Sıcaklıkla hal değişimi arasındaki ilişki nedir?

Bilindiği gibi maddeler doğada katı, sıvı veya gaz hallerinden birinde bulunurlar. Bir maddenin
bu hallerden birinde bulunması sıcaklık ve basınca bağlıdır. Örneğin su, 1 atmosfer
basınç altında, O°C den düşük sıcaklıklarda katı halde (buz), O°C ile 100°C arasında
sıvı ve 100°C nin üzerinde de gaz halinde bulunur.
Katı haldeki maddelerin belirli bir hacim ve biçimleri varken, sıvıların hacimleri belirli
olup biçimleri bulundukları kaba göre değişir. Oysa gazların ne hacimleri ne de biçimleri
belirli olmayıp, bulundukları kabın hacim ve biçimini alırlar.
Yerküre üzerinde soluk alıp veren her canlı, dünyayı çepeçevre saran ve ismine atmosfer
dediğimiz, yerden yaklaşık 1000 kilometre yüksekliğe kadar çıkan bir gaz okyanusu
içinde yaşamaktadır. Bu gaz okyanusunu oluşturan hava bir gaz karışımıdır. Öte yandan
spreylerde, balonlarda, araçların lastiklerinde ve frenleme düzenlerinde, mutfaklardaki
tüpgazlarda v.b. gazlar insanlarca uzun zamandır kullanılagelmektedir. Maddenin gaz halinin
yaşamı-mızda önemli bir yeri vardır. Bu ünitenin konusunu da genel özellikleriyle gazlar
oluşturmaktadır.

Isınan Maddelerde Genleşme
Genleşme genişleme anlamından gelir. Sıcaklığı artırılan bir cismin uzunluk ya da hacminin değişmesi olayıdır. Katıları, sıvıları ya da gazları oluşturan
tanecikler, ortalama konumları çevresinde sürekli çalkalanma halindedirler. Bu cisimlerden birine ısı biçiminde enerji verilirse, bu enerji kinetik enerji ye dönüşür; dolayısıyla, kinetik enerjisi artan tanecikler daha şiddetle çalkalanır ve daha geniş alana yayılmaya çalışırlar; yani sıcaklığı yükselen cisim (katı,sıvı, gaz) aynı zamanda genleşir.

KATILARDA GENLEŞME
Dışarıdan ısı alan maddenin taneciklerinin kinetik enerjisi, dolayısıyla taneciklerin titreşim hızı artar. Tanecikler birbirinden uzaklaşmaya başlar. Bu olay genleşme adı ile anılır. Tersine olarak madde dışarıya ısı verdiğinde (madde soğutulduğunda) maddenin taneciklerinin kinetik enerjisi, dolayısıyla taneciklerin titreşim hızı azalır ve maddenin hacmi küçülür.

Maddelerin genleşmesi ya da tersine büzülmesi sırasında büyük kuvvetlerin ortaya çıkması, tren raylarında, köprü gibi yapılarda hasarlara neden olmaktadır. Bu yüzden tren yaylarının eklenti yerlerinde boşluklar bırakılır, köprüler demir makaralar üzerine oturtulur. Çevremizdeki bu tür yapıları gözlemleyerek genleşme ile ilgili bir çok örnekler bulabiliriz.
BOYCA UZAMA Bir metal çubuğun ısıtılmadan önceki ilk boyu, l0 olsun. Bu metal çubuğu ısıttığımızda boyu uzayarak son boyu l olur. Boyca uzama miktarı (Δl);

ΔL =l-l0 = L0.λ.Δt bağıntısıyla bulunur.
Burada, l0 :Metalin ilk boyu.
λ:Metalin boyca genleşme katsayısı.
Δt = tson-tilk:Metalin ısıtılmadan önceki sıcaklığı ile ısıtıldıktan sonraki sıcaklığının farkıdır.

YÜZEYCE GENLEŞME Bir metal levhanın ısıtılmadan önceki ilk yüzeyi S0 olsun. Bu metal levhayı ısıttığımızda, yüzey artarak son yüzeyi S olur.

ΔS = S-S0.2 λ.Δt bağıntısıyla hesap edilir.

Burada;
S0:Metalin ilk yüzü.
2λ:Yüzeyce genleşme katsayısı (Boyca genleşmenin iki katıdır.)
Δt = tson-tilk : sıcaklık farkıdır

HACİMCE GENLEŞME Metal bir kürenin ısıtılmadan önceki ilk hacmi V0 olsun.Bu metal küreyi ısıttığımızda son hacmi V olur. Hacimce genleşme miktarı ΔV,

ΔV = V-V0 =V0.3λ.Δt bağıntısıyla hesap edilir.Burada;
V0:Metal kürenin ilk hacmi.
3λ:Hacimce genleşme katsayısı (Dikkat edilirse boyca genleşme katsayısının üç katıdır.)
Δt = tson-tilk : Sıcaklık farkıdır.


SIVILARDA GENLEŞME
Katı maddelerin genleşmelerini gördük, benim aklıma şu soru geldi, peki sıvı maddelerde de genleşme olur mu? Tabi ki olur şimdi birlikte bu konuyu işleyelim. Öncelikle şu sorulara cevap bulmaya çalışalım.

Ağzına kadar dolu bir çaydanlık ısıtıldıkça neden taşar?
Termometrelerde cıva veya alkol seviyesi sıcaklık değişmelerinde neden yükselip alçalır?
Bu ve bunun gibi sorulara, bilimsel alarak daha iyi cevaplar verebilmemiz için, sıvıların davranışlarını incelememiz gerekir. Ama bir sorunumuz var. Sıvıların ısıtılmadaki davranışlarını, katılarda olduğu gibi inceleyemeyiz. Çünkü, sıvıları katılar gibi şekillendirmek, örneğin boru haline getirmek imkansızdır. Bu yüzden, sıvıların, bir kap içinde incelenmeleri gerekir.

Sıvıların genleşmesinden sıvılı termometrelerde, sıcak su kazanlarında, termosifonlarda ve kalorifer sistemlerinde yararlanılır. Sıvıların genleşme miktarı aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır.

ΔV = V. a. Δt
Bağıntıda ΔV sıvının hacimce genleşme miktarı, V sıvının ilk hacmi, a sıvının hacimce genleşme katsayısıdır.

GAZLARDA GENLEŞME
Şimdi de gazların ısı etkisiyle genleşmelerini ele alalım. Şu soruları cevaplamaya çalışalım. Soba üzerinde tutulan şişirilmiş bir balon niçin büyür ve hatta patlar? 1783 yılında Montgolfier kardeşler, balonlarını uçurabilmek için, balonun açık alt kısmında ateş yakmışlardır. Niçin? Bu sorulara bulacağımız cevaplar bize, gazlarda da hacmin, katı ve sıvılarda olduğu gibi sıcaklıkla arttığı kanısını vermekte.
Sıcaklıkla genleşme, gazdan gaza değişmemektedir.

METAL ÇİFTİ
Farklı metallerden yapılmış eşit uzunluktaki iki çubuk bir birine perçinlenerek metal çifti yapılabilir. Bu iki çubuk, perçinli oldukları için ısıtıldıklarında bağımsız olarak hareket edemezler. Fakat uzama katsayıları bir birinden farklı oldukları için biri diğeri üzerine bükülür.

Metal çiftlerinin birçok kullanım alanları vardır. Bunların en önemlisi elektrik termostatlarıdır. Termostat sıcaklığı kontrol altına alarak sabit bir değerde tutmaya yarayan bir alettir. Elektrikli şofben, elektrikli ütü, evlerdeki radyatör türü ısıtıcılar termostatlı aletlerdir.

Bu aletlerde sıcaklık arttığında metal çifti bükülür ve devreyi keser. Bir süre soğuyunca metal çifti soğuyarak eski durumuna gelir ve devreyi tamamlar. Isıtıcı çalışmaya başlar. Böylece aletin sabit sıcaklıkta çalışması sağlanır.

Yangın alarmlarında sıcaklık arttığında metal çifti yukarı bükülerek elektrik devresini kapatır ve zil çalar. Aynı zamanda metal termometrelerde ve flaşörlerde metal çiftleri kullanılarak yapılan araçlardır.

Buharlaşma her sıcaklıkta olurken kaynama belirli bir sıcaklıkta olur. Kaynama buharlaşmanın en yoğun olduğu andır.