Isı ve Sıcaklık

Elektrik akımının ısı etkisi anlatılmaya başlarken ısı ve sıcaklık konusundan başlamak ve ısıl hareket tanımı yapmak uygun olacaktır.Bir maden parçasının üzerine çekiçle vurulduğunda o maden parçası ısınır. Her madde içinde atom ve moleküller hareket veya bir titreşim halindedir. Çekiçle vurulmak suretiyle maddeye dışarıdan bir enerji verilmekte ve madde atomları bu enerjiyi alarak titreşimlerini artırmaktadır. Bunun sonucunda madde ısınır. Bu titreşimler ısıl hareket olarak tanımlanır. Bir madde içinde ısıl hareket ne kadar yüksek olursa, o madde o kadar çok ısınır. Buradan: “Bir madde ne kadar ısıtılırsa, o madde içindeki ısıl hareket o kadar artar.” tanımı da getirilebilir. İnsanın içinde bulunduğu yaşam ortamında daima bir ısı var olduğuna göre, doğayı oluşturan her nesnede bir ısıl hareket söz konusu demektir. Isıl hareketin miktarı veya frekansı o maddenin temel görünümüne, yani katı, sıvı ve gaz olmasına etkir. Her üç görünümünde kendine özgü ısıl hareket frekansları vardır. Bir kurşun metali ısıtılmakla önce sıvı sonra gaz haline geçecektir. Gerçekte kurşun ısıtmakla, kuşun atomlarının ısıl hareketi yükseltilmiş metal önce sıvı sonra gaz ısıl hareket frekanslarına geçmiştir.

Madde içindeki ısıl hareket -273 ºC’de son bulur. Mutlak sıcaklık diye anılan bu sıcaklıkta sonsuz bir sessizlik ve hareketsizlik vardır. Her madde bu sıcaklıkta katı haldedir. Ancak uzayın derinliklerinde bu sıcaklığın olabileceği varsayılmaktadır. Sıcaklık ise insan duyusunun bir ölçeğidir ve termometre denilen aygıtlarla ölçülür. Elektrik akımı da yüklü küçük parçacıkların bir hareketi olduğuna göre, üzerinden aktığı her maddede sürtünme nedeniyle ısıl hareketi artırarak bir ısı enerjisi oluşturur. Elektrik akımının ısı etkisi bu şekilde oluşur.

Isı Miktarı ve Isıl Kapasite

Bir maddeyi ısıtma anında verilen ya da soğuma anında alınan ısı enerjisine ısı miktarı denilir. Birimi wattsaniye (Ws) veya joule(J)’dür. Ancak kilokalori (kcal) birimi de sık sık kullanılmaktadır. 1 kcal, 1 kg suyu 1 ºC ısıtan ısı miktarıdır. Bu birimlerin birbirine dönüşümü aşağıda olduğu gibi yapılır.

1 Ws = 1 J = 0,239 cal

4187 Ws = 1000 cal = 1 kcal

Bir cisim ısıtıldığında verilen ısı miktarı cisim tarafından alınarak depolanır. Cisim tarafından alınarak depolanan ısı miktarının ısınma oranı ısıl kapasite olarak tanımlanır:

C= Q / (t₂-t₁)      c: ısıl kapasite    Q: ısı miktarı      t₁: ilk sıcaklık      t₂: son sıcaklık

İlk sıcaklığı 20ºC  olan bir cisme 32000 joule’lük bir ısı miktarı verilip 180 ºC son sıcaklığa çıkarıldığında ısıl kapasitesi:

C = Q / (t₂-t₁) = 32000 / (180-20) = 200 J/ºC

Öz ısı

Maddenin kitle birimini 1 ºC ısıtan ısı miktarı o maddenin öz ısı değeridir. 1 kg alüminyum metalini 1 ºC ısıtmak için verilen ısı miktarı, 1 kg demir metalini 1 ºC ısıtmak için verilen ısı miktarı ile aynı değildir. Bu nedenle her maddenin kendine özgü bir ısı alma özelliği vardır. Bu özellik öz ısı katsayısı ile belirginleştirilmiştir.

Örnek :  15 kg ağırlığında bir bakır çubuğu 20 ºC den 150 ºC sıcaklığa çıkartmak için gerekli ısı miktarı:

Q = c . m . (t₂-t₁) =0,39 . 15 . (150-20) = 760 kj

Q: ısı miktarı      c: öz ısı katsayısı     m: kütle         t₁: ilk sıcaklık      t₂: son sıcaklık

Örnek :  1 ton suyun 100 ºC den 20 ºC ye inmesi esnasında çevresine yayacağı ısı miktarı:

Q= 4,19 . 1000 . (100-20) = -335200 kj

Bu örnekte su tarafından alınmış olan ısı geri verildiği için ısı miktarı eksi değerliklidir. Ayrıca ne kadar yüksek bir ısı miktarının alınmış olduğu görülmektedir. Öz ısı katsayıları yüksek cisimlerin ısı depolama yetenekleri yüksektir. Bu nedenle kalorifer sistemlerinde su kullanılmaktadır.

Isı Miktarı ve Elektriksel İş

Uygulamada elektriksel iş için kilowattsaat (kWh) birimi kullanılmaktadır. Isı miktarında kullanılan birimlerle elektriksel iş dönüşümleri aşağıdaki gibidir.

1 kWh = 3600 000 Ws = 860 kcal

1 Ws = (3,6 x10⁶)^-1 kWh

Örnek: 1 kg suyu 20 ºC’den başlayarak kaynatmak için bir elektrik ocağının tüketeceği kWh miktarı:

Q = 1000 . 4,19 . (100-20) = 335200 Ws = 0,093 kWh

Isı İletimi

Yüksek sıcaklıktaki düşük sıcaklıktaki bir yere ısının taşınması söz konusudur. Bu taşıma şekli : Isı iletimi ( örneğin metaller), konveksiyon (yayılma) ve ışıma yollarıyla olur. Güneş evreni ışıma yoluyla, bina kaloriferleri çevresini konveksiyon yoluyla ısıtır.

Soğuk bir cismin sıcak bir cisim tarafından ısıtılmaya gösterdiği dirence ısıl direnç veya termal direnç denilir. Bu direncin birimi ºC/W olup özellikle transistörlerin soğutma problemlerinde geniş uygulama alanı bulur.

R_th= Δτ / P_k       R_th: ısıl direnç   Δτ: sıcaklık farkı   P_k: ısıya çevrilen güç

Isıl Verim ( Termik Verim)

Bir ısıtıcı tarafından verilen ısının tümü ısıtılan maddeye geçemez. Verilen ısının bir kısmı iletim, konveksiyon ve ışıma yoluyla çevreye yayılarak kaybolur. Bu nedenle verilen ısı ve yararlı ısı olmak üzere iki kısma ayrılır. Yararlı ısı anılan kayıplardan dolayı verilen ısıdan daima küçüktür. Yararlı ısının verilen ısıya oranı ısıl verim olarak adlandırılır.

Ƞ_t = Q_y / Q_v

Örnek: Isıl verimi 0,86 olan kaynatma sisteminde 500 kWh lik bir enerji harcanmıştır. Dışarıya kaçan enerji ne kadardır ?

Çözüm: Q_y = Ƞ_t . Q_v = 0,86 .500 = 430 kWh (yararlı ısı)

Kayıp enerji = Q_v – Q_y = 500 – 430 = 70 kWh

Her ısıtıcının kendine özgü ısıl verimi vardır. Elektrik ocaklarının kayıpları yüksek olduğu için ısıl verimleri düşüktür. Buna karşın su içine daldırılan spiral kaynatıcılar daha yüksek bir ısıl verime sahiptir.

Elektrik akımının ısı etkisi böylece:

• Isı ve sıcaklık
• Isı miktarı ve ısıl kapasite
  • Öz ısı
  • Isı miktarı ve elektriksel iş
• Isı İletimi
• Isıl Verim (Termik Verim)

başlıkları altında incelenmiş oldu. Umarım faydalı olmuştur.