ÖABT Fen Bilimleri Fizik: Isı, Sıcaklık ve Termodinamik konu anlatımı

Isı, sıcaklık ve termodinamik, ortaokul programındaki "Maddenin Tanecikli Yapısı", "Isı ve Sıcaklık", "Maddenin Hâlleri ve Isı" ünitelerinin fiziksel altyapısıdır. ÖABT Fen Bilimleri sınavında bu konudan hem hesaplamalı hem de kavramsal sorular gelir. Konu dört ana parçadan oluşur:

• Isı ve sıcaklık kavramları: Sıcaklık ölçekleri, termometreler, ısıl denge.
• Isı alışverişi: Öz ısı, ısı sığası, hâl değişimi ve karışım problemleri.
• Genleşme ve ısının yayılma yolları: Katı, sıvı ve gazlarda genleşme; iletim, konveksiyon ve ışıma.
• Termodinamik yasaları ve gazlar: İç enerji, iş, ısı makineleri, verim, entropi ve ideal gaz bağıntıları.

Bu konuda öğrencilerde en yaygın kavram yanılgısı, ısı ile sıcaklığın aynı şey sanılmasıdır. Öğretmen adayının, ısının bir enerji aktarımı, sıcaklığın ise bir durum büyüklüğü olduğunu açıkça ayırt edebilmesi beklenir. Aksi belirtilmedikçe suyun öz ısısı 1 cal/g·°C, buzun öz ısısı 0,5 cal/g·°C, buzun erime ısısı 80 cal/g ve suyun buharlaşma ısısı 540 cal/g alınır; 1 cal ≈ 4,18 J'dür.

Sıcaklık: Bir maddeyi oluşturan taneciklerin ortalama kinetik enerjisinin ölçüsüdür; termometre ile ölçülür ve bir enerji değildir. Isı: Sıcaklık farkı nedeniyle sıcak cisimden soğuk cisme aktarılan enerjidir; birimi joule (J) veya kaloridir (cal) ve kalorimetre ile ölçülür.

Sıcaklık ölçekleri:

• T(K) = t(°C) + 273
• t(°F) = 1,8×t(°C) + 32
• Suyun donma noktası 0 °C = 32 °F = 273 K; kaynama noktası (1 atm) 100 °C = 212 °F = 373 K.

Isı alışverişi: Hâl değişimi olmadan Q = m×c×ΔT. Isı sığası C = m×c (birimi cal/°C veya J/K). Öz ısı maddenin ayırt edici özelliğidir; öz ısısı büyük olan madde, aynı ısıyla daha az ısınır.

Hâl değişimi: Q = m×L (L: erime ya da buharlaşma ısısı). Saf maddelerde hâl değişimi süresince sıcaklık sabit kalır; alınan ısı tanecikler arası çekim kuvvetlerini yenmeye, yani potansiyel enerjiyi artırmaya harcanır.

Isıl denge: Yalıtılmış bir sistemde verilen ısı = alınan ısı. İki madde için m₁×c₁×(T₁ − T_d) = m₂×c₂×(T_d − T₂). Aynı maddeden oluşan sıvılar karıştırılırsa T_d = (m₁×T₁ + m₂×T₂)/(m₁ + m₂).

Genleşme: Katılarda boyca genleşme ΔL = L₀×α×ΔT (α: boyca genleşme katsayısı; bazı kaynaklarda λ ile gösterilir). Hacimce genleşme katsayısı yaklaşık 3α'dır. Suyun 0–4 °C arasında ısıtıldığında hacminin azalması suyun düzensiz genleşmesi olarak adlandırılır; bu nedenle göllerde buz yüzeyde oluşur ve dipteki su 4 °C civarında kalır.

Isının yayılma yolları: İletim (katılarda tanecikten taneciğe), konveksiyon (akışkanlarda madde akımıyla), ışıma (elektromanyetik dalgalarla, boşlukta da gerçekleşir).

İdeal gaz: P×V = n×R×T; sabit miktar gaz için P₁×V₁/T₁ = P₂×V₂/T₂. Bu bağıntılarda sıcaklık mutlaka kelvin cinsinden kullanılır.

Termodinamik yasaları:

Isı makinesi verimi: η = W/Q_s = 1 − Q_d/Q_s. Carnot (ideal) makinesi için en yüksek verim η = 1 − T_d/T_s (kelvin cinsinden).

Özel süreçler: İzotermal (T sabit, ΔU = 0, Q = W), izobarik (P sabit), izokorik (V sabit, W = 0, Q = ΔU), adyabatik (Q = 0, ΔU = −W).

Örnek 1 – Sıcaklık dönüşümü

25 °C kaç kelvin ve kaç fahrenhayttır?

Çözüm: T = 25 + 273 = 298 K. t(°F) = 1,8 × 25 + 32 = 45 + 32 = 77 °F.

Örnek 2 – Karışım sıcaklığı

80 °C'deki 200 g su ile 20 °C'deki 300 g su ısıca yalıtılmış bir kapta karıştırılıyor. Denge sıcaklığı nedir?

Çözüm: Aynı madde olduğundan öz ısılar sadeleşir: T_d = (200 × 80 + 300 × 20)/(200 + 300) = (16 000 + 6000)/500 = 44 °C. Kontrol: sıcak suyun verdiği ısı 200 × 1 × 36 = 7200 cal, soğuk suyun aldığı ısı 300 × 1 × 24 = 7200 cal; eşittir.

Örnek 3 – Buzdan suya

−10 °C'deki 100 g buzu 20 °C'de su hâline getirmek için kaç kalori gerekir?

Çözüm: Üç aşama vardır:

1. Buzun ısınması: Q₁ = m×c_buz×ΔT = 100 × 0,5 × 10 = 500 cal
2. Erime: Q₂ = m×L = 100 × 80 = 8000 cal
3. Suyun ısınması: Q₃ = m×c_su×ΔT = 100 × 1 × 20 = 2000 cal

Toplam Q = 500 + 8000 + 2000 = 10 500 cal. Birim kontrolü: g × (cal/g·°C) × °C = cal.

Örnek 4 – Birinci yasa

Bir pistonlu kaptaki gaza 500 J ısı veriliyor ve gaz genişlerken çevresine 200 J iş yapıyor. Gazın iç enerjisindeki değişim nedir?

Çözüm: ΔU = Q − W = 500 J − 200 J = +300 J. İç enerji arttığı için ideal gazın sıcaklığı da artar.

Örnek 5 – Carnot verimi

327 °C ve 27 °C sıcaklıktaki kaynaklar arasında çalışan ideal bir ısı makinesi her çevrimde sıcak kaynaktan 1200 J ısı alıyor. En fazla ne kadar iş yapabilir?

Çözüm: Kelvine çevrilir: T_s = 600 K, T_d = 300 K. η = 1 − 300/600 = 0,5. W = η × Q_s = 0,5 × 1200 = 600 J. Santigrat değerlerle işlem yapılsaydı 1 − 27/327 ≈ 0,92 gibi fiziksel olarak yanlış bir verim bulunurdu.