Elektron sayısı proton sayısına eşit olan atoma yüksüz (nötr) atom adı verilir. Cisimler çok sayıda atomdan oluşur. Yüksüz atomlar gibi toplam elektron sayısı, toplam proton sayısına eşit olan cisimler de yüksüzdür. Yüksüz bir cismin proton ve elektronları arasındaki yük dengesinin yani eşitliğin bozulması sonucunda cisim elektrikle yüklenir.

1. Sürtünme ile Elektriklenme

Sürtünme ile elektriklenmede birbirine sürtülen cisimler arasında elektron alışverişi gerçekleşir. Elektron alan cisimde negatif yük fazlalığı oluşurken elektron veren cisimde negatif yük azalır. Elektron veren cisimde pozitif yük fazlalığı, elektron alan cisimde de negatif yük fazlalığı oluşur.

Sürtünme ile elektriklenen cisimler, eşit miktarda ve zıt elektrik yükü ile yüklenir. Elektron alan cisim -q yükü ile yüklenirken elektron veren cisim +q yükü ile yüklenir. Cisimlerin sürtünmeden önceki ve sonraki yük toplamları eşittir.

Aynı elektrik yükü ile yüklü cisimler birbirini iter, zıt elektrik yükü ile yüklü cisimler birbirini çeker.

2. Dokunma ile Elektriklenme

Dokunma ile elektriklenmede birbirine temas ettirilen iletken cisimler arasında elektron geçişi olur. Sistemde var olan toplam yük, sistemi oluşturan cisimler arasında paylaşılır. Biri yüksüz, diğeri yüklü ya da ikisi de yüklü cisimler dokunma ile elektriklendirilebilir.

Dokunma ile elektriklenmede sistemde var olan toplam yükün cisimler arasındaki paylaşımı, iletken cisimlerin yüzey alanları ile doğru orantılıdır. Bu nedenle özdeş iletken cisimler birbirine dokundurulduğunda sistemin toplam yükünü eşit olarak paylaşır.

Birbirine dokundurulan küre şeklindeki iletken cisimlerin yarıçapları farklı ise toplam yükün paylaşımı, kürelerin yarıçapları ile doğru orantılı olarak gerçekleşir.

şeklindedir. Kürelerin dokunmadan önceki sahip oldukları toplam yük dokunmadan sonraki sahip oldukları toplam yüke eşittir. Buradan da toplam yükün korunduğu görülür.

3. Etki ile Elektriklenme

Etki ile elektriklenme olayında cisimler birbirine temas etmez. Yüklü bir cisim yüksüz bir iletkene yaklaştırıldığında yüklü cismin oluşturduğu elektriksel çekim, yüksüz iletken üzerindeki negatif elektrik yüklerini ya kendi tarafına doğru çeker ya da iletkenin diğer ucuna doğru iter. Böylelikle bölgesel yüklenme gerçekleşir. Yüklü cisim uzaklaştırıldığında yani elektriksel etkileşme ortadan kaldırıldığında bölgesel yüklenme de ortadan kalkar.

Birbiriyle temas hâlinde ve nötr olan şekildeki iletken kürelere pozitif yüklü çubuk yaklaştırıldığında, negatif yükler çubuğa yakın tarafta toplanırken diğer tarafta pozitif yükler kalır. Etki ortadan kaldırılmadan yani yüklü çubuk uzaklaştırılmadan küreler birbirinden ayrıldığında kürelerin biri negatif, diğeri pozitif yüklenmiş olur.

Başlangıçta toplam yükü sıfır olan kürelerin, son durumda da toplam yükü sıfırdır.

Etki ile elektriklenme olayı yalıtkan cisimlerde de gerçekleşir.

Elektrostatik, durgun elektrik yüklerini ve bu yükler arasındaki etkileşmeyi inceler.

Atom ve dolayısıyla atomlardan oluşan madde nötr olma eğilimindedir. Atom, çekirdekteki pozitif (+) yüklü protonları negatif (-) yüklü elektronlarla dengeler. Elektron sayısının, proton sayısından fazla ya da az olması durumunda elektrik yükü ortaya çıkar. Elektron sayısının proton sayısından fazla olması durumunda yük negatif, az olması durumunda ise yük pozitif olur. Yük q ile simgelenir. SI birim sisteminde yük birimi coulomb’dur (kulon) ve C sembolü ile gösterilir.

Doğada bulunan en küçük yük elektronun yüküdür. Bu nedenle bir elektron yükü elemanter yük ya da birim yük olarak tanımlanır. Elektronun yükü e sembolü ile gösterilir. Elektronun yükü negatif değerde olup, aynı büyüklükte yüke sahip olan proton pozitif yüklüdür. Yüklü cisimlerin üzerindeki net yük …, -3e, -2e, 3e, 4e, … şeklinde elektron yükünün tam sayı katları kadardır. Bir elektron yükünün büyüklüğü aşağıda verilmiştir.

1 e yaklaşık olarak 1,602.10^-19 C

Atomun dolayısıyla maddenin elektron kazanması veya kaybetmesi elektriklenme olarak adlandırılır.

Elektrik ile yüklenmemiş (yüksüz, nötr) cisimler birbirlerine yaklaştırıldığında itme ya da çekme gözlenmez.

Isı alma sürecinde hâl değişimine uğramayan maddelerin sıcaklıkları, yani atom veya moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi artar. Daha yüksek hızla hareket eden parçacıklar birbirinden uzaklaşır ve bu durum maddede hacim artışına sebep olur. Isı alan maddelerin hacimlerinde meydana gelen bu artışa genleşme adı verilir. Sıcaklığı artan pek çok madde, bazı istisnalar dışında genleşir.

Isı veren maddelerin hacimlerinde meydana gelen azalmaya da büzülme denilmektedir. Isı veren maddelerin sıcaklıkları, yani atom veya moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi azalır. Tanecikler arasındaki mesafe kısalır ve maddenin hacmi küçülür.

Genleşme miktarı maddenin cinsine, sıcaklık değişimine ve madde miktarına bağlıdır.

1. Maddenin Cinsi

Farklı maddelerin atomik yapıları ve atomlar arasındaki mesafeleri birbirinden farklıdır. Aynı miktardaki sıcaklık değişimlerine farklı tepkiler gösterir ve farklı oranlarda genleşir.

Gaz hâldeki maddelerin atomları arasındaki bağlar katı ve sıvılara göre daha zayıf olduğu için en fazla genleşme gazlarda oluşur. Bütün gazlar bulundukları kabı tamamen doldurduğu için genleşme, gazlar için ayırt edici bir özellik değildir. Sıvı hâldeki maddelerin atomları arasındaki bağlar da katı hâldeki maddelerin atomları arasındaki bağlardan daha zayıftır. Bu nedenle sıvıların genleşme katsayıları, katıların genleşme katsayılarından daha büyüktür.

2. Sıcaklık Değişimi

Maddelerin aldığı ya da verdiği ısı ne kadar büyük olursa sıcaklıklarındaki değişim o kadar fazla olur.

3. Madde Miktarı

Maddelerin ısı alışverişi yapmadan önceki hacmi ne kadar fazla ise hacimlerindeki değişim de o kadar fazla olur. Genleşme ve büzülme miktarı, maddelerin ilk hacimleri ile doğru orantılıdır.

Genleşme, maddenin tüm boyutlarında yani hacminde meydana gelir. Ancak maddenin bir boyutundaki genleşme diğer boyutundaki genleşmelerle kıyaslandığında ihmal edilebilecek kadar az olabilir. Örneğin ince ve uzun bir telin kesit alanında meydana gelen genleşme, boyundaki genleşmeye göre çok küçüktür. Bu durumda ince bir telin hacmindeki genleşmeden değil, boyundaki uzamadan bahsedilir. Bu nedenle genleşme; boyca uzama, yüzeyce genleşme ve hacimce genleşme şeklinde üç ayrı durum için incelenir.

Canlılar donan nehir ya da göllerin altında devam ettirdikleri yaşamlarını, suyun ilginç bir özelliğine borçludur. Su, donarken hacmi artan nadir yapılardan birisidir. Donan suyun hacmi arttığı için özkütlesi azalır, suyun özkütlesinden daha küçük hâle gelir. Oluşan buz, suda yüzer ve yüzeyde birikerek buz tabakasını oluşturur. Suyun bu özelliği, çok soğuk bölgelerde suda yaşayan canlıların hayatta kalmasını sağlar.

Suyun sıcaklığa bağlı hacim ve özkütle değişimi grafikleri,

Grafiklerden görüleceği üzere su, +4 ^oCʼde en küçük hacim ve en büyük özkütle değerine sahiptir. Suyun sıcaklığı +4 ^oCʼnin altına düşürüldüğünde hacminin arttığı, özkütlesinin de azaldığı görülmektedir. Suyun hacminin artması, soğuk kış günlerinde su borularının çatlamasına sebep olabilmektedir. Sıcaklığın düşmesi ile borular büzülürken suyun hacmi artar ve borular zarar görür. Donarken hacmi artan maddelere galyum, germanyum, bizmut ve antimon örnek olarak verilebilir.

Isının; sıcaklıkları farklı, etkileşim hâlindeki sistemler arasındaki iletimi, maddenin cinsine ve fiziksel hâline göre değişiklik gösterir.

Isının İletim Yolu ile Transferi

Bir madde ısıtıldığında önce ısı kaynağına yakın olan atom ve moleküller enerji alır ve titreşimleri artar. Bu tanecikler yakınlarındaki taneciklere çarpar ve onların da enerji kazanarak titreşmesini sağlar. Bu şekilde ısı enerjisi maddenin bir ucundan diğer ucuna kadar iletilmiş olur.

Isının Konveksiyon Yolu ile Transferi

Sıvı ve gaz hâldeki maddelerin tanecikleri, katı hâldeki maddelerin taneciklerine göre daha serbest hareket eder. Yalnızca titreşim hareketi değil, öteleme hareketi de yapabilir yani madde içinde bir noktadan diğer noktaya hareket edebilir.

Isının konveksiyon yoluyla iletimi ısı enerjisi yüksek taneciklerin düşük taneciklerle yer değiştirmesi şeklinde gerçekleşir. Bu olayın sebebi, sıcaklığı artan madde moleküllerinin hacminin genişlemesi ve bunun sonucunda da özkütlelerinin azalmasıdır.

Isı alan maddenin taneciklerinin arasındaki boşluk ve dolayısıyla maddenin hacmi artar. ısı kaynağına yakın olan bölgede gazın özkütlesi, uzak olan bölgeye oranla azalır. Özkütlesi azalan hava yükselirken daha soğuk ve özkütlesi büyük olan hava aşağı doğru iner. Isı kaynağı enerji verdiği sürece bu olay devam eder, odadaki sıcak ve soğuk hava sürekli yer değiştirir. Bu şekilde termal enerji, sıcaklığı yüksek olan bölgeden düşük olan bölgeye doğru aktarılmış olur.

Isının Işıma Yolu ile Transferi

Isının iletim ve konveksiyon yolu ile taşınması için maddesel ortama ihtiyaç varken ısının ışıma yolu ile yayılması için hava ya da su gibi maddesel bir ortama ihtiyaç yoktur. Bu nedenle ısı ışıma yolu ile boşlukta da yayılabilir.

Isı enerjisinin ışınlarla dalgalar hâlinde yayılması olayına ışıma ya da termal ışıma denir. Sıcaklığı mutlak donma noktasından (-273,16 ^oC) yüksek olan her varlık ışıma yapar. Bu ışımalar elektromanyetik spektrumda kızılötesi bölgesine karşılık gelir ve bu bölgedeki ışımalar gözle algılanamaz. Bunun için termal kameralar geliştirilmiştir. Termal kameralar, ışımaları görünür hâle
getiren düzeneklerdir. Işımanın şiddeti, ışıma yapan cismin sıcaklığıyla doğru orantılıdır.

Bir kamp ateşinin yakınında durulduğunda ateşe dönük olan taraf daha fazla ısınır. Bunun sebebi kamp ateşine dönük tarafın termal ışımaya maruz kalmasıdır.

KATI MADDELERDE ENERJİ İLETİM HIZI

Isı enerjisi, sıcaklığı yüksek olan sistemden düşük olan sisteme doğru akar.

Ateşli hastalıklarda hastanın vücudu ıslak bezle silinir ya da hastaya ılık duş aldırılır. Bu şekilde vücuttan suya ısı enerjisi
geçer ve hastanın vücut sıcaklığı düşer. Bu şekilde bir ısı kaybı hayati önem taşımaktadır.

katı maddelerde ısı iletim hızı, maddede ısının iletildiği yüzeyin alanına, kalınlığına, iki yüzey arasındaki sıcaklık farkına ve maddenin cinsine bağlıdır. Isı iletim katsayısı düşük olan maddelerin ısı iletim hızı da düşüktür. Bu tür maddelere ısı yalıtkanı, bu maddelerden yapılan malzemelere de yalıtım malzemeleri adı verilmektedir.

Hissedilen sıcaklık, termometrenin ölçtüğü hava sıcaklığından farklı olarak insan vücudunun hissettiği sıcaklıktır. Bu sıcaklık değeri; havanın gerçek sıcaklığı, nem oranı, rüzgâr ve radyasyona bağlı bir niceliktir. Bu nicelik ölçülmez, sıcaklık ve nem oranı kullanılarak hesaplanır.

Küresel ısınma sera etkisi sebebiyle dünya yüzeyi ortalama sıcaklığının artmasıdır. Sera etkisi ise fosil yakıtların aşırı kullanılması ve ormansızlaşma yüzünden atmosferde karbondioksit, kükürtdioksit ve karbonmonoksit gibi gazların birikmesi sonucunda Güneş ışınlarının atmosferde uzun süreli kalmasıdır.

Farklı sıcaklıktaki ve temas hâlindeki sistemlerin ısı alışverişi sonucunda ulaştıkları son sıcaklığa denge sıcaklığı adı verilir ve denge sıcaklığı T_D ile gösterilir. Böyle sistemler ısıl (termal) dengedeki sistemler olarak adlandırılır. Termal dengedeki sistemlerin sıcaklıkları birbirine eşittir. Denge sıcaklığı, sıcaklığı düşük olan sistemden daha düşük ve sıcaklığı yüksek olan sistemden daha yüksek olamaz.

Temas hâlindeki sistemlerden sıcaklığı yüksek olanın sıcaklığı azalırken düşük olanın sıcaklığı artar. Bunun sebebi ısı enerjisinin, yüksek sıcaklıktaki sistemden düşük sıcaklıktaki sisteme doğru akmasıdır. Isı veren sistemin moleküllerinin enerjisi, dolayısı ile sıcaklığı düşer. Isı alan sistemin moleküllerinin enerjisi artar ve sıcaklığı yükselir. Isı alışverişi her iki sistemin de sıcaklıkları eşit oluncaya kadar devam eder.

Sıcaklıkları farklı, çevreden izole edilmiş ve birbirleriyle temas hâlindeki iki sistemden birinin verdiği ısı, diğerinin aldığı
ısıya eşittir. Bu durumun matematiksel modeli Alınan ısı (Q_A)=Verilen ısı (Q_V) şeklindedir.

Isı alan sistemlerin iç enerjisi artar. Isı veren sistemlerin iç enerjisi azalır.

Maddeler bir hâlden diğer bir hâle geçiş yapabilir. Bir maddenin hâl değiştirebilmesi için hâl değişimi sıcaklığında olması ve bu sıcaklıktayken maddeye ısı verilmesi ya da maddeden ısı alınması gerekmektedir. Maddelerin bulundukları fiziksel hâlden başka bir hale geçmesine hâl değişimi denir.

Isı alarak buharlaşan ve gaz hâline gelen su, soğuk hava katmanları ile karşılaştığında yeryüzüne yağmur, kar ya da dolu şeklinde geri döner. Denizlere, akarsulara ya da toprağa sızarak yer altı sularına karışan su, tekrar ısı alarak buharlaşır ve bu şekilde su döngüsü devam eder.

Donma: Sıvı hâldeki bir maddenin ısı vererek katı hâle geçmesi olayıdır. Suyun buz hâline geçmesi örnek olarak verilebilir.

Erime: Katı hâldeki bir maddenin ısı alarak sıvı hâle geçmesi olayıdır. Katı çikolatanın erimesi bu olaya bir örnektir.

Süblimleşme: Isı alan katı hâldeki bir maddenin doğrudan gaz hâle geçmesi olayıdır. Naftalin ve kuru buz katı hâlden gaz hâle geçen maddeler arasındadır.

Kırağılaşma: Isı veren gaz hâldeki bir maddenin doğrudan katı hâle geçmesi olayıdır.

Buharlaşma: Sıvı hâldeki bir maddenin ısı alarak gaz hâline geçmesi olayıdır.

Yoğuşma: Gaz hâlindeki bir maddenin ısı vererek sıvı hâle geçmesi olayıdır.

İyonizasyon: Gaz hâlindeki bir maddenin plazma hâline geçmesi olayıdır.

Deiyonizasyon: Plazma hâlindeki bir maddenin gaz hâline geçmesi olayıdır.

Hâl değişimi için belirli şartların sağlanması gerekmektedir. Örneğin katı hâldeki saf bir maddenin sıvı hâle geçebilmesi için erime sıcaklığına ulaşması gerekmektedir. Benzer şekilde sıvı hâldeki saf bir maddenin kaynayarak gaz hâle geçebilmesi için sıcaklığının kaynama sıcaklığına kadar arttırılması gerekmektedir. Erime sıcaklığı donma sıcaklığına, kaynama sıcaklığı da yoğuşma sıcaklığına eşittir.

Başlangıçta katı hâlde olan bir saf maddenin sıcaklığının verilen ısıya bağlı olarak değişim grafiği aşağıdaki gibi olur.

I. bölgede katı hâlde bulunan maddeye Q₁ kadar ısı verilmiş ve sıcaklığı T₁ʼden T₂ʼye çıkmıştır.
II. bölgede maddeye Q₂-Q₁ kadar ısı verilmesine rağmen sıcaklığında bir değişim olmadığı görülmektedir. Çünkü T₂, bu maddenin erime sıcaklığıdır ve maddenin tamamı eriyinceye kadar sıcaklığı değişmez verilen enerji hâl değişimi için harcanır. Bu bölgede madde, katı ve sıvı hâlde karışım şeklindedir. Bölgenin başlangıcında katı hâlde olan madde, bölgenin sonunda tamamen sıvı hâle geçer. Madde hâl değiştirmiştir.

III. bölgede sıvı maddeye Q₃ -Q₂ kadar ısı verilmiş, maddenin sıcaklığı T₂ʼden T₃ ʼe çıkmıştır.

IV. bölgede maddeye Q₄ -Q₃ kadar ısı verilmiştir. Kaynama sıcaklığında olan maddenin sıcaklığında değişim olmamıştır. Bu bölgede madde, sıvı ve gaz hâlde karışım şeklindedir. Bölgenin başlangıcında sıvı hâlde olan madde, bölgenin sonunda tamamen gaz hâle geçer. Madde hâl değiştirmiştir.

V. bölgede tamamen gaz hâlinde bulunan madde Q₅ -Q₄ kadar ısı alarak sıcaklığını T₃ ʼten T₄ ʼe çıkarmıştır.

HÂL DEĞİŞTİRME ISISI

Erime sıcaklığındaki 1 gram katı maddenin sıvı hâle geçebilmesi için maddeye verilmesi gereken ısı miktarına erime ısısı adı verilmektedir. Erime ısısı L_e ile gösterilir, birimi cal/gʼdır. Donma sıcaklığındaki 1 gram sıvı maddenin katı hâle geçebilmesi için dışarı vermesi gereken ısı miktarına donma ısısı denir. Donma ısısı L_d ile gösterilir, birimi cal/gʼdır. Erime sıcaklığının donma sıcaklığına eşit olması gibi erime ısısı da donma ısısına eşittir.

Kaynama sıcaklığındaki 1 gram sıvı maddenin gaz hâle geçmesi için maddeye verilmesi gereken ısı miktarına buharlaşma ısısı denir. Buharlaşma ısısı L_b ile gösterilir ve birimi cal/gʼdır. Yoğuşma sıcaklığındaki 1 gram gaz maddenin sıvı hâle geçmesi için dışarı vermesi gereken ısı miktarına yoğuşma ısısı denir. Yoğuşma ısısı L_y ile gösterilir, birimi cal/gʼdır. Birbirlerine eşittir.

Q ısı, m kütle ve L hâl değiştirme ısısı olmak üzere, hâl değişimi için gerekli olan ısının matematiksel modeli aşağıdaki gibidir.