Tüm fiziksel nesnelerin oluştuğu madde olan madde, etrafımızdaki dünyayı anlamak için hayati önem taşıyan bir dizi termal özellik sergiler. Sıcaklık, ısı ve termal genleşme gibi bu özellikler, enerji aktarımı ilkeleri ve fizik yasaları tarafından yönetilir.
Sıcaklık, bir maddedeki parçacıkların ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür ve genellikle Celsius (°C), Fahrenheit (°F) veya Kelvin (K) cinsinden ölçülür. Isı ise sıcaklık farkından dolayı iki nesne veya sistem arasında bir enerji aktarım şeklidir. Uluslararası Birim Sisteminde (SI) ısı birimi joule'dür (J). Isı ( \(Q\) ), kütle ( \(m\) ), özgül ısı kapasitesi ( \(c\) ) ve sıcaklık değişimi ( \(\Delta T\) ) arasındaki ilişki aşağıdaki denklemle tanımlanır: \(Q = mc\Delta T\) Özgül ısı kapasitesi, bir kilogram maddenin sıcaklığını bir santigrat derece değiştirmek için gereken ısı enerjisi miktarının ölçüsüdür.
Malzemeler ısıtıldığında genellikle genleşirler. Bu olay termal genleşme olarak bilinir ve katılarda, sıvılarda ve gazlarda gözlemlenebilir. Termal genleşme, sıcaklıktaki artışın parçacıkların kinetik enerjisinde bir artışa yol açması ve bunların birbirinden ayrılmasına neden olması nedeniyle meydana gelir. Termal genleşmenin kapsamı, katılar için birim uzunluk ( \( \(L\) başına uzunluktaki değişimi ( \(\Delta L\) ) gösteren doğrusal genleşme katsayısı ( \(\alpha\) ) ile tanımlanabilir. ) sıcaklıktaki derece değişimi başına ( \(\Delta T\) ): \(\Delta L = \alpha L \Delta T\) Sıvılar ve gazlar için hacim genleşmesi doğrusal genleşmeden daha önemlidir ve şu katsayı ile tanımlanır: hacimsel genişleme.
Faz değişiklikleri, bir maddenin katı, sıvı ve gaz fazları arasındaki dönüşümlerdir ve sıcaklığı değiştirmeden enerjinin emilmesini veya salınmasını içerir. Ana faz değişiklikleri türleri arasında erime, donma, buharlaşma, yoğunlaşma, süblimleşme ve biriktirme bulunur. Faz değişimiyle ilişkili ısı, gizli ısı olarak bilinir. Örneğin, 1 kg buzu sıcaklığı değiştirmeden suya dönüştürmek için gereken enerjiye gizli füzyon ısısı ( \(L f\) ), 1 kg suyu sıcaklık değiştirmeden buhara dönüştürmek için gereken enerjiye ise denir. buharlaşma gizli ısısı ( \(Lv\) ): erime veya donma için \(Q = mL_f\) , buharlaşma veya yoğunlaşma için \(Q = mL_v\) .
Termal enerji madde içerisinde iletim, konveksiyon ve radyasyon yoluyla aktarılabilir. İletim, birbirleriyle doğrudan temas halinde olan maddeler arasında ısının aktarılmasıdır. Bir malzemenin termal iletkenliği ( \(k\) ) onun ısıyı iletme yeteneğinin bir ölçüsüdür. Fourier'in termal iletim yasası, ısı transfer hızı ( \(Q/t\) ), termal iletkenlik ( \(k\) ), alan ( \(A\) ), sıcaklık gradyanı ( \(\Delta T/L\) arasındaki ilişkiyi gösterir. \(\Delta T/L\) ) ve malzemenin kalınlığı ( \(L\) ): \(Q/t = kA(\Delta T/L)\) Konveksiyon, ısının akışkanların (sıvılar veya gazlar) hareketi yoluyla aktarılmasıdır ) sıcaklık farklılıklarından kaynaklanır. Sıvının toplu hareketini içerir. Radyasyon, enerjinin elektromanyetik dalgalar yoluyla aktarılmasıdır ve yayılması için bir ortama ihtiyaç duymaz. Tüm nesneler termal radyasyon yayar ve yayılan radyasyon miktarı, Stefan-Boltzmann yasasıyla açıklandığı gibi nesnenin sıcaklığının dördüncü kuvvetiyle artar: \(P = \sigma AT^4\) burada \(P\) yayılan güç, \(\sigma\) Stefan-Boltzmann sabiti, \(A\) yüzey alanı ve \(T\) Kelvin cinsinden sıcaklıktır.
Suyun, özgül ısı kapasitesi ve 4°C civarındaki davranışıyla ilgili bazı benzersiz özellikleri vardır. Suyun özgül ısı kapasitesi oldukça yüksektir; bu, sıcaklığını artırmak için çok fazla ısı enerjisine ihtiyaç duyduğu anlamına gelir ve bu da ekosistemlerdeki termal tampon rolüne katkıda bulunur. Ayrıca su 4°C'de maksimum yoğunluğuna ulaşır; bu sıcaklığın altına soğudukça genişler. Bu anormal genişleme, soğuk iklimlerde su yaşamının hayatta kalması için çok önemlidir; çünkü su kütlelerinin yüzeyinde buz oluşuyor ve aşağıdaki suyu yalıtıyor.
Maddenin termal özelliklerinin günlük yaşamda ve endüstride geniş kapsamlı uygulamaları vardır. Örneğin, köprü ve demiryollarının tasarımında sıcaklık değişimleriyle genleşme ve büzülmeye izin vermek için termal genleşme dikkate alınır. Suyun yüksek özgül ısı kapasitesi, onu endüstriyel proseslerde ve enerji santrallerinde mükemmel bir soğutucu haline getirir.
Suyun özgül ısı kapasitesini göstermeye yönelik bir deneyde, bilinen miktardaki enerjiyi ölçülen miktardaki suya aktarmak için bir ısıtıcı kullanılır. Öğrenciler sıcaklık değişimini gözlemleyerek \(Q = mc\Delta T\) formülünü kullanarak suyun özgül ısı kapasitesini hesaplayabilirler.
Bir başka yaygın gösteri, bir balonun su dolu bir şişenin üzerine yerleştirilmesini içerir. Su ısınıp buhara dönüştükçe, su buharının havayı itmesiyle balon şişer. Bu, suyun gaza dönüştüğünde genişlediğini, maddenin termal genleşmesinin gözle görülür bir etkisini gösterir.
Maddenin termal özelliklerini anlamak, yalnızca temel fizik anlayışımızı geliştirmekle kalmaz, aynı zamanda çeşitli pratik zorluklara çözüm üretme yeteneğimizi de zenginleştirir.
