Isı Nedir

Isı Nedir

Isı, bir cisimdeki sıcaklığın artmasına yol açan fiziksel güçtür. 1800 yıllarına kadar, bilim adamları, ısıyı su veya gaz gibi bir akışkan olarak düşünüyorlardı. Bu akışkana kalorik adını vermişlerdi. Cisimlerin sıcak ve soğukken ağırlıkları aynı olduğundan, kalorik adlı akışkanın ağırlığı da yoktur diye düşünüyorlardı. Bu kurama göre, kalorik bütün cisimlerde vardı ve cisimler ısındıkça miktarı artıyordu.

XVIII. yüzyılda Amerikalı bilgin Benjamin Thompson, deneyler yaparak, ısının sınırsız miktarda elde edilebildiğini gösterdi.

Bu konudaki araştırmalara daha sonra, Bavyera hükümeti tarafından orduyu yenileştirmekle görevlendirilen Rumford devam etti. Bir süre sonra, Rumford donanmada görev aldı. Donanmada çalışırken, bir top namlusunun delinmesi sırasında ısı ortaya çıktığını farketti. Hatta bu çıkan ısıyla, bir çaydanlık suyu kaynatabildi. Delme işlemi sürdükçe su daha fazla kaynadı.

Rumford, dönme hareketinin ısıya dönüştüğü ve elde edilecek ısı miktarında bir sınırlamanın olmadığı kanısına vardı. Bunun sonucunda, ısının da bir hareket şekli olduğu düşüncesi ortaya çıktı.

O sıralarda, ünlü Ingiliz kimya bilgini Humphry Davy de yukarıdakine benzer bir deney yapmıştı. Buz bloklarının, birbirine sürtülünce eridiğini saptamıştı. Buna göre, sürtme hareketinin ısıya dönüştüğü ve buzun eridiği sonucuna varmıştı.

Bu konuda, 1840’larda İngiliz fizikçisi James Prescott Joule tarafından da deneyler yapıldı. Joule’un yaptığı deneyler çok önemliydi; sonradan enerji birimine Joule (jül) adı verildi.
Isının, bir hareket şekli olduğu görüşü oldukça eskidir. Rumford, Davy ve diğer bazı bilginlerin yaptığı deneyler, bu görüşü kuvvetlendiren ilk deneyler olmuştur.

Hareket enerjisine şimdi kinetik enerji adı verilmektedir. Bir topu bir cama atarsanız, toptaki kinetik enerji camı kırar. Her madde, atom denilen sayısız küçük taneciklerden oluşmuştur. Bazı cisimlerde atomlar tek olarak bulunur. Bazılarında ise molekül denilen, gruplar şeklinde olurlar. Atomlar da sürekli olarak hareket ederler ve bu nedenle, kinetik enerjileri vardır. Buna göre, bir cismin ısı enerjisi, onun hareket eden atomlarının kinetik enerjisine eşdeğerdir. Atomların hareket hızı arttıkça, cismin sıcaklığı da yükselir. Sonuç olarak, bir cismi ısıtmak, onun atomlarının hareketini hızlandırmak demektir. Çok ısıtılarak kıpkırmızı duruma getirilmiş bir demir parçası suya sokulursa, suyu ısıtır. Bunun nedeni, demirin hızlı hareket eden atomlarının, suyun atomlarının hareketini hızlandırmasıdır.

Isı enerjisi, başka enerji çeşitlerine dönüşebilir. Buharlı lokomotiflerde, kazandaki ısı, tekerlekleri döndüren bir mekanik enerjiye dönüşür. Bir jet motorunda veya rokette yakıtın yanmasıyla çıkan ısı, sıcak gazların kinetik enerjisi şekline girmekte ve bunların geriye doğru püskürtülmesiyle de araç ileri doğru gitmektedir. Değişim, ters yönde de olabilir. Başka çeşit bir enerji, ısı enerjisine dönüşebilir. Örneğin bir elektrikli ısıtıcı çalıştırılınca, elektrik enerjisi ısı ve ışığa dönüşür.

Isı ve sıcaklık arasındaki farkı bilmek çok önemlidir. Aynı büyüklükte iki kabı iki ayrı ocağın üstüne koyalım. Birinde az, diğerinde daha çok su olsun. Sular kaynayınca, ikisinin de sıcaklığı 100 derece (Celsius) olacaktır. Fakat çok su olan kabda, suyun kaynaması diğerinden daha sonra başlayacaktır. Demek ki, fazla suyu ısıtmak için daha çok enerji gereklidir. Sıcaklık, moleküllerin hızıyla veya kinetik enerjileriyle değişir. Sudaki ısı ise, bütün moleküllerin kinetik enerjilerinin toplamıyla eşdeğerdir. Daha çok miktardaki suyun enerjisi daha fazladır. Ayrıca, ısı ve sıcaklığın öl-çülmeleri de değişik yöntemlerle olur.

Bir cismin sıcaklığını bir santigrat derece yükselen ısı miktarı, cismin ısı kapasitesidir. Suyun miktarı ne kadar fazla olursa, ısı kapasitesi de o kadar fazla olur.

Bir gram bakırın sıcaklığını bir santigrat derece yükseltmek için gereken ısı, platininkinden daha fazladır. Herhangi bir cismin bir gramının sıcaklığını bir santigrat derece yükseltmek için gerekli olan ısıya bu cismin özgül ısı kapasitesi denir.

Bir cismin ısıtılması, sıcaklığından başka şeylerini de değiştirebilir. Cismin atomları arasındaki düzen de değişebilir. Katı cisimlerde moleküller ancak belirli bir durumda titreşim yapabilirler. Moleküller, kristal denilen, belirli bir geometrik biçimde de olabilirler. Yahut camda olduğu gibi, düzensiz dağılmış olabilirler. Katı cisimler ısıtılınca, molekülleri daha hızlı titreşim yapmaya başlar; bu nedenle cismin sıcaklığı da artar. Atomların hızı arttıkça, katı cisim genleşmeye başlar. Belli bir sıcaklıktan sonra, atomların titreşimleri o kadar hızlanır ki, artık eski düzenlerini koruyamazlar. Titreşmeye başlarlar ve birbirlerinden uzaklaşırlar. Sıvılardaki atomlar arasında da küçük bir aralık vardır. Sıvının atomları da, katilarda olduğu gibi, titreşim yaparlar.

Bir katı cisim, ısıtılmaya devam edince, bir sıcaklıktan sonra, sıvı şeklini alabilir, fakat o andaki sıcaklığı değişmez. Örneğin, buz eriyince, sıcaklığı sıfır derecede kalır. Su olduktan sonra da ısıtmaya devam edilirse, o zaman suyun sıcaklığı artar.

Sıvının yüzündeki moleküller, ısıtılma sürdükçe, bir sıcaklıktan sonra, sıvı yüzünden uzaklaşmaya başlarlar. Bir tabaktaki sıcak bir sıvıdan bir süre buhar çıktığı görülür. Sıvılar ısıtılınca, moleküller büyük ölçüde dağılırlar. Kaynama başladıktan sonra da sıvı, gaz şekline dönüşmeye başlar. Cazın molekülleri, kaplıyabildikleri bütün hacim içinde serbestçe hareket ederler.
Bir sıvı, gaz şekline dönüşürken ısı alır. Fakat sıcaklık aynı kalır. Suyun kaynama sıcaklığı, normal atmosfer basıncı altında 100 santigrat derecedir.

Katilar, ısıtılınca genleşirler. Beton yapılarda bel-li yerlerde bir miktar aralık bırakılmasının nedeni budur. Böyle yapılmasaydı, Güneş ısısıyla ısınan yapılar genleşip birbirini iter ve yapının burkulmasına yol açardı.

Civalı bir termometreyi sıcak suya sokarak, civanın sıcaklıkla genleşmesi görülebilir. Civa ısındıkça atomları hızlanır. Civa genleşir ve termometrenin cam tübü içinde yükselir.

Cisimlerin ısınınca genleşmesi ve soğuyunca küçülmesi kuralının geçersiz olduğu bazı özel durumlar vardır. Su, 100 derece sıcaklıktan 4°C’ye kadar soğutulunca, hacmi küçülür. Fakat 4°C’ den 0°C’ye kadar hacmi artar. Donduğu zaman hacmi yeniden genleşir. Bu yüzden, aynı hacimdeki buz, aynı hacimdeki sudan daha hafiftir. Buzun suda yüzmesinin nedeni de budur. Görüldüğü gibi, ısı, başka enerji şekillerine dönüştürülebilir ve başka enerji şekillerinden elde edilebilir. Termodinamik denilen bilim, enerjinin bir şekilden diğerine geçişini inceler. Bu dönüşümlerle ilgili kurallara da termodinamik kuralları denir.

Birinci termodinamik kuralına göre, enerji dönüşümü sırasında enerji miktarlarında artma veya eksilme olmaz. Buna enerjinin korunumu denir. Rumford’un deneyinde top namlusunun delinmesinden elde edilen mekanik enerji, ısıya dönüşmüştü. Buhar makinesi veya petrolle çalışan motorda ise tersi olmaktadır. Bir miktar ısı ortaya çıkmakta ve bu tekerlekleri döndürmek veya yük kaldırmak şeklinde mekanik enerjiye dönüşmektedir. Fakat bütün durumlarda, toplam enerji miktarı hep aynı kalmaktadır.

Isı, kendiliğinden, soğuk bir yerden sıcak bir yere akmaz. Bu, termodinamiğin ikinci kuralıdır. Sıcak bir tabak, soğuk bir masa üstüne konunca, masadan, sıcak tabağa ısı akımı sözkonusu olmaz. Tersine, masa, tabaktan ısı alır ve ikisinin sıcaklığı aynı olana kadar da bu ısı alışı sürer. Tabak çok sıcaksa, daha hızlı bir ısı akışı olur.

Sıcak tabak ve soğuk masa birbirine dokunuyorsa, zamanla ikisinin sıcaklıkları aynı olur. Cisimlerin sıcaklıklarının aynı bir değeri almasına ent-ropi denir. Tabak ve masa farklı sıcaklıkta iseler
entropi küçüktür. Yavaş yavaş sıcaklıkların birbirine yaklaşmasıyla entropi de artar. Bu bütün durumlar için geçerli bir kuraldır. Doğal ve yapay olaylarda hep aynı kurala göre ısı alışverişi olur. Evrenin entropisi, herhangi bir olayla azalmaz, hemen hemen aynı kalır. Buna göre, termodinamiğin ikinci kuralı şu şekilde söylenebilir: Evrenin toplam entropisi, sabit bir hızla artar.

Isı soğuk bir cisimden sıcak bir cisme akmamakla birlikte, bu olay yapay olarak sağlanabilir. Buz-dolabındaki çalışma ilkesi buna örnektir. Buzdolabında, havadaki ısı alınıp, soğutucu bölmeye verilir ve buradaki hava soğutulur. Bu ısı, odadaki havaya geçer. Yani, buzdolabındaki düşük sıcaklıkla, odadaki daha yüksek sıcaklık arasında bir ısı alışverişi vardır.

Hareket enerjisi, yani kinetik enerji, enerjinin korunumu ilkesine göre ısı enerjisine dönüşür. Sürtünme sonunda da ısı ortaya çıkar. Rumford’un top namlusu üzerinde yaptığı deneyde, ısıyı ortaya çıkaran, sürtünme idi.

Birdenbire hareket eden yarış otomobillerinin tekerleklerinden duman çıktığı görülür, iki elimizi birbirine sürtünce ısındığını hissederiz. Sürtünmeden doğan ısı, otomobillerde istenmeyen bir olaydır; bunun az olması için, sürtünen parçaların yağlanması yoluna gidilir.

Kinetik enerjinin ısıya dönüştüğü bir durum da çarpmadır. İlk insanların ateşi bulmaları ve kullanmaları da bu şekilde olmuştur. Çakmaktaşı, sert bir yere vurularak çıkan kıvılcımdan kav tutuşturulmuş ve alev elde edilmiştir.

Bir gazı bir yere vuramayız, fakat basıncını arttırarak sıcaklığını yükseltebiliriz. Gazı sıkıştırmak için kullanılan mekanik enerji, ısıya dönüşmüş olur. Dizel motorunda sıkıştırılan gazın sıcaklığı artarak silindirdeki hava ve mazot karışımının patlayıp yanarak pistonu itmesine yol açar.

Bu örnekler başka enerji şekillerini ısıya dönüştürme yollarıdır; fakat ısı kaynakları değildirler. Dünyanın merkezindeki ergimiş metalden oluşan çekirdekten bir miktar ısı gelir. Sıcak su fışkıran yerlerden, derinlerdeki maden yataklarından ve özellikle, yanardağlardan fışkıran lavlardan gelen ısı, Dünyanın merkezindeki bu çekirdekten gelmektedir.

Yıldızlar da büyük miktarlarda ısı gönderirler. Bunlar yoğun sıcak gazlardır. Güneş de böyledir. Fakat bu yıldızlar Dünyadan çok uzakta oldukları için, yaydıkları ısının çok az bir kısmı bize ulaşır. Güneş, en sıcak yıldız değildir; fakat Dünyaya uzaklığı, daha azdır. Bu yüzden Dünyaya ısının büyük kısmı, doğrudan veya dolaylı olarak, Güneşten gelir. Doğrudan gelişi, Güneş ışınları yoluyla olur. Kömür veya yakıtı yaktığımızda elde ettiğimiz ısı ise dolaylı olarak Güneşten elde edilmektedir.

Kömür ve petrol, çok zaman önce yaşamış ve ölmüş bitkilerden oluşur. Bunlar canlı iken, fotosentez yoluyla, Güneş ışınlarının enerjisini, liflerinde depo etmişlerdir. Yakıldıkları zaman, depo edilmiş olan bu enerji açığa çıkmaktadır.
Çeliği çakmak’taşına sürtüp, kıvılcım çıkarmak istediğimizde, kaslarımızdaki enerjiyi kullanmış oluruz. Fakat bu enerjiyi elde etmek için besin almak gerekir. Yediğimiz besinler ise, enerjilerini Güneşten almışlardır.

Hidroelektrik güç de, Güneşten alman enerjiye bağlıdır. Hidroelektrik santrallar, ırmakların ve çağlayanların sularıyla çalıştırılırlar. Irmaklar yağmur suyuyla beslenir, yağmur suyu da havadaki su buharından oluşur. Bu su buharı ise, göl ve deniz sularının Güneş ışınlarıyla ısınması sonunda gökyüzüne yükselir. Böylece, Güneşin enerjisiyle, büyük miktardaki su buharı gökyüzüne yükselir. Hidroelektrik santrallarda, bu enerjinin yalmzca küçük bir kısmı kullanılır.

Güneşle ilgili olmayan tek enerji çeşidi, nükleer enerjidir. Bu enerji, uranyum ve hidrojen atomlarının çekirdeğinden elde edilir.

Isı, ancak hareket halinde iken yararlı olabilir. Bir kaptaki su, ocaktan gelen ısıyla kaynatılabilir. Güneşin, birçok ısı enerjisinin kaynağı olduğu belirtildi; bu Güneş ısısının Dünyaya ulaşmasıyla gerçekleşmektedir. Isının bir yerden diğerine ya-ı yılışı üç şekilde olur.

Bunlardan birincisi, ışınım (radyasyon) denilen ve ısının havada veya boşlukta, görülmeyen dal galar şeklinde yayılma şeklidir. Isı dalgaları, Gü neşten, ışık dalgaları gibi gelirler. Işık ve ısı dal gaları aynı hızla, saniyede 300 000 kilometre, yol alırlar. Ancak, dalga boyları faklıdır. Bir dalganın boyu, iki tepe noktası arasındaki uzaklıktır. Isı dalgalarının boyu, ışık dalgalarından daha fazladır. Bunlar dalgaboylarına göre yapılan sıralamada, kırmızı ışınların gerisinde kalırlar ve kızılötesi (enfraruj) dalgalar adını alırlar. Açık bir yerde yanan ateşten çıkan ısının bir kısmı bu yolla yayılır ve elimizi değdirmeden de bu ısıyı hissederiz. Buna yayılan ısı adı verilir.

Isının bir yayılma şekli de iletimdir (kondüksi-yon). Bu yayılma, iki cismin birbirine dokunmasıyle olur. Akkor durumdaki bir demir çubuk suya sokulunca, demirin hızlı hareket eden atomları, su moleküllerini harekete geçirerek, suyu da ısıtır. Demir çubuk ateşe atılınca, onun da ısınması aynı yolla olur. Bazı malzemeler, örneğin metaller, ısıyı iyi iletirler; bazıları ise iletmezler. Canlı şeylerden sağlanan maddeler (odun gibi) iyi iletken değildir. Bir tahta çubuğun ucunu ateşe sokunca, sokulan ucu yanmaya başladığı halde, öteki ucunda sıcaklık hissedilmez.

Üçüncü ısı yayılma şekli konveksiyondur. Sıcak hava konveksiyon yoluyla yükselir. Isı, moleküllerin hareketini hızlandırır ve daha geniş bir hacme yayılmasını sağlar. Bu yüzden sıcak havanın yoğunluğu, soğuk havadan daha az olur ve sıcak hava yükseklere çıkar.

Isı enerjisi toplanıp tartılamaz veya uzunluğu ölçülemez. Fakat bir ölçü yolu ve birimi vardır. Bir zamanlar bu birimin adı kalori idi. Bir kalori, bir gram suyun sıcaklığını bir santigrat derece yükselten ısı miktarıdır. Bilim adamları, günümüzde ısıyı, diğer enerji çeşitlerine benzer olarak, jül ile ölçmeyi daha uygun bulmaktadırlar. Bir kalori, dört jülden biraz fazladır.

Yorum yazın