Isının Yayılma Yolları
Bulunduğu ortama göre sıcaklığı fazla (yüksek) olan her madde çevresine ısı aktarır, yayar. Masa, insan, ateş, buz, su kendisinden daha soğuk bir ortamda bulunduğunda çevresine ısı aktarır, yayar. Isı enerjisi, maddelerde çeşitli yollarla yayılır.
Isı enerjisi iletim, konveksiyon (taşıma = sıvı ve hava akımı) ve ışıma (radyasyon) yolu ile yayılır.
1- Isı Enerjisinin İletim Yoluyla Yayılması (İletim) (Taneciklerin Çarpışmasıyla Isının Yayılması) :
Maddeyi oluşturan taneciklerin birbirine çarpması ile ısı enerjisinin aktarılmasına ısının iletim yoluyla yayılması denir. Isı enerjisinin iletim yoluyla yayılması bütün maddeler taneciklerden oluştuğu için katı, sıvı ve gazlarda görülür. Fakat ısının iletim yoluyla yayılması katı maddelerde, sıvı ve gaz halindeki maddelerden daha kolay gerçekleşir. Katılar ısı enerjisini sadece iletim yoluyla yayarlar.
Katı haldeki maddenin bir ucu ısıtıldığında ısınan uçtaki tanecikler diğerleri ile çarpışarak ısıyı diğer uca aktarırlar.
Katı haldeki madde ısıtıldığında, ısı enerjisini alan katı madde tanecilerinin hareket (kinetik) enerjisi arttığı için titreşim hızı da artar. Titreşen tanecikler (yerinden ayrılamayacağı için) etrafındaki diğer taneciklere çarparak diğer tanecikleri de titreştirir ve o taneciklerin de titreşim hızını bu nedenle de hareket enerjisini arttırır. Böylece ısı enerjisi bir tanecikten diğerine aktarılarak madde boyunca iletilmiş yani yayılmış olur.
Isıtılan Teldeki Isı Enerjisinin Telde Yayılması
a) Sıcaklıkları Farklı İki Madde Arasındaki Isı Aktarımının İletim Yoluyla Gerçekleşmesi :
Isı enerjisinin iletim yoluyla yayılması, maddeler birbirine temas ettiğinde de gerçekleşir. Sıcaklıkları farklı maddeler birbirine dokundurulduklarında yani temas ettiklerinde, sıcaklığı fazla olan madde ısı kaynağı gibi davranarak sıcaklığı az olan maddeye ısı enerjisi aktarır.
Sıcaklığı fazla olan maddeye dokunan soğuk maddedeki tanecikler ısı enerjisini alır ve tanecilerin hareket enerjisi arttığı için titreşim hızı da artar. Titreşen tanecikler (yerinden ayrılamayacağı için) etrafındaki diğer taneciklere çarparak diğer tanecikleri de titreştirir ve o taneciklerin de titreşim hızını bu nedenle de hareket enerjisini arttırır. Böylece ısı enerjisi bir tanecikten diğerine aktarılarak madde boyunca iletilmiş yani yayılmış olur.
ÖRNEKLER :
1- Sobaya konan çaydanlığın kendinin ve metal kulpunun ısınması.
2- Sobadaki tencerenin içindeki metal kaşığın ısınması.
3- Sıcak tavadaki katı yağın erimesi.
b) Maddelerin Isı İletkenlikleri :
Bütün maddelerin ısı iletkenlikleri farklıdır. Bazı maddeler ısıyı hızlı, bazıları da yavaş iletirler. Isı enerjisinin iletim yoluyla yayılması bütün maddelerde görülür. Bütün maddeler taneciklerden oluştuğu için katı, sıvı ve gazlar ısı enerjisini iletim yoluyla yayabilirler.
Isı enerjisinin iletim yoluyla yayılabilmesi için maddeyi oluşturan taneciklerin birbiri ile çarpışması ve çarpıştığı taneciği de titreştirmesi (yani ona ısı enerjisi aktarması) gerekir. Bu nedenle ısı enerjisinin iletim yoluyla daha iyi yayılabilmesi için tanecikler arasındaki boşluğun az olması ve taneciklerin düzenli olması gerekir.
Isı enerjisinin iletim yoluyla yayılması katı maddelerde, sıvı ve gaz halindeki maddelerden daha kolay gerçekleşir. Bunun nedeni ise katı taneciklerinin düzenli ve aralarındaki boşluğun çok az olmasıdır. Sıvı ve gaz halindeki maddenin tanecikleri arasındaki boşluk katılara göre daha fazla ve tanecikler daha düzensiz olduğu için ısı enerjisinin sıvı ve gazlarda iletim yoluyla yayılması katılara göre çok daha yavaş gerçekleşir.
Bütün maddelerin ısı iletkenlikleri farklıdır. Isının bir maddedeki yayılma hızı o maddenin iletken mi yoksa yalıtkan mı olduğunu belirtir.
Isıyı iyi ileten maddelere ısı iletkeni denir. Isı iletkenlerini oluşturan tanecikler arasındaki boşluk çok azdır ve tanecikler düzenlidir. Isı iletkenleri kısa sürede büyük miktarda ısı iletirler. Metaller (Bakır, alüminyum, demir,…), diğer maddelere göre ısıyı daha hızlı iletirler ve ısı iletkenidirler.
Isıyı iyi iletemeyen maddelere ısı yalıtkanı denir. Isı yalıtkanlarını oluşturan tanecikler arasındaki boşluk çok fazladır ve tanecikler düzensizdir. Isı yalıtkanları kısa sürede çok az miktarda ısı iletirler. Tahta, plastik, beton, hava ısı yalıtkanıdır. Plastik köpük, cam yünü, pamuk, saman, asbest, çift camlı pencerelerdeki hava boşluğu, termoslardaki iç ve dış yüzey arasındaki havasız ortam (vakum) ısı yalıtımı için kullanılır.
SORU : 1- Isının farklı maddelerde farklı sürelerde yayılmasının nedeni nedir?
2- Tanecikleri arasındaki boşluk miktarı fazla olan sıvı ve gazlarda ısı iletimi hangi yolla olur?
NOT : 1- Elektrik enerjisini iletebilen maddelere iletken, iletemeyen maddelere yalıtkan denir. Elektrik enerjisini iyi iletebilen maddeler ısı iletkeni, iyi iletemeyen maddeler ise ısı yalıtkanıdır.
ÖRNEKLER :
1- Ateşin üstündeki üçayak ve onun üstündeki tencerenin ısınması.
2- Ateşin üstündeki tencerenin tutulurken kalın eldiven giyilmesi.
3- Tavaya konan katı yağın erimesi.
4- Bir ucu ateşin içindeki demir maşanın diğer ucunun ısınması.
ÖRNEKLER :
1- Şekildeki K çubuğu ısıtıldığında L, M, N noktalarındaki mumlardan (mumlara batırılan iğnelerden) hangisi önce erir (düşer)?
• K çubuğu ısıtılınca ısı, iletim yoluyla yayılacağı için önce L, sonra M, sonra da N mumu erir (iğnesi düşer).
2- Uzunlukları aynı, iletkenlikleri farklı olan üç cisim birleştirilip ortadan ısıtılıyor. X, Y, Z mumlarının erime (düşme) sırası nasıldır? (X, Y, Z mumlarından – balmumlarından – hangisi önce, hangisi sonra erir?)
• Orta iletken madde, ısıyı uçlarına aynı sürede ileteceği için önce Y mumu erir.
• İyi iletken ısıyı daha hızlı ileteceğinden sonra Z ve en sonra da X erir.
• Y, Z, X
3- Birbirlerine perçinlenmiş X, Y, Z balmumlarının bulunduğu K, L ve M çubukları özdeş ısıtıcılarla ısıtıldığında önce X, sonra Y, sonra da Z balmumu düşüyor. K, L, M metal çubuklarının ısı iletkenliklerini sıralayın.
• 1. ve 2. Çubuklar :
X, Y’ den önce düşüyor. 1. ve 2. çubukta L metali olduğu için 1.’ de X’ in önce düşmesinin nedeni K metalinin iletkenliğinin M metalinin iletkenliğinden büyük olmasıdır.
• 2. ve 3. Çubuklar :
Y, Z’ den önce düşüyor. 2. ve 3. çubukta M metali olduğu için 2.’ de Y’ nin önce düşmesinin nedeni L metalinin iletkenliğinin K metalinin iletkenliğinden büyük olmasıdır.
• L > K > M
4- Serin bir günde tahta sırada (bankta) oturan kişinin beton sıraya (banka) geçerse daha fazla üşümesinin sebebi nedir?
• Beton ısıyı tahtaya göre daha iyi iletir. Kişinin ısısını beton daha hızlı çeker ve başka bir yere iletir.
2- Isı Enerjisinin Işıma (Radyasyon) Yoluyla Yayılması (Tanecik Olmadan Isının Yayılması) :
Isı enerjisinin tanecik olmadan ışınlar sayesinde yayılmasına ışıma denir. Işıma yoluyla ısının yayılmasında temas yoktur ve ışıma ile ısının yayılması boşlukta ve saydam ortamlarda gerçekleşir.
Isı kaynağından çıkan ısı enerjisi etrafa enerji dalgaları şeklinde yayılır. Isı, ışık gibi davranır yani boşlukta veya saydam ortamlarda da yayılır. Isının iletim ve konveksiyon yoluyla yayılması için bir maddeye ihtiyaç olduğu halde ışıma yoluyla yayılması için bir maddeye ihtiyaç yoktur.
Bütün maddeler ışıma yoluyla etrafına az ya da fazla ısı yayarlar ve ışıma her yönde olur.
Koyu renkli yüzeyler, açık renkli yüzeylere göre hem daha fazla ışıma yaparlar hem de daha fazla ısı soğururlar.
Mat yüzeyler, parlak yüzeylere göre hem daha fazla ışıma yaparlar hem de daha fazla ısı soğururlar.
SORU : 1- Soğuk günlerde evin içinin sıcak, camın soğuk olmasının nedeni nedir?
a) Isının Güneş’ ten Dünya’ ya Ulaşması :
Dünya, Güneş ışınları sayesinde ısınır. Güneş’ ten yayılan ışınlar uzay boşluğunda yayılarak (hareket ederek) ışıma yoluyla Dünya’ ya gelirler. Uzay boşluğunda tanecik bulunmadığı için Güneş ışınları Dünya’ ya çok kısa sürede gelir.
Dünya, gündüz Güneş’ ten ışıma yoluyla gelen ışınlar sayesinde ısınır. Fakat geceleri, Güneş’ ten ışıma yoluyla ısı alamaz. Gündüz, Güneş’ ten ışıma yoluyla gelen ışınlar sayesinde ısınan Dünya, etrafına göre daha sıcak olduğu için gece etrafına ışıma yoluyla ısı yayar. Bu nedenle Dünya, gece ısı yaydığı için ısı kaybeder ve geceleri Dünya yüzeyi (taş, toprak, deniz, göl, kaya) daha soğuk olur.
Kışın güneşli günlerde evin güneş alan kısımlarının ısınmasının nedeni Güneş’ ten Dünya’ ya ışıma yoluyla ısının yayılmasıdır.
SORU : 1- Sıcak veya kışları soğuk geçen bölgelerde yaşanacak evler nasıl tercih edilmelidir?
2- Geceleri Dünya neden soğuk olur?
3- Neden havanın açık olduğu geceler bulutlu gecelerden daha soğuk olur?
ÖRNEKLER :
1- Soğuk bölgelerde Güneş gören ev ve işyerlerinin tercih edilmesinin nedeni, ışıma yoluyla gelen Güneş ışınları sayesinde ısınabilmek içindir.
2- Güneşli bir günde evin veya arabanın içinin ısınması fakat camın soğuk kalmasının nedeni cam gibi saydam maddelerin ışığı geçirdikleri için ısınmaması fakat cam ışığı geçirdiği için evin veya arabanın içinin ısınmasıdır.
3- Isı, yanan şömine, fırın ve lambadan ışıma yoluyla yayılır.
4- Güneş’ ten Dünya’ ya ısının gelmesi ışıma yoluyla gerçekleşir.
5- Topraktan yapılan cerelerin kullanılması.
b) Sera Etkisi :
Dünya’nın etrafını saran ve Dünya ile birlikte dönen hava tabakasına atmosfer denir. Güneş’ ten Dünya’ ya gelen ışınların bir kısmı atmosfere çarparak uzaya geri dönerken büyük bir kısmı da atmosferden geçerek yeryüzüne ulaşır. Atmosfer bu nedenle yeryüzünün fazla ısınmasını engeller. Ayrıca atmosferi oluşturan gazlar, yeryüzüne gelen ışınların bir kısmının uzaya yayılmasını engeller (engelleyen perde oluşturur).
Atmosfer, Güneş ışınlarının bir kısmının yeryüzüne ulaşmasına ve yeryüzüne ulaşan ışınların bir kısmının yeryüzüne çarparak uzaya geri dönmesine izin verirken yeryüzüne ulaşan ışınların bir kısmının da uzaya yayılmasını engeller ve bu ışınların yeryüzünde kalmasını sağlar. Atmosferin yeryüzüne çarpan ışınların tamamının uzaya yayılmasını engellemesine sera etkisi denir. Böylece Dünya, atmosfer sayesinde canlıların yaşamasına elverişli sıcaklığa sahip olur.
c) Küresel Isınma :
Atmosferi oluşturan bazı gazlar Güneş ışınlarının bir kısmının yeryüzünde kalmasını sağlar. Fakat atmosferdeki karbondioksit ve karbon monoksit gibi bazı gazların miktarının artması nedeniyle uzaya yayılması gereken ışınlar yayılamazlar ve Dünya normalden fazla ısınır yani sera etkisi artar. Bu olaya küresel ısınma denir. Küresel ısınmaya neden olan karbondioksit gazı, sanayileşmenin artması, araçlardan çıkan egzoz gazları, yeşil bitkilerin azalması ve petrol, kömür ve doğal gaz gibi fosil yakıtların çok kullanılması sonucu artar.
NOT : 1- 1950’ den bugüne kadar atmosferdeki zararlı gaz miktarı artmıştır.
2- Bulutsuz gecelerin, bulutlu gecelere göre daha soğuk olmasının nedeni sera etkisinin azalmasıdır.
3- Güneş ışınlarının zararları;
• Güneş yanığı yapar.
• Geçici olarak bağışıklık sistemini baskılar.
• Güneş ışınına duyarlı cilt hastalıklarının ortaya çıkmasına eden olur.
• Derinin destek dokularına zarar vererek deride kırışıklılığa yol açar.
• Gözde katarakt oluşumuna yol açar.
• Deri kanserlerine yol açar.
• Güneş ışınları tüm cilt kanserlerinin %90’ ınından sorumludur.
• Çocuklukta karşılaşılan Güneş yanıkları cilt kanseri riskini arttırır.
4- Güneşin zararlı etkilerinden korunmak için;
• Güneşli günlerde 11.00 – 16.00 arasında zorunlu olmadıkça dışarı çıkılmamalıdır.
• Bulutlu havalarda Güneş görünmemesine rağmen ışınları yine etkiler.
• Gölgelerde, Güneş ışınlarının %60’ ı engellenebilir.
d) Gece – Gündüz Arasındaki Sıcaklık Farklılığı :
Dünya’ da geceleri gündüzlerden daha soğuk olmasına rağmen gece ve gündüz arasındaki sıcaklık farkı en fazla 10 – 15 0C olur. Gece ve gündüz arasında sıcaklık farkının fazla olmamasının nedeni, gece Dünya tarafından ışıma sonucu etrafa yayılan ısı enerjisinin atmosfer tarafından uzaya yayılmasının engellenmesidir. Atmosfer olmamış olsaydı gece ve gündüz arasındaki sıcaklık farkı daha fazla olurdu.
Bazı gezegenlerde ve uydularda atmosfer olmadığı için gece ve gündüz arasındaki sıcaklık farkı fazla olur. Dünya’nın uydusu olan Ay’da da atmosfer olmadığı için gece ve gündüz arasında sıcaklık farkı fazla olur (gündüzleri 120 0C, geceleri –155 0C). Bu nedenle atmosferi olmayan gezegenlerde ve uydularda gece ve gündüz arasındaki sıcaklık farkı fazla olduğu için canlıların yaşaması mümkün olmaz. Atmosfer sayesinde yeryüzü sıcaklığı yaşanabilir derecede olur.
e) Işın Soğurma ve Işın Yansıtmanın Maddenin Rengine ve Parlaklığına Bağlılığı :
Maddelerin, üzerine düşen ışınları tutmasına soğurma (ışın yutma = ışın emme = ışın tutma) denir. Farklı renkteki yüzeyler üzerine düşen ışınları farklı miktarlarda tutarlar.
Koyu renkli yüzeyler üzerine düşen ışınların çoğunu soğururken çok az kısmını yansıtırlar. Açık renkli yüzeyler üzerine düşen ışınların çoğunu yansıtırken çok az kısmını soğururlar. Bu nedenle koyu renkli yüzeyler daha fazla ışın soğurduğu için açık renkli yüzeylere göre daha fazla ısınırlar.
Mat (parlak olmayan) yüzeyler üzerine düşen ışınların çoğunu soğururken çok az kısmını yansıtırlar. Parlak yüzeyler üzerine düşen ışınları yansıtırlar. Bu nedenle mat yüzeyler daha fazla ışın soğurduğu için parlak yüzeylere göre daha fazla ısınırlar.
Parlak ve yansıtıcı yüzeyler, üzerine düşen ışınları yansıttığı için ısınmazlar. Bu nedenle parlak ve yansıtıcı yüzeyler, ısı yalıtımı gerektiren yüzeylerin kaplanmasında kullanılır.
SORU : 1- Sıcak bölgelerdeki evler niçin beyaza boyanır?
NOT : 1- Kışları koyu renkli kıyafetler giyilmesinin nedeni, ışınları daha fazla soğurabilmesi
içindir.
Yazları açık renkli kıyafetler giyilmesinin nedeni, ışınları daha az soğurması, büyük bir kısmını yansıtmasıdır.
2- Termosun içinin parlak olmasının nedeni, içindeki maddenin ısısını emmeyip geri yansıtmasıdır. Böylece içindeki sıcak maddenin soğuması önlenmiş olur.
Termosun dışının parlak olmasının nedeni, dışarıdan gelen ısıyı emmeyip geri yansıtmasıdır. Böylece içindeki soğuk maddenin ısınması önlenmiş olur.
3- Güneş enerjisinin siyah renge boyalı paneli, ışıma yoluyla gelen Güneş ışınlarını daha fazla soğurarak siyah renge boyalı panelin içindeki borularda bulunan suyun ısınmasını sağlar.
Güneş enerjisinin panelindeki cam saydam olduğu için Güneş ışınlarını geçirir ve ısınmaz.
Güneş enerjisinin panelindeki siyah renge boyalı borular ışıma yoluyla gelen ışınlarla ısınırken iletim yoluyla ısıyı suya aktarırlar.
4- Ayna cepheli binaların yapılmasının nedeni ısı yalıtımını sağlamak içindir.
SORU : 1- Fırında pişirilen yemeklerin folyo ile kaplanması ne fayda sağlar?
2- Fırından çıkartılan yemeğin üstündeki folyo niçin soğuktur?
3- Isı Enerjisinin Konveksiyon (Taşıma = Hava ve Sıvı Akımı) İle Yayılması (Taneciklerin Yer Değiştirmesi İle Isının Yayılması) :
Isı enerjisinin hava veya sıvı akımı ile yani taneciklerin yer değiştirmesi ile yayılmasına ısının konveksiyon yolu ile yayılması denir. Isının konveksiyon yoluyla yayılması sıvı ve gazlarda olur, katılarda olmaz.
Sıvılar ve gazlar akışkan özelliktedir yani tanecikleri öteleme hareketi yapabilirler. Sıvı ve gaz halindeki madde ısıtılınca (daha fazla yer kaplayacağı için) yoğunluğu azalır (genleşir, hacmi artar ve yoğunluğu azalır). Yoğunluğu küçük olan madde daima üstte, yoğunluğu büyük olan madde de daima altta olacağı için yoğunluğu azalan sıcak madde, yoğunluğu fazla olan soğuk madde ile yer değiştirir yani yukarı çıkar. Yoğunluğu azalan sıcak madde yukarı çıkarken tanecikler ısıtılma sırasında aldıkları ısı enerjisini de beraberinde taşırlar. Böylece ısı enerjisi taneciklerin hareketi ile maddenin her tarafına taşınmış olur.
a) Konveksiyon Yoluyla Bulut Oluşumu :
Yeryüzünde bulunan sular, Güneş’ in ısı etkisiyle buharlaşarak su buharını oluştururlar. Yeryüzü ısındıkça ısınan hava taneciklerinin yoğunluğu azalır. Yoğunluğu azalan bu hava tanecikleri konveksiyon olayı ile yoğunluğu fazla olan soğuk hava tanecikleri ile yer değiştirir. Bu sayede sıcak hava tanecikleri yükselir. Sıcak hava tanecikleri yükselirken içindeki su buharı taneciklerini de beraberinde taşır. Hava taneciklerinin su buharı taneciklerini taşıması için havanın su buharına doyması ve ortamın (havanın) sıcaklığının düşmesi gerekir.
Sıcaklığı artan ve yoğunluğu azalan hava tanecikleri yükselirken kendinden daha az yoğun olan bir hava tabakasına ulaşır ve bu sırada yükselirken tekrar soğumaya başlar. (Her 100 m de 1 0C kadar soğur). Hava tanecikleri soğurken içindeki su buharı da soğur ve yoğunlaşarak tekrar su tanecikleri haline dönüşür.
Hava taneciklerinin atmosfere çıkarken içindeki su buharının su tanecikleri şeklinde yoğunlaşmasına bulut denir. Bulutların yeteri kadar soğuması ile yağışlar meydana gelir.
b) Konveksiyon Yoluyla Sıcak Hava Balonlarının Çalışması :
Bir cismin havaya yükselmesi için cismin yoğunluğunun havanın yoğunluğundan daha küçük olması yani cismin ağırlığının havanın ağırlığından (havanın kaldırma kuvvetinden) küçük olması gerekir. Bu düşünceye göre yapılan ilk uçabilen araçlar sıcak hava balonlarıdır.
Balonla ilk uçuş, 1783 yılında Joseph ve Etienne Montgolfier kardeşler tarafından gerçekleştirilmiştir. Montgolfier kardeşler kağıt bir balonla 1860 m yükselebilmişlerdir.
Balonların çalışma prensibi konveksiyon olayına dayanır. Konveksiyon olayına göre ısıtılan havanın yoğunluğu azalır ve yoğunluğu azalan hava yoğunluğu fazla olan hava ile yer değiştirirken yükselir.
Balonlarda yanmaz kumaşlardan yapılan ana gövde, bu gövdeye bağlı sepet ve balondaki havayı ısıtmak için kullanılan düzenek bulunur.
NOT : 1- Sıvı haldeki maddelerde tanecikler arasındaki boşluk katı maddelere göre daha fazla
olduğu için sıvılarda iletim yoluyla ısı yayılması katılara göre daha yavaş gerçekleşir.
2- Soğuk su üstte, sıcak su altta olduğu zaman ısı konveksiyon yoluyla yayıldığı için daha hızlı yayılır.
3- Sıcak su üstte, soğuk su altta olduğu zaman ısı iletim yoluyla yayıldığı için daha yavaş yayılır.
4- Katı maddelerde konveksiyonun gerçekleşmemesinin nedeni, katı taneciklerinin yer değiştirememesi yani öteleme hareketi yapamamasıdır.
SORU : 1- Volkan patlamaları nasıl gerçekleşir?
2- Bacalardan çıkan duman neden yukarı doğru hareket eder?
ÖRNEKLER :
1- Soba, kalorifer, klima havayı ısıtınca, ısınan hava genleşir ve yoğunluğu azalır. Bu nedenle ısınan hava tanecikleri hareket eder ve hareket ederken ısı enerjisini de beraberinde taşırlar.
2- Banyo kazanı, termosifon ve konveksiyon borusunda su ısıtılınca ısınan bölgedeki suyun yoğunluğu azalır ve yoğunluğu fazla olan su ile yer değiştirirken yukarı çıkar ve yerine soğuk su gelir.
3- Bir kazandaki su üstten ısıtılırsa konveksiyon akımı oluşmaz. Su kötü iletken olduğu için iletim yoluyla ısıyı iletmez. Suyun alt kısmı bu nedenle ısınmaz.
