9. Sınıf Fizik · Ünite 4
Sıcak Çay Nasıl Soğur? Isıl Dengeyi Keşfediyoruz
Farklı sıcaklıklardaki maddelerin bir araya geldiğinde ısı alışverişi yaparak nasıl aynı sıcaklığa ulaştığını, yani ısıl denge kavramını günlük hayattan örneklerle inceliyoruz.
Kazanım FİZ.9.4.4 · 40 dk okuma
Sıcak Bir İçeceği Nasıl Soğuturuz?
Öğretmeninizin derse bir bardak kaynar su ve bir termometre ile girdiğini hayal edin. Suyun sıcaklığını ölçtüğünüzde 80°C olduğunu gördünüz. Bu suyu daha çabuk içilebilir hale getirmek, yani soğutmak için ne yaparsınız? İçine bir miktar soğuk su eklemek, içine buz atmak ya da sıcak suyu daha geniş bir kaba dökmek hemen aklınıza gelebilecek çözümlerdir. İşte günlük hayatta sürekli kullandığımız bu pratik çözümlerin ardında yatan temel fiziksel kural 'Isıl Denge'dir.
Isıl Denge (Termal Denge) Nedir?
Farklı sıcaklıklardaki iki madde birbirine temas ettirildiğinde (örneğin sıcak çayın içine soğuk su döktüğünüzde), sıcak olan maddeden soğuk olan maddeye doğru kendiliğinden bir enerji akışı başlar. Transfer edilen bu enerjiye 'ısı' diyoruz. Isı akışı, her iki maddenin sıcaklığı birbirine eşitlenene kadar durmaksızın devam eder. Isı alışverişinin durduğu ve her iki maddenin de aynı sıcaklıkta buluştuğu bu son duruma ısıl denge adı verilir.
Denge Sıcaklığını Belirleyen Değişkenler
İki maddeyi karıştırdığımızda veya birbirine temas ettirdiğimizde ulaşacakları son sıcaklık rastgele bir değer olmaz. Isı yalıtımı sağlanmış, dışarıya ısı kaçmayan bir ortamda gerçekleşen bir alışverişte temel bir kural vardır: Alınan ısı daima verilen ısıya eşittir.
Bir deney tasarladığınızı düşünün. Isıl dengeye ulaşıldığında termometrede okuyacağınız son sıcaklık değeri şu değişkenlere doğrudan bağlıdır:
- Maddelerin ilk sıcaklıkları
- Maddelerin kütleleri
- Maddelerin cinsleri (öz ısıları)
Görselde gördüğünüz gibi, enerji daima sıcak olan cisimden soğuk olana doğru hareket eder. Örneğin, aynı cins ve eşit kütlede iki sıvıyı karıştırırsanız (örneğin 100 gram 80°C su ile 100 gram 20°C su), maddeler dengeye tam ortada, yani 50°C'de ulaşır. Ancak sıcak olan suyun kütlesi daha fazlaysa, son denge sıcaklığı sıcak olanın ilk değerine (80°C'ye) daha yakın olacaktır.
Sıcak Çay Nasıl Soğur? Isıl Dengeyi Keşfediyoruz: Alıştırma Soruları
1. İki madde arasında ısı alışverişinin (enerji transferinin) başlayabilmesi için maddelerin hangi özelliklerinin birbirinden kesinlikle farklı olması gerekir?
- A) Kütleleri
- B) Hacimleri
- C) Sıcaklıkları
- D) Öz ısıları
Cevabı göster
Doğru cevap: C) Sıcaklıkları
Isı akışı, yalnızca maddeler arasında bir sıcaklık farkı olduğunda gerçekleşir. Isı, daima sıcaklığı yüksek olan maddeden düşük olana doğru akar.
2. Birbirine temas ettirilen ve başlangıçta sıcaklıkları farklı olan iki madde ısıl dengeye ulaştığında, aşağıdakilerden hangisi her iki madde için kesinlikle aynı olur?
- A) İç enerjileri
- B) Son sıcaklıkları
- C) Kütleleri
- D) Isı sığaları
Cevabı göster
Doğru cevap: B) Son sıcaklıkları
Isıl denge durumu, iki maddenin ısı alışverişini tamamlayıp aynı sıcaklık değerine ulaşması demektir. Bu nedenle son sıcaklıkları eşittir.
3. Isıca yalıtılmış bir kapta bulunan 70°C'deki 150 gram suyun üzerine, 30°C'de 150 gram su ekleniyor. Sistem ısıl dengeye ulaştığında karışımın son sıcaklığı kaç °C olur?
- A) 40
- B) 45
- C) 50
- D) 60
Cevabı göster
Doğru cevap: C) 50
Karıştırılan sıvıların cinsi (su) ve kütleleri (150'şer gram) eşit olduğu için, son denge sıcaklığı ilk sıcaklıkların aritmetik ortalamasına eşit olacaktır. (70 + 30) / 2 = 50°C.
4. Sobanın üzerinde oldukça ısınmış bir metal kaşık, masanın üzerinde duran oda sıcaklığındaki bir bardak suyun içine bırakılıyor. Sistem ısıl dengeye ulaşana kadar geçen süreçle ilgili aşağıdakilerden hangisi yanlıştır? (Isı kayıpları ve buharlaşma ihmal ediliyor.)
- A) Metal kaşık ısı verir, su ise ısı alır.
- B) Metal kaşığın sıcaklığı azalır, suyun sıcaklığı artar.
- C) Metal kaşığın verdiği ısı enerjisi miktarı, suyun aldığı ısı enerjisine eşittir.
- D) Isıl denge sağlandığında metal kaşığın sıcaklığı suyun sıcaklığından daha fazla olur.
Cevabı göster
Doğru cevap: D) Isıl denge sağlandığında metal kaşığın sıcaklığı suyun sıcaklığından daha fazla olur.
Isıl denge sağlandığı an, sistemdeki tüm maddelerin sıcaklıkları birbirine eşitlenir. Metal kaşığın sıcaklığının suyun sıcaklığından fazla kalması mümkün değildir.
5. Isıca yalıtılmış bir kaba 60°C sıcaklığında 200 gram su ve 30°C sıcaklığında 100 gram su konuluyor. Karışım ısıl dengeye ulaştığında son sıcaklığı kaç °C olur?
- A) 40
- B) 45
- C) 50
- D) 55
Cevabı göster
Doğru cevap: C) 50
Alınan ısı verilen ısıya eşittir: m1*c*(T1 - T_son) = m2*c*(T_son - T2). İşlemi yazarsak: 200 * (60 - T_son) = 100 * (T_son - 30). Denklemi 100'e bölerek sadeleştirelim: 2*(60 - T_son) = 1*(T_son - 30) -> 120 - 2*T_son = T_son - 30 -> 150 = 3*T_son -> T_son = 50°C bulunur.