınmasında iletim etkilidir.
II. Suyun ısınan kısmının yükselip soğuyan kısmının alçalması konveksiyondur.
III. Gözlemcinin sıcaklığı hissedebilmesi için tencere ile gözlemci arasında mutlaka hava bulunmalıdır.
Yargılarından hangileri doğrudur?
İletim
İletim, taneciklerin enerjilerini komşu taneciklere aktarmasıyla gerçekleşir; maddenin bütünü bir yerden başka bir yere taşınmaz. Katılarda tanecikler birbirine yakın olduğundan bu yol özellikle belirgindir. Metallerde serbest elektronlar da enerji taşınmasına katkı verdiği için bakır, alüminyum ve gümüş gibi metaller iyi iletkendir.
İletim yalnız katılara özgü kabul edilmemelidir. Sıvı ve gazlarda da moleküler çarpışmalarla iletim gerçekleşebilir; fakat bu ortamlarda toplu akış oluştuğunda konveksiyon çoğu günlük olayda baskın hâle gelir. Metal kaşığın sıcak çorbada ısınması, ütünün kumaşa temas eden yüzeyi ve sobaya değen metal çubuğun diğer ucunun ısınması iletime örnektir.
Aynı odada uzun süre bekleyen metal ve tahta cisimlerin sıcaklıkları eşit olabilir. Buna rağmen metal ele daha soğuk gelir; çünkü elden aldığı enerjiyi daha hızlı uzaklaştırır. Bu algı, metalin sıcaklığının tahtadan mutlaka düşük olduğunu değil, ısı iletim katsayısının daha büyük olduğunu gösterir.
Konveksiyon
Konveksiyon, enerjinin akışkanın toplu hareketiyle taşınmasıdır ve yalnız akışkanlarda, yani sıvı ve gazlarda görülür. Isınan akışkan çoğu durumda genleşir, yoğunluğu azalır ve çevresindeki daha yoğun akışkanın kaldırma etkisiyle yükselir. Soğuyan bölümün alçalmasıyla doğal bir dolaşım oluşur.
Doğal konveksiyonda akışı yoğunluk farkı ve kaldırma kuvveti oluşturur. Kaloriferle ısınan odadaki hava, tencerede dolaşan su ve atmosferde yükselen sıcak hava buna örnektir. Zorlanmış konveksiyonda ise fan, pompa veya rüzgâr gibi dış etken akışkanı hareket ettirir. Saç kurutma makinesi, otomobil radyatöründeki fan ve pompalı sıcak su sistemi bu gruptadır.
→
→
I. Doğal konveksiyon, sıcaklık farkının oluşturduğu yoğunluk farkı ve kaldırma etkisiyle gelişebilir.
II. Zorlanmış konveksiyonda fan veya pompa akışkan hareketini sağlayabilir.
III. Boşlukta tanecik bulunmadığı hâlde sıcak bölgeden soğuk bölgeye konveksiyon akımı oluşabilir.
Yargılarından hangileri doğrudur?
Işıma ve Bir Olayda Birden Fazla Aktarım
Işıma, enerjinin elektromanyetik dalgalarla yayılmasıdır. Güneş’ten Dünya’ya enerji gelmesi, ateşe dokunmadan sıcaklık hissedilmesi ve kızılötesi ısıtıcının çevresini ısıtması ışımaya örnektir. İletim ve konveksiyonun aksine maddesel ortam gerekmediği için vakumda enerji aktarabilen tek ısı aktarım yoludur.
Sıcaklığı mutlak sıfırın üzerinde olan her cisim elektromanyetik ışınım yayar ve çevresinden ışınım soğurabilir. Net enerji alışverişinin yönü sıcaklık farkına bağlıdır. Yüzeyin rengi ve parlaklığı da soğurma–yayma davranışını etkiler: mat ve koyu yüzeyler genellikle iyi soğurucu ve iyi yayıcı; parlak, açık renkli yüzeyler ise daha zayıf soğurucu ve yayıcıdır.
Bir termosun çift duvarları arasındaki boşluk iletim ve konveksiyonu büyük ölçüde azaltır; parlak yüzeyler ışımayı sınırlar. Yani tek bir yalıtım sistemi, farklı aktarım yollarını farklı tasarım ayrıntılarıyla kontrol edebilir. Benzer biçimde bir binada duvar yalıtımı iletimi, pencere sızdırmazlığı zorlanmış hava akımını, yansıtıcı kaplama ise ışımayı azaltabilir.
I. Cisme dışarıdan ışımayla enerji aktarılabilir.
II. Kabın içindeki vakum, cisimle kap arasındaki konveksiyonu engeller.
III. Mat siyah bir yüzey, aynı koşullardaki parlak metal yüzeye göre genellikle daha iyi ışınım soğurur ve yayar.
Yargılarından hangileri doğrudur?
KATILARDA ISI İLETİM HIZI VE YALITIM
İletim Hızını Belirleyen Değişkenler
Düzgün kesitli, homojen bir katının iki ucu arasında sıcaklık farkı korunuyorsa birim zamanda iletilen enerji; maddenin ısı iletim katsayısı (k), kesit alanı A ve sıcaklık farkı ΔT ile doğru, iletim yönündeki uzunluk ya da kalınlık L ile ters orantılıdır.
k büyüdükçe aynı koşullarda enerji daha hızlı iletilir. Alan büyüdükçe aktarım için daha geniş bir yol açılır; kalınlık arttıkça enerji daha uzun mesafe katettiği için hız azalır. Sıcaklık farkı büyüdüğünde tanecikler arasındaki enerji farkı arttığından net iletim hızı da artar.
Isı Yalıtımı ve Günlük Yaşam
Isı yalıtımının amacı enerji akışını tamamen yok etmek değil, istenmeyen aktarım hızını azaltmaktır. Düşük ısı iletim katsayılı malzeme kullanmak, yalıtım tabakasını kalınlaştırmak ve durgun hava cepleri oluşturmak iletimi yavaşlatır. Çift cam arasında hapsedilen gaz, yünlü kumaşın lifleri arasındaki hava ve köpük malzemelerin gözenekleri bu ilkeye dayanır.
Yalıtım değerlendirilirken yalnız malzemenin adı yeterli değildir; kalınlık, alan, sıcaklık farkı ve yerleşim de önemlidir. Çok ince bir yalıtkan tabaka, daha kalın başka bir tabakadan beklenenden daha fazla enerji geçirebilir. Metal termosun parlak yapılması ise iletim katsayısını küçültmekten çok ışıma alışverişini azaltmaya yöneliktir.
Giysiler vücudun ürettiği enerjiyi oluşturmaz; vücuttan çevreye enerji aktarımını yavaşlatır. Rüzgârlı havada daha fazla üşümenin önemli nedenlerinden biri, vücut çevresindeki ısınmış hava tabakasının uzaklaştırılması ve zorlanmış konveksiyonun artmasıdır.
I. Metalin daha soğuk hissedilmesi, elden enerjiyi daha hızlı iletmesiyle açıklanabilir.
II. Termos duvarları arasındaki vakum iletim ve konveksiyonu büyük ölçüde azaltır.
III. Yünlü kumaş vücuda sürekli ısı ürettiği için sıcak tutar.
Yargılarından hangileri doğrudur?
GENLEŞME VE BÜZÜLME
Boyca Genleşme
Maddelerin sıcaklığı arttığında taneciklerin titreşim enerjisi artar ve tanecikler arasındaki ortalama uzaklık çoğu madde için büyür. Cismin boyutlarının artmasına genleşme, sıcaklık azalırken boyutlarının küçülmesine büzülme denir. Genleşme miktarı sıcaklık değişimine, maddenin cinsine ve başlangıç boyutuna bağlıdır.
Uzun ve ince katılarda boyca genleşme öne çıkar. Başlangıç uzunluğu L0, boyca genleşme katsayısı α ve sıcaklık değişimi ΔT olan serbest bir çubuk için uzunluk değişimi aşağıdaki bağıntıyla bulunur.
α, maddenin ayırt edici özelliklerinden biridir ve birimi 1/°C ya da 1/K olabilir. Sıcaklık farklarında 1 °C ile 1 K aynı büyüklükte değişimi ifade eder. Aynı maddeden eşit sıcaklık değişimine uğrayan daha uzun çubuk daha fazla uzar; ancak oransal uzama ΔL/L0 = αΔT olduğundan başlangıç uzunluğundan bağımsızdır.
Genleşme Boşlukları, Ölçme ve Bimetal
Köprüler, raylar, borular ve uzun metal yapılarda sıcaklık değişimine yer bırakmak için genleşme boşlukları kullanılır. Boşluk bırakılmazsa genleşmesi engellenen yapıda büyük termal gerilmeler oluşabilir; raylar eğilebilir, köprü parçaları zorlanabilir veya boru bağlantıları zarar görebilir.
Bir cetvelin kendisi de sıcaklıkla genleşir. Cetvel ısındığında ardışık bölme çizgileri arasındaki gerçek uzaklık büyür; bu cetvelle ölçülen aynı cisim daha az bölmeye karşılık gelebilir. Bu nedenle hassas uzunluk ölçümlerinde hem ölçülen cismin hem ölçme aracının sıcaklığı dikkate alınır.
Bimetal, genleşme katsayıları farklı iki metalin birbirine yapıştırılmasıyla oluşur. Isıtıldığında genleşme katsayısı büyük olan metal daha fazla uzamak ister ve yayın dış tarafında kalır; şerit, genleşme katsayısı küçük olan metale doğru bükülür. Soğutulduğunda katsayısı büyük olan metal daha fazla kısaldığı için bükülme yönü tersine döner. Termostat ve otomatik devre anahtarlarında bu davranıştan yararlanılır.
→
→
I. Şerit ısıtıldığında K dışta kalacak biçimde L’ye doğru bükülür.
II. Şerit başlangıç sıcaklığının altına soğutulduğunda L dışta kalacak biçimde K’ye doğru bükülür.
III. Şerit ısıtıldığında iki metalin gerçek uzunlukları farklı olamayacağı için ikisi de serbest hâllerine göre eşit miktarda genleşir.
Yargılarından hangileri doğrudur?
Yüzeyce Genleşme ve Boşluklar
Serbest ve her yönde aynı özellik gösteren bir levha ısıtıldığında uzunluğu ve genişliği birlikte artar. Küçük sıcaklık değişimleri için alan değişimi yaklaşık ΔA = 2αA0ΔT bağıntısıyla ifade edilir. Buradaki 2α, yüzeyce genleşme katsayısının boyca genleşme katsayısıyla yaklaşık ilişkisidir.
Metal levhadaki delik de levhanın geri kalanıyla birlikte büyür. Deliği, aynı maddeden hayalî bir parça dolduruyormuş gibi düşünmek doğru sonuca götürür: parça ısıtıldığında büyüyeceğine göre bıraktığı boşluk da büyür. Serbest ve düzgün genleşmede şeklin oranları ve açılar değişmez; bütün doğrusal boyutlar aynı oranda artar.
I. Dairesel deliğin yarıçapı artar.
II. İşaretli açının ölçüsü 60° olarak kalır.
III. Levhanın kütlesi sabitken hacmi arttığı için yoğunluğu azalır.
Yargılarından hangileri doğrudur?
Hacimce Genleşme ve Sıvılar
Katı ve sıvıların sıcaklıkla hacim değişimi ΔV = βV0ΔT bağıntısıyla incelenir. İzotrop katılarda küçük sıcaklık değişimleri için hacimce genleşme katsayısı yaklaşık β = 3α olur. Sıvıların belirli bir şekli olmadığı için boyca veya yüzeyce değil, hacimce genleşmesinden söz edilir.
Sıvı ısıtılırken kap da genleştiği için ölçek üzerinde görülen seviye değişimi yalnız sıvının gerçek hacim artışını göstermez. Sıvı kaptan daha fazla genleşirse seviye yükselir; eşit genleşirlerse seviye değişmeyebilir; kap daha fazla genleşirse sıvının gerçek hacmi artmasına rağmen seviye düşebilir. Kabın geometrisi de aynı hacim değişiminin yükseklik değişimine dönüşmesini etkiler.
Sıvılı termometrelerde kullanılan sıvı, hazne ve kılcal boru bu nedenle birlikte değerlendirilir. Hazne büyüdükçe aynı sıcaklık değişiminde daha fazla sıvı hacmi değişir; kılcal boru inceldikçe aynı hacim artışı daha büyük sütun uzunluğu değişimine dönüşür ve hassasiyet artar.
Suyun Anormal Genleşmesi
Çoğu sıvı soğudukça hacmi azalır ve yoğunluğu artar. Su ise 4 °C ile 0 °C arasında bu genel davranışın tersini gösterir: 4 °C’den 0 °C’ye soğurken genleşir, yoğunluğu azalır. Sıvı suyun yoğunluğu 4 °C’de en büyük, hacmi ise aynı kütle için en küçüktür.
Bir gölde yüzey suyu 4 °C’ye kadar soğurken yoğunlaşır ve aşağı iner; böylece üstteki daha sıcak suyla yer değiştirir. Yüzey sıcaklığı 4 °C’nin altına düştüğünde su artık soğudukça daha az yoğun hâle gelir ve yüzeyde kalır. Bu nedenle donma üstten başlar. Oluşan buzun yoğunluğu sıvı sudan küçük olduğu için buz yüzer ve alttaki suyla soğuk hava arasında yalıtıcı tabaka oluşturur.
Bu davranış, göllerin kışın bütünüyle dipten başlayarak donmasını engeller ve sucul yaşamın sürmesine katkı sağlar. “Soğuk su her zaman sıcak sudan daha yoğundur” genellemesi su için 0–4 °C aralığında geçerli değildir.
I. Yüzeyde 10 °C’den 4 °C’ye soğuyan suyun yoğunluğu artar ve aşağı yönlü dolaşıma katılabilir.
II. Yüzey suyu 4 °C’den 0 °C’ye soğurken yoğunluğu azalır ve üstte kalma eğilimi gösterir.
III. Yüzeyde oluşan buzun yüzmesi ve yalıtıcı etki göstermesi, alt katmanlarda sıvı su kalmasını kolaylaştırır.
Yargılarından hangileri doğrudur?
TYT İÇİN BİRLİKTE YORUMLAMA
Isı aktarımı ve genleşme soruları çoğu zaman aynı deney düzeneğinde buluşur. Isıtılan metal çubukta enerjinin ilerleme hızı k, A, ΔT ve L‘ye; çubuğun boy değişimi ise α, L0 ve ΔT‘ye bağlıdır. Isı iletim katsayısı ile genleşme katsayısı farklı fiziksel özelliklerdir; bir metalin iyi iletken olması mutlaka daha fazla genleşeceği anlamına gelmez.
Soru çözerken önce olayın mekanizmasını belirleyin: madde akışı yoksa iletim, akışkanın toplu hareketi varsa konveksiyon, elektromanyetik dalga varsa ışıma düşünülür. Ardından sorulanın enerji aktarım hızı mı, boyut değişimi mi olduğuna karar verip uygun bağıntıyı kurun. Oran sorularında birimleri yazmak yerine her değişkenin doğru veya ters orantısını aynı satırda karşılaştırmak hata riskini azaltır.
Sonraki konu: Elektrostatik ve Elektrik Yükleri