ISI ve SICAKLIK
Tabiattaki olayların bir çoğunda ısı ve sıcaklığın önemli fonksiyonları vardır. Tabiattaki maddeler, bulundukları çevre ile sürekli ısı alışverişinde bulunurlar. Bazen ısınır, bazen de soğurlar. Bu değişimler tabiattaki canlıları etkiler. Canlılar çok düşük sıcaklıklarda yaşayamadığı gibi, çok yüksek sıcaklıklarda da yaşayamazlar.

ISI

Katı, sıvı ve gazların molekülleri daima hareket halindedir.
a.   Gaz molekülleri serbest ve çok hızlı hareket ederek, birbirleriyle ve içinde bulundukları kabın duvarlarıyla çarpışma ve sıçrama hareketi yaparlar.
b.   Sıvıların molekülleri gazlar kadar serbest değildir. Birbirleri üzerinde kayma, oldukları yerde titreşim ve dönme hareketi yaparlar.
c.   Katı molekülleri, yerlerini terk edememelerine rağmen ileri geri titreşim hareketi yaparlar.

Demek ki madde hangi halde olursa olsun molekülleri daima hareket halinde olduğundan bir hareket enerjileri vardır.
İşte ısı dediğimiz şey, bir maddenin bütün moleküllerinin hareket (kinetik) enerjilerinin toplamıdır.

SICAKLIK

Sıcaklık, madde moleküllerinin ortalama kinetik enerjileriyle doğru orantılı bir büyüklüktür. Diğer bir tanımla, bir maddenin ortalama hızda bulunan bir molekülünün hareket (kinetik) enerjisi ile doğru orantılı bir büyüklüktür. Ortalama hızlı bir tek molekülün kinetik enerjisine bağlı olarak değişir.
Sıcaklığın artması demek, madde moleküllerinin hareket enerjilerinin artması demektir. Buna göre;
a.   Isı bir enerji çeşididir. Sıcaklık ise enerji değildir.
b.   Isı kalorimetre ile sıcaklık ise termometre ile ölçülür.
c.   Isı birimi kalori, sıcaklık birimi ise derecedir.
d.   Isı madde miktarına bağlı, sıcaklık ise madde miktarına bağlı değildir.

Sıcaklık Ölçekleri

Sıcaklık termometre denilen aletle ölçülür. Termometrenin haznesindeki cıvanın genleşmesinin ölçüsü, sıcaklık değişiminin ölçüsü olarak kabul edilmiştir. Çeşitli bilim adamları sıcaklık ölçümü konusunda değişik ölçekler teklif etmişlerdir. Bunlardan;

1.   Celcius (santigrad °C), Buzun erime sıcaklığını 0 °C, suyun kaynama sıcaklığını ise 100 °C kabul etmiştir. (76 cm-Hg basıncında)

2.   Fahrenheit (°F), buzun erime sıcaklığı 32 "F, suyun kaynama sıcaklığını 212 °F kabul etmiştir.

3. Kelvin (K), Buzun erime noktasını 273 K kaynama noktasını da, 373 K kabul etmiştir. Başka bir ifadeyle sıcaklıklar için başlangıç noktasını -273 °C kabul etmiş ve bütün sıcaklık derecelerini pozitif sayılarla anlatmıştır.
Yapılan araştırmalar, hiçbir maddenin sıcaklığının -273 °C a düşürülemeyeceğini göstermiştir. Bu gerçek göz önüne alınarak başka bir ölçek tanımlanmıştır.

Ölçülen bir sıcaklık (diyelim ki oda sıcaklığı) termometrelerde farklı sayılarla gösterilecektir.

Bu sayıların birbirine çevrilmesi için Thales Teoremi kullanılır. "Paralel doğrular arasında kalan bölmelerin sayıları birbirleriyle orantılıdır."

Örnek
Bir X termometresinde suyun donma noktası 10 °X kaynama noktası 160 °X olarak ölçülüyor.

Aynı ortamda Celclus termometresi hava sıcaklığını 40 °C gösteriyorsa, X termometresi kaç °X gösterir?

Çözüm

Celcius termometresinde erime ve kaynama noktaları arasında 100 bölme var iken, X termometresinde 150 bölme vardır. Bu da Celcius termometresi 40 bölme yüksekliğinde X termometresi 60 bölme yükselir demektir.

Buna göre, Celcius 40° gösterirken X termometresi 10 + 60 = 70 °X yi gösterir.

Not

Küçük sıcaklık değişimlerini gösterebilen termometreler duyarlı termometrelerdir. Duyarlı termometrenin haznesinde daha çok sıvı ve genleşme katsayısı daha büyük olan sıvı kullanılmalıdır. (Cıva gibi).

Ayrıca duyarlı termometrede genleşen sıvının kılcal borudaki yükselmesinin ya da alçalmasının gözlenebilmesi için kılcal borusu dar olmalıdır.

ISI ENERJİSİ
Isının bir ölçüsü olan sıcaklık, cismin moleküllerinin ortalama kinetik enerjileri ile doğru orantılı bir büyüklüktür. Sıcaklığı artırmak için yani moleküllerin hareketlerini hızlandırmak için cisme dışarıdan enerji vermek gerekir.
Cismin sıcaklığını artırmak için verilmesi gereken enerji çeşidine ısı enerjisi denir. Isı, enerji olduğundan birimi de joule ve calori gibi enerji birimleridir.

1 Kalori (1 cal): 1 gram suyun sıcaklığını 1 °C artırmak için verilmesi gereken ısı miktarına denir. 1 cal = 4,18 joule dür.

ISI ALIŞ VERİŞİ
Isı alıp veren maddelerde, sıcaklık değişimi, hal değişimi ve boyut değişimi olmak üzere üç türlü değişiklik olur. Şimdi bunlardan sıcaklık değişimini inceleyelim.

SICAKLIK DEĞİŞİMİ
* Sıcaklık değişimi, maddenin alacağı ya da vereceği ısı miktarı ile doğru orantılıdır.
* Sıcaklık değişimi, sabit ısı altında maddenin kütlesiyle ters orantılıdır.
* Maddenin sıcaklık değişimi, maddenin türüne de bağlıdır. Maddenin türünü simgeleyen değere o maddenin ısınma ısısı veya öz ısısı denir, c harfi ile gösterilir. Sıcaklık değişimi öz ısısı ile ters orantılıdır.

Öz ısı (c): Bir cismin 1 gramının sıcaklığını 1 °C artırmak için verilmesi gerekli ısı miktarına denir. Her madde için farklı farklıdır. Yani maddeler için ayırt edici özelliktir.
Netice olarak; bir cismin m gramının sıcaklığını ?T kadar artırmak için verilmesi gerekli ısı miktarı (veya ?T kadar azaltmak için cisimden alınması gerekli ısı miktarı);  

Q = m.c.?T     bağıntısı ile bulunur. Burada,

m : Isınan ya da soğuyan cismin kütlesi (gram cinsinden)
c : Cismin öz ısısı, öz ısısı küçük olan maddeler kolay ısınır. Öz ısısı büyük olan maddeler zor ısınır. Suyun öz ısısı, csu = 1 cal/g.°C tır.
?T: Maddenin sıcaklığındaki değişme miktarıdır.

Denizlerin geç ısınıp geç soğumasının, karaların ise erken ısınıp erken soğumasının bir nedeni de budur.

Isı Sığası: Bir maddenin kütlesi ile öz ısısının çarpımına ısı sığası denir. Yani ısı sığası m.c dir. Isı sığası kütleye de bağlı olduğu için ayırt edici bir özellik değildir.
Sıcaklıkları farklı cisimler bir araya getirildiğinde sıcak cisim ısı vererek soğur, soğuk cisim ise onun verdiği ısıyı alarak ısınır. Isı akışı daima sıcaklığı yüksek olan cisimden sıcaklığı düşük olan cisme doğrudur. Ortak bir sıcaklıkta dengeye gelinceye kadar bu ısı alışverişi devam eder. Isı kaybı olmamak şartıyla bu alış verişte alınan ısı verilen ısıya daima eşittir.

Qalınan = Qverilen

Isı alış verişinin olabilmesi için bir araya konulan cisimlerin sıcaklıklarının farklı olması gerekir. Sıcaklıkları eşit olan maddeler arasında ısı alış verişi olmaz.

Sıcaklıkları T1 ve T2 olan aynı cins maddelerle, eşit kütleli türdeş karışım yapılırsa, karışımın son sıcaklığı (T1 + T2) / 2 olur.
T1 < T2 ise, son sıcaklık ile aralarında T1 < Tson < T2 ilişkisi vardır.
T1 ve T2 sıcaklığındaki sıvılar karıştırıldığında, son sıcaklığı
Tson = (m1T1 + m2T2) / m1 + m2

Örnek

Şekildeki tabloda X, Y, Z maddelerine verilen ısı miktarı, maddelerin kütle ve sıcaklık değişimleri verilmiştir.

Buna göre, maddelerin aynı cins olup olmadığı hakkında ne söylenebilir?

Çözüm
Maddelerin aynı cins olup olmadığını anlamak için ayırt edici özelliklerinden birine bakılır. Örneğin burada öz ısılarına bakıldığında, öz ısılar aynı ise aynı cins madde olabilir, öz ısıları farklı ise kesinlikle farklı cinstir denilir.

Q = m. c. ?T bağıntısına göre,
cx =Q/6m?T   cY = Q/m?T  cz = Q/m?T bulunur.
Buna göre, öz ısılar arasında cx < cY = cz ilişkisi vardır. Yani Y ile Z aynı cins madde olabilir. X ise bunlardan farklı cinstir.

Not: Y ile Z nin yalnız bir ayırt edici özelliğine bakılarak bunların kesin aynı cins olduğu söylenemez. Aynı cins olabilmesi İçin bütün özelliklerinin de aynı olması gerekir.

Örnek

Düşey kesitleri şekildeki gibi olan ısıca yalıtılmış kaplarda T °C sıcaklığında su vardır. Kaplar doluncaya kadar 3T °C sıcaklığında su ilave ediliyor. Ve ısıl denge sağlanıyor.
Buna göre, K, L, M kaplarındaki denge sıcaklıkları nedir?

Çözüm
Çözüme L kabıyla başlamak anlamayı kolaylaştır. L kabına ilave edilen suyun hacmi ile kaptaki suyun hacmi eşittir. Kütleleri de yaklaşık eşit kabul edilebilir. Bu durumda L kabında ki karışımın sıcaklığı T ile 3T nin ortalaması 2T olur.
K kabına ilave edilen 3T °C taki suyun hacmi kaptakinden daha fazla olduğundan, karışımın sıcaklığı 2T °C tan büyük 3T °C tan ise küçük olur.
M kabına ilave edilen 3T °C taki suyun hacmi kaptakinden daha az olduğundan, karışımın denge sıcaklığı 2T °C tan küçük, T °C ten ise büyüktür.

HAL DEĞİŞİMİ

Erime ve Donma
Katılar ısıtılınca molekülleri hızlanır, moleküller arasındaki bağlar gevşer ve sonunda bağlar koparak sıvılaşır. Sıvı molekülleri arasındaki bağlar ise ısıtılınca koparak serbest hale gelir yani gaz haline geçer.
Gaz hâlindeki bir maddeden ısı alınırsa, önce sıvı hâle geçer, hâlâ ısı alınmaya devam edilirse soğuyarak daha sonra da katı hâle geçer. Bu olaya hal değişimi denir.

Katı haldeki bir maddeye ısı verildiğinde sıcaklığının arttığı gözlenir. Sıcaklığındaki artış miktarı ise,
Q = m. c. ?T bağıntısıyla hesap ediliyordu. Ancak cisme ısı verilmeye devam edildiğinde sıcaklık öyle bir noktaya gelir ki ısı verilmesine rağmen sıcaklığı değişmez. Bu durumda madde hal değiştiriyordur.

Maddenin erimesi sırasında kazandığı potansiyel enerji molekül sayısı ile yani kütlesi ile orantılıdır. Ayrıca moleküller arasındaki bağ bazı maddelerde zayıftır. Dolayısıyla bazı maddelerin moleküllerini birbirinden uzaklaştırmak için daha çok enerji harcanır, bazılarında ise daha az enerji harcanır. O halde maddenin erimesi sırasında aldığı enerji maddenin cinsine bağlıdır.
Netice olarak diyebiliriz ki, bir maddenin erimesi sırasında aldığı ısı, maddenin cinsine ve miktarına bağlıdır. Hal değişimi sırasında alınan ya da verilen ısı;
Q = m. L   bağıntısından bulunur.

Burada L maddenin cinsine bağlı bir büyüklük olup adına hal değiştirme ısısı denir.

Erime Isısı: Erime sıcaklığına gelmiş bir katının 1 gramının erimesi için gerekli ısıya denir. Bu değer buz için 80 cal/g dır.

Donma Isısı: Donma sıcaklığına gelmiş bir sıvının 1 gramının donması için dışarıya vermesi gerekli ısıya denir.

Basıncın Erime ve Donma Noktalarına Etkisi
*Basınç birim yüzeye etkiyen dik kuvvet olduğundan dolayı, basınç bir maddenin moleküllerini bir arada tutarak parçalanıp ayrılmasını önleyecek yönde etkir.

* Erime sırasında hacmi artan maddelerde (Buz, bizmut ve antimon dışındakiler) basıncın artması erimeyi zorlaştırır. Maddenin basınçla erime sıcaklığı yükselmiş olur. Tersinde ise azalmış olur.

*Madde hal değiştirirken sıcaklığı değişmez.
Erime sıcaklığı ve erime ısısı maddenin ayırt edici özelliklerindendir.
Bir maddenin erime sıcaklığı, donma sıcaklığına eşittir.
Bir maddenin erime ısısı da donma ısısına eşittir.

* Erime sırasında hacmi azalan maddelerde (Buz) basıncın artması erimeyi kolaylaştırır. Böylece maddenin erime sıcaklığı düşer. Normal basınçta buz 0 °C ta erir. Basınç artarsa 0 °C in altında erir.
* Saf olmayan maddelerin erime ve donma sıcaklığı değişir. Buzun içine tuz karıştırılması erime sıcaklığını düşürür. Suyun içine antifriz denen maddenin katılması suyun donma sıcaklığını 0 °C in altına indirir.

Örnek

Isıca yalıtılmış kapalı bir kaba, sıcaklıkları farklı, katı haldeki K, L maddeleri birbirine dokunacak biçimde konuluyor. Başlangıçta erime sıcaklığında olan L nin, ısıl denge kurulduktan sonra tümüyle eridiği gözleniyor.

Bu süreç sonunda 
I. K nin sıcaklığı artmış, L ninki değişmemiştir.
II.  K nin sıcaklığı azalmış, L ninki değişmemiştir.
III.   K nin sıcaklığı azalmış, L ninki artmıştır.
yargılarından hangileri doğru olabilir?

(Kaptaki havanın kütlesi önemsenmeyecektir.)

A) Yalnız I                                B) Yalnız II                                C) I ya da II
D) I ya da III                   E) II ya da III
(2005 - ÖSS)

Çözüm
K ve L maddeleri ısı alış verişi yapıyor ve erime sıcaklığında olan L nin ısıl denge kurulduktan sonra tümüyle eridiği gözleniyorsa, K nin sıcaklığı L nin-kinden büyük demektir. Bu durumda K ısı vermiş, L almıştır.

I. K ısı vereceği için sıcaklığı azalır, artmaz. L erime sıcaklığında olduğu için hal değişimi süresince sıcaklığı değişmez. (I yanlış)
II. K nin sıcaklığı azalırken, L ninki değişmez. (II doğru olabilir.)
III. L maddesi tümüyle eriyip bittikten sonra, K maddesi hâlâ ısı veriyorsa, sıcaklığı artar. Buna göre, K nin sıcaklığı azalır. L ninki önce değişmez sonra artar. (III doğru olabilir.)
Cevap E

Buharlaşma
Sıvıların gaz haline geçmesi olayına buharlaşma denir. Buharlaşmada basınç ve diğer fiziksel şartların etkisi çoktur. Sıvı ısıtıldığında moleküllerin hızı artar. Hızla sıvı yüzeyine ulaşan molekül, moleküller arası çekim kuvvetini yenerek sıvıyı terkeder. Bu olaya buharlaşma denir.

* Buharlaşma her sıcaklıkta olabilir.

* Buharlaşma ısı soğurmayı gerektirir. Bütün soğutma makinelerinde (buzdolaplarında) özel bir sıvı buharlaştırılarak soğuma sağlanır. Testinin içindeki suyun soğuması da buharlaşmanın sonucudur. Testinin dışına sızan su buharlaşır. Buharlaşma için gerekli ısının bir kısmı içerideki sudan alınır ve ısı veren su soğur.

* Basıncın artması buharlaştırmayı zorlaştırır. Azalması ise buharlaşmayı kolaylaştırır. Rüzgarlı havalarda çamaşırların kolay kurumasının sebebi, akışkanın hızının arttığı yerde basıncın azalması ve buharlaşmanın ko-laylaşmasındandır.
Bir maddenin buharlaşma ısısı, yoğunlaşma ısısına; kaynama sıcaklığı da yoğunlaşma sıcaklığına eşittir.

* Sıvı yüzeyinin geniş olması buharlaşma hızını artırır. Buharlaşma sıcaklıkla da doğru orantılıdır.

Kaynama ve Yoğunlaşma
Sıvı haldeki bir maddeye ısı enerjisi verilirse, sıvının sıcaklığı artar ve bu sıcaklık artışı da
Q = m.c.?T
bağıntısından hesap edilir. Bu sıcaklık yine öyle bir noktaya gelir ki ısı verilmesine rağmen sıcaklığında değişme meydana gelmez. Kaynama sırasında verilen ısı miktarı,

Q = m. Lb,    bağıntısından bulunur. Buradaki Lb, hal değiştirme ısısı yani buharlaşma ısısıdır.

Buharlaşma Isısı: Kaynama sıcaklığına gelmiş 1 g sıvının kaynayarak 1 g buhar haline gelmesi için gerekli ısıya o sıvının buharlaşma ısısı denir. Bu değer saf su için 540 cal/g dır.

Yoğunlaşma Isısı: Yoğunlaşma sıcaklığına gelmiş 1 g buharın yine aynı sıcaklıkta 1 g sıvı haline gelmesi için dışarıya vermesi gerekli ısıya o buharın yoğunlaşma ısısı denir.

Erime ve buharlaşma olayının tersi donma ve yoğunlaşmadır. Erime sıcaklığı, kaynama sıcaklığı, erime ısısı ve buharlaşma ısısı maddeler için ayırt edici bir özelliktir. (Her madde için farklı farklıdır.)

Basıncın Kaynamaya Etkisi
* Buhar moleküllerinin sıvıyı terk edebilmesi için sıvı yüzeyindeki dış basıncı yenmesi gerekir. Basınç artarsa kaynama zorlaşır. Yani kaynama noktası yükselir.

Düdüklü tencerede buhar basıncının artması kaynama noktasını 120 °C veya 130 °C lara yükseltir. Dolayısıyla yemek daha çabuk ve daha iyi pişer.

* Basınç azalırsa kaynama noktası düşer. Deniz seviyesinden yükseklerde saf suyun kaynama noktası 100 °C in altına düşer.
* Eğer yeryüzünde atmosfer olmasaydı, bütün sular kaynayarak uzaya yayılırdı.
* Yabancı maddeler, sıvının kaynama sıcaklığını değiştirir.

Örnek
I.  Sıvının cinsi
II.  Sıvı miktarı
III.  Atmosfer basıncı
Ağzı açık, ısıca yalıtılmış bir kapta kaynamaya başlayıncaya kadar geçen süre yukarıdaki niceliklerden hangilerine bağlıdır?

A) Yalnız I         B) Yalnız II         C) I ve II         D) II ve III         E) I, II ve III

Çözüm
Bir sıvının kaynamaya başlayıncaya kadar geçen süre, ocağın ısı hızının dışında, sıvı miktarına, sıvının cinsine ve sıvının kaynama sıcaklığına da bağlıdır. Isı hızı sabit olan ocakla ısıtıldığında, az olan sıvı kısa sürede kaynarken, aynı sıvının çok olan miktarı daha geç kaynar.
Q = m . c. ?T bağıntısına göre, sıcaklık artışı öz ısıya yani maddenin cinsine de bağlıdır.

Kaynamaya başlayıncaya kadar geçen süre, kaynama sıcaklığına da bağlıdır. atmosfer basıncı kaynama sıcaklığını etkilediği için ona da bağlıdır.
Cevap E

Suyun hal değiştirme grafiği:

Bir miktar buz parçasına verilen ısının sıcaklığa göre değişim grafiği şekildeki gibidir. Grafikte sıcaklığın değişmediği (y?Tay çizgiler) yerlerde madde hal değiştirmektedir. Hal değiştirme sırasında sıcaklık artışı ya da azalması gözlenmez. Bir miktar buzu, katı halden buhar haline getirmek için verilmesi gereken ısı; I, II, III, IV ve V aralıklarında ayrı ayrı verilmesi gereken ısıların toplamına eşittir.
Madde, ısı hızı değişmeyen bir ocakta ısıtıldığında, ısı ekseni yerine zaman ekseni alınabilir.

Örnek
Deniz düzeyinde ısıca yalıtılmış bir kapta bulunan M kütleli ve sıcaklığı 40 CC olan arı suyun içine - 40 °C sıcaklığında m gram buz ?Tılıyor.
Buzun tamamı ancak eridiğine göre, M kaç m dir?
(cbuz = 0,5 cal/g.°C ; Le = 80 cal/g ; csu = 1 cal/g.°C)

Çözüm

Buzun tamamı ancak eridiğine göre, son sıcaklık 0 °C tır. Suyun verdiği ısı buz tarafından alınacaktır.
Qalınan = Qverilen
mbuz . cbuz . 40 + mbuz . Le = Msu . csu . 40
m.0,5.40 + m.80 = M.1.40
20m + 80m = 40M
100m = 40M
M = 2.m   olur.

Örnek

X, Y kaplarındaki su - buz karışımları deniz düzeyinde, özdeş ısıtıcılarla ısıtıldıklarında sıcaklık - zaman grafikleri yukarıdaki gibi oluyor.

Enerji kaybı olmadığı varsayıldığına göre,
I. t = 0 anında Y kabındaki buzun kütlesi, X kabındaki buzun kütlesinin iki katına eşittir.
II. X kabındaki karışımın kütlesi, Y kabındaki karışımın kütlesine eşittir.
III. t = 0 anında Y kabındaki suyun kütlesi, X kabındaki suyun kütlesine eşittir.
yargılarından hangileri doğrudur?

A)  Yalnız l                         B)  Yalnız II
C)  I ve II                           D)  I ve III
E)  I, II ve III
(2004 - ÖSS)

Çözüm
I. Su buz karışımları özdeş ısıtıcılarla ısıtılıyor. X teki buz t, Y deki 2t sürede eriyor. Buna göre, t = 0 anında Y deki buzun kütlesi X tekinin iki katına eşittir. (I doğru)
II.  Buzlar tamamen eridikten sonra, iki kaptaki suyun sıcaklığı t sürede 2T kadar artmıştır. O halde kaplardaki karışımların  kütleleri eşittir. (II doğru)
III.  Buzların kütleleri eşit olmadığına göre, sularında kütleleri eşit olamaz. Çünkü toplam kütleler eşittir. (III yanlış)
Cevap C
GENLEŞME

Maddeler ısıtıldığında taneciklerinin hareketleri hızlanır ve molekülleri arasındaki uzaklık artar. Bunun sonucunda da madde genleşmiş yani hacmi artmış olur.
Bütün genleşmeler aslında hacimcedir. Uzun bir demir çubuk ısıtıldığı zaman boyu uzarken kalınlığı da artar. Ancak kalınlığındaki artış, boyunun uzamasının yanında ihmal edilecek kadar küçük olduğundan bu olay boyca uzama olarak tanımlanır. Bunun gibi, bir metal levha ısıtıldığında yüzeyi genişler, yüzeyin genişlemesiyle birlikte kalınlığı da artar. Yani hacimce genleşmiştir. Ancak kalınlığındaki artış yüzeyindeki artışın yanında ihmal edilecek kadar küçük olduğundan bu olay yüzeyce genleşme olarak tanımlanır.

Netice olarak diyebiliriz ki, ısıtılan cisimlerin hacimlerinde meydana gelen artışa genleşme denir.

Isı kaybeden cisimlerin hacimlerinde meydana gelen küçülmeye ise büzülme denir.
Isı alan bir cismin hacminde meydana gelen artış, aynı ısıyı geri vermesiyle hacminde meydana gelen azalışa yaklaşık olarak eşittir.

Maddelerin genleşme miktarı üç niceliğe bağlıdır.
1.   Maddenin ilk hacmi ile doğru orantılıdır.
2.   Maddenin cinsine bağlıdır. Maddenin cinsini belirten nicelik genleşme katsayısıdır. Genleşme katsayısı büyük olan madde eşit şartlarda daha fazla genleşir.
3.   Sıcaklık artışına bağlı ve doğru orantılıdır. Sıcaklık ne kadar fazla artırılırsa genleşme o kadar fazla olur.

1. Boyca Uzama
Boyca uzama enerji nakil hatlarında, demiryolu, köprü ve benzeri yerlerde görülebilir. t0 boyundaki çubuğun sıcaklığı ?T kadar artırılırsa, boyundaki ?l artış miktarı,

?l= l0.a.?T    bağıntısından bulunur. Burada; a : boyca uzama katsayısıdır.

Uyarı
Uzama katsayısı katı maddeler için ayırt edici bir özelliktir.
Çubuk şeklindeki maddelerin boyca uzaması kesit alanına bağlı değildir.
Aynı maddeden yapılmış, ilk boyları eşit olan kalın ve ince çubukların sıcaklıkları eşit olarak artırılırsa, çubukların boyları eşit olarak artar.
Genleşmenin tersi büzülmedir. Bir çubuk sıcaklığı artırıldığında ne kadar üzüyorsa, ilk duruma göre sıcaklığı eşit miktar azaltılırsa eşit miktar kısalır.
a uzama katsayısı büyük olan çubuk, ısıtıldığında fazla uzar, soğutulduğunda ise fazla kısalır.

Boyca Uzama Katsayısı (a)
Bir metalin, birim uzunluğunun sıcaklığının 1 °C değişmesi halinde, boyundaki değişme miktarına boyca uzama katsayısı (a) denir. Her madde için a farklı olduğundan, maddeler için ayırt edici bir özelliktir.

Aynı sıcaklıkta ve eşit uzunluktaki farklı metallerden oluşmuş iki şerit yan-yana konulup birbirine perçinlenirse, oluşan sisteme metal çifti denir. Metal çifti ısıtılırsa ya da soğutulursa bir tarafa doğru bükülür. Bu olay, çifti oluşturan metallerin boyca uzama katsayılarının farklı olmasından kaynaklanır.
Eğer metal çiftinin bir ucu sabitlenirse, yalnız serbest olan uçta uzama ya da kısalma olur ve bir tarafa doğru bükülme gerçekleşir.

Aynı sıcaklıktaki X ve Y metal şeritleri Şekil -1 deki gibi bir ucunda mumla ısıtılsın. Bir süre sonra metal çiftinin görünümü Şekil - II deki gibi oluyorsa, Y metalinin boyca uzama katsayısı, X inkinden büyüktür. Çünkü, Y metali Şekil - II ye göre X ten daha çok uzamıştır.

Eğer metal çiftinin her iki ucu da serbest bırakılırsa, her iki uçtan da bir tarafa doğru bükülmeler olur. Metal çifti ısıtıldığında, boyca uzama katsayısı büyük olan çok uzar, soğutulduğunda ise boyca uzama katsayısı büyük olan çok kısalır.

Aynı sıcaklıktaki X ve Y metallerinin perçinlenmesinden oluşmuş çift ısıtıldığında, Şekil - II deki görünümde oluyorsa, Y metalinin boyca uzama katsayısı X inkinden büyüktür. Eğer ısıtıldığında Şekil - III teki görünümde oluyorsa, X metalinin boyca uzama katsayısı, Y ninkinden büyük demektir. Burada boyca uzama katsayısı büyük olan daha çok uzayacak ya da daha çok büzülecektir. Buna göre de bükülmeler olacaktır.

Benzer şekilde Şekil -1 deki X ve Y metal çifti soğutulduğunda eğer Şekil - III teki görünümü alıyorsa,"? nin boyca uzama katsayısı daha büyük demektir. Çünkü soğutulma sırasında, boyca uzama katsayısı büyük olan daima daha fazla kısalır.

2. Yüzeyce Genleşme

Kalınlığı ihmal edilmiş metal levhalardaki iki boyutlu genleşmeye yüzeyce genleşme denir.

İlk yüzey alanı So olan katı bir cismin sıcaklığı ?T kadar artırıldığında, yüzey alanı ?S kadar artar. ?S ise,   ?S = So.2a.?T    bağıntısından bulunur.

Tek boyutta genleşme katsayısı a ise, iki boyuttaki genleşme katsayısı da 2a dır.
Sıcaklığı ?T kadar azaltılan levhanın alanındaki azalma miktarı da aynı bağıntı ile bulunur.

Örnek

Türdeş bir levhadan üçgen ve dairesel parçalar kesilip atılıyor.
a.   Levhanın sıcaklığı artırılırsa,
b.   Levhanın sıcaklığı azaltılırsa,

x, r ve ? nicelikleri İçin ne söylenebilir?

Çözüm

a.   Levha ısıtıldığında yüzeyce genleşir. Yani levhanın boyutları artar. Dolayısıyla x uzaklığı artar. Levhanın sıcaklığı arttığı için r yarı çaplı boşluğun alanı da artar. Yani levha içe doğru genleşmez dışa doğru genleşir ve r yarı çapı büyür. Levha ısıtıldığında fotokopik olarak büyür, soğutulduğunda ise fotokopik olarak küçülür. Dolayısıyla ? açısı da değişmez.

b.   Soğutulma olayında, ısıtılmanın tersi olaylar olur. Yani x ve r uzaklığı küçülürken, ? açısı yine değişmez.

3. Hacimce Genleşme

Üç boyutlu genleşmeye hacimce genleşme denir. İlk hacmi Vo olan bir cismin sıcaklığı ?T kadar artırıldığında, hacmi ?V kadar artar. ?V ise,
?V= Vo .a.?V   bağıntısından bulunur.
Üç boyutta genleşme olduğundan hacimce genleşme katsayısı a dır. Eğer kürenin yarı çapındaki artış sorulursa, yarı çap doğrultusundaki artış tek boyutlu olduğundan boyca uzama olarak incelenir. Kürenin yarı çapındaki artış miktarı ?r,   ?r = r. a. ?T   bağıntısından bulunur.
Cisimlerin içinin boş ya da dolu olması genleşmenin sonucunu etkilemez. Mesela, aynı maddeden yapılmış r yarı çaplı bir halka ile yine aynı yarı çaplı daire levhanın, sıcaklıkları eşit miktarda artırılırsa, yarı çapları da eşit miktarda artar.

Bütün sıvılar hacimce genleşir. Bir sıvı, kap içine konularak tamamen dol-durulursa, kap ve sıvının her ikisi de genleşir. Sıvıların genleşmesi katıların genleşmesinden daha fazla olduğundan sıvı taşar. Taşan sıvının hacmi, sıvının ve kabın genleşmeleri arasındaki fark kadardır.

Şekildeki K ve L kaplarında eşit hacimli aynı cins sıvılar vardır. Sıvıların sıcaklıkları ?T kadar artırılırsa genleşme miktarları, ?V= Vo. a. ?T bağıntısına göre eşit olur. Fakat sıvıların üst düzeylerindeki yükselme miktarları eşit olmaz. Çünkü eşit hacimdeki sıvı artışı eşit kesit alanlarında yükselmiyor. K kabında sıvı yüksekliği h kadar ise, L kabında 2h kadar olur.

Suyun genleşme grafiği şekildeki gibidir. 0 °C taki su ısıtılırsa, +4 °C a kadar hacmi küçülür, +4 °C tan sonra hacmi büyür.
Isıtılan cisimlerin hacimleri arttığından öz kütlesi azalır. Su için, +4 °C taki suyun öz kütlesi maksimumdur.

Soğuyan cisimlerin hacminin küçülmesine rağmen bu durum buz için farklıdır. Su, donarak buz haline geldiğinde hacmi artar.

Bundan dolayı göllerin ve durgun su birikintilerinin dip kısımlarındaki sıcaklık genellikle +4 °C civarındadır. Yani öz kütlesi büyük olan su dipte bulunur. Deniz, göl ve akarsuların üstten donması da yine aynı sebeptendir. Eğer su bu şekilde değilde diğer maddeler gibi davransaydı, deniz, göl ve akarsular dipten donmaya başlayacak ve buralarda canlılar yaşayamayacaktı.

Gazlarda Genleşme

Şişirilmiş bir balon çok sıcak bir ortama bırakılırsa, hacmi daha da büyür. Bazen de patlar. Çok hafif şişirilmiş ve ağzı bağlı bir balon su üzerine bırakılıp, daha sonra su ısıtılırsa, balonun içindeki havanın genleştiği ve balonun şiştiği gözlenir.

Ancak yapılan deneylere göre bütün gazların aynı şartlar altındaki genleşme katsayılarının aynı olduğu görülmüştür. İlk hacimleri ve sıcaklıkları aynı olan iki gaz; basınçları sabit kalmak şartıyla sıcaklıkları eşit miktarda artırılırsa, eşit miktarda genleşirler.

Bu ise, ısıyla genleşmenin gazlar için ayırt edici bir özellik olmadığını gösterir. Ancak gazların genleşmesi sıvılarınkinden, sıvılarınki de katılarınkinden daha büyüktür.

ISININ YAYILMASI

1.Isının İletim Yolu İle Yayılması

Isının iletim yoluyla yayılması katılarda olur. Isıyı alan katı taneciklerinin (moleküllerinin) hareket enerjileri artar. Bu tanecikler yerlerinden ayrılmayacağından titreşimleri artacak demektir. Titreşirken çevrelerindeki diğer tanecikleri de titreşime zorlarlar. Yani hareket enerjilerini çevrelerindeki taneciklere de verirler. Böylece enerji tanecikten taneciğe iletilmiş olur. Katı maddeler ısıyı bu şekilde iletirken bazı maddeler hızlı, bazı maddeler ise yavaş iletirler. Yani katıların ısı iletkenlikleri farklı farklıdır. Katılar için ısı iletkenliği ayırt edici bir özelliktir.

Hiçbir maddenin ısı iletkenliği % 100 olmadığı için çubuğun ısıtılan ucunun sıcaklığı diğer ucunun sıcaklığından daha büyük olur (T1 > T2) .T2 sıcaklığı, ısıtılma şartlarına, çubuğun boyutlarına ve iletkenlik özelliğine göre değişir.

Sıvı molekülleri arasındaki uzaklık katılarınkine göre daha büyük olduğundan, sıcaklığı artan bir molekül, titreşim yolu ile enerjilerini çevresindekilere aktarmada zorlanırlar. Gaz molekülleri arasındaki uzaklık daha fazla olduğundan, bu yolla ısıyı yayamazlar. Genel olarak metaller iyi iletkenlerdir. Sıvılar kötü iletkendirler, gazlar ise yalıtkandırlar.

2. Isının Konveksiyon (Taşıma) Yolu İle Yayılması

Sıvı ve gazlar kolay hareket edebilen akışkan maddelerdir. Isınan maddelerin hacmi artar ve dolayısıyla da öz kütlesi azalır. Öz kütlesi azalan maddeler yukarı doğru çıkar. Yukarıya hareket ederken yolları üzerindeki diğer soğuk moleküllere çarparak enerjilerinin bir kısmını onlara aktarırlar ve kendileri de soğurlar.
Soğuyan moleküllerin tekrar öz kütlesi artar ve dibe çökerler. Bu durum tekrarlanarak ısı, kaynağından uzaklara taşınır. Yani ısı kaynağından, enerjiyi alan tanecikler başka yerlere giderken ısıyı da beraberinde taşırlar. Buna en iyi örnek, soba ve kaloriferli odaların ısınmasıdır. Soba veya kalorifer peteğinden ısınan hava tanecikleri, ısıyı beraberinde taşıyarak odayı ısıtır. Isının bu yolla yayılması yalnız sıvı ve gazlarla mümkündür.

Kaptaki sıvı alttan ısıtılırsa, ısınan sıvı genleşerek öz kütlesi azalır ve yukarı çıkar. Yukarıdaki daha soğuk sıvının öz kütlesi büyük olduğu için aşağı iner. Böylece sıvı içinde bir konveksiyon hareketi oluşur. Böylece ısı bir yerden başka bir yere yayılmış olur.

3. Isının Radyasyon Yoluyla Yayılması
Kaynaktan çıkan ısı enerjisinin, enerji dalgaları şeklinde yayılmasına ışıma yoluyla ısınma denir. Sıcak cisimden yayılan elektromagnetik dalgalar enerji taşırlar. Bu dalgaları soğuran maddeler ısınırlar. Dolayısıyla ısı bir yerden başka bir yere ışıma yoluyla yayılmış olur. Isının güneşten dünyamıza gelmesi bu yolla olur. Bir ısı kaynağından (mesela yanan bir soba) çıkan ısının yanlarına ve altlarına ısıyı vermesi ışıma yoluyladır. Termosun içinin parlatılması, ısının ışıma yoluyla kaybını azaltmak içindir.

Isı Yalıtımı: Binaların yapımında delikli tuğla kullanılması, tuğlalar arasına köpük konulması, çift cam kullanılması ısı yalıtımı ile ilgilidir. Hava kötü bir iletken olduğu için, içerdeki ısıyı dışarı, dışarıdakinin içeri girmesi kısmen engellenmiş olur.
Ayrıca çatılarda izocam, bodrumlarda strafor kullanılması yine yalıtımla ilgilidir. Yünün sıcak tutmasının nedeni, içinde pamuğa göre daha fazla hava bulundurmasındandır.