Konu Anlatımı
Bu Konuda Neler Öğreneceğiz?
Dolabın içindeki buz yavaş yavaş erir ve eriyen su soğuk kalır; tenceredeki su kaynarken de sıcaklığı artmaz. Bu iki durum günlük hayatın en sık karşılaşılan termal olaylarıdır ve ikisinde de aynı yasa geçerlidir: madde başka bir hâle geçerken sıcaklığı değişmez, ortamdan alınan ya da verilen ısı ise hâl değişimine harcanır. Bu harcanan ısıya gizli ısı adı verilir.
Bu konuda önce altı temel hâl değişim olayını tanıtacağız ve her birinin hangi yönde gerçekleştiğini belirleyeceğiz. Ardından gizli ısı bağıntısıyla belirgin ısı bağıntısını yan yana koyup aralarındaki farkı vurgulayacağız. Son bölümde buz eritme, su kaynatma, kuru buz, tereyağı eritme, damıtma ve sütü dondurma gibi gerçek uygulamalarla hesap yapacağız. Bu hazırlık, bir ısı alışverişi sorusunun iki tarafının ayrı ayrı yazılmasını sağlar.
Ön Bilgi: Isı, Sıcaklık ve Enerji Dengesizliği
Sıcaklık maddeyi tanımlayan bir durum ölçüsüdür; ısı ise sıcak ortamdan soğuk ortama geçen enerjidir. Bir cismin sıcaklığını değiştiren ısıya belirgin ısı denir ve Q = m · c · ΔT bağıntısıyla bulunur. Burada m kütle, c özgül ısı ve ΔT sıcaklık değişimidir. Suyun özgül ısısı yaklaşık 4,2 kJ/(kg·°C) değerindedir. Isı alışverişi sorularında bir tarafın verdiği ısı diğer tarafın aldığı ısıya eşittir; bu denklik kurulmadan sonuç bulunamaz.
Bir cismin ısı alıp verdiği miktar iki biçimde olabilir. Sıcaklığı yükselirken ya da alçalırken harcanan ısı belirgin ısıdır ve sıcaklık değişimine bağlıdır. Hâl değiştirirken ise sıcaklık değişmediği için harcanan ısı yalnızca miktara bağlıdır ve buna gizli ısı adı verilir. Buzun erime gizli ısısı yaklaşık 334 kJ/kg, suyun buharlaşma gizli ısısı ise yaklaşık 2260 kJ/kg düzeyindedir. Bu iki sayıyı karıştırmak konunun en sık hatasıdır.
Temel Kurallar
Hâl değişiminde sıcaklık sabit kalır. Saf bir madde erirken ya da kaynarken ısı alır ama sıcaklığı yükselmez; çünkü alınan ısı yeni hâli oluşturmak için kullanılır. Bu nedenle termometre okuması değişmez.
Gizli ısı miktara bağlıdır. Q = m · L bağıntısında m madde miktarı, L o geçişe özgü gizli ısıdır. Aynı sıcaklıkta iki kat madde eritilirse gerekli ısı da iki kadardır.
Buzun gizli ısısı, suyunkinden küçüktür. Suyu buharlaştırmak için gereken ısı, aynı kütleyi eritmek için gereken ısıdan çok daha büyüktür. Bu nedenle buhar, çok sıcak olmadan da yanan eli yakabilir.
Yoğunlaşma ve donma ısı verir. Gazın sıvıya, sıvının katıya dönüşmesinde çevreye ısı açığa çıkar; bu ısı tam olarak önceki geçişte alınan gizli ısıdır.
Kütle hâl değişiminde korunur. Yalnızca hacim ve düzen değişir. Bir litre suyun donmasıyla bir litre su elde edilir; kütle değişmemiştir.
Basınç kaynama sıcaklığını değiştirir. Dış basınç düşünce su daha düşük sıcaklıkta kaynar. Bu nedenle yüksek dağlarda kazana konulan su daha çabuk kaynar ve yemek daha geç pişer.
Hâl Değişimi Olayları Karşılaştırma Tablosu
Aşağıdaki tablo, altı temel hâl değişimini yönü, sıcaklık davranışı ve ısı alışverişi yönüyle birlikte verir. Bir soruda hangi satırın geçerli olduğunu bulmak, gizli ısının işarete geçeceği yeri belirler.
| Olay | Geçiş Yönü | Sıcaklık ve Isı |
|---|
| Erime | Katıdan sıvıya | Sıcaklık sabit kalır, ortamdan ısı alınır |
| Donma | Sıvıdan katıya | Sıcaklık sabit kalır, çevreye ısı verilir |
| Buharlaşma | Sıvıdan gaza | Sıcaklık sabit kalır, ortamdan çok ısı alınır |
| Yoğunlaşma | Gazdan sıvıya | Sıcaklık sabit kalır, çevreye çok ısı verilir |
| Süblimleşme | Katıdan gaza | Sıcaklık sabit kalır, gizli ısı gerekir |
| Kırağı oluşumu | Gazdan katıya | Sıcaklık sabit kalır, gizli ısı verilir |
| Belirgin ısı | Hâl değişmez | Sıcaklık değişir, ısı m · c · ΔT ile bulunur |
Adım Adım Çözülmüş Örnek
Adım 1 — Süreci basamaklara ayır. Soruda birden çok aşama olabilir: önce erime, sonra ısıtma, en sonda kaynatma. Her basamağı ayrı satırda yazmadan toplam bulunamaz.
Adım 2 — Her basamak için doğru kanalı seç. Sıcaklık değişiyorsa belirgin ısı (m · c · ΔT), sıcaklık sabit kalıyorsa gizli ısı (m · L) kullanılır. Kanal yanlış seçilirse sonuç kat kat yanlış çıkar.
Adım 3 — Isıyı işaretle. Isı alınan aşamalarda pozitif, ısı verilen aşamalarda negatif yaz. Sonra denklik kur: verilen ısı = alınan ısı.
Adım 4 — Sonucu birimle ve gerekçeyle ver. Sonuç kJ ya da J cinsinden yazılır; ardından hangi basamağın toplamı olduğu açıklanır.
Sık Yapılan Hatalar
Hâl değişimi sorularının neredeyse tamamı iki kanalın karıştırılmasından kaynaklanır. Aşağıdaki hataları tanımak, kayıp puanın en hızlı yolunu kapatır.
- Erirken sıcaklığın yükseldiğini düşünmek: Tam erime sıcaklığında buz ısı alır ama sıcaklığı artmaz. Artan enerji hâl değişiminde harcanır.
- Gizli ısı ile belirgin ısıyı karıştırmak: Gizli ısı miktara, belirgin ısı sıcaklık değişimine bağlıdır. Sıcaklık sabit kalırken c · ΔT yazılırsa sonuç sıfır çıkar.
- Buharlaşma gizli ısısını küçük almak: Suyun buharlaşma gizli ısısı erime gizli ısısından çok büyüktür; iki değer yaklaşık altı kat farklıdır.
- Yoğunlaşmayı ısı tüketen süreç saymak: Yoğunlaşma ısı TÜKETMEZ, verir. Bu nedenle buhar çevresini ısıtır ve tutunduğu yüzeyi de ısıtır.
- Hâl değişiminde kütlenin değiştiğini düşünmek: Sadece hacim ve düzen değişir; kütle aynı kalır. Bir litre suyun donması bir litre su verir.
- Yoğunlaşan buharın sıcaklığını yükseldiğini sanmak: Buhar yoğunlaşırken sıcaklığı sabit kalır; verilen ısı dış ortama yayılır.
Özet
Hâl değişiminde sıcaklık sabit kalır, çünkü alınan ısı maddeyi dönüştürmek için kullanılır. Erime katıdan sıvıya, donma sıvıdan katıya, buharlaşma sıvıdan gaza, yoğunlaşma gazdan sıvıya, süblimleşme katıdan gaza ve kırağı oluşumu gazdan katıya geçiştir. Altısında da sıcaklık denge değerinde sabit kalır ve alınan ya da verilen ısı gizli ısıdır; Q = m · L bağıntısıyla bulunur. Sıcaklığı değiştiren ısı ise belirgin ısıdır ve Q = m · c · ΔT ile hesaplanır. Bir soruda bu iki kanal birlikte gerekiyorsa basamaklar ayrı ayrı yazılır, sonra denklik kurulur. Kütlesi korunur, dış basınç kaynama sıcaklığını belirler ve yoğunlaşma ile donma çevreye ısı verir.
Kendi kendine dene: Bir kâğıt poşete 200 g su koyup buzdolabının dondurucu bölmesine koyduğunuzda suyun önce bir süre ısı kaybedip sıcaklığının düştüğünü, sonra tam olarak 0 °C'de donmaya başladığını görürsünüz. Donma sırasında sıcaklık neden yükselmez? Buzun erime gizli ısısı 334 kJ/kg olduğuna göre bu 200 g suyu dondurup eritmek için toplam kaç kJ ısı gerektiğini bulunuz. Aynı suyu buzdolabı yerine açık havada ısıtırsanız 100 °C'ye kadar kaç kJ ısı gerekir ve bu sayı neden ilk bulduğunuzdan büyüktür?
Ne Öğreneceğiz
Maddenin katı, sıvı ve gaz hâlleri arasında geçiş olaylarını, bu geçişlerde sıcaklığın neden sabit kaldığını ve alınan ya da verilen gizli ısıyı tanımlamak; gizli ısı ile belirgin ısı hesaplarını doğru kanalda yaparak bir ısı alışverişi problemini baştan sona çözmek. Bu konuda ögrenme çıktıları:
- Erime, donma, buharlaşma, yoğunlaşma, süblimleşme ve kırağı olaylarını sınıflandırır.
- Hâl değişiminde sıcaklığın sabit kaldığını gizli ısı kavramıyla açıklar.
- Gizli ısı bağıntısını ve belirgin ısı bağıntısını doğru seçerek hesap yapar.
- İki kanalın toplamını alarak birden çok basamağı olan ısı hesabını tamamlar.
- Basıncın kaynama sıcaklığına etkisini ve günlük uygulamaları gerekçesiyle açıklar.
Basit Örnek ve Günlük Yaşam
Günlük yaşamda ve mesleki bağlamda bir uygulama:
Soru: Buzdolabındaki bir buz parçası eriyip su olurken sıcaklığı neden yükselmez?
- Buz 0 °C'de erime sıcaklığına geldiğinde hâl değiştirmeye başlar.
- Ortamdan gelen ısı tamamen erime işine harcanır.
- Bu yüzden sıcaklık sabit kalır, ta ki buz tamamen eriyene kadar.
Sonuç/cevap: Alınan ısı buzun sıvıya dönüşmesinde kullanılır, sıcaklığı artırmak için değil
İleri Örnek
Daha ileri bir uygulama:
Soru: Çaydanlık çalışırken suyun sıcaklığı hemen yükselmeye başlar mı?
- Çaydanlığın tabanı ısıtıcıdan önce ısınır.
- Sonra ısıtıcıdan suya aktarılır.
- Suyu ısıtan asıl unsur, suyun kendisine ulaşan alttaki ısınmış tabandır.
Sonuç/cevap: Hayır, önce çaydanlık tabanı ısınır
Kendini Dene
Soru: Aile hekimliğinde hastanın bir bardak su içerken suyun sıcaklığının bir süre sabit kaldığını gözlemlediniz. Bu gözlemi gizli ısı kavramıyla açıklayınız; ardından 250 g suyun oda sıcaklığından buzdolabı sıcaklığına kadar soğutulmasında ve yeniden oda sıcaklığına getirilmesinde toplam kaç kJ ısının yer değiştirdiğini hesaplayınız. Hesapta hangi iki kanalı kullandığınızı yazınız.
Örnek cevap: Puanlama anahtarı: Sıcaklığın bir süre sabit kalmasının nedeni hâl değişimi ve bu değişimde gizli ısının alınması olarak açıklanır (6 puan). Soğutmada belirgin ısı bağıntısının kullanıldığı yazılır (5 puan). Isıtma bölümünün de aynı bağıntıyla ve aynı büyüklükte olduğu belirtilir (4 puan). Verilen ısının alınan ısıya eşit olduğu denkliğinin kurulduğu görülür (3 puan). Kütle değişmediği ama hacmin değişebileceği not edilir (2 puan).
