Isı, Öz Isı, Isı Sığası ve Sıcaklık Farkı Arasındaki İlişki Konu Anlatımı

Isı, Öz Isı, Isı Sığası ve Sıcaklık Farkı Arasındaki İlişki

Maddelerin sıcaklıklarının değişmesi, aldıkları veya verdikleri ısı miktarıyla ilişkilidir. Ancak eşit miktarda ısı alan her maddenin sıcaklığı aynı miktarda değişmez. Sıcaklık değişiminin ne kadar olacağını maddenin cinsi, kütlesi ve aldığı ya da verdiği ısı miktarı belirler.

Bu konuda termometrelerin çalışma prensipleri ve ölçeklendirilmesi, öz ısı, ısı sığası ve sıcaklık farkı kavramları ile bu kavramlar arasındaki matematiksel ilişki ele alınır.

Termometreler

Sıcaklığı değişen bir maddenin boyutu, basıncı, elektrik direnci gibi bazı fiziksel özellikleri değişebilir. Ayrıca sıcaklığı 0 K'den büyük olan maddeler kızılötesi ışın yayar.

Bu değişimleri algılayarak maddelerin veya ortamların sıcaklığını ölçen araçlara **termometre** denir.

Termometre Türleri

Kullanım amacına göre termometreler beş gruba ayrılır:

• Sıvılı termometre
• Metal termometre
• Gazlı termometre
• Kızılötesi termometre
• Dijital termometre

Doğru sıcaklık ölçümü için ortama ve kullanım amacına uygun termometre seçilmelidir.

Sıvılı Termometre

Sıvıların genleşme özelliğinden yararlanır. Yapımında kullanılan sıvının donma ve kaynama sıcaklıkları arasındaki değerleri ölçebilir. Vücut ve ortam sıcaklığı ölçümlerinde yaygın olarak kullanılır.

Metal Termometre

Sıcaklığı artan metalin genleşmesi ilkesine göre çalışır. Çok düşük sıcaklıklarda hassas ölçüm yapamaz. Yüksek sıcaklıkta çalışan termostatlarda, fırınlarda ve endüstriyel ölçümlerde kullanılabilir.

Gazlı Termometre

Sabit hacimdeki gaz basıncının sıcaklıkla değişmesi prensibine göre çalışır. Hassas ölçüm yapabilir ve kullanılan gazın cinsine bağlı olarak çok düşük sıcaklıkları ölçebilir.

Kızılötesi Termometre

Cisim yüzeyinden yayılan kızılötesi ışınları algılar. Cisme temas etmeden sıcaklık ölçümü yapılmasını sağlar.

Dijital Termometre

Elektrik direnci sıcaklıkla değişen devre elemanlarından yararlanır. Günlük hayatta vücut sıcaklığını ölçmek için sık kullanılır.

Sıcaklık Ölçekleri

Termometrelerin ölçeklendirilmesinde belirli referans noktaları kullanılır. Suyun deniz seviyesindeki donma ve kaynama sıcaklıkları bu amaçla temel alınabilir.

Kelvin

• Donma: 273 K
• Kaynama: 373 K

Celsius

• Donma: 0 °C
• Kaynama: 100 °C

Fahrenheit

• Donma: 32 °F
• Kaynama: 212 °F

Bilimsel çalışmalarda Kelvin ölçeği tercih edilir. Celsius ölçeği ortam sıcaklığı ölçümlerinde yaygın olarak kullanılır.

Öz Isı

Saf bir maddenin **birim kütlesinin** sıcaklığını 1 °C veya 1 K değiştirmek için gereken ısı miktarına **öz ısı** denir.

Öz ısı:

• c sembolüyle gösterilir.
• Maddenin cinsine ve fiziksel hâline bağlıdır.
• Maddeler için ayırt edici bir özelliktir.

SI birimi J/kg·K'dir. J/kg·°C veya cal/g·°C birimleri de kullanılabilir.

Öz Isının Sıcaklık Değişimine Etkisi

Eşit kütleli iki farklı maddeye eşit miktarda ısı verildiğinde sıcaklık değişimleri farklı olabilir. Bunun nedeni öz ısılarının farklı olmasıdır.

Ders kitabındaki tabloda:

• Demir: 0,115 cal/g·°C
• Bakır: 0,1 cal/g·°C
• Su: 1 cal/g·°C

olarak verilir.

Aynı kütle ve aynı ısı için bakırın sıcaklık değişimi en büyük, suyun sıcaklık değişimi en küçüktür.

Isı Sığası

Saf bir maddenin tamamının sıcaklığını 1 °C veya 1 K değiştirmek için gereken ısı miktarına **ısı sığası** ya da **ısı kapasitesi** denir.

Isı sığası C sembolüyle gösterilir.

C = m·c

Burada:

• C: ısı sığası
• m: kütle
• c: öz ısı

SI birimi J/K'dir. J/°C veya cal/°C da kullanılabilir.

Kütlenin Isı Sığasına Etkisi

Aynı maddeden daha fazla miktarda alındığında toplam ısı sığası artar.

Aynı madde için:

• kütle iki katına çıkarsa ısı sığası da iki katına çıkar.

Bu nedenle eşit miktarda ısı verilen aynı cins maddelerden kütlesi küçük olanın sıcaklık değişimi daha fazla olur.

Isı ve Sıcaklık Değişimi

Saf bir maddeye ısı verildiğinde ya sıcaklığı değişir ya da madde hâl değiştirir.

Hâl değişimi gerçekleşmiyorsa maddenin sıcaklık değişimi verilen ısı miktarıyla doğru orantılıdır.

Sıcaklık değişimi:

ΔT = Tson - Tilk

bağıntısıyla bulunur.

Isı Sığası ile Sıcaklık Değişimi Arasındaki İlişki

Isı sığası:

C = Q / ΔT

olarak tanımlanabilir.

Buradan:

Q = C·ΔT

elde edilir.

Aynı ısı miktarı için ısı sığası büyük olan maddenin sıcaklık değişimi daha küçüktür.

Isı, Kütle, Öz Isı ve Sıcaklık Farkı

C = m·c olduğundan Q=C·ΔT bağıntısında C yerine m·c yazılır:

Q = m·c·ΔT

Bu bağıntı hâl değişiminin gerçekleşmediği durumlarda kullanılır.

Burada:

• Q: verilen veya alınan ısı
• m: kütle
• c: öz ısı
• ΔT: sıcaklık değişimi

Değişkenler Arasındaki İlişkiler

Q = m·c·ΔT bağıntısına göre:

m ve c sabitken

Q arttıkça ΔT artar.

Q ve c sabitken

m arttıkça ΔT azalır.

Q ve m sabitken

c arttıkça ΔT azalır.

Bu ilişkiler deneysel olarak da gözlenebilir.

Su ve Zeytinyağı Örneği

Eşit kütledeki su ve zeytinyağı özdeş ısıtıcılarla eşit süre ısıtıldığında aynı miktarda ısı alır.

Öz ısısı daha düşük olan zeytinyağının sıcaklığı daha fazla artar. Öz ısısı daha yüksek olan suyun sıcaklık değişimi daha küçük olur.

Suyun Isı Depolama Özelliği

Su yüksek öz ısıya sahiptir. Bu nedenle sıcaklığını değiştirmek için çok miktarda enerji alması veya vermesi gerekir.

Bu özelliği sayesinde su:

• otomobil radyatörlerinde,
• kalorifer sistemlerinde,
• ısı depolama uygulamalarında

kullanılabilir.

Su aldığı enerjiyi depolayıp daha soğuk ortamda yavaş yavaş ısı olarak geri verebilir.

Günlük Hayatta Isı Sığası

Denizler ve büyük su kütleleri yüksek ısı sığaları nedeniyle sıcaklıklarını yavaş değiştirir. Bu nedenle sonbaharda hava soğumaya başladığında deniz suyu bir süre daha sıcak kalabilir.

Malzeme Seçiminde Öz Isı ve Isı Sığası

Bazı taş fırınlarda metal yerine ateş tuğlası kullanılır. Kullanılan malzemenin ısı depolama ve sıcaklığını koruma özelliği önemlidir.

Sıcak su torbaları ve soğuk jel torbalarında da yüksek öz ısıya sahip maddeler tercih edilir. Böylece sıcaklıkları daha yavaş değişebilir ve daha uzun süre ısı alışverişi yapabilirler.

Sık Karıştırılan Noktalar

• Öz ısı ile ısı sığası aynı değildir.
• Öz ısı birim kütle için tanımlanır.
• Isı sığası maddenin tamamı için tanımlanır.
• Öz ısı ayırt edicidir.
• Isı sığası kütleye bağlıdır ve ayırt edici değildir.
• C = m·c.
• Q = C·ΔT.
• Q = m·c·ΔT.
• ΔT = Tson - Tilk.
• Hâl değişimi varsa Q=m·c·ΔT bağıntısı doğrudan kullanılmaz.
• Aynı Q için m veya c büyüdükçe ΔT küçülür.

Soru Çözerken Kullanılabilecek Yaklaşım

1. Hâl değişimi olup olmadığını kontrol et.
2. Hâl değişimi yoksa Q=m·c·ΔT bağıntısını kullan.
3. ΔT=Tson-Tilk bağıntısını yaz.
4. Birimleri uyumlu hâle getir.
5. Isı sığası verilmişse Q=C·ΔT kullan.
6. Isı sığası isteniyorsa C=m·c kullan.
7. Karşılaştırma sorularında sabit tutulan değişkenleri belirle.
8. Aynı Q için m veya c arttığında ΔT'nin azaldığını unutma.

Konu Özeti

Termometreler, sıcaklıkla değişen fiziksel özelliklerden yararlanarak sıcaklık ölçer. Kullanım amacına göre sıvılı, metal, gazlı, kızılötesi ve dijital termometreler kullanılır. Öz ısı, birim kütlenin sıcaklığını 1 °C veya 1 K değiştirmek için gereken ısıdır ve ayırt edici özelliktir. Isı sığası, maddenin tamamının sıcaklığını 1 °C veya 1 K değiştirmek için gereken ısıdır ve C=m·c bağıntısıyla bulunur. Hâl değişimi yoksa Q=m·c·ΔT bağıntısı kullanılır.

Konuyu Bitirdiğinde Bunları Yapabiliyor Olmalısın

• Termometre türlerini ve çalışma ilkelerini ayırt edebilmelisin.
• Kelvin, Celsius ve Fahrenheit ölçeklerinin temel referans noktalarını bilmelisin.
• Öz ısıyı tanımlayabilmelisin.
• Isı sığasını tanımlayabilmelisin.
• Öz ısı ile ısı sığasını ayırt edebilmelisin.
• C=m·c bağıntısını kullanabilmelisin.
• Q=C·ΔT ve Q=m·c·ΔT bağıntılarını kullanabilmelisin.
• Isı, kütle, öz ısı ve sıcaklık değişimi arasındaki ilişkileri yorumlayabilmelisin.