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

Canlıların yaşamında önemli bir yeri olan su, aynı zamanda ısı depolayabilir. Bu özelliği sayesinde su, aldığı ısıyı enerji olarak depolar ve daha soğuk ortama girdiğinde depoladığı bu enerjiyi yavaş yavaş ısı olarak geri verir. Isı tutma kapasitesi havaya göre daha yüksek olduğu için otomobil radyatörlerinde ve kalorifer sistemlerinde çoğunlukla su kullanılır. Suyun bu özelliğinden yararlanılarak günümüzde bazı konut ve iş yerlerinin ısıtılmasında "su duvarı" adı verilen sistemler kullanılmaya başlanmıştır: içi su dolu şeffaf bloklar gündüz güneş ışınlarıyla ısıtılır ve geceleri ortama yavaş yavaş ısı vererek ortamın uzun süre sıcak kalmasını sağlar.

Termometreler

Sıcaklığı değişen bir maddenin boyutu, basıncı, elektrik direnci gibi özellikleri de değişir. Ayrıca canlı ya da cansız, sıcaklığı 0 K'den yüksek olan her madde insan gözünün algılayamadığı kızılötesi ışınlar yayar. Sıcaklıkla birlikte maddede meydana gelen değişimleri algılayan ve bu sayede maddelerin veya ortamların sıcaklığını ölçen araçlara termometre denir. Termometreler kullanım amacına göre sıvılı, metal, gazlı, kızılötesi ve dijital olmak üzere beş gruba ayrılır:

• Sıvılı termometreler: Yapımında kullanılan sıvının donma ve kaynama sıcaklıkları arasında ölçüm yapar; yaygın olarak vücut ve ortam sıcaklıklarını ölçmek için kullanılır.
• Metal termometreler: Erime sıcaklığı yüksek metallerden yapılır; çalışma ilkesi sıcaklığı artan metalin genleşmesine dayanır. Çok düşük sıcaklıklarda hassas ölçüm yapamaz; termostatlarda, fırınlarda ve yüksek endüstriyel sıcaklık ölçümlerinde kullanılır.
• Gazlı termometreler: Sabit hacimdeki gaz basıncının sıcaklıkla değişimi prensibiyle çalışır; hassas ölçüm yapabilir, kullanılan gazın cinsine bağlı olarak 1 K gibi çok düşük sıcaklıkları ölçebilir. Genellikle laboratuvarlarda ve hassas endüstriyel ölçümlerde kullanılır.
• Kızılötesi termometreler: Cisimlerin yüzeyinden yayılan kızılötesi ışınları algılayarak ölçüm yapar; bu nedenle cisimlere temas etmeden sıcaklık ölçebilir. Kamuya açık alanlarda, sağlık kurumlarında, gıda üretim tesislerinde ve yaklaşılması tehlikeli ortamlarda kullanılır.
• Dijital termometreler: Yapımında direnci sıcaklıkla değişen devre elemanları kullanılır; bu elemanların tepki süreleri uzun olduğundan ani sıcaklık değişimlerini yakalayamaz. Günlük hayatta vücut sıcaklığını ölçmek için sıkça kullanılır.

Kızılötesi ve dijital termometreler; sıvılı, metal ve gazlı termometrelere göre çok daha hassas ölçümler yapabilir. Doğru sıcaklık ölçümü yapabilmek için ortama en uygun termometre türü seçilmelidir.

Sıcaklık Ölçekleri

Termometrelerin ölçeklendirilmesi, bir sıcaklık ölçeği içinde belirlenen referans noktalarının ve bu noktalar arasındaki sayısal aralığın tanımlanmasıyla gerçekleştirilir. Ölçeklendirmede suyun deniz seviyesindeki donma ve kaynama sıcaklıkları temel alınır:

Celsius ölçeklendirmeli termometreler dünyada ortam sıcaklıklarının ölçümünde Fahrenheit ve Kelvin ölçeklendirmeli termometrelere göre daha çok kullanılır. Fahrenheit termometresinin bölme sayısı diğerlerine göre daha fazla olduğundan hassas ölçüm gerektiren bazı ülkelerde sağlık alanında Fahrenheit ölçeklendirmeli termometreler tercih edilir. Bilimsel çalışmalarda ise Kelvin ölçeklendirmeli termometreler kullanılır.

Öz Isı

Sıcaklıkları ve kütleleri eşit olan su ve zeytinyağı özdeş kaplara konup daha düşük sıcaklıktaki bir ortama bırakıldığında bir süre sonra zeytinyağının sıcaklığının suya göre daha fazla azaldığı gözlemlenir. Benzer şekilde oda sıcaklığındaki bir cezve ve bir tencere dolusu su özdeş ısıtıcılarla eşit süre ısıtıldığında cezvedeki suyun sıcaklığı, tenceredeki suyun sıcaklığına göre daha fazla artar. Bu örnekler, eşit ısı verilen maddelerin sıcaklıklarındaki değişimin maddenin kütlesi ve cinsiyle ilişkili olduğunu gösterir.

Öz ısı, saf bir maddenin birim kütlesinin sıcaklığını 1 °C veya 1 K değiştirmek için gereken ısı miktarını ifade eder. Öz ısının SI'daki birimi joule/kilogram·kelvin (J/kg·K) olup joule/kilogram·celsius (J/kg·°C) veya kalori/gram·celsius (cal/g·°C) da kullanılabilir. Maddeler için ayırt edici bir özellik olan öz ısı, c sembolü ile gösterilir ve maddenin cinsine ve fiziksel hâline bağlıdır. Örneğin bakırın öz ısısı 1.609 J/kg·°C iken suyun öz ısısı 4.186 J/kg·°C ve buzun öz ısısı 2.100 J/kg·°C'tur — yani 1 kg suyun sıcaklığını 1 °C artırmak için 1 kg bakırınkinden çok daha fazla ısı (4.186 J'e karşı 1.609 J) gerekir.

Isı Sığası

Isı sığası (ısı kapasitesi), saf bir maddenin (belirli bir kütledeki örneğinin) sıcaklığını 1 °C veya 1 K değiştirmek için gereken ısı miktarını ifade eder. C sembolü ile gösterilen ısı sığasının SI'daki birimi J/K olup J/°C veya cal/°C da kullanılabilir. Bir maddenin ısı sığası, o maddenin kütlesi ile öz ısısının çarpımı kadardır:

C = m·c

Isı sığası, maddenin kütlesine bağlı bir nicelik olduğundan ayırt edici bir özellik değildir. Örneğin 1 kg bakırın ısı sığası 1.609 J/°C iken 2 kg bakırın ısı sığası 3.218 J/°C'tur — aynı madde olmasına rağmen kütle farklı olduğu için ısı sığaları da farklıdır. Isı sığaları farklı iki maddenin sıcaklıklarını eşit miktarda değiştirebilmek için ısı sığası büyük olan maddeye daha fazla ısı verilmesi gerekir.

Isı, Kütle, Öz Isı ve Sıcaklık Değişimi Arasındaki Matematiksel İlişki

Saf bir maddeye ısı verildiğinde ya maddenin sıcaklığı artar ya da madde hâl değiştirir. Hâl değişiminin gerçekleşmediği durumlarda maddenin sıcaklığındaki değişim, maddeye verilen ısıyla doğru orantılıdır. Isı sığası C = Q/ΔT olarak tanımlandığından verilen ısı Q = C·ΔT olur; ısı sığasının C = m·c olduğu da göz önüne alındığında ısı ile sıcaklık değişimi arasındaki ilişki şu matematiksel modelle ifade edilir:

Q = m·c·ΔT

Burada Q verilen veya alınan ısı (J), m kütle (kg), c öz ısı (J/kg·K), ΔT ise sıcaklık değişimidir (K).

Örnek Çözüm

1. sınıf öğrencisi Betül, öz ısısı 4,18 J/g·°C olan 20 °C sıcaklıktaki 500 gram suya 10.450 J ısı veriyor. Q = m·c·ΔT formülünde değerler yerine konduğunda:

10.450 = 500 × 4,18 × ΔT → ΔT = 5 °C

Suyun sıcaklığı 5 °C arttığından son sıcaklık T_son = 20 + 5 = 25 °C bulunur.

Öz Isının Günlük Hayattaki Etkileri

Farklı cinsteki A ve B maddelerinden birer kilogram alınıp özdeş ısıtıcılarla eşit süre ısıtıldığında, öz ısısı küçük olan madde daha büyük bir sıcaklık değişimi gösterir (aynı ısı miktarı, öz ısısı küçük maddede daha büyük bir ΔT'ye karşılık gelir). Örneğin demirin öz ısısı (0,115 cal/g·°C), bakırınkinden (0,1 cal/g·°C) biraz büyük, suyunkinden (1 cal/g·°C) ise çok küçüktür; bu nedenle aynı kütledeki demir, bakır ve su eşit süre ısıtıldığında bakırın sıcaklığı en fazla artar, suyun sıcaklığı ise en az artar.

Denizlerin ekim-kasım aylarında hava soğumaya başlarken hâlâ yaz mevsimindeki kadar sıcak kalmasının nedeni de suyun ısı sığasının (ve öz ısısının) büyük olmasıdır: su, yaz boyunca depoladığı büyük miktardaki ısıyı çok yavaş kaybeder, bu nedenle havadan daha yavaş soğur. Maddelerin öz ısılarının farklı olması; yemek pişirme sürelerinden iklimlendirme sistemlerine, deniz ikliminin kara iklimine göre daha ılıman olmasından motor soğutma sistemlerinde suyun tercih edilmesine kadar günlük hayatın pek çok alanında kendini gösterir.