TYT ISI, SICAKLIK, HÂL DEĞİŞİMİ VE ISIL DENGE

Yazar
erdemhoca
-
0
8
TYT ısı sıcaklık hâl değişimi ve ısıl denge konu anlatımı kapak görseli

TYT ısı sıcaklık konusunda başarılı olmak; ısıyı bir enerji aktarımı, sıcaklığı ise maddenin termal durumunu belirten bir büyüklük olarak doğru ayırmayı gerektirir. Bu konu anlatımında iç enerji, termometreler, öz ısı, ısı sığası, ısıl denge, hâl değişimi, ısıtma eğrileri ve su–buz karışımları sınav düzeyinde birlikte ele alınacaktır.

ISI, SICAKLIK VE İÇ ENERJİ

Isı ve Sıcaklığın Ayrımı

Isı, sıcaklık farkı nedeniyle bir sistemden diğerine aktarılan enerjidir. Aktarım sıcaklığı yüksek olandan düşük olana doğru gerçekleşir ve sıcaklıklar eşitlendiğinde net ısı alışverişi sona erer. Bu nedenle “cismin ısısı” ifadesi fiziksel olarak doğru değildir; cisim enerjiye sahiptir, ısı ise aktarım sürecinin adıdır.

Sıcaklık, taneciklerin mikroskobik hareketleriyle ilişkili termal durum göstergesidir. SI birimi kelvin (K), günlük kullanımda yaygın birimi Celsius derecedir (°C). Isı bir enerji olduğu için joule (J) ile; kalorimetri sorularında ise kalori (cal) ile de ifade edilebilir. 1 cal ≈ 4,18 J dönüşümü ancak soru gerektiriyorsa kullanılır.

IsıSıcaklık farkından doğan enerji aktarımıdır.
Birimi J veya cal olabilir.
SıcaklıkTermal durum göstergesidir.
Birimi K veya °C olabilir.
İç EnerjiTaneciklerin mikroskobik kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır.
Dikkat
Sıcaklıkları eşit iki cismin iç enerjileri eşit olmak zorunda değildir. Madde miktarı, maddenin cinsi ve fiziksel hâli iç enerjiyi etkiler. Ayrıca 0 K’a yaklaşırken klasik tanecik hareketi en düşük düzeye iner; “bütün mikroskobik hareket kesinlikle biter” biçiminde genelleme yapılmaz.
Örnek - 1
Isıca yalıtılmış bir ortamda K ve L cisimleri temas ettiriliyor. Başlangıçta K’nin sıcaklığı L’ninkinden büyüktür. Bir süre sonra cisimler aynı sıcaklığa ulaşıyor.

I. Denge kuruluncaya kadar K’den L’ye ısı aktarılır.
II. Denge sıcaklığında K ve L’nin iç enerjileri kesinlikle eşittir.
III. Net ısı alışverişinin durması, cisimlerin sıcaklıklarının eşitlenmesiyle açıklanır.

Yargılarından hangileri doğrudur?

A) Yalnız I
B) Yalnız II
C) I ve II
D) I ve III
E) I, II ve III
Isı, sıcaklığı yüksek K’den düşük L’ye aktarılır. Denge kurulunca sıcaklıklar eşitlenir ve net aktarım durur; I ve III doğrudur. Eşit sıcaklık iç enerjilerin eşitliğini garanti etmez, II yanlıştır.

Cevap: D

İç Enerji

İç enerji; bir sistemi oluşturan taneciklerin rastgele hareketlerinden kaynaklanan mikroskobik kinetik enerjileri ile tanecikler arası etkileşimlerden kaynaklanan mikroskobik potansiyel enerjilerin toplamıdır. Cismin bir bütün olarak hareketinden doğan kinetik enerji ve yerden yüksekliğine bağlı çekim potansiyel enerjisi iç enerjiye dâhil edilmez.

Bir maddeye enerji aktarıldığında sıcaklığı artabilir, fiziksel hâli değişebilir veya her ikisi belirli aşamalarda gerçekleşebilir. Saf bir madde sabit basınçta hâl değiştirirken sıcaklık sabit kalmasına rağmen aldığı enerji tanecikler arası bağ düzenini değiştirdiği için iç enerjisi artabilir. Bu ayrım, ısıtma eğrilerindeki yatay bölümlerin temelidir.

Termometreler ve Sıcaklık Ölçekleri

Termometreler sıcaklıkla düzenli değişen bir özelliği kullanır. Sıvılı termometrede sıvı sütununun uzunluğu, metal termometrede elektriksel direnç veya genleşme, gazlı termometrede ise basınç gibi özellikler ölçülebilir. Hassasiyet; hazne büyüklüğü, kılcal borunun inceliği ve kullanılan maddenin genleşme özelliğiyle ilişkilidir. Ölçüm aralığı ise termometrik maddenin donma ve kaynama sınırlarıyla kısıtlanabilir.

Doğrusal ölçekli termometrelerde buz ve buhar noktaları arasında orantı kurulur. Celsius ile kelvin arasında T(K) = t(°C) + 273 bağıntısı kullanılır. Sıcaklık farklarında ise 1 K’lik değişim = 1 °C’lik değişimdir.

Örnek - 2
Doğrusal bölmeli X termometresi suyun donma noktasını 20 °X, kaynama noktasını 170 °X; Y termometresi ise aynı noktaları sırasıyla −10 °Y ve 90 °Y gösteriyor. X termometresinin 95 °X gösterdiği sıcaklıkta Y termometresi kaç °Y gösterir?

A) 25
B) 30
C) 40
D) 50
E) 60
X ölçeğinde oran (95 − 20)/(170 − 20) = 75/150 = 1/2’dir; sıcaklık 50 °C’dir. Y ölçeğinde (Y + 10)/(90 + 10) = 1/2 olduğundan Y + 10 = 50 ve Y = 40 °Y bulunur.

Cevap: C

ISINMA, SOĞUMA VE ISIL DENGE

Öz Isı ve Isı Sığası

Öz ısı (c), bir maddenin birim kütlesinin sıcaklığını bir derece değiştirmek için gereken enerji miktarıdır; maddenin ayırt edici özelliklerinden biridir. Birimi J/(kg·K) veya cal/(g·°C) olabilir. Isı sığası (C) ise cismin tamamının sıcaklığını bir derece değiştirmek için gereken enerjidir ve C = m·c bağıntısıyla bulunur.

Öz ısı madde cinsine bağlı, ısı sığası ise hem madde cinsine hem kütleye bağlıdır. Eşit enerji alan cisimlerden ısı sığası küçük olanın sıcaklık değişimi daha büyük olur. Aynı maddeden yapılmış cisimlerde kütlesi büyük olanın ısı sığası daha büyüktür.

Örnek - 3
K ve L cisimleri hâl değiştirmeden eşit miktarda ısı alıyor. K’nin kütlesi m ve sıcaklık artışı 30 °C; L’nin kütlesi 2m ve sıcaklık artışı 10 °C’dir. Buna göre cK/cL ve CK/CL oranları sırasıyla kaçtır?

A) 1/3 ve 1/3
B) 2/3 ve 1/3
C) 2/3 ve 2/3
D) 3/2 ve 1/3
E) 3 ve 3/2
Eşit ısı için m·cK·30 = 2m·cL·10 olur ve cK/cL = 2/3 bulunur. Isı sığası oranı CK/CL = (m·cK)/(2m·cL) = 1/3’tür.

Cevap: B

Isıl Denge ve Kalorimetre

Farklı sıcaklıklardaki sistemler ısıl temas ettirildiğinde sıcak olan enerji verir, soğuk olan enerji alır. Çevreyle enerji alışverişi yoksa toplam enerji korunur: Qverilen = Qalınan. Hâl değişimi gerçekleşmiyorsa denge sıcaklığı başlangıç sıcaklıklarının arasında olur; fakat basit aritmetik ortalama yalnız ısı sığaları eşitse elde edilir.

Kalorimetre kabının ısı sığası ihmal edilmiyorsa kap da başlangıç sıcaklığından denge sıcaklığına gelir ve enerji denklemine eklenir. Termometre, kaşık veya ortam için veri verilmişse sorunun sistem sınırı dikkatle okunmalıdır. İşaret hatasını azaltmak için alınan ve verilen ısıların büyüklüklerini ayrı taraflarda toplamak güvenlidir.

Başlangıcı BelirleHer cismin sıcaklığı, kütlesi ve ısı sığası

Enerji Akışını KurSıcak verir, soğuk alır

Dengeyi YazQverilen = Qalınan
Dikkat
Denge sıcaklığı kütlelerin değil, ısı sığalarının etkisiyle belirlenir. Kalorimetre kabının ısı sığası verilmişse “kap ısı almaz” denilemez; denklemde Ckap·ΔT terimi yer almalıdır.
Örnek - 4
Isı sığası 100 cal/°C olan ve başlangıçta 20 °C’de bulunan kalorimetre kabında 200 g, 20 °C su vardır. Kaba 100 g, 80 °C su ekleniyor. Çevreyle ısı alışverişi olmadığına göre denge sıcaklığı kaç °C’dir? (csu = 1 cal/(g·°C))

A) 30
B) 35
C) 40
D) 45
E) 50
Sıcak suyun verdiği ısı 100·(80 − T), soğuk su ile kabın aldığı toplam ısı (200 + 100)·(T − 20)’dir. 100(80 − T) = 300(T − 20) denkleminden 8000 − 100T = 300T − 6000 ve T = 35 °C bulunur.

Cevap: B

HÂL DEĞİŞİMİ

Maddenin Hâlleri ve Enerji Alışverişi

Katıda tanecikler denge konumları çevresinde titreşir ve düzenli yapıda birbirine yakındır. Sıvıda tanecikler yine yakın olmakla birlikte birbirlerinin üzerinden kayabilir. Gazda tanecikler arası uzaklık daha büyük, etkileşim görece zayıftır. Katıdan sıvıya ve sıvıdan gaza geçişte sistem enerji alır; ters yönlerde enerji verir.

Katı sıvı ve gaz hâllerinde tanecik düzeni ile enerji alma yönü

Erime ↔ DonmaKatı ile sıvı arasındaki geçiş
Buharlaşma ↔ YoğuşmaSıvı ile gaz arasındaki geçiş
SüblimleşmeKatıdan doğrudan gaza geçiş
KırağılaşmaGazdan doğrudan katıya geçiş
Örnek - 5
Normal basınçta saf K, L ve M maddelerinin erime–kaynama sıcaklıkları sırasıyla (−10 °C, 80 °C), (30 °C, 120 °C) ve (60 °C, 150 °C)’dir. Bu maddeler 50 °C’de ısıl dengedeyken fiziksel hâlleri sırasıyla hangisidir?

A) Katı – katı – katı
B) Sıvı – katı – katı
C) Sıvı – sıvı – katı
D) Gaz – sıvı – katı
E) Gaz – gaz – sıvı
50 °C, K’nin erime ve kaynama noktaları arasında olduğundan K sıvıdır. L için de 30 < 50 < 120 olduğundan L sıvıdır. 50 °C, M&apos;nin 60 °C erime noktasının altında olduğundan M katıdır.

Cevap: C

Buharlaşma, Kaynama ve Yoğuşma

Buharlaşma sıvının yüzeyinde ve her sıcaklıkta gerçekleşebilir. Sıcaklık, yüzey alanı ve hava akımı arttığında; havanın nemi azaldığında buharlaşma hızı genellikle artar. Yüksek enerjili taneciklerin yüzeyden ayrılması, geride kalan sıvının ortalama enerjisini azaltabildiği için buharlaşma soğutucu etki oluşturur.

Kaynama, sıvının buhar basıncının dış basınca eşit olduğu sıcaklıkta sıvının her yerinde kabarcıklar oluşturarak gerçekleşir. Saf sıvının sabit dış basınçtaki kaynama sıcaklığı sabittir. Yoğuşma ise gazın sıvıya geçmesidir ve sistem çevreye enerji verir.

Örnek - 6
Bir öğrenci buharlaşma ve kaynamayla ilgili şu yargıları yazıyor:

I. Buharlaşma sıvının yüzeyinde ve kaynama sıcaklığının altında da gerçekleşebilir.
II. Kaynama, sıvının buhar basıncı dış basınca eşitlendiğinde sıvının her yerinde görülür.
III. Sıvı yüzeyine hava üflenmesi dış basıncı artırdığı için kaynama sıcaklığını kesinlikle yükseltir.

Hangileri doğrudur?

A) Yalnız I
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
I ve II buharlaşma ile kaynamanın temel özellikleridir. Hava akımı, yüzey yakınındaki buharı uzaklaştırarak buharlaşmayı hızlandırabilir; fakat bunun “dış basıncı artırıp kaynama noktasını kesinlikle yükselttiği” söylenemez. III yanlıştır.

Cevap: C

Hâl Değiştirme Isısı

Saf bir maddenin birim kütlesini sıcaklık değişmeden bir hâlden diğerine geçirmek için gereken enerjiye hâl değiştirme ısısı denir. Erime için Q = m·Le, buharlaşma için Q = m·Lb yazılır. Donmada erime ısısı, yoğuşmada buharlaşma ısısı büyüklükçe aynıdır; yalnız enerji akış yönü tersine döner.

Bir madde hem sıcaklık değiştiriyor hem hâl değiştiriyorsa süreç aşamalara ayrılır. Örneğin sıfırın altındaki buzu sıfırın üstündeki suya dönüştürmek için önce buz 0 °C’ye ısıtılır, sonra eritilir, ardından oluşan su son sıcaklığa kadar ısıtılır. Her aşamanın enerjisi ayrı hesaplanıp toplanır.

Dikkat
Saf madde sabit basınçta hâl değiştirirken sıcaklığı sabit kalsa da enerji alışverişi sürer. Alınan enerji tanecikler arası potansiyel enerji düzenini değiştirir; “sıcaklık değişmiyorsa enerji alınmamıştır” sonucu çıkarılamaz.
Örnek - 7
200 g buz −10 °C’den alınarak tamamı 20 °C su hâline getiriliyor. Gerekli toplam enerji kaç kaloridir? (cbuz = 0,5 cal/(g·°C), Le = 80 cal/g, csu = 1 cal/(g·°C))

A) 16 000
B) 18 000
C) 21 000
D) 24 000
E) 26 000
Buzu −10 °C’den 0 °C’ye getirmek için 200·0,5·10 = 1000 cal, eritmek için 200·80 = 16 000 cal, suyu 0 °C’den 20 °C’ye getirmek için 200·1·20 = 4000 cal gerekir. Toplam 21 000 cal’dir.

Cevap: C

Isı–Sıcaklık Grafikleri

Bir saf madde sabit güçle ısıtılırken eğimli bölgelerde tek hâldedir ve sıcaklığı değişir; yatay bölgelerde iki hâl birlikte bulunur ve hâl değişimi gerçekleşir. Yatay eksen verilen ısıyı gösteriyorsa bölgenin genişliği doğrudan gereken enerjiyle ilişkilidir. Kütle aynı olduğunda plato genişliklerinin oranı ilgili hâl değiştirme ısılarının oranını verir.

Eğimli bölgelerde grafiğin eğimi ΔT/ΔQ = 1/(m·c) olduğundan eğim ile öz ısı ters orantılıdır. Sabit güçlü ısıtıcıda yatay eksen zaman olsa da Q = P·t nedeniyle süre aralıkları enerji oranlarını verir. Isıtıcının gücü veya kütle değişiyorsa doğrudan karşılaştırma yapılmadan önce bu büyüklükler hesaba katılmalıdır.

Saf maddenin sıcaklık ve verilen ısı grafiğinde erime ile kaynama platoları

Grafikte yatay eksen verilen ısıyı, düşey eksen sıcaklığı temsil eder. A–B katının ısınması, B–C erime, C–D sıvının ısınması, D–E kaynama ve E–F gazın ısınması aşamasıdır.

Örnek - 8
Yukarıdaki grafikte eşit aralıklı yatay eksen verilen ısıyı göstermektedir. A–B ve C–D aralıklarında verilen ısılar eşit; sıcaklık artışları sırasıyla 20 °C ve 100 °C’dir. B–C platosunun genişliği 3 birim, D–E platosunun genişliği 4 birimdir. Buna göre ckatı/csıvı ve Lb/Le oranları sırasıyla kaçtır?

A) 1/5 ve 3/4
B) 1/5 ve 4/3
C) 5 ve 3/4
D) 5 ve 4/3
E) 5 ve 7/3
Eşit ısı ve aynı kütlede c öz ısısı sıcaklık değişimiyle ters orantılıdır: ckatı/csıvı = 100/20 = 5. Plato genişlikleri hâl değişim enerjileriyle orantılı olduğundan Lb/Le = 4/3’tür.

Cevap: D

Basınç ve Safsızlığın Hâl Değişimine Etkisi

Dış basınç arttığında bir sıvının kaynama sıcaklığı yükselir; azaldığında düşer. Düdüklü tencerede basıncın artması suyun daha yüksek sıcaklıkta kaynamasını, yüksek yerlerde açık hava basıncının azalması ise suyun daha düşük sıcaklıkta kaynamasını sağlar.

Saf suya uçucu olmayan tuz gibi bir madde eklendiğinde donma noktası düşer, kaynama noktası yükselir. Basıncın erime noktasına etkisi maddenin katı ve sıvı hâllerinin yoğunluk ilişkisine bağlıdır. Su için buz sıvı sudan daha az yoğun olduğundan basıncın artması erime noktasını düşürür; bu özellik tüm maddelere genellenmez.

Örnek - 9
Su ve sulu çözeltilerle ilgili;

I. Dış basıncın azaltılması saf suyun kaynama sıcaklığını düşürür.
II. Saf suya uçucu olmayan tuz eklenmesi donma sıcaklığını düşürür, kaynama sıcaklığını yükseltir.
III. Buz üzerine uygulanan basıncın artırılması, buz sıvı sudan daha az yoğun olduğu için erime sıcaklığını düşürebilir.

Yargılarından hangileri doğrudur?

A) Yalnız I
B) Yalnız II
C) I ve II
D) II ve III
E) I, II ve III
Kaynama, buhar basıncı dış basınca eşit olduğunda gerçekleştiği için dış basıncın azalması kaynama sıcaklığını düşürür. Tuz donma noktasını düşürüp kaynama noktasını yükseltir. Suyun sıra dışı yoğunluk davranışı nedeniyle basınç buzun erime noktasını düşürebilir. Üç yargı da doğrudur.

Cevap: E

SU–BUZ KARIŞIMLARINDA ISIL DENGE

Karışımın Son Hâlini Belirleme

Su–buz karışımlarında önce buz 0 °C’nin altındaysa 0 °C’ye, su 0 °C’nin üstündeyse 0 °C’ye gelene kadar alıp verebilecekleri enerji hesaplanır. Suyun 0 °C’ye kadar verebildiği enerji buzun 0 °C’ye gelme ve tamamını eritme enerjisinden küçükse son durumda 0 °C’de su ve buz birlikte bulunur. Enerji artarsa buzun tamamı erir ve kalan enerji oluşan suyun sıcaklığını yükseltir.

1. Buzu 0 °C’ye GetirGerekirse m·cbuz·ΔT

2. Erimeyi Sınam·Le ile karşılaştır

3. Son Hâli BulBuzlu karışım 0 °C veya tümü su
Dikkat
Denge sonunda kapta hem saf su hem buz bulunuyorsa, normal basınçta karışım 0 °C’dedir. Enerji denklemi kurulmadan “buz eklendi, sıcaklık mutlaka 0 °C olur” denilemez; buzun tamamı eriyip son sıcaklık 0 °C’nin üstüne çıkabilir.
Örnek - 10
Isıca yalıtılmış bir kapta 100 g, 20 °C su ile 40 g, −10 °C buz karıştırılıyor. Denge sonunda sıcaklık ve kaptaki buz–su kütleleri hangisidir? (cbuz = 0,5 cal/(g·°C), csu = 1 cal/(g·°C), Le = 80 cal/g)

A) 0 °C; 17,5 g buz ve 122,5 g su
B) 0 °C; 22,5 g buz ve 117,5 g su
C) 0 °C; 40 g buz ve 100 g su
D) 5 °C; buz yok ve 140 g su
E) 10 °C; buz yok ve 140 g su
Su 0 °C’ye inerken 100·1·20 = 2000 cal verir. Buzu −10 °C’den 0 °C’ye getirmek için 40·0,5·10 = 200 cal gerekir. Kalan 1800 cal, 1800/80 = 22,5 g buzu eritir. Başlangıçtaki 40 g buzun 17,5 g’ı kalır; su kütlesi 100 + 22,5 = 122,5 g olur. İki hâl birlikte bulunduğundan sıcaklık 0 °C’dir.

Cevap: A

Önceki konu: İş, Güç, Mekanik Enerji ve Enerjinin Korunumu
Sonraki konu: Isı İletim Yolları ve Genleşme

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu giriniz!
Lütfen isminizi buraya giriniz