Maddenin Isı İle Etkileşimi

Çevremizde gördüğümüz tüm maddeler taneciklerden (atomlardan veya moleküllerden) oluşur. Bu tanecikler sürekli olarak titreşim, dönme veya öteleme gibi hareketler halindedir. Maddenin sahip olduğu bu iç hareketlerin toplam enerjisi ısı ile, ortalama hareket enerjisinin bir göstergesi ise sıcaklık ile ifade edilir.

Günlük hayatta çok sık birbirine karıştırdığımız ısı ve sıcaklık kavramlarının bilimsel olarak birbirlerinden tamamen farklı olduğunu bilmek, maddenin ısıyla nasıl etkileştiğini kavramanın ilk adımıdır.

Isı ve Sıcaklık Kavramları Arasındaki Farklar

• Isı: Sıcaklıkları farklı olan iki madde arasında aktarılan (alınıp verilen) enerjinin adıdır. Enerji çeşidi olduğu için birimi Joule (J) veya Kalori (cal) dir. Isı doğrudan ölçülemez, ancak kalorimetre kabı adı verilen özel bir aletle hesaplanır. Bir maddenin "ısısı" denmez, maddenin "aldığı veya verdiği ısı" vardır. Isı, madden miktarına (kütlesine) bağlıdır.
• Sıcaklık: Bir maddedeki taneciklerin sahip olduğu ortalama hareket enerjisinin (kinetik enerjisinin) bir göstergesidir, bir ölçümdür, enerji türü değildir. Birimi Santigrat derece ($^\circ C$) dir. Termometre ile ölçülür. Sıcaklık madde miktarına (kütlesine) bağlı değildir.

Öz Isı (Özgül Isı)

Farklı maddelere eşit miktarda ısı verildiğinde, hepsinin sıcaklık artışı aynı olmaz. Bir cezve dolusu suyu ısıtmakla, aynı cezve dolusu zeytinyağını ısıtmak farklı süreler gerektirir. İşte maddelerin ısıya karşı gösterdikleri bu farklı direnci ifade eden kavrama öz ısı adı verilir.

Öz ısı (c): Bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 1 $^\circ C$ değiştirmek (artırmak veya azaltmak) için maddeye verilmesi veya maddeden alınması gereken ısı miktarıdır. - Birimi $J/(g.^\circ C)$ veya $cal/(g.^\circ C)$ dir. - Öz ısı, tıpkı yoğunluk gibi maddeler için ayırt edici bir özelliktir. Yani saf maddelerin öz ısıları birbirlerinden farklıdır (örneğin suyun öz ısısı 4,18 J/g.°C iken demirin öz ısısı 0,46 J/g.°C dir). - Madde miktarına bağlı değildir. 1 bardak suyun öz ısısı ile 1 kova suyun öz ısısı birbirine eşittir.

Öz Isının Etkileri

• Öz ısısı küçük olan maddeler: Çabuk ısınır ve çabuk soğurlar. Aldıkları küçük bir ısıyla sıcaklıkları hemen yükselir. Metallerin öz ısıları küçüktür; bu yüzden tencereler, cezveler çabuk ısınsın diye metallerden yapılır. Karaların öz ısısı denizlerden küçük olduğu için gündüzleri karalar çok çabuk ısınır, denizler ise daha serin kalır.
• Öz ısısı büyük olan maddeler: Geç ısınır ve geç soğurlar. Sıcaklıklarını değiştirmek için çok daha fazla ısıya ihtiyaç duyarlar. Suyun öz ısısı çok büyüktür. Bu yüzden denizler geç ısınır ve kışın geç soğur. Kıyı kesimlerinde iklimin daha ılıman olmasının (aşırı sıcak veya aşırı soğuk olmamasının) sebebi suyun yüksek öz ısısıdır.

Hâl Değişimi ve Isı

Maddeler katı, sıvı veya gaz hâllerinde bulunabilirler. Bir maddenin dışarıdan ısı alarak veya dışarıya ısı vererek bulunduğu fiziksel hâlden başka bir fiziksel hâle geçmesine hâl değişimi denir. Hâl değişimleri fiziksel bir değişimdir.

Isı Alarak Gerçekleşen Hâl Değişimleri: 1. Erime: Katı maddenin ısı alarak sıvı hâle geçmesidir. (Buzun erimesi). 2. Buharlaşma: Sıvı maddenin ısı alarak gaz hâline geçmesidir. (Suyun kaynaması). Buharlaşma sıvının yüzeyinde her sıcaklıkta olurken, kaynama sıvının her yerinde ve belirli bir sıcaklıkta olur. 3. Süblimleşme: Katı maddenin ısı alarak sıvı hâle uğramadan doğrudan gaz hâline geçmesidir. (Naftalinin veya kuru buzun uçması).

Bu olaylar gerçekleşirken madde etrafından ısı aldığı için, ortamın soğumasına neden olurlar. Örneğin kar yağarken hava çok soğuk olmaz ancak karlar erirken buz gibi olur (çünkü kar erimek için ortamdan ısı alır). Ateşlenen bir çocuğun alnına ıslak bez konulması, terlediğimizde üşümemiz, yazın sıcakta yere dökülen suyun buharlaşırken ortamı serinletmesi, kesilen karpuzun güneşe konunca biraz soğuması hep bu "buharlaşırken ortamdan ısı alma" prensibine dayanır.

Isı Vererek Gerçekleşen Hâl Değişimleri: 1. Donma: Sıvı maddenin çevreye ısı vererek katı hâle geçmesidir. (Suyun buzluğa konup donması). 2. Yoğuşma: Gaz maddenin çevreye ısı vererek sıvı hâle geçmesidir. (Camın buğulanması, yağmur oluşumu). 3. Kırağılaşma: Gaz maddenin çevreye ısı vererek sıvı hâle geçmeden doğrudan katı hâle geçmesidir. (Soğuk kış sabahlarında yaprakların veya arabaların üzerinde buz kristalleri oluşması).

Bu olaylar gerçekleşirken madde etrafına ısı verdiği için, ortamın ısınmasını sağlarlar. Kışın kar yağarken havanın nispeten yumuşaması (ısınması), yoğuşma ve donma olayları sırasında bulutların ve yağmur damlalarının çevreye ısı yayması yüzündendir.

Erime, Donma, Buharlaşma ve Yoğuşma Isısı

Saf bir madde hâl değiştirirken sıcaklığı asla değişmez. Örneğin; buz 0 $^\circ C$'de erimeye başlar ve tamamı eriyip su olana kadar kaba ısı verilmeye devam edilse de sıcaklık 0 $^\circ C$'de sabit kalır. Verilen ısı sıcaklığı artırmak yerine moleküller arasındaki bağları koparmak için (hâl değişimi için) harcanır.

• Erime Isısı ($L_e$): Erime sıcaklığına gelmiş 1 gram katı maddenin sıvı hâle geçmesi için alması gereken ısı miktarıdır. Birimi J/g dir. Ayırt edici bir özelliktir.
• Donma Isısı ($L_d$): Donma sıcaklığına gelmiş 1 gram sıvı maddenin katı hâle geçmesi için çevreye vermesi gereken ısı miktarıdır. Saf bir madde için erime ısısı ile donma ısısı birbirine eşittir ($L_e = L_d$). Örneğin buzun erimesi için ne kadar ısı gerekiyorsa, aynı miktar suyun donması için çevreye o kadar ısı verilmelidir.
• Buharlaşma Isısı ($L_b$): Kaynama sıcaklığına gelmiş 1 gram sıvı maddenin gaz hâline geçmesi için alması gereken ısı miktarıdır.
• Yoğuşma Isısı ($L_y$): Yoğuşma sıcaklığına gelmiş 1 gram gaz maddenin sıvı hâle geçmesi için çevreye vermesi gereken ısı miktarıdır. Saf bir madde için buharlaşma ısısı ile yoğuşma ısısı birbirine eşittir ($L_b = L_y$).

Isınma ve Soğuma Grafikleri (Sıcaklık - Zaman Grafikleri)

Bir maddeye düzgün ısı veren bir ısıtıcıyla ısıtıldığında sıcaklığının zamanla değişimini gösteren grafiklere ısınma grafiği denir. - Grafikte çizginin eğimli (yukarı veya aşağı yönlü) olduğu bölgelerde madde hâl değiştirmiyor demektir. Bu bölgelerde maddenin kinetik enerjisi artar veya azalır. Madde tek hâldedir (sadece katı, sadece sıvı veya sadece gaz). - Grafikte çizginin yatay (sabit, düz) olduğu bölgelerde madde hâl değiştiriyor demektir. Sıcaklık sabittir ancak potansiyel enerji artar veya azalır. Madde bu anlarda heterojen görünümlüdür (katı-sıvı veya sıvı-gaz bir arada bulunur). - İki defa yatay bölgeye sahip bir ısınma grafiği, maddenin başlangıçta kesinlikle katı hâlde olduğunu gösterir (Önce erir, sonra kaynar). Tek yatay bölge varsa madde ya sıvıdır kaynıyordur, ya da katıdır sadece eriyordur; kesin bilinemez.

Isı alışverişini anlamak evlerimizi ısıtırken, yalıtım yaparken, termal giysiler tasarlarken ve soğutma sistemlerini (buzdolabı, klima) üretirken kullandığımız en temel fiziksel ilkedir. Teknolojik gelişmelerin pek çoğu maddelerin bu termodinamik özelliklerinin çok iyi bilinmesi sayesinde gerçekleşebilmiştir.