Maddenin Isı ile Etkileşimi
Isı ile sıcaklığı ayırt et; ısınmanın maddenin cinsine, kütlesine ve verilen ısıya bağlı olduğunu keşfet, hâl değişim grafiklerini yorumla.
Ocağa koyduğun suyu kaynatmak için ona ısı vermen gerekir. Peki aynı ocakta ısıtılan bir çaydanlık neden içindeki sudan çok daha önce ısınır? Buzluktan çıkardığın buz erirken sıcaklığı neden bir süre hiç değişmez? Bu konuda maddelerin ısı alıp verdiğinde nasıl değiştiğini keşfedeceksin.
Bu konuda öğreneceklerin
- Isı ile sıcaklık arasındaki farkı açıklarsın.
- Isınmanın maddenin cinsine, kütlesine ve verilen ısı miktarına bağlı olduğunu deneylerle ilişkilendirirsin.
- Öz ısının maddeler için ayırt edici bir özellik olduğunu açıklarsın.
- Bir deneydeki bağımlı, bağımsız ve kontrol edilen değişkenleri belirlersin.
- Hâl değiştirmek için gereken ısının maddenin cinsi ve kütlesiyle ilişkisini açıklarsın.
- Isınma ve hâl değişimi grafiklerini çizer ve yorumlarsın.
- Günlük yaşamdaki hâl değişimlerini ısı alışverişiyle ilişkilendirirsin.
Isı ve sıcaklık
Maddeyi oluşturan tanecikler hareket eder. Sıcaklık farkı nedeniyle sıcak maddeden soğuk maddeye aktarılan enerjiye ısı denir. Isının birimi joule (J) veya kalori (cal)’dir. Bir maddenin taneciklerinin toplam enerjisi ile ısı aynı kavram değildir.
Sıcaklık, taneciklerin ortalama hareket enerjisiyle ilişkili bir büyüklüktür. Termometreyle ölçülür; bu konuda birimi derece Celsius (°C) olarak kullanılır. Sıcaklık enerji değildir.
| Karşılaştırma | Isı | Sıcaklık |
|---|---|---|
| Tanımı | Sıcaklık farkı nedeniyle aktarılan enerji | Taneciklerin ortalama hareket enerjisiyle ilişkili büyüklük |
| Enerji mi? | Evet, enerji aktarımıdır | Hayır, enerji değildir |
| Aktarılır mı? | Maddeler arasında aktarılır | Aktarılmaz |
| Birimi | Kalori (cal) veya joule (J) | Derece Celsius (°C) |
Maddenin hâlleri ve tanecikler
Katı hâldeki maddenin tanecikleri arasındaki boşluk çok azdır. Sıvı hâldeki maddenin tanecikleri arasındaki boşluk katılara göre daha fazladır ve tanecikler birbiri üzerinden kayacak şekilde hareket eder. Gaz hâlinde ise tanecikler arasında oldukça büyük boşluklar bulunur.
Görseli büyütIsınma maddenin cinsine bağlıdır: Öz ısı
Başlangıç sıcaklıkları aynı, kütleleri eşit farklı maddeler eşit süre boyunca özdeş ısıtıcılarla ısıtılırsa sıcaklık artışları farklı olur. Örneğin eşit kütlede su, alkol ve sıvı yağ aynı anda 5 dakika ısıtıldığında üçünün de sıcaklığı farklı miktarda artar. Bu fark, maddelerin farklı olmasından kaynaklanır.
- Öz ısısı büyük olan maddeler geç ısınır, geç soğur.
- Öz ısısı küçük olan maddeler çabuk ısınır, çabuk soğur.
| Madde | Öz ısı (J/g°C) |
|---|---|
| Su | 4,18 |
| Etil alkol | 2,44 |
| Zeytinyağı | 1,96 |
| Demir | 0,46 |
| Cıva | 0,14 |
Isınma kütleye ve verilen ısıya bağlıdır
Aynı maddenin farklı kütlelerine aynı miktarda ısı verilirse kütlesi fazla olan maddede sıcaklık artışı daha az olur. Örneğin 50 mL ve 100 mL su özdeş ısıtıcılarla 5 dakika ısıtıldığında 50 mL suyun sıcaklığı daha çok artar.
Aynı miktardaki aynı cins maddelere farklı miktarda ısı verilirse fazla ısı verilen maddede sıcaklık artışı daha fazla olur. Örneğin eşit miktarda sudan biri 5 dakika, diğeri 10 dakika ısıtılırsa 10 dakika ısıtılan suyun sıcaklığı daha çok artar.
Görseli büyütDeneylerdeki değişkenler
Kontrollü karşılaştırma deneylerinde bağımsız, bağımlı ve kontrol edilen değişkenler belirlenir. Bir etkenin etkisini araştırırken bu etken değiştirilir; sonucu etkileyebilecek diğer koşullar sabit tutulur.
- Bağımsız değişken: Araştırmada bilinçli olarak değiştirilen değişkendir.
- Bağımlı değişken: Bağımsız değişkenin değiştirilmesinden etkilenen değişkendir.
- Kontrol edilen (sabit tutulan) değişken: Araştırma boyunca değiştirilmeyen değişkendir. Bir araştırmada birden fazla kontrol edilen değişken bulunabilir.
| Deney | Bağımsız değişken | Bağımlı değişken | Kontrol edilen değişkenler |
|---|---|---|---|
| 50 mL ve 100 mL su 5 dakika ısıtılıyor. | Suyun miktarı | Sıcaklık değişimi | Isıtma süresi, sıvının cinsi, ısıtıcılar, kaplar ve ilk sıcaklık |
| Eşit miktarda sudan biri 5, diğeri 10 dakika ısıtılıyor. | Isı miktarı (ısıtma süresi) | Sıcaklık değişimi | Su miktarı, sıvının cinsi, ısıtıcılar, ilk sıcaklık |
| Eşit kütlede su, alkol ve sıvı yağ 5 dakika ısıtılıyor. | Maddenin cinsi | Sıcaklık değişimi | Kütle, ısıtma süresi, ısıtıcılar, ilk sıcaklık |
Hâl değişimleri
Maddeler doğada katı, sıvı ve gaz hâlde bulunur. Buz, su ve su buharı suyun üç hâlidir. Su, deniz seviyesinde 100 °C’ta kaynamaya başlar.
Görseli büyüt| Hâl değişimi | Değişim | Isı | Ayırt edici özellikler |
|---|---|---|---|
| Erime | Katı → sıvı | Alır | Erime sıcaklığı, erime ısısı (Lₑ) |
| Buharlaşma | Sıvı → gaz | Alır | Kaynama sıcaklığı, buharlaşma ısısı (L_b) |
| Donma | Sıvı → katı | Verir | Donma sıcaklığı, donma ısısı (L_d) |
| Yoğuşma (yoğunlaşma) | Gaz → sıvı | Verir | Yoğunlaşma ısısı |
- Erime sıcaklığı: Maddenin ısı alarak katı hâlden sıvı hâle geçtiği sıcaklıktır. 1 g katı maddenin aynı sıcaklıkta 1 g sıvı hâline geçmesi için gereken ısıya erime ısısı denir.
- Kaynama: Sıvının her yerinde gaz kabarcıklarının oluştuğu durumdur. Sıvının kaynamaya başladığı sıcaklık kaynama sıcaklığıdır. Kaynama sıcaklığındaki 1 g sıvının aynı sıcaklıkta 1 g gaz hâline geçmesi için alması gereken ısıya buharlaşma ısısı denir.
- Donma sıcaklığı: Sıvı bir maddenin ısı vererek katı hâle geçtiği sıcaklıktır. 1 g sıvının aynı sıcaklıkta tamamen katı hâle geçmesi için çevreye verdiği ısıya donma ısısı denir.
- Yoğunlaşma ısısı: Yoğunlaşma sıcaklığındaki 1 g gazın aynı sıcaklıkta 1 g sıvı hâline geçmesi için çevreye vermesi gereken ısıdır.
Erime ısısı, kaynama sıcaklığı ve donma sıcaklığı gibi büyüklükler saf maddeler için ayırt edici özelliktir. Isıların birimi cal/g veya J/g’dir.
Hâl değişimi sırasında sıcaklık
Buz parçalarının bulunduğu bir beherglas, sıcak su dolu daha büyük bir beherglasın içine konulup ikisinin de sıcaklığı ölçülürse buzun sıcaklığının bir süre 0 °C’ta sabit kaldığı görülür. Bu sırada sıcak suyun sıcaklığı azalır. Buz, sıcak sudan aldığı ısıyı hâl değişimi için kullanır.
Hâl değişimi için gereken ısı neye bağlıdır?
- Maddenin kütlesine: 200 g buz, 100 g buzdan daha uzun sürede erir ve içine konulduğu sıcak sudan daha fazla ısı alır. Bu yüzden 200 g buzun bulunduğu kaptaki sıcak suyun sıcaklığı daha çok düşer.
- Maddenin cinsine: Eşit kütlede (100 g) buz ve mum aynı şekilde ısıtıldığında mum buzdan önce tamamen erir. 100 g buzun erimesi için gereken ısı, aynı miktardaki mumun erimesi için gereken ısıdan fazladır.
Isınma ve soğuma grafikleri
Aşağıdaki grafikte sıcaklığı −10 °C olan bir miktar buzun düzenli olarak ısıtılması gösterilmiştir.
Görseli büyüt| Bölge | Ne oluyor? | Kaptaki madde | Sıcaklık |
|---|---|---|---|
| I | Buz ısı alır, sıcaklığı 0 °C’a kadar artar. | Buz (katı) | Artar |
| II | Buz 0 °C’ta erir. Alınan ısı hâl değişimi için kullanılır. | Buz + su | Sabit (0 °C) |
| III | Su ısınır, sıcaklığı 100 °C’a kadar artar. | Su (sıvı) | Artar |
| IV | Su 100 °C’ta kaynar. Alınan ısı hâl değişimi için kullanılır. | Su + su buharı | Sabit (100 °C) |
| V | Su buharı ısınmaya devam eder. | Su buharı (gaz) | Artar |
Ters yönde, ısı veren su buharı önce soğur, 100 °C’ta yoğuşarak suya dönüşür, su 0 °C’a kadar soğur, 0 °C’ta donar ve buz olarak soğumaya devam eder.
Görseli büyütGünlük hayatımızda hâl değişimleri
Görseli büyüt- Bulutlardaki su buharı atmosferin yüksek kesimlerinde soğuk hava tabakalarıyla karşılaşınca ısı vererek yoğuşur ve yağmur olarak yeryüzüne düşer.
- Buzdolabının buzluğunda sıcaklık yaklaşık −18 °C’tır. Buzluğa konan su ortama ısı verir, sıcaklığı düşer ve donma sıcaklığına ulaşınca donar.
- Eline döktüğün kolonya buharlaşırken elinden ısı alır; bu yüzden elinde serinlik hissedersin.
- Islak çamaşırlardaki su, Güneş’ten ısı alarak buharlaşır; çamaşırlar kurur. Rüzgâr buharlaşmayı kolaylaştırır.
- Buzdolabından çıkan soğuk suyun konduğu bardağın dış yüzeyine değen su buharı ısı vererek yoğuşur ve bardakta su damlacıkları oluşur.
- Güneşe bırakılan kesilmiş karpuzun yüzeyindeki sıvı buharlaşırken karpuzdan ısı alır; karpuzun yüzeyi soğur.
| Olay | Hâl değişimi | Isı |
|---|---|---|
| Dondurmanın erimesi | Erime | Alınır |
| Çamaşırın kuruması | Buharlaşma | Alınır |
| İyotun süblimleşmesi | Süblimleşme | Alınır |
| Yağmurun oluşması | Yoğuşma | Verilir |
| Buzluktaki suyun donması | Donma | Verilir |
Mini kontrol
Isı ve sıcaklıkla ilgili aşağıdakilerden hangisi doğrudur?
İlk sıcaklıkları aynı, eşit kütlede su ve zeytinyağı özdeş ısıtıcılarla eşit süre ısıtılıyor. Isı kaybı ve hâl değişimi olmadığı kabul ediliyor. Hangisinin sıcaklığı daha çok artar ve neden?
50 mL ve 100 mL su özdeş ısıtıcılarla 5 dakika ısıtılıyor. Bu deneyde bağımsız değişken hangisidir?
Isı kaybı ve hâl değişimi olmayan bir modelde ilk sıcaklıkları 0 °C ve kütleleri eşit A, B, C sıvıları özdeş ısıtıcılarla 5 dakika ısıtılınca son sıcaklıkları A: 20 °C, B: 35 °C, C: 15 °C oluyor. Öz ısıların büyükten küçüğe sıralaması hangisidir?
Isı alan buzun sıcaklık-zaman grafiğinde sıcaklığın 0 °C’ta bir süre sabit kalmasının nedeni nedir?
Başlangıçta katı olan saf bir madde sabit basınçta ısıtılırken sıcaklığı 15–20. dakikalarda 20 °C’ta, 30–40. dakikalarda 40 °C’ta sabit kalıyor. Bu maddenin kaynama sıcaklığı kaç °C’tır?
Aşağıdaki olayların hangisinde madde çevresine ısı verir?
- 1Isı, sıcaklık farkı nedeniyle aktarılan enerjidir; birimi cal veya J’dür. Sıcaklık enerji değildir; taneciklerin ortalama hareket enerjisiyle ilişkilidir ve °C ile ölçülebilir.
- 2Isınma; maddenin cinsine, kütlesine ve verilen ısı miktarına bağlıdır.
- 31 g maddenin sıcaklığını 1 °C artırmak için gereken ısıya öz ısı denir. Öz ısı ayırt edicidir; öz ısısı büyük olan madde geç ısınır, geç soğur.
- 4Deneylerde bağımsız değişken değiştirilir, bağımlı değişken ondan etkilenir, kontrol edilen değişkenler sabit tutulur.
- 5Erime ve buharlaşmada madde ısı alır; donma ve yoğuşmada ısı verir.
- 6Sabit basınçta saf maddelerin sıcaklığı hâl değişimi süresince sabit kalır. Hâl değişimi için gereken ısı maddenin cinsine ve kütlesine bağlıdır.
- 7Isınma grafiğinde sıcaklığın sabit kaldığı bölgeler hâl değişimini gösterir.