Isı ve sıcaklık

Açılış sahnesi

Kestane okulunun eski sınıfında ölçümlerin ikinci günü. Selim bir deney öneriyor: sınıftaki demir ayaklı sandalyenin metal borusuna ve tahta oturağına aynı anda dokunuyor. «Metal buz gibi» diyor, «tahta ılık.» Emre termometreyi ikisine de tutuyor; ikisi de aynı sıcaklıkta, oda sıcaklığında. Selim şaşırıyor. Bu sırada Nazife Öğretmen pencerenin yanında oturan bir çocuğun neden üşüdüğünü yeniden soruyor; pencerenin önündeki hava termometreye göre sınıfın ortasından yalnız iki üç derece daha serin, ama çocuk «pencere üstüme soğuk üflüyor» diyor. Sobanın yanında oturan bir başka çocuk ise sobaya yüzünü dönünce yanaklarının yandığını, sırtının ise serin kaldığını anlatıyor. Ahu sınıfın bir köşesine bakıyor; orada, bir dış duvarın önünde, kimse oturmak istemiyor. Ilgın tahtaya üç kelime yazıyor: dokunmak, üflemek, yanmak. «Üçü de ısı» diyor. «Ama üçü üç ayrı yoldan.»

Bu derste ne olacak

Önceki ders bir odayı beş akışa ayırdı. Bu ders ilk akışı, ısıyı, açıyor ve önce iki kelimeyi birbirinden ayırıyor: ısı ve sıcaklık. Isının ne olduğunu ve neden bir cismin «içinde» bulunan bir şey olmadığını termodinamiğin tanımıyla, bir ansiklopedi maddesinden okuyoruz. Sonra ısının üç yoldan, iletimle, taşınımla ve ışınımla nasıl geçtiğini ikinci bir maddeden alıyoruz ve Selim'in sandalyesini, pencerenin «üflemesini» ve sobanın yanağı yakmasını bu üç yola yerleştiriyoruz. Ardından ışınımın gücünü ve yüzeylerin onu ne ölçüde saldığını üçüncü bir maddeyle sayılara döküyoruz: bir yüzeyin rengi ısıl ışınımı hakkında neden yanıltıcı olabilir? Sonunda sınıfta kimsenin oturmak istemediği köşeye dönüyoruz.

Kanıt ne diyor

Bu dersin bilgileri ısı, ısı geçişi ve salım oranı üzerine üç İngilizce Wikipedia maddesinden geliyor; bir sayısal örneği maddelerin verdiği yasayla kendimiz hesaplıyoruz. Programın bu konu için andığı Szokolay'ın kitabına bu derste de ulaşamadık.

Bu tanım Selim'in şaşkınlığını çözmenin anahtarı. Metal boru ile tahta oturak aynı sıcaklıkta: termometre bunu söylüyor. Ama Selim'in eli sıcaklığı değil, elinden geçen ısıyı hissediyor. Metal, elden ısıyı hızla çekip götürüyor; tahta yavaş. Aynı sıcaklıktaki iki yüzey, eli farklı hızda soğuttuğu için biri buz gibi, öbürü ılık geliyor. Isı ile sıcaklık arasındaki fark, insanın bir odayı nasıl hissettiğinin ilk dersi: insan sıcaklığı değil, kendi bedeninden ya da bedenine geçen ısıyı duyar.

Kartın üç mekanizması Ilgın'ın üç kelimesine birebir oturuyor. Dokunmak iletim: el ile sandalye arasında, doğrudan temasla. Üflemek taşınım: pencerenin soğuk camı önündeki havayı soğutuyor, soğuyan hava ağırlaşıp aşağı iniyor ve camın dibinden sınıfa doğru akıyor; kartın «kaldırma kuvvetleriyle kendiliğinden oluşan akış» dediği şey bu, ters yönde. Pencere bir şey üflemiyor; kendi önünde bir hava akımı başlatıyor. Yanmak ışınım: sobanın sıcak yüzeyi, aradaki havayı ısıtmadan, çocuğun yanağına doğrudan enerji gönderiyor; sırtı ise sobaya dönük olmadığı için o ışınımı almıyor.

Kartın sayısı ilk bakışta şaşırtıcı: oda sıcaklığındaki bir yüzey, ideal olarak, her metrekaresinden yaklaşık 448 watt ışıyor. Ama bir odada her yüzey aynı anda hem ışıyor hem de öbür yüzeylerin ışınımını alıyor; önemli olan aradaki fark. Aynı yasayla kendimiz bir hesap yapalım ve iki yüzeyi kara cisim varsayalım: 20 °C'lik bir yüz ile 10 °C'lik bir cam arasındaki net ışınım alışverişi metrekarede yaklaşık 54 watt; cam 0 °C'ye inerse yaklaşık 103 watt. Bu yalınlaştırılmış bir hesap, gerçek yüzeylerde ve gerçek bir oda geometrisinde değer daha küçük olur; ama yönü açık. Soğuk bir camın önünde oturan biri, hava sıcaklığı yalnız birkaç derece düşük olsa bile, o cama doğru önemli miktarda ısı ışıyarak kaybediyor. Nazife Öğretmen'in pencere yanındaki çocuğu iki yoldan üşüyor: camdan inen soğuk hava akımıyla ve kendi ışınımını cama kaptırarak.

Sahada

Ilgın sınıfın planını tahtaya çiziyor ve her köşeye bir ok koyuyor. Sobanın çevresine dışa doğru dalgalı oklar: ışınım. Pencerenin önüne aşağı doğru inip sınıfa yayılan bir ok: soğuk camın başlattığı taşınım. Sandalyelere, masalara, döşemeye küçük çizgiler: iletim, çocukların elleri ve ayakları değdiği her yerde. Sonra kimsenin oturmak istemediği köşeye bakıyorlar. Köşe iki dış duvarın birleştiği yer ve Gülay Hanım bir kızılötesi termometreyle duvarların iç yüzeyini ölçüyor: köşedeki yüzey sınıfın ortasındaki duvardan belirgin biçimde soğuk. Köşede hava sıcaklığı sınıfın geri kalanından pek farklı değil, ama orada oturan biri iki soğuk duvara birden ışıyor.

Kızılötesi termometrenin kendisi de bir ders veriyor. Emre aleti cama doğrultup okuduğu değere şaşırıyor; Gülay Hanım Emissivity maddesinin bir cümlesini hatırlatıyor: kızılötesi ölçüm aletlerinin kalibrasyonu ölçülen yüzeyin salım oranına bağlı. Cam ve boyalı duvar gibi yüzeylerde alet makul ölçer; ama parlak bir metal yüzeye doğrultulduğunda yanıltıcı bir değer okunabilir. Ölçülen her yüzeyin yanına ne olduğu yazılıyor.

Tablonun sonunda Nazife Öğretmen'in sorusuna bir cevap veriliyor: sınıfın havası tek bir sıcaklık değil. Hava sıcaklığı bir yana, çocukların her biri farklı bir ışınım ortamında oturuyor: biri sobaya yakın, biri soğuk bir cama, biri iki soğuk duvara. Bir sonraki modül bunu ısıl konfor olarak ölçecek.

Gri alan

Isı ile sıcaklık arasındaki fark fizikte açık, ama bir odanın konforunu bu ikisinden hangisinin daha iyi anlattığı yoruma açık. Bir termometre havanın sıcaklığını ölçer; oysa bir insan, bu derste gördüğümüz gibi, hem havayla, hem dokunduğu yüzeylerle, hem de gördüğü yüzeylerle ısı alışverişi yapar. Hava sıcaklığını tek başına bir konfor ölçüsü saymak, Selim'in sandalyesini ve pencere yanındaki çocuğu açıklamaya yetmiyor. Öte yandan bütün yüzeylerin sıcaklıklarını ve ışınım alışverişini ölçmek zahmetli ve bir sınıfta gerçekçi değil; bir sonraki modül bu sorunu basitleştiren büyüklükleri tanıtacak. Bu dersteki sayısal ışınım örneği de yalınlaştırılmış: kara cisim varsayımı ve basit bir geometri gerçek değeri olduğundan büyük gösterir; gerçek bir odada değer, yüzeylerin salım oranlarına ve insanın onları ne kadar «gördüğüne» bağlıdır. Kanıtlarımızın sınırları da açık: üç kaynak da bir ansiklopedinin genel fizik maddeleri; bir sınıftaki ölçülmüş ışınım ya da taşınım değerlerini veren bir çalışma okumadık.

Senin işinde

Bir odada biri «üşüyorum» ya da «buram buram» dediğinde yalnız hava sıcaklığına bakma; ısının üç yolunu ayrı ayrı sor. İletim için dokunulan yüzeylere bak: döşeme, oturak, masa, kapı kolu. Taşınım için hava akımlarına bak: soğuk bir camın dibinden inen akım, bir kapı aralığından giren hava, bir ısıtıcının üstünden yükselen akım. Işınım için görülen yüzeylerin sıcaklığına bak: geniş ve soğuk bir cam, iki dış duvarın birleştiği köşe, bir soba ya da güneşin vurduğu bir yüzey. Yüzey sıcaklıklarını ölçerken bir kızılötesi termometre kullanabilirsin, ama yüzeyin salım oranını hesaba kat ve parlak metallere güvenme. Bir yüzeyin rengine bakarak ısıl davranışı hakkında karar verme. Oturma yerlerini, özellikle uzun süre oturulan yerleri, soğuk yüzeylerden ve ısı kaynaklarından uzaklığa göre düzenle. Bir ölçüm tablosuna hava sıcaklığının yanına en yakın yüzeylerin sıcaklıklarını da yaz; iki sütun arasındaki fark, kullanıcının neden üşüdüğünü çoğu zaman tek başına açıklar.

Kendin dene

Aklında kalsın

Isı bir cismin içindeki bir miktar değil, sıcaklık farkı yüzünden bir yerden bir yere geçen enerjidir ve jul ile ölçülür; sıcaklık ise o geçişin yönünü belirler. Isı üç yoldan geçer: temasla iletim, akışkanın hareketiyle taşınım ve elektromanyetik dalgalarla ışınım. Aynı sıcaklıktaki metal ve tahta, elden ısıyı farklı hızda çektikleri için farklı hissedilir. Soğuk bir cam hem önünde bir hava akımı başlatır hem de insanı ışınımla üşütür. Oda sıcaklığındaki her yüzey ışır; ideal bir kara cisim 25 °C'de metrekarede yaklaşık 448 watt ışır ve bir yüzeyin rengi salım oranı için iyi bir kılavuz değildir. Kızılötesi termometreler yüzeyin salım oranına bağlıdır.

Sonraki derse köprü

Sınıftaki zil ve sandalye sesleri ses düzeyi ölçerin göstergesini sıçratmıştı; ama ses ısı gibi doğrusal bir ölçekle değil, başka bir ölçekle ölçülüyor. Sesin frekansını ve düzeyini, desibelin logaritmik yapısını ve iki ses kaynağının nasıl toplandığını M01-D03 açıklıyor.

Kendini sına

Soru 1 · Kavram

Isı ile sıcaklık arasındaki fark nedir?

• A) İkisi aynı şeydir ve aynı birimle ölçülür.
• B) Isı bir cismin içinde depolanan bir miktardır, sıcaklık ise onun rengidir.
• C) Isı sıcaklık farkı yüzünden bir cisim ile çevresi arasında geçen enerjidir ve jul ile ölçülür; sıcaklık ise cismin ısıl durumunu ve ısının hangi yöne akacağını belirleyen büyüklüktür.
• D) Sıcaklık yalnız havada, ısı yalnız katılarda vardır.

Cevap: C. Bu yüzden aynı sıcaklıktaki iki yüzey, elden ısıyı farklı hızda çektikleri için farklı hissedilebilir.

Soru 2 · Kanıt

Emissivity maddesi bir yüzeyin görünüşü ile salım oranı arasındaki ilişki hakkında ne söyler?

• A) Beyaz yüzeylerin hiç ışımadığını.
• B) Çıplak, cilalı metaller dışında bir yüzeyin göze görünüşünün oda sıcaklığı yakınlarındaki salım oranı için iyi bir kılavuz olmadığını; örneğin beyaz boyanın görünür ışığı az soğurduğunu ama kızılötesinde güçlü bir soğurucu ve yüksek salım oranlı olduğunu.
• C) Bütün yüzeylerin salım oranının aynı olduğunu.
• D) Rengin salım oranını tam olarak belirlediğini.

Cevap: B. Bir yüzeyin ısıl davranışı rengine bakılarak anlaşılmaz; kızılötesi ölçümlerde de salım oranı hesaba katılmalıdır.

Soru 3 · Senaryo

Bir sınıfta iki dış duvarın birleştiği köşede kimse oturmak istemiyor; hava sıcaklığı sınıfın geri kalanından pek farklı değil. En savunulabilir açıklama ve ilk adım hangisi?

• A) Köşede oturan birinin iki soğuk yüzeye birden ışınımla ısı kaybettiği; köşedeki duvarların iç yüzey sıcaklığını ölçmek ve köşeyi bir yüzey sorunu olarak ele almak.
• B) Köşenin karanlık olduğu; yalnız bir lamba eklemek.
• C) Köşenin hava sıcaklığının yanlış ölçüldüğü; yeni bir termometre almak.
• D) Çocukların köşeyi sevmediği; hiçbir şey yapmamak.

Cevap: A. Hava sıcaklığı benzer olsa bile soğuk yüzeyler ışınımla insanı üşütür; köşe bir hava değil, bir yüzey sorunudur.

Soru 4 · Tuzak

Bir öğrenci «pencere kapalı olduğu hâlde önünde soğuk hava hissediyorum; demek ki pencere hava sızdırıyor» diyor. Bu çıkarımın atladığı olasılık nedir?

• A) Pencerelerin hiç soğuk olmaması.
• B) Soğuk camın önündeki havayı soğutması ve ağırlaşan havanın camın dibinden kendiliğinden aşağı akması, yani kapalı ve sızdırmaz bir pencerenin önünde de sıcaklık farkından doğan bir taşınım akımı oluşabilmesi; ayrıca insanın soğuk cama ışınımla ısı kaybetmesi.
• C) Havanın hiç hareket etmemesi.
• D) Soğuk hissinin yalnız nemle ilgili olması.

Cevap: B. Sızıntı bir olasılık, ama tek olasılık değil; taşınım ve ışınım kapalı bir pencerenin önünde de üşütür.