d-sıcaklık değişimi

ÖĞRENME ALANI
ÜNĐTE 5
D-
:
:
MADDE VE DEĞĐŞĐM
MADDENĐN HALLERĐ VE ISI
SICAKLIK DEĞĐŞĐMĐ
1Isı Enerjisinin Sıcaklık Değişimine Etkisi
2Isı Enerjisi Alan Maddenin Kütlesinin (Miktarının) Sıcaklık Değişimine Etkisi
3Isı Enerjisi Alan Maddenin Cinsinin (Öz Isısının) Sıcaklık Değişimine Etkisi
4Isı Kaynağının Gücünün Maddenin Sıcaklık Değişimine Etkisi
5Isıtma Süresinin Maddenin Sıcaklık Değişimine Etkisi
6Sıcaklık Değişimi Đçin Gerekli Isı Enerjisi
7Isı – Sıcaklık Grafikleri
8Isı Sığası (Isının Su Cinsinden Değeri)
9Isı Alış Verişi
1
D-
SICAKLIK DEĞĐŞĐMĐ
:
1-
Isı Enerjisinin Sıcaklık Değişimine Etkisi
:
Sıcaklık, maddeyi oluşturan taneciklerin ortalama kinetik enerjisidir. Bir madde ısı enerjisi
alırsa moleküllerinin kinetik enerjisi artacağı için sıcaklığı artar. Bir madde dışarıya ısı enerjisi
verirse moleküllerinin kinetik enerjisi azalacağı için sıcaklığı azalır.
Bir maddenin sıcaklığının değişmesi için gerekli olan ısı enerjisi o maddenin kütlesine,
cinsine (öz ısısına), sıcaklık değişim miktarına, ısı veren ısı kaynağının gücüne ve ısıtma süresine
bağlı olup bunlarla doğru orantılıdır.
▪
Bir maddenin sıcaklığının değişmesi için gerekli ısı enerjisi pozitifse madde
dışarıdan ısı enerjisi alır, sıcaklığı artar.
▪
Bir maddenin sıcaklığının değişmesi için gerekli ısı enerjisi negatifse madde dışarıya
ısı enerjisi verir, sıcaklığı azalır.
NOT : 1-
Sıcaklığın sıfır veya sıfırın altında olması, moleküllerin enerjilerinin sıfır olması
anlamına gelmez.
2-
Isı Enerjisi Alan Maddenin Kütlesinin (Miktarının) Sıcaklık Değişimine Etkisi
:
Maddelerin kütleleri farklı ise maddeyi oluşturan tanecik sayıları farklı olur. Kütlesi büyük
olan maddede fazla, kütlesi küçük olan maddede daha az sayıda tanecik bulunur.
Aynı sıcaklıktaki aynı cins maddeler özdeş ısıtıcılarla eşit sürelerde ısıtıldıklarında,
maddelerin kütleleri farklı ise, maddelerin sıcaklık değişimleri de farklı olur. Kütlesi büyük olan
maddede ısı enerjisi daha fazla taneciğe aktarılır ve taneciklerin ortalama kinetik enerjilerindeki
artış yani sıcaklık artışı daha az olur.
Aynı sıcaklıktaki aynı cins maddelerin kütleleri farklı ise bu maddelerin aynı sıcaklığa kadar
ısıtılması için, özdeş ısıtıcılarla kütlesi büyük olan maddenin, kütlesi küçük olan maddeye göre daha
uzun süre ısıtılması veya özdeş olmayan ısıtıcılardan daha çok ısı yayan ısı kaynağının kullanılması
yani daha fazla ısı enerjisi aktarılması gerekir.
Kütlesi Büyük Madde
(Tanecik Sayısı Fazla)
Kütlesi Küçük Madde
(Tanecik Sayısı Az)
Sıcaklık Artışı Az
(Taneciklerin Kinetik
Enerjileri Az)
Sıcaklık Artışı Fazla
(Taneciklerin Kinetik
Enerjileri Fazla)
2
ÖRNEKLER :
1-
Đlk sıcaklıkları eşit olmasına rağmen özdeş ısıtıcılarla eşit süre ısı enerjisi verilen farklı
kütledeki aynı cins maddelerin sıcaklık değişimleri farklı olur. Özdeş ısıtıcılarla eşit süre ısı
enerjisi verilen sulardan bardaktaki suyun sıcaklığı, kovadaki suyun sıcaklığından fazla olur.
Sıcaklık (0C)
t2
Bardaktaki Su (m2)
t1
Kovadaki Su (m1)
t
t1
t2
→
→
→
▪
Eşit süre ısıtılan farklı kütleli aynı cins
maddelerin sıcaklıkları farklı olur.
t
Zaman
2-
Suların Đlk Sıcaklıkları
Kovadaki Suyun Son Sıcaklığı
Bardaktaki Suyun Son Sıcaklığı
m2 < m1
olduğu için
t2 > t1 olur.
Özdeş ısıtıcılarla ısıtılan bir kova su ile bir bardak suyun aynı sıcaklığa kadar ısıtılması
(veya kaynatılması) için gerekli ısı enerjileri farklıdır. Bu nedenle kovadaki suya daha fazla
ısı enerjisi verilebilmesi için daha uzun süre ısıtılması gerekir.
Sıcaklık (0C)
t1
t2
→
→
Suların Đlk Sıcaklıkları
Suların Son Sıcaklıkları
▪
Farklı kütleli aynı cins maddelerin
sıcaklıklarının eşit olması için farklı
sürelerde ısıtılır yani verilen ısı enerjisi
miktarları farklı olur.
t2
t1
Bardaktaki Kovadaki
Su (m1)
Su (m2)
3-
Zaman
Özdeş ısıtıcıların eşit süre küçük ve büyük odaları ısıtması durumunda, küçük odanın
sıcaklığı, büyük odaya göre daha fazla artar.
3-
Isı Enerjisi Alan Maddenin Cinsinin (Öz Isısının) Sıcaklık Değişimine Etkisi :
Bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 10C değiştirmek için gerekli olan ısı miktarına öz ısı
denir. Öz ısı c ile gösterilir ve her madde için farklıdır. Bu nedenle maddeler için ayırt edici
özelliktir. Ayırt edici özellik olduğu için maddenin öz ısısı miktarına bağlı değildir.
▪
Her maddenin birim kütlesinde farklı sayıda molekül bulunur. Çünkü her maddenin
molekül büyüklüğü birbirinden farklıdır. Maddelerin molekül büyüklükleri farklı
olduğu için molekül kütleleri de farklıdır ve bu moleküllerin kinetik enerjilerini
değiştirmek için gerekli olan ısı enerjisi miktarı da farklıdır.
▪
Aynı sıcaklıkta ve kütledeki farklı cins maddeler özdeş ısıtıcılarla eşit sürelerde
ısıtıldıklarında, maddelerin öz ısıları farklı olduğu için sıcaklık değişimleri de farklı
olur.
▪
Öz ısısı küçük olan maddede daha az tanecik bulunduğu için ısı enerjisi daha az
taneciğe aktarılır ve taneciklerin ortalama kinetik enerjilerindeki artış yani sıcaklık
artışı daha fazla olur. Bu nedenle öz ısısı küçük olan maddeler daha kolay ısınıp
sıcaklığı daha fazla artarken öz ısısı büyük olan maddeler daha zor ısınıp sıcaklığı
daha az artar.
▪
Öz ısısı küçük olan maddeler daha hızlı ısınır ve daha hızlı soğurlar. Bu nedenle öz
ısısı küçük olan maddeler, öz ısısı büyük olan maddelere göre daha hızlı soğudukları
için etrafına daha hızlı ısı enerjisi yayarlar.
3
Aynı sıcaklıkta ve kütledeki farklı cins maddelerin aynı sıcaklığa kadar ısıtılması
için, özdeş ısıtıcılarla öz ısısı büyük olan maddenin, öz ısısı küçük olan maddeye
göre daha uzun süre ısıtılması veya özdeş olmayan ısıtıcılardan daha çok ısı yayan ısı
kaynağının kullanılması yani daha fazla ısı enerjisi aktarılması gerekir.
▪
ÖRNEKLER :
1-
Đlk sıcaklıkları eşit olmasına rağmen özdeş ısıtıcılarla eşit süre ısı enerjisi verilen öz ısıları
farklı olan farklı cins maddelerin sıcaklık değişimleri farklı olur. Özdeş ısıtıcılarla eşit süre
ısı enerjisi verilen maddelerden öz ısısı küçük olan maddenin sıcaklığı fazla olur.
Sıcaklık (0C)
t2
Alkol (c2)
t1
Su (c1)
t
t
t1
t2
c1
→
→
→
→
c2
→
▪
Eşit süre ısıtılan öz ısıları farklı olan farklı
cins maddelerin sıcaklıkları farklı olur.
Zaman
c1 < c2
2-
Sıvıların Đlk Sıcaklıkları
Suyun Son Sıcaklığı
Alkolün Suyun Son Sıcaklığı
Suyun Öz Isısı
(c1 = 1 cal/gr.0C)
Alkolün Öz Isısı
(c2 = 0,6 cal/gr.0C)
olduğu için
t2 > t1 olur.
Özdeş ısıtıcılarla ısıtılan su ve alkolün aynı sıcaklığa kadar ısıtılması için gerekli ısı
enerjileri farklıdır. Bu nedenle suya daha fazla ısı enerjisi verilebilmesi için daha uzun süre
ısıtılması gerekir.
Sıcaklık (0C)
t1
t2
→
→
Sıvıların Đlk Sıcaklıkları
Sıvıların Son Sıcaklıkları
▪
Aynı kütleli farklı cins maddelerin
sıcaklıklarının eşit olması için farklı
sürelerde ısıtılır yani verilen ısı enerjisi
miktarları farklı olur.
t2
t1
Alkol
(c2)
Su
(c1)
Zaman
4-
Isı Kaynağının Gücünün Maddenin Sıcaklık Değişimine Etkisi
:
Isı kaynağının birim zamanda verdiği ısı enerjisi miktarı, maddenin sıcaklığının değişme
süresini etkiler.
▪
Aynı kütleli, aynı cins ve aynı sıcaklıktaki maddeler özdeş olmayan ısıtıcılarla eşit
sürelerde ısıtılırsa, verdiği ısı miktarı fazla olan kaynağın ısıttığı maddenin
taneciklerine daha fazla ısı enerjisi aktarılacağı için taneciklerin kinetik enerjisi yani
maddenin sıcaklığı daha fazla artar.
5-
Isıtma Süresinin Maddenin Sıcaklık Değişimine Etkisi :
Sıcaklık, maddenin aldığı ya da verdiği ısı enerjisinin göstergesidir.
▪
Özdeş ısıtıcılarla ısıtılan aynı kütleli, aynı cins ve aynı sıcaklıktaki maddelerden uzun
süre ısıtılan maddeye daha fazla ısı enerjisi aktarılacağı için taneciklerin kinetik
enerjisi yani madenin sıcaklığı daha fazla artar.
4
6-
Sıcaklık Değişimi Đçin Gerekli Isı Enerjisi
:
Sıcaklık değişimi için gerekli ısı enerjisi miktarı; maddenin kütlesine, cinsine ve sıcaklık
değişim miktarına bağlı olup bunlarla doğru orantılıdır.
Kütlesi m olan bir maddenin sıcaklığını t kadar değiştirmek için gerekli olan ısı enerjisi
miktarı;
ISI ENERJĐSĐ = KÜTLE x ÖZ ISI x SICAKLIK DEĞĐŞĐMĐ
Sembol
Kütle
Öz Isı
Öz Isı
Đlk Sıcaklık
Son Sıcaklık
Sıcaklık Değişimi
Isı Enerjisi
Isı Enerjisi
→
→
→
→
→
→
→
→
m
Veya;
Q = m . c . t
Birim (SI)
kg
→
0
Birim (CGS)
→
gr
c
→
Joule/kg. C
→
Joule/gr.0C
c
→
cal/kg.0C
→
cal/gr.0C
t1 (tilk)
→
0
C
→
0
C
t2 (tson)
→
0
C
→
0
C
t
→
0
C
→
0
C
Q
→
Joule
→
Joule
Q
→
cal
→
cal
Q = m . c . (t2 – t1)
Sıcaklık Değişimi = Son Sıcaklık – Đlk Sıcaklık
t = t2 – t1
Veya;
t = tson – tilk
7-
Isı – Sıcaklık Grafikleri
:
a)
Isı Enerjisi – Sıcaklık Değişimi Grafiği (Q – ∆t) :
Isı enerjisi – sıcaklık değişimi grafiğinde çizilen doğrunun eğimi, ısı sığasını verir.
Q (cal)
Q
α
Q
= m.c = Isı Sığası
∆t
▪
Eğim = tan α =
▪
(Q = m . c . t ⇒
Q
= m.c )
∆t
t (0C)
t
5
b)
Sıcaklık Değişimi – Isı Enerjisi Grafiği (∆t – Q) :
Sıcaklık değişimi – Isı enerjisi grafiğinde çizilen doğrunun eğimi, ısı sığasının tersini
verir.
t (0C)
Eğim = tan α =
∆t
1
=
= Isı Sığasının Tersi
Q m.c
Q
= m.c
∆t
(Q = m . c . t ⇒
t
α
Q (cal)
⇒
∆t
1
=
)
Q m.c
Q
8-
Isı Alış Verişi
:
Sıcaklıkları farklı olan maddeler bir araya getirildiklerinde maddeler arasında ısı alış verişi
olur. Sıcaklığı fazla olan madde ısı enerjisi vererek soğur, sıcaklığı az olan madde de verilen bu
enerjiyi alarak ısınır.
▪
Maddeler arasındaki ısı alış verişi, maddelerin sıcaklıkları eşit oluncaya kadar sürer.
▪
Maddeler arasında ısı alış verişinin gerçekleşebilmesi için maddelerin ilk
sıcaklıklarının farklı olması gerekir.
▪
Isı alış verişinde alınan ve verilen ısı enerjisi miktarları daima birbirine eşittir.
▪
t1
t2
c1
Karışımın son sıcaklığı, karışımı
oluşturan
(birbirine
dokunan)
maddelerin sıcaklıkları arasında bir
değerdedir.
c2
m1
m2
▪
t1 > t2 ise
t1 > tson > t2
Alınan Isı
=
Verilen Isı
QAlınan
=
QVerilen
m2 . c2 . t2
=
m1 . c1 . t1
m2.c2.(tson–t2) =
m1.c1.(t1–tson)
m1 + m2
tson = tortak = tdenge
a)
Isı Alış Verişinde Özel Durumlar :
1-
Aralarında ısı alış verişi olacak cisimler aynı cins, eşit kütleli ve farklı sıcaklıktaki
cisimler ise, karışımın son sıcaklığı, cisimlerin (sıvıları) sıcaklıklarının (aritmetik)
ortalamasına eşittir.
(Kütleleri aynı, sıcaklıkları farklı olan aynı cins maddeler arasında
gerçekleşen ısı alış verişinde, maddenin son sıcaklıkları, ilk sıcaklıklarının
ortalamasına eşit olur).
t son =
t1 + t 2
2
6
2-
Aralarında ısı alış verişi olacak cisimler aynı cins, farklı kütleli ve farklı sıcaklıktaki
cisimler ise, karışımın son sıcaklığı;
t son =
b)
m1.t1 + m 2 .t 2 + ..
m1 + m 2 + ..
Isı Alış Verişinde Sıcaklık – Zaman Grafiği
:
Sıcaklık
t1
QVerilen
tson
t2
QAlınan
Zaman
ÖRNEKLER :
1-
10 gram suyun sıcaklığının 200C’den 300C’ye çıkarılması için gerekli olan ısı enerjisi kaç
kalori (cal) ve kaç Joule’dür?
(csu = 1 cal/gr.0C
, csu = 4,18 J/gr.0C)
2-
Öz ısısı 0,09 cal/gr.0C olan bakırın ilk sıcaklığını 200C değiştirebilmek için gerekli olan ısı
enerjisi 3600 kalori (cal) ise bakırın kütlesi kaç gramdır?
3-
Öz ısısı 0,36 J/gr.0C olan bakırın ilk sıcaklığını 200C değiştirebilmek için gerekli olan ısı
enerjisi 14400 joule ise bakırın kütlesi kaç gramdır?
4-
Öz ısısı 0,01 cal/gr.0C olan 400 gram kütleli metalin ilk sıcaklığı 200C’dir. Bu metale 600
kalorilik (cal’lik) ısı enerjisi verilirse son sıcaklığı kaç 0C olur?
5-
Öz ısısı 0,04 J/gr.0C olan 400 gram kütleli metalin ilk sıcaklığı 200C’dir. Bu metale 2400
Jolue’lük ısı enerjisi verilirse son sıcaklığı kaç 0C olur?
6-
20 gram suyun sıcaklığının 390C’den 190C’ye düşürülmesi için kaç kalorilik (cal’lik) ısı
enerjisi alınmalıdır?
(csu = 1 cal/gr.0C)
7-
Isı sığası 20 cal/0C olan suyun sıcaklığının 150C arttırılması için gerekli olan ısı enerjisi kaç
kaloridir (cal’dir)?
8-
200 gram bakırın ilk sıcaklığı 1000C’dir. Bakırdan 1440 kalorilik (cal’lik) ısı enerjisi alınırsa
bakırın son sıcaklığı kaç 0C olur?
(cCu = 0,09 cal/gr.0C)
9-
X, Y, Z maddelerinin erime ve kaynama sıcaklıkları tablodaki gibidir. Buna göre oda
sıcaklığında (250C’de) bu maddeler hangi halde bulunur?
Madde
X
Y
Z
Erime Sıcaklığı (0C)
26 0C
–12 0C
20 0C
Kaynama Sıcaklığı (0C)
72 0C
24 0C
105 0C
7
10-
11-
100C’deki 20 gram su ile 700C’deki 20 gram su karıştırılırsa karışımın son (denge = ortak)
sıcaklığı kaç 0C olur?
csu
csu
m1 = 20 gr
t1 = 10 0C
m2 = 20 gr
t2 = 70 0C
200C sıcaklığında 40 gram su ile 500C sıcaklığında 10 gram su karıştırılırsa karışımın son
(denge = ortak) sıcaklığı kaç 0C olur?
csu
csu
m1 = 40 gr
t1 = 20 0C
12-
m2 = 10 gr
t2 = 50 0C
500C sıcaklığında 60 gram su ile 100C sıcaklığında 150 gram alkol bir kapta karıştırılırsa
karışımın son (denge = ortak) sıcaklığı kaç 0C olur?
calkol
csu
m1 = 150 gr
t1 = 10 0C
cal = 0,6 cal/gr.0C
13-
m2 = 60 gr
t2 = 50 0C
cal = 1 cal/gr.0C
Isı – sıcaklık grafiği verilen cismin sıcaklığını 500C’den 800’ye çıkarmak için kaç kalorilik
(cal’lik) ısı enerjisi gerekir?
Q (cal)
80
40
00C
14-
10
20
t (0C)
Isı – sıcaklık grafikleri şekildeki gibi olan A ve B cisimlerinin kütleleri aynı ise bu
cisimlerin öz ısılarının oranı nedir?
8
Q (cal)
A
400
B
200
00C
15-
10
20
t (0C)
Kütle ve sıcaklıkları şekildeki gibi olan üç kaptaki sular karıştırılırsa karışımın son (denge =
ortak) sıcaklığı kaç 0C olur?
1
csu
m1 = 40 gr
t1 = 30 0C
2
3
csu
csu
m2 = 50 gr
t2 = 15 0C
m3 = 10 gr
t3 = 25 0C
9