Enerji iletim yolları

Kış sabahı bir sobanın başında oturan biri üç farklı yoldan ısınır. Sobanın metal gövdesine dokunursa eli yanar: ısı sobadan doğrudan eline geçer. Elini sobanın birkaç karış üstünde tutarsa sıcak havanın yukarı yükseldiğini hisseder. Sobanın yanında, ona dokunmadan ve havanın sobadan ona doğru akmadığı bir yerde otursa bile yüzü ısınır; tıpkı Güneş'in, aradaki boşluğa rağmen Dünya'yı ısıtması gibi. Bu üç deneyim ısının üç aktarım yoluna karşılık gelir: iletim, konveksiyon ve ışıma. Önceki derslerde ısının sıcak cisimden soğuk cisme geçtiğini ve iki cisim ısıl dengeye gelene kadar sürdüğünü gördük. Isı ve sıcaklık dersinde metal bir kaşığın neden tahta bir kaşıktan daha soğuk hissettirdiğini sorup ayrıntıyı bu derse bırakmıştık. Bu derste ısının nasıl aktığını inceliyoruz: üç yolu ayırmayı, iletimin hızını belirleyen etkenleri, konveksiyonun rüzgârlarda ve evlerde nasıl çalıştığını, ışımanın yüzey rengine bağlılığını ve yalıtımın bu üç yolu nasıl durdurduğunu öğreniyoruz.

• Isının iletim, konveksiyon ve ışıma yollarını ayırır, her birine örnek verirsin.
• İletken ve yalıtkan maddeleri ayırır, iletim hızını etkileyen etkenleri sayarsın.
• Konveksiyon akımlarıyla meltemleri ve evlerdeki ısınma düzenini açıklarsın.
• Termos ve yalıtım örneklerinde hangi yolun nasıl engellendiğini yorumlarsın.

İletim

İletim, ısının madde taneciklerinin birbirine çarpması yoluyla, maddenin kendisi yer değiştirmeden aktarılmasıdır. Sıcak uçtaki hızlı titreşen tanecikler komşularına çarpar ve enerjilerinin bir kısmını onlara verir; enerji böylece tanecikten taneciğe ilerler. İletim en çok katılarda görülür, çünkü katılarda tanecikler birbirine çok yakındır.

Maddeler ısıyı farklı hızlarla iletir. Isıyı iyi ileten maddelere iletken, kötü ileten maddelere yalıtkan denir. Metaller iyi iletkendir; bakır ve alüminyum bunların en yaygın örnekleridir. Metallerde serbestçe dolaşan elektronlar enerjiyi çok hızlı taşır. Tahta, plastik, cam, kumaş, köpük ve özellikle hareketsiz hava ise yalıtkandır.

Isı ve sıcaklık dersindeki metal kaşık ile tahta kaşık sorusunun cevabı buradadır: ikisi de oda sıcaklığındadır, ama metal elimizden ısıyı çok daha hızlı uzaklaştırır. Elimiz sıcaklığı değil, ısı kaybının hızını hisseder.

İletimin hızı dört etkene bağlıdır:

• Maddenin cinsi: İletken maddeden yapılmış bir duvar ısıyı daha hızlı geçirir.
• Kesit alanı: Geniş bir yüzeyden daha çok ısı geçer.
• Kalınlık: Kalın bir duvar ısıyı daha yavaş geçirir; iletim hızı kalınlıkla ters orantılıdır.
• Sıcaklık farkı: İki yüz arasındaki sıcaklık farkı büyüdükçe ısı akışı hızlanır.

Konveksiyon

Konveksiyon (taşıma), ısının akışkan maddenin, yani sıvı ya da gazın kendisinin hareket etmesiyle taşınmasıdır. Akışkanın ısınan kısmı genleşir, özkütlesi azalır ve yukarı yükselir; yerini daha soğuk ve yoğun kısım alır. Bu döngüye konveksiyon akımı denir. Ocakta ısıtılan bir tencerede alttaki su ısınıp yükselir, üstteki soğuk su aşağı iner ve su bütünüyle ısınır.

Konveksiyon gündelik hayatın pek çok düzenini açıklar:

• Kalorifer petekleri odanın alt kısmına konur: ısınan hava yükselir, soğuk hava aşağı iner ve oda dolaşan hava ile ısınır.
• Klimalar duvarın üst kısmına takılır: soğutulan yoğun hava aşağı çöker ve odaya yayılır.
• Gündüz kara denizden çabuk ısınır, karanın üstündeki hava yükselir ve denizden karaya doğru serin bir rüzgâr eser; buna deniz meltemi denir. Gece kara daha çabuk soğur ve rüzgâr karadan denize döner; buna kara meltemi denir. Kara ile deniz arasındaki bu fark, ısı ve sıcaklık dersinde gördüğümüz öz ısı farkından kaynaklanır.

Işıma

Işıma, ısının elektromanyetik dalgalarla, ışık gibi, aktarılmasıdır. Işıma için maddesel bir ortam gerekmez; Güneş'in enerjisi aradaki boşluğu geçerek bu yolla Dünya'ya ulaşır. Sıcaklığı mutlak sıfırın üstünde olan her cisim ışıma yapar; sıcak cisimler daha çok ışıma yapar. Kanca örneğindeki sobanın yanındaki kişinin yüzünü ısıtan budur.

Bir yüzeyin ışımayı soğurma ve yayma yeteneği rengine ve dokusuna bağlıdır. Koyu ve mat yüzeyler ışımayı iyi soğurur ve iyi yayar; açık renkli ve parlak yüzeyler ışımayı yansıtır. Yazın açık renkli giysilerin daha serin tutması, güneşte bırakılan siyah bir arabanın beyazdan daha çok ısınması ve güneş kolektörlerinin koyu renkte yapılması bu yüzdendir.

Yalıtım: üç yolu birden durdurmak

Isı kaybını ya da kazancını azaltmak için üç yolun hepsini engellemek gerekir. Termos bunun en iyi örneğidir:

• İç ve dış cam ya da metal duvarlar arasındaki boşluk, havasız olduğu için iletimi ve konveksiyonu neredeyse durdurur.
• Duvarların gümüş renkli, parlak yüzeyleri ışımayı yansıtarak ışıma yoluyla kaybı azaltır.
• Kapak, sıcak havanın yükselip kaçmasını, yani konveksiyonu ve buharlaşmayı engeller.

Binalarda ve gündelik hayatta da aynı ilke kullanılır. Çift camlı pencerelerde iki cam arasında hapsolmuş hava iletimi yavaşlatır. Duvar yalıtımında kullanılan köpük ve taş yünü, içlerindeki küçük hava ceplerinde havayı hareketsiz tutar ve hem iletimi hem konveksiyonu azaltır. Kat kat giyinmek de katlar arasında hava tutarak ısı kaybını yavaşlatır. Kar örtüsü, içindeki hava nedeniyle iyi bir yalıtkandır; altındaki toprağı ve bitkileri sert soğuktan korur.

Isıyı hızla uzaklaştırmak

Yalıtımın tersi de gerekebilir: bazen ısının olabildiğince hızlı uzaklaştırılması istenir. Tencere ve tava tabanlarında bakır ya da alüminyum kullanılır, çünkü bu metaller ocağın ısısını yemeğe hızla iletir. Bilgisayarların işlemcilerinin üzerine takılan metal soğutucular çok sayıda ince kanatçıktan oluşur: metal ısıyı işlemciden iletimle çeker, kanatçıklar yüzey alanını büyütür ve aralarından geçen hava ısıyı konveksiyonla taşır. Bir fan eklenmesi bu hava akışını hızlandırır. Araç motorlarının radyatörleri de aynı ilkeyle çalışır; burada iletim, geniş yüzey ve zorlanmış konveksiyon birlikte kullanılır.

Hangi yol baskın?

Gerçek durumlarda üç yol çoğu zaman birlikte çalışır. Ocaktaki tencerede ısı alevden tencerenin tabanına iletimle ve ışımayla, tabandan suya iletimle, suyun içinde konveksiyonla yayılır. Soru bir durumu sorduğunda, ısının hangi ortamdan geçtiğine bakılır: katı içinde iletim, akışkanın hareketiyle konveksiyon, boşluktan ya da ortama bağlı olmadan ışıma.

Soru çözme sırası

Önce ısının içinden geçtiği ortam belirlenir: katı, akışkan ya da boşluk. Sonra maddenin hareket edip etmediğine bakılır; hareket varsa konveksiyondur. Yalıtım sorularında her önlemin hangi yolu engellediği ayrı ayrı eşleştirilir. İletim hızı sorulursa madde, alan, kalınlık ve sıcaklık farkı karşılaştırılır.

Örnek 1 — Yol ayırt etme

Soru: Bir demir çubuğun bir ucu ateşte tutulunca öbür ucunun ısınması hangi yolla olur?

• A) Işıma
• B) Konveksiyon
• C) Buharlaşma
• D) İletim
• E) Yoğuşma

Çözüm: Isı katı çubuk içinde tanecikten taneciğe geçer; bu iletimdir. Cevap: D.

Örnek 2 — Meltem

Soru: Gece kıyıda rüzgâr hangi yönde eser?

• A) Karadan denize
• B) Denizden karaya
• C) Yukarıdan aşağıya
• D) Hiç esmez
• E) Kıyıya paralel

Çözüm: Gece kara daha çabuk soğur, denizin üstündeki hava yükselir; rüzgâr karadan denize eser. Cevap: A.

Örnek 3 — Renk

Soru: Güneş altında aynı süre bekleyen iki özdeş metal kutudan biri siyah, öteki beyaz boyalıdır. Hangisi doğrudur?

• A) Beyaz kutu daha çok ısınır.
• B) İkisi aynı ısınır.
• C) Siyah kutu daha çok ısınır.
• D) Hiçbiri ısınmaz.
• E) Siyah kutu soğur.

Çözüm: Koyu yüzey ışımayı daha çok soğurur. Cevap: C.

Örnek 4 — Termos

Soru: Termosun iki duvarı arasındaki boşluk hangi aktarım yollarını engeller?

• A) Yalnız ışımayı
• B) Işıma ve konveksiyonu
• C) Yalnız ışımayı ve buharlaşmayı
• D) Hiçbirini
• E) İletim ve konveksiyonu

Çözüm: Havasız boşlukta ne tanecik çarpışması ne de akışkan hareketi olur. Cevap: E.

• Işımanın ortam gerektirdiğini sanmak. Işıma boşlukta da yayılır.
• Konveksiyonu katılarda aramak. Konveksiyon yalnız akışkanlarda olur.
• Meltemlerin yönünü karıştırmak. Gündüz denizden karaya, gece karadan denize.
• Dokunma hissini sıcaklıkla eşitlemek. El, ısı kaybının hızını hisseder.
• Kalınlığın iletimi artırdığını sanmak. Kalın duvar ısıyı daha yavaş geçirir.