Isı
Isı, sıcak bir cisimden daha soğuk bir cisme aktarılan enerjidir. Daha bilimsel tanımıyla, bir cisimden öbürüne enerji aktarma sürecidir. Çünkü yakın zamana kadar ısıyı da elektrik enerjisi ya da mekanik enerji gibi bir enerji biçimi olarak kabul eden bilim adamlarının bu konudaki görüşleri büyük ölçüde değişmiştir. Şimdi ısıyı, molekülleri çok hızlı hareket eden sıcak bir cisimdeki bu mekanik molekül enerjisinin daha soğuk bir cisme aktarıldığı bir süreç olarak tanımlıyorlar. Ama ısının bir enerji biçimi olduğundan yola çıkarak varılmış olan bütün kavram ve tanımlar hâlâ geçerlidir.
Bu bilimsel terim günlük konuşma diline de yerleşmiştir ve çoğu kez yanlış olarak sıcaklık anlamında kullanılır. Bir cisme aktarılan ısı enerjisi o cismin sıcaklığını yükseltebilir; ama ısı ile sıcaklık aynı şey değildir. Sıcaklık bir cisimde ne kadar ısı bulunduğunu, daha doğrusu cismin ne kadar ısı enerjisi aktarabileceğini gösteren bir ölçüdür ve bu ısının miktarı yalnızca cismin sıcaklığına değil kütlesine de bağlıdır. Bütün enerji biçimleri gibi ısı da Uluslararası Birimler Sistemi’nde (SI) joule (jul), günlük uygulamalarda ise kalori gibi iş birimleriyle ölçülür. Enerji bir biçimden başka bir biçime dönüşürken sonunda genellikle ısı enerjisi açığa çıkar. Örneğin, bir iletkenden elektrik akımı geçirildiğinde elektrik enerjisinin bir bölümü ısı enerjisine dönüşür.
Isı Kavramının Tarihçesi
Bilim adamları ısıyı uzun süre yalnızca bir kavram olarak kullandılar. 18. yüzyılda bile hâlâ ısının “akışkan bir madde” olduğunu düşünüyor ve bir cisimde bu akışkandan ne kadar çok bulunursa cismin o kadar sıcak olacağına inanıyorlardı. Kont Rumford adıyla tanınan İngiliz subay ve fizikçi Sir Benjamin Thompson Almanya’daki Bavyera prensinin hizmetinde çalışırken, 1798’e doğru çok önemli bir sonuca vardı. Münih’te Bavyera ordusu için yapılan pirinç topların matkapla delinmesi sırasında büyük miktarda “ısı” açığa çıktığını fark etmişti. Eğer ısı sanıldığı gibi cismin içindeki bir akışkan olsaydı bir an gelip tükenmesi gerekirdi; oysa matkap ucu sürtündükçe bu metal alaşım soğuyacağına giderek ısınıyordu. Rumford bu olayı araştırmak üzere delme işlemini su dolu bir kabın içinde yaptı ve matkap bir süre çalıştıktan sonra suyun kaynadığını gördü. Bu “ısı”yı yaratacak bir ateş ya da alev olmadığına göre, matkap ucunun pirince sürtünmesiyle sürekli olarak ısı üretebildiğim, dolayısıyla ısının bir madde olamayacağını öne sürdü. Bir metali matkapla delerken bu sürtünmenin etkisiyle matkap ucunun ısındığını, hatta daha basit yoldan ellerinizi birbirine sürttüğünüzde ellerinizin ısındığın hissedebilirsiniz.
Rumford’un ısı konusundaki bu görüşlerine o zamanlar kimse inanmadı ve yapılan iş miktarı ile oluşan “ısı” miktarı arasında sıkı bir bağlantı olduğunu kanıtlama onuru İngiliz fizikçi James Prescott Joule’e kaldı. Joule, Manchester yakınlarındaki laboratuvarında 1843’te yaptığı deneylerle, belirli miktardaki suyu ısıtmak için gereken iş miktarını ölçtü. Suyu ısıtmak için başvurduğu iki yöntemden biri, bir dinamoyla ürettiği elektrik akımını suya daldırdığı bir tel bobinden geçirmekti. Böylece günümüzde kullanılanlara benzeyen bu tip su ısıtıcılarının ilk örneğini yapmış oldu. Sonra sudaki sıcaklık artışını termometreyle ölçerek bulduğu ısı miktarını dinamoyu döndürmek için kullanılan iş miktarıyla karşılaştırdı. Uyguladığı ikinci yöntemde ise, suyu dönen bir su çarkıyla karıştırarak ısıttı ve gene yapılan mekanik iş miktarı ile bu işin suya kazandırdığı ısı miktarını karşılaştırdı. Sonuçta, belirli miktardaki işin her zaman aynı miktarda ısı oluşturduğunu buldu ve aralarındaki oranı belirledi. Bu oran ya da bağıntı “ısının mekanik eşdeğeri” olarak bilinir. Böylece, Joule’ ün çalışmalarıyla ısının bir enerji biçimi olduğu bütün bilim adamlarınca kabul edildi. Isı enerjisi bir iş yapmak için kullanılabilir ya da öbür enerji biçimleri yapılan iş aracılığıyla ısı enerjisine dönüştürülebilir; her iki durumda da sonuçtaki toplam enerji miktarı başlangıçtakiyle aynıdır. Bu durum, ENERJİ maddesinde açıklandığı gibi bilimin temel kavramlardan biri olan “enerjinin korunumu” ilkesine uygundur. Enerji ya da iş ölçü birimine “joule” adı James Joule’ün onuruna verilmiştir.
Isı Enerjisi Konusundaki Çağdaş Görüş
Önce sıcak, sonra soğuk bir cisme dokunursak aralarındaki sıcaklık farkını algılayabilir ve cisimlerin sıcaklığını termometreyle ölçebiliriz.
Bütün maddeler molekül denen çok küçük atom gruplarından oluşmuştur. Bu moleküller her an hızlı ve gelişigüzel bir çalkalanma hareketi yapar. Gazların molekülleri, katı ve sıvılarla karşılaştırıldığında, birbirinden oldukça uzaktır ve bulundukları hacim içinde serbestçe hareket edebilir. Bu arada hem birbirleriyle çarpışır, hem de bulundukları kabın çeperlerine çarparlar. Gazın sıcaklığı arttıkça moleküllerin hareketi de hızlanır.
Sıvılarda moleküller daha sıkışık durumda oldukları için gazlardaki kadar serbest hareket edemez ve birbirleriyle daha sık çarpışırlar. İçinde çok küçük toz parçacıkları bulunan bir bardak suya parlak bir ışık tutulduğunda, sıvı moleküllerinin hareketi incelenebilir. Bu suya bir mikroskopla bakılırsa toz parçacıklarının her yöne doğru hızla hareket ettiği görülür. Bu hareketin nedeni, görülemeyecek kadar küçük olan milyonlarca su molekülünün hızla hareket ederken toz parçacıklarına çarpmasıdır. Aralarında hemen hiç boşluk olmayan katı moleküller yerlerini değiştiremez, ancak bulundukları yerde sürekli bir titreşim hareketi yapabilir.
Katı, sıvı ya da gaz durumundaki herhangi bir maddenin sıcaklığı ne kadar yüksekse moleküllerinin ortalama hızı, dolayısıyla toplam enerjisi de o kadar fazladır. Bir maddedeki moleküllerin toplam enerjisine o maddenin iç enerjisi denir. Bir maddeye dışarıdan enerji verilmesi maddenin iç enerjisini artıracağı için sıcaklığını da artırır.
Bir maddeye enerji vermenin yollarından biri o madde üzerinde bir iş yapmaktır. Örneğin Joule’ün deneyinde olduğu gibi suyun karıştırılması su moleküllerinin daha hızlı hareket etmesine yol açar ve böylece suyun sıcaklığı yükselir. Bir maddeye enerji vermenin başka bir yolu da ona ısı enerjisi aktarmaktır. Kızgın bir demir çubuk suya daldırıldığında, demir moleküllerindeki ısı enerjisi su moleküllerine geçer. Böylece su molekülleri daha hızlı hareket etmeye başlar ve suyun sıcaklığı yükselir: Sıcaklığın ne kadar yükseleceği suyun miktarına bağlıdır.
Eğer bir maddede moleküllerin titreşimi durursa maddenin iç enerjisi sıfırlanır ve sıcaklığı olabilecek en düşük düzeye iner. Mutlak sıfır denen bu sıcaklık —273°C dolayındadır; yani suyun donma noktasının 273°C altındadır. Gerçi bugüne kadar mutlak sıfır noktasına ulaşılamamıştır, ama bilim adamları bu sıcaklığın milyonda bir ya da iki derece üzerindeki sıcaklıkları elde edebiliyorlar. Bu çok düşük sıcaklıklarda maddenin özelliklerinde ve davranışında çok ilginç değişiklikler olur. Örneğin bazı iletkenlerden bir kez elektrik akımı geçmeye başladığında bu akış neredeyse sonsuza kadar sürer; çünkü iletkenin direnci tümüyle yok olmuştur. Gene bu düşük sıcaklıklarda moleküller hemen hemen tümüyle hareketsiz oldukları için birbirleriyle çarpışamaz, dolayısıyla maddeler arasında hiçbir kimyasal tepkime olmaz.
Buna karşılık sıcaklığın en çok kaç dereceye yükselebileceği konusunda bilinen herhangi bir sınır yoktur. Metalleri kesmek ya da kaynak yapmak için kullanılan oksiasetilen hamlacının alevi ile gene kaynak işlerinde kullanılan elektrik arkının sıcaklığı 1.800°C ile 4.000°C arasında değişir. Nükleer tepkimelerde ise milyonlarca derecelik sıcaklıklara ulaşılabilmiştir.
Kimyasal tepkimelerde de ısı oluşabilir. Bir kibritin yanmasıyla ısı enerjisi açığa çıktığı için bu, ısıveren ya da eksotermik bir tepkimedir. Gerçekleşebilmesi için ısı enerjisi gerektiren kimyasal tepkimeler ise, örneğin içindeki demir metalini ayırmak üzere bir demir cevherinin ısıtılarak eritilmesi, ısıalan ya da endotermik bir tepkimedir.
Isı Sığası ve Özgül Isı
Bir maddenin iç enerjisinin bütün moleküllerinin toplam enerjisine eşit olduğunu söylemiştik. Bir çaydanlık kaynar su ile bir küvet dolusu sıcak suyu ele alalım. Çaydanlıktaki bir su molekülünün enerjisi küvvetteki bir su molekülünün enerjisinden daha fazladır; çünkü kaynayan suyun sıcaklığı küvettekinden daha yüksektir. Buna karşılık küvetteki suyun iç enerjisi çaydanlıktaki suyunkinden daha fazladır; çünkü küvette çok daha fazla su molekülü vardır. Görüldüğü gibi, bir maddenin iç enerjisi kütlesine ve sıcaklığına bağlıdır.
2 kg suyun sıcaklığını 10°C yükseltmek için iç enerjisini bir miktar artırmak gerekir. 4 kg suyun sıcaklığını 10°C yükseltmek için eklenmesi gereken ısı enerjisi ise bunun iki katı kadardır. 2 kg suyun sıcaklığını 30°C yükseltmek için de ilkinin üç katı kadar ısı enerjisi vermek gerekir.
İki maddenin molekül yapıları arasındaki farklılık maddelerin iç enerjilerini de etkiler. Örneğin 1 kg suyun sıcaklığını 1°C artırmak için yaklaşık 4.200 joule’lük enerji gerekirken, 1 kg bakırda 1°C’lik sıcaklık artışı için yalnızca 400 joule’lük enerji yeterlidir. Demek ki bakırdan yapılmış bir cismin ısı sığası, yani dışarıdan aldığı ısı enerjisinin sıcaklığında yarattığı artışa oranı, aynı kütledeki bir suyun ısı sığasından daha küçüktür. Birim kütlenin sıcaklığını 1°C artırmak için gereken ısı miktarına özgül ısı ya da ısınma ısısı denir. Yukarıdaki örnekten de anlaşılacağı gibi suyun özgül ısısı yaklaşık 4.200 joule, bakırınki ise yaklaşık 400 joule’dür.
Isınma Denklemi ve Gizli Isı
Bir cismin sıcaklığı artarken kazandığı ya da azalırken yitirdiği ısı enerjisi miktarı aşağıdaki denklemle hesaplanabilir:
ısı enerjisi (joule) = kütle (kg) x özgül ısı (j/kg/°C) x sıcaklık değişikliği (°C)
Eğer eşit miktarda su ve kum aynı sıcaklık derecesinde ısıtılırsa, bir süre sonra kumun sıcaklığı suyunkinden yaklaşık iki kat daha fazla artar. Bu olayın özellikle iklim açısından çok önemli sonuçları vardır. Yazın kızgın güneşin altında kayalar, kum ve toprak çok ısındığı için karaların iç bölgeleri çok sıcak olur. Aynı miktarda ısı enerjisini denizler de aldığı halde suyun sıcaklığı bu kadar çok artmaz. Bu yüzden denize yakın olan yerler yazın karaların iç bölümlerinden daha serin, buna karşılık kışın daha ılıktır; çünkü deniz suyu yaz aylarında almış olduğu enerjiyi kışın yavaş yavaş geri verir.
Katı bir madde erime noktasına kadar ısıtılsa bile, çok büyük miktarda bir ek enerji verilmedikçe erimez. Bu ek enerji, katının sabit molekül yapısının çözülmesi için gereklidir ve maddenin sıcaklığını yükseltmez. Böylece madde katı halden sıvı hale geçtiğinde sıcaklığı değişmediği halde moleküllerinin enerjisi daha fazla olur. Maddenin hal ya da durum değiştirmesini sağlayan bu enerjiye gizli ısı denir. Yalnız katı halden sıvı hale geçiş (erime) için değil, kaynama noktasındaki bir sıvının gaz haline geçmesi (buharlaşma) için de bir ek enerji gerekir. Birinci örnekte bu enerjiye gizli erime ısısı, İkincisinde de gizli buharlaşma ısısı denir. Sıvı donarak yeniden katılaşırken ya da buhar yoğunlaşarak yeniden sıvıya dönüşürken, aynı miktarda enerjiyi bu kez dışarıya verir.
Erime noktasındaki 200 gr (bir bardak dolusu) buzun suya dönüşmesi için yaklaşık 67.200 joule enerjiye gerek vardır. Bu suyu kaynama noktasına kadar ısıtabilmek için ayrıca 84.000 joule, buharlaştırabilmek için de 454.000 joule enerji gerekir. Suyun hal değiştirebilmesi için bu kadar büyük miktarlarda gizli ısı gerekmesi, erimeye başlayan buzun ve karın neden uzun süre yerde kalabildiğini ya da çaydanlıktaki suyun kaynamaya başladığı anda neden tümüyle buharlaşıp uçmadığını açıklar.
Isı Aktarımı
Isı, sıcak maddenin yüksek enerjili moleküllerinden soğuk maddenin düşük enerjili moleküllerine aktarılır. Bu ısı aktarımı, iletim, konveksiyon ya da taşınım ve ışıma denen üç süreçle gerçekleşir. Eğer bir cismin bir bölümü öbür bölümlerinden daha sıcaksa, bu enerji aktarımı iletim yoluyla olur. Bu süreçte, yüksek enerjili moleküllerin hareketi komşu moleküllerin de hızlanmasına yol açar ve bu etki bütün cisme yayılır. Bir maddenin “iyi bir ısı iletkeni” olması demek, o maddede iletim yoluyla ısı aktarımının kolayca gerçekleşmesi demektir.
Akışkanlarda, yani sıvılarda ve gazlarda ısı aktarımı daha çok konveksiyon ya da taşınım yoluyla olur. Bu süreçte, akışkanın ısınan bölümleri genleşir; genleştiği için de yoğunluğu azalır. Böylece hafifleyen moleküller yükselirken akışkanın daha soğuk molekülleri alçalarak bunların yerini alır ve bu hareketten doğan konveksiyon akımları ısı enerjisini akışkanın her yanma taşır.
İki cismin arasında, örneğin Güneş ile Dünya’yı ayıran uzay boşluğu gibi bir boşluk bile olsa, ışıma yoluyla sıcak cisimden soğuk cisme ısı aktarılabilir. Bir cismin molekülleri elektromagnetik ışınım (enerji dalgaları) yayar; bu ışınımın dalga boyu cismin sıcaklığına bağlıdır. Cisim ne kadar sıcaksa yaydığı ışınımın dalga boyu da o kadar kısa olur. Örneğin sıcak bir cisim, dalga boyu görünen ışığınkinden biraz daha uzun olan kızılötesi ışınlar yayar; ama sıcaklığı daha da yükseldiğinde ışımanın dalga boyu kısalır ve görünür ışığa dönüşür. Bir cismin elektromagnetik ışınım yayması, iç enerjisinin ışınım enerjisine dönüşerek her yönde yayılması demektir. Başka bir cisim bu elektromagnetik dalgalardan bir bölümünü soğurduğunda, enerjisi artan molekülleri hızlanır ve cismin sıcaklığı yükselir. Güneş’in Dünya’yı ısıtması ışınım yoluyla ısı aktarımıdır.
Isı ve Dünyamız
Güneş’teki nükleer tepkimeler sonucunda açığa çıkan ısı Dünya’nın temel enerji kaynağıdır. Bu enerji bir yandan bizi doğrudan ısıtırken, bir yandan da ısı enerjisi elde ettiğimiz odun, kömür, petrol ve doğal gaz gibi yakıtları oluşturan bitkilerin büyümesini sağlar. Ayrıca suyun buharlaşıp yağmur ya da kar halinde yeniden Dünya’ya dönmesine yol açarak su enerjisi kaynaklarının yenilenmesine yardımcı olur. Dünya’da gerçekleştirilen denetimli nükleer tepkimeler de ısı veren başka bir enerji kaynağıdır. Öte yandan yeryüzündeki derin kayaçların doğal radyoaktifliği de Dünya’nın iç enerjisinin tükenmemesini sağlar. Dünya’nın iç bölümlerinin çok sıcak olmasının bir nedeni de budur.
Isı bir enerji biçimi olduğuna göre iş yapmak için ısıdan yararlanılabilir. Bir enerjinin kaynağından ısı yoluyla enerji açığa çıkarılması, ısıdan yararlanmanın en önemli yoludur. Buhar makinelerinin, benzin ve dizel motorlarının, buhar ve gaz türbinlerinin çalışma ilkesi, enerjisi ısı yoluyla açığa çıkarılan yakıtların yanmasına dayanır. Genleşen buharın ya da sıcak gazların iç enerjisi, motor pistonlarını iterek ya da türbin rotorunu döndürerek bir iş yapar. Elektrik motorları da genellikle buhar türbinleriyle döndürülen alternatörlerin ürettiği elektrikle çalışır. Buhar türbinlerini çalıştırmak için gerekli olan buhar ise, kömürün ya da akaryakıtların yanmasıyla açığa çıkan ya da bir nükleer reaktörden gene ısı biçiminde aktarılan enerjiyle üretilir.
En eskiçağlardan beri insanlar maddenin yapısını değiştirmek, sözgelimi yemek pişirmek, çanak çömlek yapmak ve metalleri işlemek için ısıdan yararlanmışlardır. Metallerin çoğu cevherlerin eritilmesiyle elde edilir. Katı maddeleri eritmek, sıvıları buharlaştırmak ya da yalnızca maddenin sıcaklığını artırmak için gene ısı kullanılır. Maddenin sıcaklığı arttığında moleküllerin hareketi hızlanacağı, dolayısıyla moleküller daha geniş yer kaplayacağı için hemen hemen bütün katılar, sıvılar ve gazlar ısınınca genleşir. Maddenin bu özelliğinden birçok alanda yararlanılır. Örneğin bir motorun silindir gömlekleri yerine yerleştirilmeden önce soğutulur; sonra ısınarak genleştiğinde arada hiç boşluk kalmayacak biçimde silindire sıkıca yapışır. Mühendisler beton köprülerin ve yolların tasarımında genleşme payını göz önünde bulundurmak zorundadırlar. Nitekim, kullanılan maddelerin genleşmesini hesaplayarak yolun ya da köprünün beton parçaları arasında bir miktar açıklık bırakırlar. Genleşme toprağın oluşumunda da rol oynar. Sıcaklık değiştikçe genleşip büzülen kayaçlar zamanla çatlar ve ufalanarak toprağa dönüşür. Kaya çatlaklarından içeri sızan suların donarak genleşmesi de kayaçları parçalayarak bu süreci hızlandırır.