Isı, Sıcaklık ve Genleşme

Isı ve Sıcaklık

• Sıcaklık: Maddeyi oluşturan taneciklerin ortalama kinetik enerjisinin ölçüsü; termometreyle ölçülür, madde miktarına bağlı değildir. Isı: Sıcaklık farkı nedeniyle sistemler arasında aktarılan enerji (joule veya kalori; 1 cal ≈ 4,18 J); kalorimetreyle ölçülür.
• Termodinamiğin sıfırıncı yasası: İki sistem üçüncü bir sistemle ısıl dengedeyse birbirleriyle de ısıl dengededir; termometrenin dayanağı.
• Sıcaklık ölçekleri: Celsius (suyun donma 0 °C, kaynama 100 °C), Fahrenheit (32 °F, 212 °F), Kelvin (mutlak sıcaklık; 0 K = −273,15 °C). Dönüşümler: T(K) = t(°C) + 273; C/100 = (F − 32)/180. −40 °C = −40 °F.

Öz Isı ve Hâl Değişimi

• Isı miktarı: Q = m·c·ΔT (c: öz ısı, J/kg·K). Suyun öz ısısı büyüktür (≈ 4186 J/kg·K); bu nedenle denizler karalardan geç ısınır, geç soğur (denizel iklim). Isı sığası: C = m·c.
• Hâl değişimi: Saf maddelerde hâl değişimi sırasında sıcaklık sabit kalır: Q = m·L (L: erime veya buharlaşma ısısı). Suyun erime ısısı ≈ 334 kJ/kg (80 cal/g), buharlaşma ısısı ≈ 2260 kJ/kg (540 cal/g).
• Isıl denge: Yalıtılmış sistemde alınan ısı = verilen ısı (kalorimetre problemleri).
• Kaynama noktası basınca bağlıdır: Basınç arttıkça kaynama noktası yükselir (düdüklü tencere); yükseklere çıkıldıkça açık hava basıncı düşer, su daha düşük sıcaklıkta kaynar. Buzun erime noktası basınç artınca düşer (buz pateni, regelasyon). Safsızlık (tuz) donma noktasını düşürür, kaynama noktasını yükseltir.
• Buharlaşma: Her sıcaklıkta yüzeyde gerçekleşir ve soğutma etkisi yapar (terleme). Sıcaklık, yüzey alanı ve rüzgâr buharlaşmayı artırır; nem azaltır.

Isı İletim Yolları

• İletim (kondüksiyon): Taneciklerin titreşimiyle, madde hareketi olmadan; katılarda baskındır. Isı iletim hızı: Q/t = k·A·ΔT/L (k: ısı iletim katsayısı). Metaller iyi, hava ve köpük kötü iletkendir (yalıtım).
• Konveksiyon (taşıma): Akışkanlarda maddenin hareketiyle; ısınan akışkan genleşir, yoğunluğu azalır ve yükselir (kalorifer, deniz ve kara meltemleri, okyanus akıntıları).
• Işıma (radyasyon): Elektromanyetik dalgalarla, ortam gerektirmez (Güneş'ten Dünya'ya). Stefan-Boltzmann yasası: P = e·σ·A·T⁴. Koyu ve mat yüzeyler iyi soğurucu ve iyi yayıcıdır. Termos şişesi her üç yolu da sınırlar.

Genleşme

• Boyca genleşme: ΔL = L₀·α·ΔT. Yüzeyce: ΔA = A₀·2α·ΔT. Hacimce: ΔV = V₀·3α·ΔT (katılar için β ≈ 3α).
• Delikli bir levha ısıtılınca delik de genişler (sanki delik aynı maddeden yapılmış gibi).
• Sıvıların genleşmesi katılardan fazladır; kapla birlikte ısıtılan sıvının görünür genleşmesi gerçek genleşmeden kabın genleşmesi kadar azdır.
• Suyun anormal genleşmesi: Su 0-4 °C arasında ısıtılınca büzülür; en yüksek yoğunluğa 4 °C'de ulaşır. Bu nedenle göller yüzeyden donar, buz yüzer ve alttaki su canlılar için 4 °C civarında sıvı kalır.
• Uygulamalar: Demiryolu raylarında ve köprülerde genleşme aralıkları, bimetal şerit (termostat, yangın alarmı), ısıtılarak sıkıca geçirilen metal halkalar.