Sıcaklık ve Isı Hakkında

Selim ÇETİNKAYA

Ne yazık ki sıcaklık ve ısı ifadeleri sık sık karıştırılmakadır. Reklamlarda, haberler ve hava durumu programlarında sık sık duyduğumuz "Düşük ısılarda bile mükemmel temizlik", "Dış ısı göstergesi", "Vücut ısısı düştü", "Bugün Ankara’da en yüksek ısı 32°C" gibi sıcaklık yerine ısının kullanıldığı ifadeler, sizi bilmem ama, beni rahatsız etmeye devam ediyor. Oysa, bu karmaşadan kurtulmanın şifresi çok basit. Eğer belirtilen değer termometre ile ölçülebiliyorsa, sıcaklıktır. Isı ise, belirli sıcaklıktaki bir cisimden, daha düşük sıcaklıktaki bir cisme, sıcaklık farkı nedeniyle geçen enerjidir. Aşağıda bu konuda biraz daha ayrıntılı açıklamalar verilmiştir.

Sıcaklık Nedir?

Çokça kullanılan bir kavram olduğu halde, sıcaklığın tam bir tanımını yapmak oldukça güçtür. Sıcaklık, duyularla algılanmakta ve genellikle "sıcak" veya "soğuk"kavramlarıyla ifade edilmektedir. Gözlemlerimizden, sıcak ve soğuk iki cismin birbirine temas ettirilmesi halinde, sıcak olanın soğuduğunu, soğuk olanın da ısındığını, belirli bir süre temas halinde kaldıklarında ise, her ikisinin de aynı sıcaklık veya soğukluğa ulaştıklarını biliyoruz. Bir maddenin ısıl durumunu belirten bir ifade olan sıcaklık, "ısı geçişine neden olan etken" olarak da tanımlanmaktadır. Ancak, sıcaklık artmaksızın da ısı geçişi olabileceği (ör. kaynayan su) hatırda tutulmalıdır.

Sıcaklık veya soğukluk algılaması pek de güvenilir değildir. Bazen sıcak cisimler soğuk ya da soğuk cisimler sıcak olarak algılanabilmektedir. Bu güçlükleri önlemek üzere, sıcaklık ölçümünün temeli olan "sıcaklık eşdeğeri" veya Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası" tanımından yararlanılmaktadır. İlk defa 1931 yılında R. H. Fowler tarafından tanımlanan Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası, temel bir fizik ilkesi olarak Termodinamiğin Birinci ve İkinci Yasası'ndan 50 yıl kadar sonra anlaşılmış olduğu halde, mantıksal olarak onlardan önce gelmesi gerektiğinden "Sıfırıncı Yasa" olarak adlandırılmıştır.

Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası: İki cisim üçüncü bir cisimle sıcaklıkça eşdeğerde ise, bu iki cisim birbiriyle de sıcaklıkça eşdeğerdedir.

Sıfırıncı Yasada söz konusu edilen cisimlerden herhangi biri kalibre edilerek bir sıcaklık ölçü aleti olarak düzenlenebilir. Sıcaklık ölçü aletlerine termometre denilmektedir. Yaygın olarak kullanılan sıcaklık göstergeleri celsius (°C), [daha önceleri centigrade olarak kullanılan bu ölçek, 1948 yılından itibaren celsius olarak anılmaya başlamıştır] bölüntülü termometrelerdir. Şekil 1'de görüldüğü gibi, celsius skalasında buz saf suyun erime sıcaklığı sıfır (0°C), kaynama sıcaklığı ise yüz (100°C) kabul edilmiştir. İngiliz milletler topluluğu ve Amerika Birleşik Devletleri gibi bazı ülkelerde kullanılmakta olan fahrenheit (°F) termometre ölçeğinde ise, saf suyun buz ve kaynama noktalarına sırasıyla 32°F ve 212°F değerleri verilmiştir.


Şekil 1 Celsius ve fahrenheit ölçeklerinin karşılaştırılması

Celsius ve fahrenheit dereceleri arasında;

            °C =           °F = 1,8 . t° C + 32

bağıntıları bulunmaktadır.

Maddelerin fiziksel özellikleri sıcaklıkla değiştiğinden (örneğin, ısınan madde genleşir, ısınan tel uzar, ısınan iletkenin direnci değişir, ısınan metal renk değiştirir), tekrarlanabilir ve doğru ölçülebilmesi koşuluyla, bu özelliklerden yararlanılarak termometreler yapılabilir.

Mutlak Sıcaklık

Celsius skalasında buzun erime sıcaklığı sıfır kabul edilmiştir. Ancak, bu değerin çok altında da sıcaklıklar bulunmaktadır. Daha düşük sıcaklığın mümkün olmadığı en düşük sıcaklık derecesi -273,15°C ‘dir ve bu sıcaklığa, "mutlak sıfır sıcaklık derecesi"denmektedir. Kelvin  skalası işte bu en düşük sıcaklık derecesini başlangıç olarak kullanmaktadır. Kelvin (K, ' ° ' sembolü kullanılmaz), mutlak sıcaklık denilen termodinamik sıcaklığın birimidir. Kelvin skalasındaki sıcaklık birim aralıkları, celsius skalasındakinin aynıdır (1 K = 1 °C).  Ancak, sıcaklık göstergelerinin başlangıçları farklıdır. Kelvin ölçeğinin sıfır başlangıç noktası, celsius ölçeğinin - 273,15 °C değerine rastlamaktadır. Buna göre;

            kelvin olarak sıcaklık = celsius olarak sıcaklık + 273       [T (K) = t°C + 273,15]

Isı Nedir?

Termodinamiğin en önemli kavramlarından biri de ısıdır. Isı, belirli sıcaklıktaki bir sistemin sınırlarından, daha düşük sıcaklıktaki bir sisteme, sıcaklık farkı nedeniyle transfer edilen enerjidir. Isı da iş gibi bir enerji transfer biçimidir. Isı ve iş hiçbir cisimde depo edilemez, ancak sistem sınırlarında ve geçiş halinde iken belirlenebilir. Her ikisi de birer eğri fonksiyonudurlar. Bir başka deyişle, ısı ve iş geçiş halindeki enerjilerdir.

Isı birimi iş birimi ile aynıdır, yani joule (J) dür. Eski bir alışkanlık olarak calorie (cal) de kullanılmaktadır. 1 calorie, 1gram suyun sıcaklığını 14,5°C 'den 15,5°C 'ye yükseltmek için gerekli olan ısı miktarıdır. 1 calorie = 4,187 joule dür.

Isı ve Özgül Isı

Bir maddenin sıcaklığını değiştirmek için gerekli ısı; kütlesine, cinsine ve sıcaklık farkına bağımlıdır. Daha büyük kütleyi ısıtmak için, daha fazla ısı gereklidir. Örneğin, aynı ortam koşullarında, 2 kg suyu kaynama sıcaklığına kadar ısıtmak için gerekli olan ısı, 1 kg suyu kaynama sıcaklığına kadar ısıtmak için gerekli olan ısının iki katıdır.

Farklı maddelerin sıcaklığını aynı miktarda artırmak için, farklı miktarlarda ısı gerekmektedir. Örneğin, basınç, sıcaklık ve kütleleri eşit olan hava ve hidrojeni, aynı değerdeki daha yüksek bir sıcaklığa ısıtmak için, hidrojenin gerektirdiği ısı miktarı, havanın gerektirdiği ısının yaklaşık 14 katıdır. Bir maddenin özgül ısısı, o maddenin 1 kg ‘lık kütlesinin sıcaklığını 1 K artırmak için gerekli ısıdır. Gazların ısıtılması söz konusu olduğunda, iki farklı durum bulunmaktadır. Bunlar:

  • Sabit hacimde ısıtma ve
  • Sabit basınçta ısıtmadır.

Sabit hacimde ısıtma sırasında gazın sıcaklığı ve basıncı artmaktadır. Örneğin, teorik otto çevriminde silindirdeki gazlara ısının verilmesi sabit hacimde olmaktadır. Sabit hacimde ısıtmanın özgül ısısı CV sembolü ile gösterilir ve ideal kuru havanın CV değeri, yaklaşık olarak 0,717 kJ/kgK dir.

Sabit basınçta ısıtma sırasında gazın sıcaklığı ve hacmi artmakta, gazın genişlemesiyle iş yapılmaktadır. Örneğin, teorik diesel çevriminde silindirdeki gazlara ısının verilmesi ve ön genişleme sabit basınçta olmaktadır. Sabit basınçta ısıtmanın özgül ısısı CP sembolü ile gösterilir ve ideal kuru havanın CP değeri, yaklaşık olarak 1,004 kJ/kgK dir.

Herhangi bir maddenin sıcaklığını daha fazla artırmak için, doğal olarak, daha fazla ısıtmak gerekir. Örneğin, 20°C sıcaklıktaki suyu 60°C sıcaklığa kadar ısıtmak için gerekli olan ısı, 40°C sıcaklığa kadar ısıtmak için gerekli olan ısının iki katıdır.

Sabit basınçtaki ısıtma sırasında ve faz değişim bölgesi dışında bir sisteme verilen veya sistemden alınan ısı;

1Q2 = mCPm DT

dir. Burada;

             m : kütlesel debi, kg/s,

            CPm  : sabit basınçtaki ortalama özgül ısı, kJ/kgK,

            DT: sıcaklık farkı, K, dir.

Isı Miktarının Ölçülmesi ve Kalorimetre

Cisimlerin, herhangi bir etki sonucunda açığa çıkardığı ısıların ölçülmesinde kullanılan ölçme aygıtlarına, “kalorimetre” veya “ısı ölçer” denmektedir. Isı ölçümünde karşılaşılan temel güçlük, sistemle çevre arasında oluşan parazit ısı alış verişleridir. Bu alış verişler, yansıtıcı çeperler ve yalıtkan destekler kullanılarak sınırlandırılır. Mümkünse, vakumda çalışılır ve dış kap sistemle aynı sıcaklıkta tutulur. Temel ısı ölçüm yöntemleri üç grupta değerlendirilebilir:

·      Sıcaklık değişimleri yöntemi

Bu yöntemde ısı veren veya alan numune madde, bir ısı ölçüm maddesiyle çevrilir. Bu madde genellikle kütlesi m, özgül ısısı CP ve başlangıç sıcaklığı t1 olan sudur. Isı alış verişi sonunda suyun sıcaklığı t2 ‘ye değişir. Suyun t2 sıcaklığı t1 ‘den büyükse, numune ısı vermiş, t2 sıcaklığı t1 ‘den küçükse, numune ısı almış demektir. Verilen veya alınan ısı, yukarıda verilen ısı eşitliği yardımıyla hesaplanabilir.

·      Faz değişimleri yöntemi

Bu yöntemde, ısı ölçüm maddesinin sıcaklık değişimi yerine, kütlesi bilinen bir saf maddenin sabit sıcaklıktaki faz değişiminden yararlanılır (örneğin, buzun erimesi, suyun buharlaşması). Isı miktarı, faz değişimine uğrayan kütle miktarı ile orantılıdır.

·      Elektriksel ısı ölçüm yöntemi

Isı miktarı belirli bir değişime sebep olur. Aynı değişim sadece elektrik enerjisi harcanarak gerçekleştirilir ve bu enerji belirlenecek olursa, ısı miktarı belirlenmiş olur. Buradaki elektrik enerjisi, genellikle bir rezistanstan akım geçirilerek elde edilir ve devreye paralel bağlanan bir voltmetre ve seri bağlanan bir ampermetre ile ölçülür.

Isı İletimi

Sıcaklık kavramının ardından, ısının (ısı enerjisinin) bir cisimden diğerine nasıl geçtiği açıklanabilir. Isı iletim mekanizmaları aşağıda açıklanmıştır:

Isı enerjisi, birbiriyle temas halindeki iki cismin birinden diğerine moleküllerinin hareketlerine veya bazılarının moleküler çarpışmalarına bağlı olarak iletilebilir. Bu ısı iletim mekanizmasına "kondüksiyon" denir.

İkinci mekanizma, ateşe yakın olan suyun ısınıp yükselerek soğuk su ile karışması örneğinde olduğu gibi, sıvı veya gaz içerisindeki ısınmış moleküllerin soğuk bölgelere hareketi yoluyla gerçekleşen ısı iletimidir ve "konveksiyon" olarak adlandırılır.

Üçüncü mekanizma ise, güneşin dünyamızı ısıtması örneğinde olduğu gibi, ışınım yoluyla gerçekleşen ısı iletimidir ve "radyasyon" olarak adlandırılır.