SICAKLIĞI ÖLÇELİM
1 — Bir cismin diğerine oranla daha sıcak veya daha soğuk olduğunu anlayabilir miyiz? Acaba bu iki cisimden hangisinin sıcaklık derecesi daha yüksektir?
2 — Bir elinizi sıcak, diğerini soğuk suya batırıp öylece bir süre tuttuktan sonra her ikisini de ılık suya sokun. Neden sıcak sudan çıkan elinizde soğuğu, soğuk sudan çıkan elinizde sıcağı hissedersiniz?
3 — Emin bir alet: Termometre. İki insanın aynı maddenin sıcaklık ve soğukluk derecesi hakkında ileri sürdükleri fikirler genellikle birbirine uymaz. Kesin sonuç almak için termometreye başvurulur.
HARARET DUYARLIĞI VE SICAKLIK
Herhangi bir cisme elimizle dokunacak olursak hararet duyarlığı olarak adlandırılan özel bir his duyarız. Bu duyu sonucu bir cismin diğerine oranla daha sıcak veya daha soğuk olduğu kanısına varırız. Bu duruma göre bir cismin diğerinden daha sıcak (veya daha soğuk) olduğuna o cismin diğerinden daha yüksek sıcaklığa sahip bulunması nedeniyle karar veririz.
Maddelerin gerçek sıcaklık durumlarını belirte, c yarayan hararet duyarlığı yeteneklerimize bağlı görünmektedir. Acaba duyularımızın doğruluğuna her zaman güvenebilir miyiz?
Biraz önce yaptığımız iki ayrı deneyle iki ayrı cismin sıcaklık ve soğukluk dereceleri hakkında zıt hisler duymamız mümkündür. Bu nedenle bir cismin sıcaklık derecesini duyu hatalarına düşmeden tayin etmek için başka bir olanaktan yararlanmak gerektir. Bunun ne olduğunu birlikte görelim.
GENLEŞME (genişleme)
Isıtılan bir cismin kor haline gelmesi, erimesi, buharlaşması veya kaynaması a- caba hepimize ne düşündürür?
Isıtılma nedeniyle meydana gelen her olay, cismin cinsine ve ısıtma derecesine bağlıdır.
Bilinen etkiler yanı sıra, az görünür olmasına rağmen büyük bir önem taşıyan bir olay genleşme (yani cismin hacım olarak büyümesi )dir.
Genleşme olayının ispatı için, okulların birçoğunda Gravzand halkası bulunmaktadır.
Bu alet aynı madenden yapılmış bir küre ile bir halkadan ibarettir. Halkanın iç çapı kürenin çapma eşit olup halka ve küre aynı sıcaklıkta iken küre, halkanın içinden rahatça geçer. Küre belirli bir ısıtılmadan sonra genleşme olayı meydana geldiğinden bu küre, halkasından geçemez.
Gravzand halkası bulunmaması halinde başka olanaklardan yararlanıp genleşme olayını ispatlamak mümkündür. Genleşme olayının katı cisimlerde sınırlı olması nedeniyle daha belirli ispatlamalar için birkaç deney daha yapmamız gerekir. İşte örneklerden bazıları:
DENEY 1: Madeni bir çubuğun genleşmesi
Bakır bir çubuğun uçlarının altına iki tahta destek koyun. Bu bakır çubuğun bir ucunu sabit tutmak için üzerine ağırlık koyun. Diğer ucunun altına da, ucuna iğne takılmış ince bir kamış veya benzeri bir çubuk yerleştirin (alttaki resimde görüldüğü gibi).
Deneye başlamadan önce itme halinde bakır çubuğun altına yerleştirilmiş olan ince kamışın hareket ederek ibre görevini yapıp iğneyi oynatıp oynatamadığını kontrol edin. Gereğinde sürtünmeyi arttırmak için küçük kamışın altına bir parça kumaş bant koyarak rahat dönebilmesini sağlayın. Bundan sonra gaz veya alkol ile çalışan bir deney ısıtıcısı bakır çubuğun altında yakın ve çubuğun ortasını tasını ısıtın.
Ne görüyorsunuz?
Düşünün ve cevaplandırın
■ Yuvarlanacak ince kamışı bakır çubuğun altına dikey gelecek şekilde yerleştirmeye dikkat ettiniz mi?
■ Bakır çubuğun öteki ucunu sabit tutacak olan ağırlığın yeterli olup olmadığını kontrol ettiniz mi?
■ Sağdaki tahta destek sabit tutulup soldaki ileri geri götürüldüğünde ince kamışın rahatlıkla sağa sola yuvarlanabildiğini denediniz mi?
■ Ağırlığın bulunduğu destek ileri itildiğinde ince kamış hangi yöne doğru yuvarlanmaktadır?
■ Bakır çubuk ısınır ısınmaz ince kamış hangi yönde yuvarlanmaktadır?
■ Bu neyi ispatlar?
■ İnce kamışın yuvarlanarak meydana getirdiği açı çubuğun uzunluğundan ayrı olarak ısıtılmaya da bağlı mıdır?
■ Çubuğun yapıldığı madde türünün genleşmeyi etkileyen bir faktör olduğunu ispatlayabilir misiniz?
SONUÇ
Madeni bir çubuğun uzunluğu ısıtılmayla artar. Bir göstergeyle ispatlanabilecek genleşme olayında şu özellikler etken olurlar:
1 — Maddenin cinsi.
2 — Çubuğun uzunluğu.
3 — Isıtılma derecesi.
DENEY 2: Sıvıların genleşmesi
Sıcağa dayanıklı (pyrex cam) balon şeklinde cam bir deney tüpünün içini renklendirilmiş suyla doldurun. Evvelce ortasından ince bir cam tüp geçirilmiş lastik bir tıpayla balon şeklindeki cam tüpün ağzını iyice kapatın. Kapatma işlemi sırasında tıpayla su seviyesi arasında hava kalmaması ve ince cam boruda suyun seviye olarak boyunun (20-30 santim) üçte birine ulaşmasına dikkat edin.
(Suyun renklendirilmesinde anilin boyaların kullanılmaması gerektir. Zira bu tür boyalar camlara kuvvetli bir şekilde yapışır.) iyi sonuç alabilmek üzere şu bileşimlerden birinin kullanılması öğütlenir:
Bakır sülfat (göztaşı) ve amonyak; bakır karbonat ve amonyak; demir klorür; asetik asit ve su; amonyum asetat.
İnce cam boruya milimetrik kağıttan kesilmiş bir parçayı yapıştırarak suyun yükseliş seviyesini belirtecek bir ölçek meydana getirin. Cam balonu ısıtın ve ince cam boru içinde suyun yükseliş seviyesini izleyin (yandaki resim).
Bu deneyle acaba ne elde edilmiştir?
Gerek su ve gerek cam genleşmiştir.
Ancak suyun genleşmesi cama oranla daha çok olduğundan suyun ince cam boru içindeki seviyesi yükselmiştir.
Düşünün ve cevaplandırın
■ Su ince cam boru içinde hangi yükseklikte durmuştur?
■ Suyun yüksekliği, ölçülü kağıda göre kaç birimdir?
■ Bu deneyde suyun genleşmesi elayım daha belirli kılan unsur nedir?
■ Isıtılma sonucu olarak ince cam boru içinde yükselen suyun hacminin nasıl hesaplanacağını biliyor musunuz?
■ Isıtılma sonucunda cam balonun da genişleyeceğini dikkate alarak, elde etmiş olduğunuz suyun genleşme miktarına suyun gerçek hacim artmasını ilave ederek hakiki genleşmeyi bulmaya çalışın. Acaba bu daha mı az veya daha mı çoktur?
■ Size göre, cam balon içinde acaba neden hava kabarcıkları bırakmamaya dikkat etmek gerektir.
■ Bir sıvının genleşmesi ısıtılma, derecesinin arttırılmasından ayrı olarak, sıvının miktar ve cinsine bağlıdır. Bu olayı nasıl ispatlayabilirsiniz?
SONUÇ
Isıtılan bir sıvının hacminin çoğalmasının kolayca ispatlanması için ince cam borudan faydalanmak mümkündür.
Hacım çoğalmasında etken unsurlar:
1 — Sıvının cinsi.
2 — Sıvının hacmi.
3 — Isıtılma derecesi.
DENEY 3: Gazların genleşmesi
Bir önceki deneyde olduğu gibi delikli lastik tıpası olan balon şeklinde cam bir deney kabı (pyrex-cam) bulun.
İnce bir cam boruyu (30-40 santim boyunda) tıpanın deliğinden geçirerek ucunun cam kabın dibine değmesine az bir mesafe kalana kadar sokun. Cam kaba bir miktar su koyun. Bu su seviyesinin tıpayla birlikte konulacak ince borunun içinde bir miktar su yükselmesini sağlayacak kadar olması gerektir.
Cam kabın ısıtılması (elde tutularak, güneş ışınlarına maruz bırakılarak, bir kalorifer radyatörü üzerine konularak veya bir deney ısıtıcısından yararlanarak) sonucu içinde bulunan havanın genleşmesiyle ince cam boru içindeki su seviyesi yükselecektir
Hacım artmasının tespit edilmesi, 2 no.lu deneydeki gibi cam boruya ölçekli bir kağıt yapıştırılmasıyla da sağlanabilir.
Düşünün ve cevaplandırın
■ Cam balon ısıtılınca ince boru içindeki su seviyesi neden yükselir?
■ 2 ve 3 no.lu deneyleri karşılaştıracak olursanız sıcaklık değişmesinin tespitinde hangisi daha belirli bir gözlem olanağı vermektedir?
■ Su ile hava hacimlerinin genleşmelerini karşılaştırarak nasıl bir sonuca varabilirsiniz?
SONUÇ
Bir gazın ısıtılma sonucu elde edilen hacim artışı bir sıvı veya katı cismin genleşmesinden daha çok belirli bir gözlem olanağı verir.
SIVILI TERMOMETRE
Görmüş olduğunuz gibi dokunma duyumuzla hissettiğimiz bir cismin sıcaklık derecesi çoğunlukla yanıltıcı olmaktadır. Bu nedenle sıcaklık ölçmede üzerinde dereceleri bulunan ve termometre olarak isimlendirilen bir aletten yararlanmak gerekir.
Geçen sayfalardaki deneylerle bir cismin ısıtılma derecesinin artmasıyla hacminin de büyüdüğünü, genleştiğini gördük (bazı istisnalar dışında). Bu özellikten yararlanarak sıcaklık derecelerini ve değişiklikleri en hassas şekilde ölçecek bir alet yapmak fikri ortaya çıkmış ve insanların dokunma duyularını kullanma yoluyla yanılmaları önlenmiştir.
Bu fikirden hareket edilerek yapılmış olan ve hepimizin çok iyi bildiği sıvılı bir termometreyi (alkollü veya cıvalı) inceleyelim.
Termometre, cam bir hazne ve bunun devamı olan kılcal bir cam borudan meydana gelir. Hazne içinde az bir miktar sıvı (renklendirilmiş alkol veya cıva) bulunur. Bu sıvı ısındığında genişler ve bunun sonucu olarak havası alınmış kılcal boru içinde yükselir.
NASIL DERECELENİR?
Bütün termometrelerin ölçek bölümleri, yani dereceleri vardır.
Derecenin bölümleme işlemi şöyle yapılır:
Termometre haznesi ergimekte olan buza batırılır ve sıvı seviyesinin inerek bir noktada durduğu görülür. Deney birkaç defa tekrarlandığında bu noktanın değişmediği tespit edilir. Bunun anlamı ergimekte olan buzun sıcaklık derecesinin değişmeyen bir derecede kalmasıdır. Bu nokta 0 (sıfır) ile gösterilir. Bundan sonra termometre, kaynamakta olan suya batırılınca sıvı yükselir ve deney tekrarlandığında daima aynı noktada kalır. Böylece kaynar suyun sıcaklık derecesin-de daima sabit bir derece olduğu görülür: Dereceleme deneyi deniz seviyesinde yapıldığı zaman bu nokta 100 ile işaretlenerek belirtilir. (Bu özelliğin daha açık bir şekilde anlaşılması için ileride kaynama olayına değineceğiz.)
0 ile 100 rakamları arasındaki kısım yüz eşit bölüme ayrılır ve her biri santigrat derece (Celsius dereceleri) olarak işaretlendiğinden bu işaretlenme santigrat derece olarak isimlendirilir. Tabiatıyla derecelemeye 100’ün üstünde ve 0’ın altında da devam edilebilir.
0’ın üzerindeki dereceler ( + ) ve altındakiler (—) işaretiyle belirtilir.
DOĞRU BİR DERECELEME
Duyu organınızla tespite çalıştığınız su size soğuk ve sıcak görünse bile termometre suya sokulduğunda içindeki sıvı daima, mesela 25 sayısı hizasında duracak ve suyun sıcaklığının 25 santigrat derece olduğunu doğru bir şekilde gösterecektir (25° C olarak yazılacaktır). Termometre derecelemeyi kesin olarak yapmıştır.
YAPILMAMASI GEREKEN BİR HATA
Termometre ilk kullanan için oldukça heyecan verici bir alettir. Eğer kaynamakta olan suya batırılırsa derhal cam mahfazası çatlar ve içindeki cıva binlerce ufak noktacıklar halinde dağılır. Bu deneyi yapan da tabiatıyla bu sonuç nedeniyle şaşırıp kalır. Zira onun amacı kaynamakta olan suyun 100° C’de bulunduğunu ispatlamaktı. Bu nedenle bütün gereçleri hazır etmişti; içi su dolu bir tencere, bir ısıtma aracı ve hastaların ateşini kontrole yarayan bir klinik termometresi.
Bu şaşırtıcı duruma acaba bir hata mı yoksa bir rastlantı mı sebep olmuştu? Deneyi yapanın bütün iyi niyeti, ne yazık ki, tamir edilmez bir hatası yüzünden bu sonuç ortaya çıkmıştır. Zira klinik termometresi kaynamakta olan bir suyun sıcaklığını ölçmek üzere hazırlanmamıştır. Sınırlı bir sıcaklık için yapılmış olan bu termometrede bölümler 34° C ile 42° C arasındadır. İşte bu nedenle 42° C’nin üstündeki ısılar kılcal borudaki cıvayı haznenin yeteneğinden fazla genleştireceğinden cam mahfaza bu kadar kuvvetli zorlanmaya dayanamayarak kırılmıştır.
Bu tür hatalara düşmemek için dikkatli olmak gerektir. Genellikle hepimizin bu yararlı aletle uzak yakın ilgimiz olduğuna göre klinik termometresini daha iyi tanımamız gerekir.
Termometredeki özel bir koruyucuya hiç dikkat ettiniz mi? Haznenin üst kısmı ile kılcal borunun başlangıç noktasındaki kanal belirli bir şekilde daraltılmıştır. Cıva genişlediği zaman bu boğumdan ileri yürür; sıcaklık azaldığı zaman ise cıva büzüşür; ancak kanalda bulunan cıvanın büzüşme yeteneği olmaması bedeniyle kendi kendine boğumdan hazneye inemez ve olduğu yerde kalır. Böylece alınmış olan derece bulunduğu yerden daha soğuk bir yere konulsa bile seviyesinden aşağı inmez ve insan vücudundan almış olduğu sıcaklığı göstermeye devam eder. Dereceyi indirmek için haznenin karşıt ucundan tutularak silkelenmesi gerekir. Bu tür termometreye belli bir sıcaklık sınırını aşmamasından dolayı en yüksek sıcaklığı gösteren termometre denilir. Bazen bir yerin belirli bir süre esnasında içinde bulunduğu eh düşük sıcaklığının tespitine ihtiyaç vardır. Bu tespitte en alçak sıcaklığı gösteren termometre kullanılır. 6oru içindeki alkol büzüşme sırasın-da çok, ufak bir işareti sürükler, genişlerken de işareti gerisinde bırakır; böylece ulaşılmış en az sıcaklığı gösterir.
İsminden de anlaşıldığı gibi en alçak ve en yüksek sıcaklığı gösteren derece iki zıt sıcaklıkta ulaşılmış noktaları belirtmeye yarar.
TERMOMETRE DERECELERİ
Ergimekte olan buz ile kaynamakta cilan suyun sıcaklık dereceleri arasındaki bölümler yüze bölünerek termometrenin dereceleri meydana getirilir ve santigrat veya Celsius dereceleri olarak isimlendirilir.
Bundan ayrı olarak iki ayrı metot daha vardır: Reomür (Almanlar tarafından kullanılır); metodunda iki sıcaklık 0 ile 80 olarak gösterilmiştir.
Fahrenhayt metodunda dereceler 32 ve 212 olarak belirtilmiştir. Bu metot daha çok Anglosakson ülkelerce benimsenmiş olup 212 ile 32 arasındaki sıcaklıklar 180 bölüm olarak gösterilmiştir.
SICAKLIĞIN KAYDEDİLMESİ
Meteoroloji alanında belirli sürelerdeki hava sıcaklığını bilme ihtiyacı vardır. Bunu ise, yazıcı termometreler olan termograflar karşılar. Bunların içinde bulunan yazıcı üçlü bir gösterge sıcaklık değerlerini dakikası dakikasına kaydederek bir grafik (çizelge) meydana getirir.
Çok yararlı olan bu grafikler, kayıt cihazının olmaması halinde el ile de yapılabilir. Bu durumda çizelgeye diyagram ismi verilir.
Daha iyi tanımlayabilmek için gece yarısından sonra iki saatte bir alman sıcaklık derecelerini kaydetmek yoluyla elde etmiş olduğumuz ve aşağıda örneğini verdiğimiz diyagramı gösterebiliriz.
Almış olduğumuz saat ve sıcaklık kayıtlarından bir okuma yapalım: Saat 16’da sıcaklık 6° C’dir. Bunu grafik olarak belirtmek için ölçü birimi O’dan itibaren sağa doğru 16 kare sayarak işaretlenir. 16 noktasından 6 sıcaklık birimini gösterecek eşit uzunlukta dikey bir çizgi çıkılır. Bu uygulamayı diğer saat-sıcaklık ölçüleri için uygularken, sıcaklıklar saat çizgisinin alt kısmında belirtilirler. Saat çizgisinin üst ve altına çekilen dikeylerin uç noktaları muntazam çizgilerle birleştin lir.
Böylece sıcaklık diyagramı (çizelgesi) elde edilir (yukarıdaki şekil). Bu çizelgeyle bir bakışta sıcaklığın günün çeşitli saatlerinde uğradığı değişiklikleri görmek mümkündür.
BİRAZ DA TARİH
Termometrenin mucidi Galileo Galilei’dir. Bu İtalyan ilim adamı cisimlerin ısıtılma nedeniyle genişleme (genleşme) terinden yararlanarak dahiyane metodu keşfetmiş ve sıcaklık değişimlerini ölçmeyi başarmıştır.
Galilei’nin yaptığı termometre hava ite çalışıyor ve oldukça sıhhatli sonuçlar veriyordu. Kullanışlı olmaması nedeniyle bu alet zamanla başka bilim adamları tarafından geliştirilmiştir.
Torricelli 1650’de su ite çalışan bir termometre icat etmiştir. 1665’de ise Hollandalı ilim adamı Huygens sabit noktalar fikrini ortaya atmıştır (buz ve kaynayan su sıcaklıkları). 1714’de Alman Daniel Fahrenheit (fahrenhayt okunur) cıvalı termometreyi bulmuştur.
GÖZDEN GEÇİRME VE BİLGİYİ KONTROL
1 — Herhangi bir özel alet kullanılmadan bir cismin diğerinden daha sıcak veya daha soğuk olduğuna nasıl karar verebiliriz?
2 — Termometre neye yarar?
3 — Sıvılı bir termometre nasıl yapılmıştır, nasıl çalışır ve nasıl bölümlenir?
4 — Termometre bölümlenmesine ne zaman santigrad denilir?
5 — Sıfırın üzerindeki ve altındaki sıcaklıklar hangi işaretlerle belirtilir?
6 — 4- 10°C mi yoksa — 25°C mi daha yüksek sıcaklığı gösterir?
7 — Bir klinik termometresi kaynar suya daldırılırsa acaba ne olur? Nedenini açıklayın.
8 — Klinik termometresi çok soğuk suya sokulursa zarara uğrar mı?
9 —Klinik termometresi deden en yüksek sıcaklığı gösterir?
10 — En düşük sıcaklığı gösteren termometre nasıl çalışır?
11 — Termograf nedir?
12 — Bir termografta yazıcı ucun bıraktığı iz nasıl isimlendirilir? Diyagram nedir?
13 — Şemada saat 04.30, 10.45; 16.00; 18.15’de gösterilmiş sıcaklıklar nelerdir?
14 — Gün süresince ulaşılmış en yüksek sıcaklık farkı, yani en yüksek sıcaklıkla en düşük sıcaklık arasındaki fark, nedir? (Daima metinde bahsi geçen deneyi örnek alın).
GÖZLEMLER (*) ARAŞTIRMALAR (**) PRATİK DENEYLER (**’)
1 (*) «Gravzand halkasındaki madeni kürenin genleşmesiyle bakır çubuğun genleşmesi arasındaki farkı görebildiniz mi?
2 (*) Tren yolunu meydana getiren raylar neden asla birbirlerine temas ettirilmezler?
3 (*) Madeni köprülerde neden ayaklar tekerlek üzerine konulur ve neden doğrudan doğruya kemer ayağı üzerine bindirilmez?
4 (*) Pencere ve kapı camları neden tam tamamına yataklarına oturtulmaz?
5 (*) Sigara dumanının daima yukarıya doğru yönelmesinin nedenini söyleyebilir misiniz?
6 (*) Selters (seltz) suyu (karbon dioksitle zenginleştirilmiş bir sul ile dolu bir şişe sıcakta bırakılacak olursa çoğunlukla çatlar; nedenini biliyor musunuz?
7 (*) Termometreyi derecelemek için neden ergimekte olan buza batırırız: a) Soğuktur; b) ufak parçalara ayrılabilir; c) sıcaklığı daima aynı kalır; d) ucuzdur.
Doğru cevabın yanına bir çarpı işareti koyun.
8 (“) Kullanılan termometrelerin cıvalı olmalarının nedenini biliyor musunuz? Bunu cevaplandırmak için bazı metinlerden faydalanarak araştırma yapın.
9 (***) U şeklinde cam bir deney tüpüne su koyacak olursak, su her iki tarafta da aynı seviyede bulunur, iki uçtan birini ısıtacak olursak acaba ne olur? Deneyi yapın ve gözlemde bulunun.
10 (***) İki ayrı cins madenin (bakır veya demir) genleşmesini ispatlayan bir deneyi anlatın.
11 (***) iki ayrı sıvının genleşmesini ispatlayan bir deneyi gerçekleştirin ve açıklayın.
12 (*’**) Sıcak ve soğuk su hazırlayın. Eşit boyda iki ayrı bardağa ayrı ölçüde sıcak ve soğuk suyu karıştırarak dökün. Bundan sonra parmağınızı bardakların her birine batırarak azalmakta olan sıcaklık sırasını tespite çalışın (çok sıcak, sıcak, oldukça sıcak, ılık, soğuk, soğukça, çok soğuk).
Şimdi dokunma duyularınızın sonuçlarını bir de termometreyle kontrol edin. Parmakla elde edilen tahminler yanı sıra termometreyle tespit edilmiş sıcaklıkların doğruluklarından neden eminsiniz?
13 (***) Bir hafta süreyle aynı saatlerde (mesela öğleyin) bulunduğunuz yerin dış sıcaklığını ölçün (gölgede), almış olduğunuz bilgilerden yararlanarak bir zaman-sıcaklık grafiği çizin.
