ISININ YAYILMA YOLLARI

ISININ YAYILMA YOLLARI

 Isı Nasıl Yayılır?

Isı ocaktaki alevden tencereye nasıl taşınır? Isının kalorifer radyatöründe yayılma şekliyle oda içindeki havada yayılma şekli aynı mıdır?

Kömür sobasının ısıyı yayma şekliyle infrared ısıtıcının yayma şekli arasındaki fark nedir? Güneşli ancak soğuk bir günde park halindeki otomobilin için nasıl ısınır? Yazın açık renkli, kışın koyu renkli kıyafetler giymemizin ısınmamızda bir ilgisi var mıdır? Tüm maddelerin ısı iletkenliği aynı mıdır?

Isının yayılma yollarını öğrenirken bu soruların cevaplarını bulacağız. Isı maddelerde iletişim, ışıma ve konveksiyon olmak üzere üç farklı şekilde yayılır.

Isının İletim Yoluyla Yayılması

Metal bir kaşık çanak kısmından tutularak sapı mum alevinde ısıtılırsa bir süre sonra el ile tutularak çanak kısmının elinizi yakabilecek kadar sıcaklığı artar.
Benzer şekilde ocak üzerine konulan çaydanlığın her yeri bir süre sonra tutamayacak kadar sıcak olur.
Sapı mum alevinde ısıtılan kaşığın taneciklerini düşünürsek, mum alevinden ısı enerjisi alan tanecikler çok hızlı hareket eder. Ancak metal kaşık katı olduğu için tanecikler yerini değiştiremez. Sadece bulundukları yerde titreşim hareketi yaparlar. Hızla titreşen bu tanecikler yanlarındaki taneciklere çarparak onların titreşim hızını arttırır. Böylece metal kaşık boyunca her bir tanecik yanındaki taneciklere çarpıp titreşim hızını artırarak, ısı enerjisinin kaşığın sap kısmından çanak kısmına kadar ulaşmasını sağlar. Isının bu şekilde taneciklerin birbirine çarpması ile aktarılmasına ısının iletim yoluyla yayılması denir. Katıların tanecikleri yerlerini değiştiremezler. Bu nedenle katı maddelerde ısı tanecikten taneciğe enerjinin aktarılması yoluyla yayılır.
 Katı, sıvı ve gaz maddelerinin tanecikleri titreşim hareketi yapar. Bundan dolayı ısının iletimle yayılması katı, sıvı ve gaz maddelerin hepsinde gerçekleşir. Katıları oluşturan tanecikler birbirine oldukça yakın olduğundan titreşim hareketi sırasında birbirlerine çarpma oranları oldukça fazla olur. Bu da ısının iletimle yayılması hızlandırır. Sıvı ve gazlarda ise tanecikler birbirinden oldukça uzaktır. Tanecikler birbirinden uzaklaştıkça titreşim hareketi ile ısının iletilmesi ve ısının iletimle yayılması zorlaşır.

Isının iletimle yayılma hızı tüm katılarda aynı mıdır? Metal bir kaşıkla plastik bir kaşık ısıyı aynı hızla mı iletir? Neden tencereler metalden yapılırken sapları plastikten yapılır? Yemek pişirirken tahta kaşık kullanılması ne gibi bir fayda sağlar?
Her maddenin ısı iletkenliğinin farklı olması maddeleri oluşturan tanecikler arasındaki boşluklarla ilgilidir. Maddeyi oluşturan tanecikler birbirine ne kadar yakınsa maddenin ısıyı iletme hızı o kadar fazladır. Tanecikler birbirinden ne kadar uzaksa maddenin ısıyı iletme hızı o kadar azdır.
Tahta kaşığı oluşturan tanecikler birbirine uzak olduğu için ısının yayılma hızı düşüktür. Metal kaşığı oluşturan tanecikler birbirine yakın olduğu için ısının yayılma hızı yüksektir.
Isıyı iyi ileten maddelere ısı iletkeni, ısıyı iyi iletmeyen maddelere ısı yalıtkanı denir. Tanecikleri düzenli ve sıkı ir şekilde dizili olduğu içi metaller ısı iletkenidir. Saman, tahta, plastik, beton gibi maddeler ısı yalıtkanıdır. Isı yalıtkanı maddeler de ısıyı iletir. Ancak ısı yalıtkanlarının ilettiği ısı miktarı, aynı sürede ısı iletkeni maddelerin ilettiği ısı miktarından çok azdır.
Isı iletkeni maddeler ısının hızlı iletilmesinin istendiği durumlarda kullanılır. Tencere, soba, kalorifer radyatörü gibi araçlar ısı iletkenlerinden yapılır. Isının iletilmesinin istenmediği durumlarda ısı yalıtkanı maddeler kullanılır. Tencere kulpları, pencere çerçeveleri, yemek paketlemede kullanılan köpük kutular ısı yalıtkanı maddelerden yapılır.

Isının Işıma Yoluyla Yayılması

 Isının ışınlar yoluyla yayılmasına ışıma denir. Güneş ışığı altında bekletilen suyun ısınması ve mumun alevine yaklaştığımız parmağımızın ısınması ısının, ışıma yoluyla yayılmasına örnek verilebilir. Mikrodalga fırınlarında elektrik ampullerinde ısının büyük bölümü ışıma yoluyla yayılır. Her madde ışıma yoluyla ısı yayar ve bu ışıma her yönde olur. Işıma, ısının boşlukta ve saydam ortamlarda yayılma şeklidir.
Isının ışıma yoluyla yayılması için doğrudan temas gerekli değildir. Bunu basit bir deneyle gösterebiliriz. Dikdörtgen şeklindeki bir cam, yanmayan bir ampulün 8 cm uzağına oyun hamurları ile sabitlenir. Camın arka tarafına 3cm uzağına camla aynı büyüklükte olan bir karton parçası ve yine oyun hamuruyla sabitlenir.
Daha sonra ampul yakılır ve bir süre beklenir. Bu süre sonunda karton parçası ve cama dokunulduğunda her ikisinin de ısındığı ancak karton parçasının camdan daha sıcak olduğu hissedilir. Ampul karton parçasına doğrudan temas etmemesine rağmen ışınlar havada ve camda yayılarak kartona ulaşır.
Böylece hem cam hem de karton parçasına ısı aktarılmış olur. Karton parçasının daha sıcak olmasının nedeni; saydam bir madde olan camın ışınları çoğunu geçirmesidir.
Güneş’ten yayılan ışınlar Uzay boşluğundan hareket ederek ışıma yoluyla Dünya’ya gelir. Boşlukta maddeleri oluşturan tanecikler bulunmadığından Güneş ışınları Dünya’ya çok kısa sürede ulaşır.
Dünya’da gece ve gündüz arasındaki sıcaklık farkı en fazla 10-15 derece olur. Dünyada gece ve gündüz arasındaki sıcaklık farkının fazla olmasının sebebi Dünya’nın atmosferinin olmasıdır. Atmosferi olmayan gezegen ve uydularda gece ve gündüz sıcaklıkları arasındaki fark oldukça fazladır. Atmosfer güneş ışınlarının bir kısmını yeryüzüne ulaştırırken bir kısmının yeryüzüne ulaşmasını engeller. Bundan dolayı dünya çok sıcak olmaz. Ayrıca atmosferi oluşturan gazlar, yeryüzünün yaydığı görünmez ışınların Uzay’a yayılmasını engelleyen bir perde oluşturur. Atmosfer güneş ışınlarının bir kısmının yeryüzüne ulaşmasına izin verirken, yeryüzüne ulaşan ışınların bir kısmının da dışarı çıkmasını engeller. Buna sera etkisi adı verilir. Atmosferin bu özelliği sayesinde dünya, canlıların yaşaması için elverişli sıcaklığa ulaşmış olur. Ancak son yıllarda özellikle fosil yakıtların kullanımının artmasıyla, atmosferdeki sera gazlarının miktarı artmıştır. Bu durumun devam etmesi normalden daha fazla Dünyanın normalden daha fazla ısınmasına, buzulların erimesine ve iklimlerin değişmesine yol açacaktır.
Bazı maddeler üzerine düşen ışınların çoğunu tutarken, bazıları ışınların çoğunu yansıtır. Parlak ve pürüzsüz yüzeyler ışınların çoğunu yansıtırken, koyu renkli ve pürüzlü yüzeyler ışınların çoğunu tutarak ısınırlar. Bir maddenin üzerine düşen ışınları tutarak ısıya dönüştürülmesine soğurma denir. Koyu renkli yüzeylerin ışınların çoğunu soğurur, açık renkli yüzeylerin ışınları çoğunu yansıtır. Bunu basit bir deneyle gözlemleye biliriz.
Eşit büyüklükteki iki kartondan biri siyah, diğeri beyaz fon kâğıdı ile kaplanır. Bu kartonların kaplanmamış yüzeylerinin ortasına mum yardımıyla madeni para yapıştırılır. Kartonlar dik konumda bir araya getirilir. Kartonların iç yüzeylerinin arasına, kartonlara eşit uzaklıkta olacak şekilde yanan bir mum yerleştirilerek bir süre beklenir. Bu süre sonunda siyah kartonun arka yüzündeki paranın daha önce düştüğü görülür.
Siyah renkli karton daha fazla ışın soğurduğu için daha fazla ısınmıştır. Madeni parayı tutan mum siyah renkli kartonda daha çabuk erimiş ve siyah kartonda madeni para daha çabuk düşmüştür.
Koyu renklerin ışığı daha fazla soğurmasından yararlanmak amacıyla kışın koyu renkli kıyafetler giyeriz. Böylece güneş ışınlarını daha fazla soğuran giysilerimiz bizi daha sıcak tutar. Yazın açık renkleri tercih ettiğimizde ise güneş ışığını daha fazla yansıtan kıyafetlerimiz bizi serin tutar.
Parlak yüzeyler ışınları büyük oranda yansıtırlar. Bu nedenle bu tür yüzeyler yalıtım amaçlı kullanılır. Örneğin, termosların iç yüzeyi, ışınları yansıtması için genellikle gümüş ile kaplanır. Şekilde de görüldüğü gibi, termosa sıcak su konulduğunda, sudan yayılan ışınlar termosun parlak ve yansıtıcı iç yüzeyine çarparak suya geri döner. Bazı termosların dış yüzeyi de yansıtıcıdır. Bu termoslara dışarıdan gelen ısı ışınları, termos dışındaki yüzey tarafından yansıtılır. Yansıtıcı yüzeylerin ısı yalıtımı sağlaması için ayna cepheli binalar yapılır. İtfaiyecilerin giysilerinin parlak olması yangın sırasında etrafa yayılan ısı ışınlarından itfaiyecileri korur.

Isının Konveksiyon İle Yayılması

Sıvı  ve  gazların tanecikleri arasındaki katılara göre oldukça fazladır. Bundan dolayı sıvı ve gazlarda ısının iletimle yayılmasının oldukça yavaş gerçekleştiğini biliyoruz. Sıvı ve gazların bir başka özelliği de, taneciklerinin titreşim hareketlerinin yanı sıra öteleme hareketi de yapabilmesidir. Katıların tanecikleri bulundukları yeri değiştirmeden sadece titreşim hareketi yaparken sıvı ve gazların tanecikleri titreşim hareketiyle birlikte öteleme hareketi de yaparak bulundukları yeri değiştirebilirler. Bu özellik sıvı ve gaz maddelerin içinde hareketli taneciklerin oluşturduğu madde akınları meydana getirir. Sıvı ve gazlarda ısı, sıcaklığı artan taneciklerin madde içindeki hareketi ile yayılır. Peki bu hareket gözlemlenebilir mi?
Ocak üzerine konulmuş bir çaydanlık suyu düşünelim. Çaydanlık alttan ısıtıldığı için alttaki taneciklerin sıcaklığı artar. Sıcaklığı artan suyun yoğunluğu azaldığı için yukarı doğru hareket eder.Bu taneciklerden boşalan yere yukarıdan soğuk tanecikler gelir.Onlar da ısı alarak sıcaklıkları arttığında yukarı doğru hareket eder. Böylece çaydanlık içinde sıcak ve soğuk taneciklerin sürekli yer değiştirmesine neden olan madde akımları oluşur. Isının bu şekilde yayılmasına konveksiyon yolu ile yayılma denir.
Konveksiyon yolu ile y ayılma gazlar da görülür. Sıcaklığı artan havanın yoğunluğu azalır. Yoğunluğu azalan hava yukarı doğru yükselir. Sıcak hava balonları bu şekilde havada yükselir. Balon içindeki hava ısıtıcı yoluyla ısıtıldığında balonun içindeki havanın yoğunluğu azalacağı için balon yukarı doğru hareket eder. Atmosferde de ısı benzer şekilde yayılır. Güneşin ışıma yoluyla ısı yaydığını biliyoruz. Bu ışınlar cam gibi, atmosferi de ısıtmaz. Ancak güneş ışınları yeryüzünü ısıtır. Isınan yeryüzü aynı bir ocağın tenceredeki suyu ısıtması gibi atmosferi ısıtır. Sıcak olan yeryüzü üzerindeki hava taneciklerinin sıcaklığı artar. Sıcaklığı artan hava yoğunluğu azaldığı için yukarı doğru hareket eder. Bu taneciklerden boşalan yere yukarıdan soğuk tanecikler gelir. Böylelikle atmosferde ısı, konveksiyon yoluyla yayılır.
Isının konveksiyonla yayılması katılarda gerçekleşmez. Çünkü katıları oluşturan tanecikler bulundukları yeri değiştiremez. Konveksiyon yoluyla ısının yayılması sıvı ve gazlarda gerçekleşir.
Ocaktaki bir tencere suyun ısıtılması sırasında ısı ocaktan metal tencereye daha çok ışıma yoluyla aktarılır. Metal tencerenin kulpları ve diğer yerlerine ısı iletim yoluyla taşınır. Tencere içindeki su da ise ısı konveksiyon yoluyla dağılır. Yanan bir ateşin yanında elinizi tutarsanız eliniz ışıma yoluyla ısınır. Elinizi ateşin üzerine tutarsanız eliniz hem ışıma hem de konveksiyon yoluyla ısınır. Ateşin üzerine tutulan bir demir çubuk ta ısı iletim yoluyla ilerler.