Genleşme ve Büzülme

Konu Anlatımı

Isıtılan Madde Neye Uğrar?

Her madde, büyüklükleri son derece küçük olan taneciklerden oluşur ve bu tanecikler sürekli hareket hâlindedir. Bir maddeye ısı verildiğinde taneciklerin hareketi hızlanır; ısı alındığında ise yavaşlar.

Tanecikler hareketlendikçe aralarındaki uzaklık da artar. Taneciklerin aralarının açılması genleşme, aralarının daralması ise büzülme olarak adlandırılır. Bu yüzden sıcak bir demir parçası soğuk bir demir parçasıyla aynı değildir; sıcak olan hem daha uzun hem daha geniştir.

Genleşme ve Büzülme Nedir?

Genleşme, maddeye ısı verildiğinde taneciklerin aralarının açılması ve cismin hacminin büyümesidir. Büzülme ise maddeden ısı alındığında taneciklerin aralarının daralması ve hacmin küçülmesidir.

Genleşme ve büzülme birbirinin tam tersidir. Isı verilen cisim genleşir, ısı alan cisim büzülür. Bu kural sıcaklıkla ilgili pek çok sorunun çözümünde işe yarar: bir cismin genleştiği görülüyorsa sıcaklığının arttığı, büzüldüğü görülüyorsa sıcaklığının azaldığı söylenebilir.

Çok önemli bir nokta: Genleşme sırasında cismin kütlesi değişmez, yalnızca hacmi büyür. Aynı tanecikler daha geniş bir alana yayıldığı için hacim artar, kütle korunur.

Katı, Sıvı ve Gazlarda Genleşme

Genleşme tüm maddelerde görülür; ancak miktarı maddeden maddeye değişir. Aynı sıcaklık artışı için en çok gazlar, sonra sıvılar, en az katılar genleşir. Sıvıların genleşmesi katılardan daha belirgin olduğu için termometre yapılırken sıvı kullanılır; sıvının hacmindeki değişim ince bir boruda gözle rahatlıkla görülebilir.

Günlük Hayattan Genleşme Örnekleri

• Demiryolu rayları: Rayların birleşme yerlerinde boşluk bırakılır; yazın ısınan ray genleşip birbirine çarpmasın diye.
• Binalar: Zemin döşemeleri ile duvar arasında boşluk bırakılır; böylece döşeme ısınıp genleştiğinde duvara baskı yapmaz.
• Su ile dolan kaplar: Su soğuyup katılaşırken hacmi artar; bu yüzden kalıptaki buz kaba baskı yaparak onu çatlatabilir.
• Sıcak su yıkanan bardak: Isınan iç yüzey ile soğuk dış yüzey arasında genleşme farkı oluşur ve ince cam bardak çatlayabilir.
• Elektrik kablosu: Havada sarkan kabloların ucunda örgü biçiminde boşluk bırakılır; kışın büzülen kablo gerilip kopmasın diye.

Ölçümde ve Cihazlarda Genleşme

Termometre, genleşmeyi ölçülebilir bir değişime dönüştürür. Sıcaklık arttıkça sıvının hacmi artar ve sıvı, ince bir boruda daha yüksek bir seviyeye çıkar. Termostat ve bazı yangın alarmlarında ise bimetal şerit kullanılır. İki farklı metal birbirine kaynatılmıştır; ısıtıldığında metaller farklı miktarda genlediği için şerit eğrilir ve devreyi açar ya da kapatır.

Çözümlü Örnek

İki özdeş metal çubuktan biri oda sıcaklığında, diğeri buzdolabı sıcaklığında bekletilmiştir. Soğuk çubuk ölçüldüğünde ne gözlenir?

• Adım 1: Soğuk çubuğun tanecikleri daha yavaş hareket eder ve araları daha dardır.
• Adım 2: Tanecikler arası uzaklık dar olduğu için çubuğun hacmi ve boyu daha küçüktür.
• Adım 3: Bu sonuç büzülmedir; çubuk ısıtıldıkça tersine genleyecektir.

Özet

Madde, sürekli hareket eden taneciklerden oluşur. Isı verildiğinde taneciklerin hareketi hızlanır ve araları açılır; cismin hacmi büyür, buna genleşme denir. Isı alındığında taneciklerin hareketi yavaşlar ve araları daralır; hacim küçülür, buna büzülme denir. Genleşme ile büzülme birbirinin tam tersidir ve genleşme sırasında kütle değişmez, yalnızca hacim değişir. Aynı sıcaklık artışında en çok gazlar, sonra sıvılar, en az katılar genleştiği için termometrelerde sıvı kullanılır. Demiryolu raylarında, binalarda ve kablolarda bırakılan boşluklar; ısıtılan suyun bardak çatlatması ve suyun katılaşırken hacminin artması hep bu kuralın sonucudur.

Sık Yapılan Hatalar

• Genleşme ile kütlenin arttığını sanmak: Genleşmede tanecik sayısı sabittir; değişen büyüklük yalnızca hacimdir.
• Büzülmeyi soğumanın değil, soğutmanın sonucu saymak: Isı alan cisim büzülür; büyüklük değişimi yönü hatırlanmalıdır.
• Katıların genleşmediğini düşünmek: Katılar da genleşir, ancak aynı sıcaklık artışında genleşmeleri en azdır.
• Bimetal şeridin eğrilme nedenini renk değişimi sanmak: Eğrilme, iki farklı metalin genleşme miktarının farklı olmasından kaynaklanır.
• Suyun katılaşırken hacminin azaldığını düşünmek: Su, sıvıdan katıya geçerken hacmini artırır ve bu yüzden buz yüzer.

Ne Öğreneceğiz

Isıtma ve soğutmanın madde taneciklerinin hareketi üzerindeki etkisi; hacim değişimi, kütlenin değişmemesi ve genleşmenin günlük hayattaki kullanımı. Bu konuda ögrenme çıktıları:

• Isıtılan ve soğutulan maddede taneciklerin hareketinin nasıl değiştiğini açıklar.
• Genleşme ile büzülme arasındaki karşılıklı ilişkiyi belirler.
• Genleşme sırasında kütlenin değişmediğini açıklar.
• Katı, sıvı ve gazlarda genleşme miktarının farklılığını karşılaştırır.
• Demiryolu, bina, kablo ve bardak gibi günlük hayattan genleşme örnekleri verir.
• Termometre ve bimetal şeridin çalışma mantığını genleşme bilgisiyle açıklar.

Ön Bilgi

Bu konuya başlamadan önce temel kavram ve ön koşulları kavramanız yardımcı olacaktır. Konunun çerçevesinde şu kavramlar dikkat ister:

• Genleşme ve büzülme, taneciklerin hareket hızı ve aralarındaki uzaklıkla açıklanır.
• Isı verilen cisim genleşir, ısı alan cisim büzülür.
• Genleşme sırasında kütle değişmez; yalnızca hacim büyür.
• Aynı sıcaklık artışında en çok gazlar, sonra sıvılar, en az katılar genleşir.
• Sıvının genleşmesi gözle daha kolay görüldüğü için termometrelerde sıvı kullanılır.
• Demiryolu raylarında ve binalarda bırakılan boşlukların temel nedeni genleşmedir.
• Su soğuyup katılaşırken hacmi artar; bu yüzden su içeren kapalı kaplar çatlayabilir.

İleri Örnek

Daha ileri bir uygulama:

Soru: Bir metal plakadaki küçük delik, plaka ısıtıldığında nasıl değişir?

1. Adım 1: Isıtıldığında plakanın her noktası kendi tanecikleriyle birlikte genleşir.
2. Adım 2: Deliğin çevresindeki malzeme da genleştiği için delik çapı da büyür.
3. Adım 3: Delik, plakanın bir parçası gibi davranır ve küçülmez, genişler.

Sonuç/cevap: Deliğin çapı büyür.

Adım Adım Çözülmüş Örnek

Örnek 1: Sıcak ve Soğuk Metal konusunun adımları:

1. Adım 1: Sıcak çubuğun tanecikleri daha hızlı hareket eder ve araları daha açıktır.
2. Adım 2: Araları açılan tanecikler cismin hacmini büyütür, yani genleşme olur.
3. Adım 3: Soğuk çubukta tanecikler sıkı olduğundan boyu daha kısa bulunur.

Karşılaştırma Tablosu

Kendini Dene

Soru: Aynı boydaki iki metal şeridi farklı sıcaklıklarda ısıtıp boylarındaki değişimi ölçünüz; genleşme ile ilgili çıkarımınızı yazınız.

Örnek cevap: Puanlama anahtarı: Deneyin aynı boy ve aynı cins olacak şekilde kurulması 3 puan; sıcaklıkların farklı seçilmesi 3 puan; ölçüm sonuçlarının tabloya yazılması 4 puan; büyük sıcaklık farkında değişimin daha büyük olduğunun belirtilmesi 3 puan; kütlenin değişmediğine dair yorum 2 puan. Toplam 15 puan.