ISI,

sıcak bir cisimden daha soğuk bir cisme aktarılan enerjidir. Daha bilimsel tanımıyla, bir cisimden öbürüne enerji aktarma süreci­dir. Çünkü yakın zamana kadar ısıyı da elektrik enerjisi ya da mekanik enerji gibi bir enerji biçimi olarak kabul eden bilim adamla­rının bu konudaki görüşleri büyük ölçüde değişmiştir. Şimdi ısıyı, molekülleri çok hızlı hareket eden sıcak bir cisimdeki bu mekanik molekül enerjisinin daha soğuk bir cisme aktarıldığı bir süreç olarak tanımlıyorlar. Ama ısının bir enerji biçimi olduğundan yola çıkarak varılmış olan bütün kavram ve tanım­lar hâlâ geçerlidir.

Bu bilimsel terim günlük konuşma diline de yerleşmiştir ve çoğu kez yanlış olarak sıcaklık anlamında kullanılır. Bir cisme aktarılan ısı enerjisi o cismin sıcaklığını yükseltebilir; ama ısı ile sıcaklık aynı şey değildir. Sıcaklık bir cisimde ne kadar ısı bulunduğunu, daha doğrusu cismin ne kadar ısı enerjisi aktarabi­leceğini gösteren bir ölçüdür ve bu ısının miktarı yalnızca cismin sıcaklığına değil kütle­sine de bağlıdır . Bütün enerji biçimleri gibi ısı da Uluslararası Birimler Sistemi'nde (SI) joule (jul), günlük uygulama­larda ise kalori gibi iş birimleriyle ölçülür. Enerji bir biçimden başka bir biçime dönüşür­ken sonunda genellikle ısı enerjisi açığa çıkar. Örneğin, bir iletkenden elektrik akımı geçiril­diğinde elektrik enerjisinin bir bölümü ısı enerjisine dönüşür.

Isı Kavramının Tarihçesi

Bilim adamları ısıyı uzun süre yalnızca bir kavram olarak kullandılar. 18. yüzyılda bile hâlâ ısının "akışkan bir madde" olduğunu düşünüyor ve bir cisimde bu akışkandan ne kadar çok bulunursa cismin o kadar sıcak olacağına inanıyorlardı. Kont Rumford adıyla tanınan İngiliz subay ve fizikçi Sir Benjamin Thompson Almanya'daki Bavyera prensinin hizmetinde çalışırken, 1798'e doğru çok önemli bir sonuca vardı. Münih'te Bavyera ordusu için yapılan pirinç topların matkapla delinmesi sırasında büyük miktarda "ısı" açı­ğa çıktığını fark etmişti. Eğer ısı sanıldığı gibi cismin içindeki bir akışkan olsaydı bir an gelip tükenmesi gerekirdi; oysa matkap ucu sürtün­dükçe bu metal alaşım soğuyacağına giderek ısınıyordu. Rumford bu olayı araştırmak üze­re delme işlemini su dolu bir kabın içinde yaptı ve matkap bir süre çalıştıktan sonra suyun kaynadığını gördü. Bu "ısı"yı yaratacak bir ateş ya da alev olmadığına göre, matkap ucunun pirince sürtünmesiyle sürekli olarak ısı üretebildiğim, dolayısıyla ısının bir madde olamayacağını öne sürdü. Bir metali matkap­la delerken bu sürtünmenin etkisiyle matkap ucunun ısındığını, hatta daha basit yoldan ellerinizi birbirine sürttüğünüzde ellerinizin ısındığını hissedebilirsiniz .

Rumford'un ısı konusundaki bu görüşlerine o zamanlar kimse inanmadı ve yapılan iş miktarı ile oluşan "ısı" miktarı arasında sıkı bir bağlantı olduğunu kanıtlama onuru İngiliz fizikçi James Prescott Joule'e kaldı . Joule, Manchester yakınlarındaki laboratuvarında 1843'te yaptı­ğı deneylerle, belirli miktardaki suyu ısıtmak için gereken iş miktarını ölçtü. Suyu ısıtmak için başvurduğu iki yöntemden biri, bir dina­moyla ürettiği elektrik akımını suya daldırdığı bir tel bobinden geçirmekti. Böylece günü­müzde kullanılanlara benzeyen bu tip su ısıtıcılarının ilk örneğini yapmış oldu. Sonra sudaki sıcaklık artışını termometreyle ölçerek bulduğu ısı miktarını dinamoyu döndürmek için kullanılan iş miktarıyla karşılaştırdı. Uy­guladığı ikinci yöntemde ise, suyu dönen bir su çarkıyla karıştırarak ısıttı ve gene yapılan mekanik iş miktarı ile bu işin suya kazandırdı­ğı ısı miktarını karşılaştırdı. Sonuçta, belirli miktardaki işin her zaman aynı miktarda ısı oluşturduğunu buldu ve aralarındaki oranı belirledi. Bu oran ya da bağıntı "ısının meka­nik eşdeğeri" olarak bilinir. Böylece, Joule' ün çalışmalarıyla ısının bir enerji biçimi olduğu bütün bilim adamlarınca kabul edildi. Isı enerjisi bir iş yapmak için kullanılabilir ya da öbür enerji biçimleri yapılan iş aracılığıyla ısı enerjisine dönüştürülebilir; her iki durum­da da sonuçtaki toplam enerji miktarı başlangıçtakiyle aynıdır. Bu durum, ENERJİ mad­desinde açıklandığı gibi bilimin temel kav­ramlardan biri olan "enerjinin korunumu" ilkesine uygundur. Enerji ya da iş ölçü birimi­ne "joule" adı James Joule'ün onuruna veril­miştir.

Önce sıcak, sonra soğuk bir cisme dokunur­sak aralarındaki sıcaklık farkını algılayabilir ve cisimlerin sıcaklığını termometreyle ölçebi­liriz .
Bütün maddeler molekül denen çok küçük atom gruplarından oluşmuştur . Bu moleküller her an hızlı ve gelişigüzel bir çalkalanma hareketi yapar. Gazların mo­lekülleri, katı ve sıvılarla karşılaştırıldığında, birbirinden oldukça uzaktır ve bulundukları hacim içinde serbestçe hareket edebilir. Bu arada hem birbirleriyle çarpışır, hem de bulundukları kabın çeperlerine çarparlar. Ga­zın sıcaklığı arttıkça moleküllerin hareketi de hızlanır.

Sıvılarda moleküller daha sıkışık durumda oldukları için gazlardaki kadar serbest hare­ket edemez ve birbirleriyle daha sık çarpışır­lar. İçinde çok küçük toz parçacıkları bulunan bir bardak suya parlak bir ışık tutulduğunda, sıvı moleküllerinin hareketi incelenebilir. Bu suya bir mikroskopla bakılırsa toz parçacıkla­rının her yöne doğru hızla hareket ettiği görülür. Bu hareketin nedeni, görülemeyecek kadar küçük olan milyonlarca su molekülü­nün hızla hareket ederken toz parçacıklarına çarpmasıdır. Aralarında hemen hiç boşluk olmayan katı moleküller yerlerini değiştire­mez, ancak bulundukları yerde sürekli bir titreşim hareketi yapabilir.

Katı, sıvı ya da gaz durumundaki herhangi bir maddenin sıcaklığı ne kadar yüksekse moleküllerinin ortalama hızı, dolayısıyla top­lam enerjisi de o kadar fazladır. Bir maddede­ki moleküllerin toplam enerjisine o maddenin iç enerjisi denir. Bir maddeye dışarıdan enerji verilmesi maddenin iç enerjisini artıracağı için sıcaklığını da artırır.
Bir maddeye enerji vermenin yollarından biri o madde üzerinde bir iş yapmaktır. Örneğin Joule'ün deneyinde olduğu gibi su­yun karıştırılması su moleküllerinin daha hızlı hareket etmesine ypl açar ve böylece suyun sıcaklığı yükselir. Bir maddeye enerji verme­nin başka bir yolu da ona ısı enerjisi aktar­maktır. Kızgın bir demir çubuk suya daldırıl­dığında, demir moleküllerindeki ısı enerjisi su moleküllerine geçet. Böylece su molekülleri daha hızlı hareket etmeye başlar ve suyun sıcaklığı yükselir: Sıcaklığın ne kadar yüksele­ceği suyun miktarıfra bağlıdır.

Eğer bir maddede moleküllerin titreşimi durursa maddenin iç enerjisi sıfırlanır ve sıcaklığı olabilecek en düşük düzeye iner. Mutlak sıfır denen bu sıcaklık — 273°C dola­yındadır; yani suyuh donma noktasının 273°C altındadır. Gerçi bugüne kadar mutlak sıfır noktasına ulaşılamamıştır, ama bilim adamları n bu sıcaklığın milyonda bir ya da iki derece üzerindeki sıcaklıkları elde edebiliyorlar. Bu çok düşük sıcaklıklarda maddenin özellikle­rinde ve davranışında çok ilginç değişiklikler olur. Örneğin bazı iletkenlerden bir kez elektrik akımı geçmeye başladığında bu akış neredeyse sonsuza kadar sürer; çünkü iletke­nin direnci tümüyle yok olmuştur. Gene bu düşük sıcaklıklarda moleküller hemen hemen tümüyle hareketsiz oldukları için birbirleriyle çarpışamaz, dolayısıyla maddeler arasında hiçbir kimyasal tepkime olmaz.

Buna karşılık sıcaklığın en çok kaç derece­ye yükselebileceği konusunda bilinen herhan­gi bir sınır yoktur. Metalleri kesmek ya da kaynak yapmak için kullanılan oksiasetilen hamlacının alevi ile gene kaynak işlerinde kullanılan elektrik arkının sıcaklığı 1.800°C ile 4.000°C arasında değişir. Nükleer tepki­melerde ise milyonlarca derecelik sıcaklıklara ulaşılabilmiştir.
Kimyasal tepkimelerde de ısı oluşabilir. Bir kibritin yanmasıyla ısı enerjisi açığa çıktığı için bu, ısıveren ya da eksotermik bir tepkime­dir. Gerçekleşebilmesi için ısı enerjisi gerekti­ren kimyasal tepkimeler ise, örneğin içindeki demir metalini ayırmak üzere bir demir cev­herinin ısıtılarak eritilmesi, ısıalan ya da endo­termik bir tepkimedir.

Bir maddenin iç enerjisinin bütün molekülle­rinin toplam enerjisine eşit olduğunu söyle­miştik. Bir çaydanlık kaynar su ile bir küvet dolusu sıcak suyu ele alalım. Çaydanlıktaki bir su molekülünün enerjisi kuvvetteki bir su molekülünün enerjisinden daha fazladır; çün­kü kaynayan suyun sıcaklığı küvettekinden daha yüksektir. Buna karşılık küvetteki suyun iç enerjisi çaydanlıktaki suyunkinden daha fazladır; çünkü küvette çok daha fazla su molekülü vardır. Görüldüğü gibi, bir madde­nin iç enerjisi kütlesine ve sıcaklığına bağlı­dır.

2 kg suyun sıcaklığını 10°C yükseltmek için iç enerjisini bir miktar artırmak gerekir. 4 kg suyun sıcaklığını 10°C yükseltmek için eklen­mesi gereken ısı enerjisi ise bunun iki katı kadardır. 2 kg suyun sıcaklığını 30°C yükselt­mek için de ilkinin üç katı kadar ısı enerjisi vermek gerekir.

İki maddenin molekül yapılan arasındaki farklılık maddelerin iç enerjilerini de etkiler. Örneğin 1 kg suyun sıcaklığını 1°C artırmak için yaklaşık 4.200 joule'lük enerji gerekir­ken, 1 kg bakırda l°C'lik sıcaklık artışı için yalnızca 400 joule'lük enerji yeterlidir. De­mek ki bakırdan yapılmış bir cismin ısı sığası, yani dışandan aldığı ısı enerjisinin sıcaklığın­da yarattığı artışa oranı, aynı kütledeki bir suyun ısı sığasından daha küçüktür. Birim kütlenin sıcaklığını 1°C artırmak için gereken ısı miktanna özgül ısı ya da ısınma ısısı denir. Yukarıdaki örnekten de anlaşılacağı gibi su­yun özgül ısısı yaklaşık 4.200 joule, bakırınki ise yaklaşık 400 joule'dür.

Bir cismin sıcaklığı artarken kazandığı ya da azalırken yitirdiği ısı enerjisi miktan aşağıda­ki denklemle hesaplanabilir:

ısı enerjisi = kütle x özgül ısı x sıcaklık
(joule)= (kg) x (j/kg/°C) x (°C)
değişikliği

Eğer eşit miktarda su ve kum aynı sıcaklık derecesinde ısıtılırsa, bir süre sonra kumun sıcaklığı suyunkinden yaklaşık iki kat daha fazla artar. Bu olayın özellikle iklim açısından çok önemli sonuçları vardır. Yazın kızgın güneşin altında kayalar, kum ve toprak çok ısındığı için karaların iç bölgeleri çok sıcak olur. Aynı miktarda ısı enerjisini denizler de aldığı halde suyun sıcaklığı bu kadar çok artmaz. Bu yüzden denize yakın olan yerler yazın karalann iç bölümlerinden daha serin, buna karşılık kışın daha ılıktır; çünkü deniz suyu yaz aylannda almış olduğu enerjiyi kışın yavaş yavaş geri verir.

Katı bir madde erime noktasına kadar ısıtılsa bile, çok büyük miktarda bir ek enerji verilmedikçe erimez. Bu ek enerji, katının sabit molekül yapısının çözülmesi için gerekli­dir ve maddenin sıcaklığını yükseltmez. Böy­lece madde katı halden sıvı hale geçtiğinde sıcaklığı değişmediği halde moleküllerinin enerjisi daha fazla olur. Maddenin hal ya da durum değiştirmesini sağlayan bu enerjiye gizli ısı denir. Yalnız katı halden sıvı hale geçiş (erime) için değil, kaynama noktasında­ki bir sıvının gaz haline geçmesi (buharlaşma) için de bir ek enerji gerekir. Birinci örnekte bu enerjiye gizli erime ısısı, ikincisinde de giz­li buharlaşma ısısı denir. Sıvı donarak yeniden katılaşırken ya da buhar yoğunlaşarak yeni­den sıvıya dönüşürken, aynı miktarda enerjiyi bu kez dışarıya verir.

Erime noktasındaki 200 gr (bir bardak dolusu) buzun suya dönüşmesi için yaklaşık 67.200 joule enerjiye gerek vardır. Bu suyu kaynama noktasına kadar ısıtabilmek için ayrıca 84.000 joule, buharlaştırabilmek için de 454.000 joule enerji gerekir. Suyun hal değiştirebilmesi için bu kadar büyük miktar­larda gizli ısı gerekmesi, erimeye başlayan buzun ve karın neden uzun süre yerde kalabil­diğini ya da çaydanlıktaki suyun kaynamaya başladığı anda neden tümüyle buharlaşıp uç­madığını açıklar.

Isı, sıcak maddenin yüksek enerjili molekülle­rinden soğuk maddenin düşük enerjili mole­küllerine aktarılır. Bu ısı aktarımı, iletim, konveksiyon ya da taşınım ve ışıma denen üç süreçle gerçekleşir. Eğer bir cismin bir bölü­mü öbür bölümlerinden daha sıcaksa, bu enerji aktarımı iletim yoluyla olur. Bu süreç­te, yüksek enerjili moleküllerin hareketi komşu moleküllerin de hızlanmasına yol açar ve bu etki bütün cisme yayılır. Bir maddenin "iyi bir ısı iletkeni" olması demek, o maddede iletim yoluyla ısı aktarımının kolayca gerçek­leşmesi demektir.

Akışkanlarda, yani sıvılarda ve gazlarda ısı aktarımı daha çok konveksiyon ya da taşınım yoluyla olur. Bu süreçte, akışkanın ısınan bölümleri genleşir; genleştiği için de yoğunlu­ğu azalır. Böylece hafifleyen moleküller yük­selirken akışkanın daha soğuk molekülleri alçalarak bunların yerini alır ve bu hareketten doğan konveksiyonj akımları ısı enerjisini akışkanın her yanına taşır
İki cismin arasında, örneğin Güneş ile Dünya'yı ayıran uzay boşluğu gibi bir boşluk bile olsa, ışıma yoluyla sıcak cisimden soğuk cisme ısı aktarılabilir. Bir cismin molekülleri elektromagnetik ışınım (enerji dalgaları) ya­yar; bu ışınımın dalga boyu cismin sıcaklığına bağlıdır. Cisim ne kadar sıcaksa yaydığı ışını­mın dalga boyu da q kadar kısa olur. Örneğin sıcak bir cisim, dalga boyu görünen ışığınkin-den biraz daha uzun olan kızılötesi ışınlar yayar; ama sıcaklığı daha da yükseldiğinde ışımanın dalga boyu kısalır ve görünür ışığa dönüşür. Bir cismin elektromagnetik ışınım yayması, iç enerjisinin ışınım enerjisine dönü­şerek her yönde yayılması demektir. Başka bir cisim bu elektromagnetik dalgalardan bir bölümünü soğurduğunda, enerjisi artan mole­külleri hızlanır ve cismin sıcaklığı yükselir. Güneş'in Dünya'yı ısıtması ışınım yoluyla ısı aktarımıdır.

Güneş'teki nükleer tepkimeler sonucunda açığa çıkan ısı Dünya'nın temel enerji kayna­ğıdır. Bu enerji bir yandan bizi doğrudan ısıtırken, bir yandan da ısı enerjisi elde ettiğimiz odun, kömür, petrol ve doğal gaz gibi yakıtları oluşturan bitkilerin büyümesini sağlar. Ayrıca suyun buharlaşıp yağmur ya da kar halinde yeniden Dünya'ya dönmesine yol açarak su enerjisi kaynaklarının yenilenmesi­ne yardımcı olur. Dünya'da gerçekleştirilen denetimli nükleer tepkimeler de ısı veren başka bir enerji kaynağıdır. Öte yandan yeryüzündeki derin kayaçların doğal radyoak­tifliği de Dünya'nın iç enerjisinin tükenme­mesini sağlar. Dünya'nın iç bölümlerinin çok sıcak olmasının bir nedeni de budur.

Isı bir enerji biçimi olduğuna göre iş yapmak için ısıdan yararlanılabilir. Bir enerji­nin kaynağından ısı yoluyla enerji açığa çıka­rılması, ısıdan yararlanmanın en önemli yolu­dur. Buhar makinelerinin, benzin ve dizel motorlarının, buhar ve gaz türbinlerinin çalış­ma ilkesi, enerjisi ısı yoluyla açığa çıkarılan yakıtların yanmasına dayanır. Genleşen buharın ya da sıcak gazlann iç enerjisi, motor pistonlarını iterek ya da türbin rotorunu döndürerek bir iş yapar. Elektrik motorları da genellikle buhar türbinleriyle döndürülen alternatörlerin ürettiği elektrikle çalışır. Buhar türbin­lerini çalıştırmak için gerekli olan buhar ise, kömürün ya da akaryakıtların yanmasıyla açığa çıkan ya da bir nükleer reaktörden gene ısı biçiminde aktarılan enerjiyle üretilir.
En eskiçağlardan beri insanlar maddenin yapısını değiştirmek, sözgelimi yemek pişir­mek, çanak çömlek yapmak ve metalleri işlemek için ısıdan yararlanmışlardır. Metalle­rin çoğu cevherlerin eritilmesiyle elde edilir. Katı maddeleri eritmek, sıvıları buharlaştır­mak ya da yalnızca maddenin sıcaklığını artırmak için gene ısı kullanılır. Maddenin sıcaklığı arttığında moleküllerin hareketi hız­lanacağı, dolayısıyla moleküller daha geniş yer kaplayacağı için hemen hemen bütün katılar, sıvılar ve gazlar ısınınca genleşir. Maddenin bu özelliğinden birçok alanda ya­rarlanılır. Örneğin bir motorun silindir göm­lekleri yerine yerleştirilmeden önce soğutu­lur; sonra ısınarak genleştiğinde arada hiç boşluk kalmayacak biçimde silindire sıkıca yapışır. Mühendisler beton köprülerin ve yolların tasarımında genleşme payını göz önünde bulundurmak zorundadırlar. Nite­kim, kullanılan maddelerin genleşmesini he­saplayarak yolun ya da köprünün beton par­çaları arasında bir miktar açıklık bırakırlar. Genleşme toprağın oluşumunda da rol oynar. Sıcaklık değiştikçe genleşip büzülen kayaçlar zamanla çatlar ve ufalanarak toprağa dönü­şür. Kaya çatlaklarından içeri sızan suların donarak genleşmesi de kayaçları parçalayarak bu süreci hızlandırır.