kimya teknolojisi ısı transferi - Hayat Boyu Öğrenme Genel Müdürlüğü
advertisement
T.C. MİLLÎ EĞİTİM BAKANLI MEGEP (MESLEKİ EĞİTİM VE ÖĞRETİM SİSTEMİNİN GÜÇLENDİRİLMESİ PROJESİ) KİMYA TEKNOLOJİSİ ISI TRANSFERİ ANKARA, 2009 Milli Eğitim Bakanlığı tarafından geliştirilen modüller; • Talim ve Terbiye Kurulu Başkanlığının 05.09.2008 tarih ve 186 sayılı Kararı ile onaylanan, Mesleki ve Teknik Eğitim Okul ve Kurumlarında kademeli olarak yaygınlaştırılan çerçeve öğretim programlarında amaçlanan mesleki yeterlikleri kazandırmaya yönelik geliştirilmiş öğretim materyalleridir (Ders Notlarıdır). • Modüller, bireylere mesleki yeterlik kazandırmak ve bireysel öğrenmeye rehberlik etmek amacıyla öğrenme materyali olarak hazırlanmış, denenmek ve geliştirilmek üzere Mesleki ve Teknik Eğitim Okul ve Kurumlarında uygulanmaya başlanmıştır. • Modüller teknolojik gelişmelere paralel olarak, amaçlanan yeterliği kazandırmak koşulu ile eğitim öğretim sırasında geliştirilebilir ve yapılması önerilen değişiklikler Bakanlıkta ilgili birime bildirilir. • Örgün ve yaygın eğitim kurumları, işletmeler ve kendi kendine mesleki yeterlik kazanmak isteyen bireyler modüllere internet üzerinden ulaşılabilirler. • Basılmış modüller, eğitim kurumlarında öğrencilere ücretsiz olarak dağıtılır. • Modüller hiçbir şekilde ticari amaçla kullanılamaz ve ücret karşılığında satılamaz. İÇİNDEKİLER AÇIKLAMALAR ....................................................................................................................ii GİRİŞ ....................................................................................................................................... 1 ÖĞRENME FAALİYETİ–1 .................................................................................................... 3 1. ISI İLE GENLEŞME............................................................................................................ 3 1.1. Sıcaklık ......................................................................................................................... 3 1.1.1. Sıcaklık Ölçüleri .................................................................................................... 3 1.1.2. Sıcaklık Dönüşümleri ............................................................................................ 4 1.2. Isı................................................................................................................................... 5 1.2.1. Öz Isı ( Isınma Isısı ) ............................................................................................. 6 1.2.2. Genleşme ve Sıkıştırılabilirlik ............................................................................... 7 UYGULAMA FAALİYETİ .............................................................................................. 13 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME .................................................................................... 15 ÖĞRENME FAALİYETİ–2 .................................................................................................. 18 2. REAKSİYON ISISI (ENTALPİSİ).................................................................................... 18 2.1. Entalpi (∆H) ................................................................................................................ 19 2.2. Oluşum Entalpisi (Isısı ) ............................................................................................. 19 2.3. Reaksiyon Entalpisi..................................................................................................... 20 2.4. Reaksiyon Isılarının Ölçülmesi ve Kalorimetre .......................................................... 22 UYGULAMA FAALİYETİ .............................................................................................. 24 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME .................................................................................... 26 ÖĞRENME FAALİYETİ–3 .................................................................................................. 28 3. ISININ HAREKETİ ........................................................................................................... 28 3.1. Isı İletimi (Kondüksiyon)............................................................................................ 28 3.2. Faurier Isı İletim Kanunu............................................................................................ 29 UYGULAMA FAALİYETİ .............................................................................................. 34 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME .................................................................................... 36 ÖĞRENME FAALİYETİ–4 .................................................................................................. 39 4. ISI TRANSFERİ ................................................................................................................ 39 4.1. Konveksiyon ile Isı Transferi...................................................................................... 39 4.2. Işınımla Isı Transferi................................................................................................... 42 UYGULAMA FAALİYETİ .............................................................................................. 47 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME .................................................................................... 49 MODÜL DEĞERLENDİRME .............................................................................................. 52 CEVAP ANAHTARLARI ..................................................................................................... 57 KAYNAKÇA ......................................................................................................................... 59 i AÇIKLAMALAR AÇIKLAMALAR KOD 524KI0100 ALAN Kimya Teknolojisi DAL MODÜL MODÜLÜN TANIMI SÜRE ÖN KOŞUL YETERLİLİK MODÜLÜN AMACI EĞİTİM ÖĞRETİM ORTAMLARI VE DONANIMLARI ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Petrol- Petrokimya, Petrol- Rafineri Isı Transferi Isı alış verişi ve ısı iletimi ile ilgili bilgilerin verildiği öğrenme materyalidir. 40 / 24 Isı transferi yapmak Genel Amaç Bu modülle gerekli ortam sağlandığında kurallara uygun olarak ısı transferini inceleyebileceksiniz. Amaçlar Gerekli ortam sağlandığında kurallara uygun olarak: 1. Isıyla metallerin genleşmesini inceleyebileceksiniz. 2. Reaksiyon ısını saptayabileceksiniz. 3. İletim ile ısı transferini gerçekleştirebileceksiniz. 4. Taşınım ile ısı transferini gerçekleştirebileceksiniz. Ortam Sınıf, atölye, laboratuar, işletme, kütüphane, bilgi teknolojileri ortamı (İnternet) vb, kendi kendinize veya grupla çalışabileceğiniz tüm ortamlar. Donanım Termometre, metal çubuklar (Al, Cu, Fe) , fırın, beher, izolasyon malzemesi, ısıtma düzeneği, destek çubuğu, sabitleme malzemesi, bek, metal cetvel, alüminyum folyo Modülün içinde yer alan herhangi bir öğrenme faaliyetinden sonra, verilen ölçme araçları ile kendi kendinizi değerlendireceksiniz. Modül sonunda öğretmeniniz tarafından teorik ve pratik performansınızı ölçme teknikleri uygulayarak modül uygulamaları ile kazandığınız bilgi ve becerileri ölçerek değerlendirileceksiniz. Giriş ii 1 GİRİŞ GİRİŞ Sevgili Öğrenci, Isı transferi hayatın bir parçasıdır ve yaşamın devam etmesi için önemlidir. Vücudun ısı dengesi, soğuk havalarda kalın giysiler giyerek ısı kaybının azaltılması, sıcak havalarda ise ince giysiler giyerek fazla ısının vücuttan atılması ile sağlanır. Evimizin içinde bulunan buzdolabı, fırın, termos, düdüklü tencere, saç kurutma makinesi, ütü ve ısıtma cihazları gibi aletlerin yanı sıra; otomobilin motoru, radyatör, ısıtma sistemi ve kliması hep birer ısı transfer uygulamasıdır. Günlük yaşantımızda kullandığımız bazı kelimeleri anlamını tam olarak ifade edemediğimiz halde kullanırız. “Enerji” bu kelimelerden biridir. Enerjinin iş yapmada kullanıldığı yaygın olarak bilinmektedir, fakat enerji, ısı ve iş arasındaki ilişki çoğu zaman yanlış değerlendirmelere sebep olmaktadır. Bunun yanı sıra ısı ve sıcaklık terimleri de çoğu zaman yanlış yerde ve yanlış anlamlarda kullanılmaktadır. Bu modülle sıcaklığın skaler, ısının vektörel bir büyüklük olduğunu, kimyasal tepkimeler gerçekleşirken ısı alıp verdiklerini, sıcaklıkla metallerin uzadığını, ısının iletim, taşınım ve ışınımla transfer edildiğini öğreneceksiniz. Bu modülü başarıyla bitirdiğinizde, evinizde, okulunuzda ve fabrikalarda ısının nasıl transfer edildiğini ve kontrol altında tutulduğunu çok daha iyi anlayabileceksiniz. 1 2 2 3 ÖĞRENME FAALİYETİ–1 ÖĞRENME FAALİYETİ–1 AMAÇ Kuralına uygun olarak ısınan metalin boyca uzaması ile ilgili ölçüm yapabileceksiniz. ARAŞTIRMA ¾ ¾ Boyları ve kütleleri aynı olan farklı iki metalin eşit sıcaklık artışındaki uzamalarının farklı oluşunu araştırınız. Boyları ve kütleleri aynı olan farklı iki metalin eşit sıcaklık artışında uçları arasında oluşan elektrik voltajını nedenleri ile araştırınız. 1. ISI İLE GENLEŞME 1.1. Sıcaklık Sıcaklık çok sık kullanılan bir kavram olduğu halde, sıcaklığın tam bir tanımını yapmak oldukça güçtür. Sıcaklık duyularla algılanmakta ve genellikle “sıcak” veya “ soğuk” kavramlarıyla ifade edilmektedir. Gözlemlerimizden, sıcak ve soğuk iki cisim birbirine temas ettirilmesi halinde, sıcak olanın soğuduğunu, soğuk olanında ısındığını, belli bir süre temas halinde kaldıklarında ise, her ikisinde aynı sıcaklık veya soğukluğa ulaştıklarını biliyoruz. Bir maddenin ısıl durumunu belirten bir ifade olan sıcaklık “ısı geçişine neden olan etken” olarak da tanımlanmaktadır. Ancak, sıcaklık artmaksızın da ısı geçişi olabileceği (hal değişimleri esnası) hatırda tutulmalıdır. Kaydedilen ilk sıcaklık ölçümü, Galileo tarafından on altıncı yüz yılın sonlarında yapılmıştır. Galileo’nun termometresi havanın genişlemesi olayına bağlıydı. Sıcaklık ile ısı arasındaki farkın bilinmesi gerekir. Sıcaklığın etkisi ortamdaki moleküllerin hem dönmesi hem de titreşiminden doğan bir çalkantı halidir. Cismin sıcaklığı ne kadar fazla ise, moleküllerin titreşim enerjisi o kadar büyük ve bu moleküllerin kinetik enerjilerinin bir başka cisme transfer potansiyeli o kadar yüksek olur. Sıcaklık, ısının yüksek sıcaklık noktasından düşük sıcaklık noktasına hareketini sağlayan bir potansiyeldir. 1.1.1. Sıcaklık Ölçüleri Sıcaklıkları karşılaştırmak ve ölçmek için sıcaklık ölçüsünde anlaşma gereği vardır. Sıcaklık ölçüleri sabit sıcaklıklarda meydana gelen fiziksel olaylar cinsinden ifade edilir. Bu olayların sıcaklıkları “sabit noktalar” olarak bilinir. Sıcaklık ölçü aletlerine termometre denilmektedir. Yaygın olarak kullanılan sıcaklık göstergeleri Celsius (oC) , Fahrenheit (oF), Kelvin (oK), Rankin (oR) ve Reaumur (oR)’dür. 3 4 Sıcaklık bir ısı ölçüsüdür. Tüm ölçüm sistemlerinde bir referans noktası vardır. Sıcaklık ölçümleri içinde referans noktası, suyun donma sıcaklığı olarak alınmıştır. Bu sıcaklık “0” santigrat derece (oC) olarak kabul edilmiştir. Bilinen en düşük sıcaklık ise bir maddenin moleküler hareketinin durduğu, herhangi bir ısı enerjisinin olmadığı ‘’ Mutlak 0 ‘’ olarak ifade edilen derece Kelvin (oK) kabul edilmiştir. Şekil 1.1: Sıcaklık ölçekleri 1.1.2. Sıcaklık Dönüşümleri Farklı birimlerde verilen sıcaklık değerleri birbirlerine dönüştürülebilir. Celsius (santigrat) ile Fahrenheit derecesi arasında; suyun donma ve kaynama noktaları baz alınarak oranlama yapılırsa bağıntıları yazılır. Örnek 1.1: 167 Fahrenheit derecesinin kaç Celsius (santigrat)’a eşit olduğunu hesaplayınız? Çözüm: Verilen Fahrenheit derecesini bağıntıda yerine yazarak; 0 C= t 0F − 32 0 167 − 32 ⇒C= ⇔ C = 75 1,8 1,8 Örnek 1.2: 60 °C kaç Fahrenheit ‘ a eşit olduğunu hesaplayınız? Çözüm: Verilen Celsius derecesini bağıntıda yerine yazarak; 0 F = 1,8.t 0C + 32⇒ 0 F = 1,8.60 + 32 ⇒ 0 F = 140 4 5 Celsius ile Reaumur derecesi arasında; suyun donma ve kaynama noktaları baz alınarak oranlama yapılırsa bağıntıları yazılır. Örnek 1.3: 65 Celsius derecesinin kaç Reaumur’e eşit olduğunu hesaplayınız? Çözüm: Verilen Celsius derecesini bağıntıda yerine yazarak; 0 R= 4 0 4 × t C ⇒ 0 R = × 65 5 5 0 ⇒ R = 52 Mutlak Sıcaklık: On dokuzuncu yüz yılın ortalarında Lord Kelvin sıcaklık ölçümünü mekanik iş cinsinden tarif etmiştir. Kelvin donma ve kaynama noktaları arasındaki aralığı 100 eşit aralığa böldü. Böylece bir Kelvin, bir Celsius derecesi ile aynı sıcaklık aralığını göstermesini sağladı. Termodinamik hesaplamalarında sıcaklık ölçeği “Kelvin” olarak kullanılmaktadır. Kelvin ve Celsius ölçüleri arasındaki ilişki; T (oK) ve t (oC) sembolleriyle ifade edilir. T ( 0 K ) = t ( 0 C ) + 273 veya t ( 0 C ) = T ( 0 K ) − 273 Rankin değerleri mutlak derecelerdir. Mutlak değerde olması gereken en düşük sıcaklık 0 oC’dir. Fahrenhayt ve Rankin ölçekleri İngiltere, ABD’de kullanılmaktadır. Genelde veriler, birimler, buhar tabloları bu iki ölçek kullanılarak basılmıştır. Rankin ölçeği Fahrenhayt’a karşılık gelen termodinamik sıcaklıktır. Rankin’in derecesi genelde Fahrenayt cinsinden ifade edilir. Hatırlanması gereken sayı 460’dır. o o o o R’yi F’e çevirmek için R’den 460 çıkarılır. F’e R’yi çevirmek için 460 eklenir. Örnek 1.4: 530 oR kaç oF’dir? Çözüm : 0 F = 0 R − 460⇒ 0 F = 530 − 460 ⇒ 0 F = 70 1.2. Isı Termodinamiğin en önemli kavramlarından biri de ısıdır. Isı, belirli sıcaklıktaki bir sistemin sınırlarından, daha düşük sıcaklıktaki bir sisteme, sıcaklık farkı nedeniyle transfer edilen enerjidir. Bir cismin içindeki ısı miktarı o cismin sıcaklığı ile orantılıdır. Isı da iş gibi bir enerji transfer biçimidir. Isı termal bir enerjidir. Isı ve iş hiçbir cisimde depo edilemez, ancak geçiş halinde iken belirlenebilir. Bir başka deyişle ısı ve iş geçiş halindeki enerjidir. 5 6 Isı birimi iş birimi ile aynıdır, yani joule (J) dür. Kalori de (cal) kullanılmaktadır. 1 cal 1gram suyun sıcaklığını 14,5 oC ‘den 15,5 oC ‘ ye yükseltmek için gerekli olan ısı miktarıdır. 1 cal = 4,187 joule’dir. 1.2.1. Öz Isı ( Isınma Isısı ) Öz ısının bir diğer adı ısınma ısıdır (CGS birim sisteminde). Bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 1 ºC değiştirmek için alınması veya verilmesi gerekli ısı miktara Öz Isı (ısınma ısı) denir. SI birim sisteminde bir maddenin öz ısısı, o maddenin 1 kg’lık kütlesinin sıcaklığını 1 oK artırmak için gerekli ısıdır. Öz ısı “c” ile gösterilir. Bir maddenin m gramının sıcaklığını 1 oC değiştirmek için gerekli ısı miktarına Isı Sığası denir. Kütlesi m gram, öz ısı (ısınma ısısı) c cal /g oC olan bir maddenin sıcaklığını ∆t oC değiştirmek için verilmesi veya alınması gereken ısı aşağıdaki eşitlikle bulunur. Q= Alınan ya da verilen ısı (cal) ∆t = t2 -t1 t1= İlk sıcaklık, t2 = Son sıcaklık *Farklı sıcaklıklarda iki madde karıştırıldığında sıcaklığı fazla olan düşük olana, sıcaklıkları eşit oluncaya kadar ısı geçişi olacaktır. Her zaman Q verilen = Q alınan ’dır. Madde Su Buz Zeytinyağı Naftalin Hidrojen Oksijen Bor Magnezyum Öz ısı (cal /g oC) 1 0,5 0,47 0,41 0,41 0,22 0,58 0,26 Alüminyum Krom Manganez Demir Nikel Bakır 0,217 0,12 0,115 0,113 0,110 0,1 Madde Cıva Gümüş Kurşun Bizmut Kobalt Cam – kum Su buharı Hava(sabit basınçta) Etil alkol Pirinç Buz Uranyum Kripton Çinko Tablo 1.1: Bazı maddelerin öz ısıları 6 Öz ısı (cal /g oC) 0,033 0,056 0,031 0,294 0,107 0,15 0,48 ≅ 0,5 0,23 0,6 0,094 0,55 0,026 0,047 0,095 7 Örnek 1.4. 45 oC’ deki 600 g kütleli bir sıvının sıcaklığını 75 oC’a çıkarmak için gerekli ısı miktarı kaç kaloridir (csıvı = 0,6 cal /g oC)? Çözüm: Verilen değerleri formülde yerine yazarak; t2 =75 oC, t1=45 oC, m=600 g, csıvı = 0,6 cal /g oC, Q=? Q = m.c. ∆t ⇒ Q =600. 0,6(75 -45) ⇒ Q =10800cal Örnek 1.5. 40 0C’deki 0.02 kg’lık bir cisme 400 cal ısı verilince sıcaklığı 80 oC’ye çıkıyor. Bu cismin öz ısısı kaç cal / g oC’dır? Çözüm: m= 0.02 kg = 20 g olur. t2 =800C, t1=40 0C, Q=400 cal Verilenleri formülde yerine yazarsak: Q = m.c. ∆t ⇒ 400 = 20. c. (80 -40 ) ⇒ c= 0,5 cal /g oC Örnek 1.6. 20 gram 400 oC’taki su ile 60 g 600 oC’taki su karıştırılırsa karışımın son sıcaklığı kaç oC olur? Çözüm: Her ikisinin ısınma ısıları aynı olduğundan ve Qverilen = Qalınan olacağından son sıcaklığa tson dersek; m2 × c su × (t 2 − t son ) = m1 × c su (t son − t1 ) Eşitliğin her iki tarafında csu olduğundan sadeleştirip 60 × (60 − t son ) = 20 × (t son − 20) ⇒ 3600 − 60t son = 20t son − 400 ⇒ 80t son = 4000 t son = 500 C 1.2.2. Genleşme ve Sıkıştırılabilirlik Isı alan cisimlerin (taneciklerin) hareketleri hızlanır ve molekülleri arasındaki uzaklık artar. Bunun sonucunda da cisim genleşir yani hacmi artar. Bütün genleşmeler aslında hacimcedir. Uzun bir demir çubuk ısıtıldığı zaman boyu uzar, boyu uzamanın yanı sıra kalınlığı da artar. Ancak kalınlığındaki artış, boyundaki uzamanın yanında ihmal edilecek kadar küçük olduğundan, bu olay sadece boyca uzama diye tanımlanır. Bunun gibi bir metal levha ısıtıldığında metal levhanın yüzeyi artar. Yani hacimce genleşir. Ancak kalınlığındaki artış yüzeyindeki artışın yanında ihmal edilecek kadar küçük olduğundan, bu olay sadece yüzeyce genleşme diye tanımlanır. Netice olarak diyebiliriz ki, ısıtılan cisimlerin hacimlerinde meydana gelen artışa genleşme denir. Genleşme olayının tersi ise büzülmedir. Üzerinden ısı alınan cisimlerin hacimlerinde meydana gelen küçülmeye büzülme denir. Maddenin ilk hacimleri büyükse, aynı sıcaklık değişiminde genleşme miktarı da büyük olur. O halde genleşme miktarı maddenin ilk hacmi ile doğru orantılıdır. Farklı 7 8 metallerin molekülleri arasında boşluklar da farklıdır. Örneğin bakır molekülleri ile demir molekülleri arasındaki boşluklar farklıdır. İkisi de aynı miktarda ısıtılsa bile boşluklardaki artmalar, yani genleşmeler aynı olmayacaktır. O halde genleşme miktarı, maddenin cinsine bağlıdır. Sıcaklık artışı ne kadar çok olursa maddenin molekülleri de o kadar çok hızlanır ve birbirinden daha çok uzaklaşırlar. Bundan da anlaşılacağına göre genleşme, sıcaklık artışıyla doğru orantılıdır. Genleşme sıvı ve katılar için ayırt edici bir özelliktir. Fakat gazlar için ayırt edici değildir. Maddeler tanecikli yapıdadır ve tanecikler arasında boşluklar vardır. Maddenin üzerine basınç uygulanarak tanecikler arasındaki uzaklıklar azalır ve madde sıkışır. Katılarda ve sıvılarda tanecikler birbirine değer durumda oldukları için bunları sıkıştırmak ve hacimlerini küçültmek çok zordur. Ama gazlarda tanecikler arasındaki uzaklık fazla olduğundan sıkıştırılabilir. Bu durumda tanecikler birbirine yaklaşır ve hacimleri küçülür. Isıtılan bir madde genleşir. Soğuduğunda ise hacmi küçülür, yani sıkışır. Sıkışma genleşmenin tersidir. Gazlarda sıkıştırma sabit sıcaklıkta gaz basıncını arttırarak ya da sabit basınç altında sıcaklığı düşürerek veya her iki etkeni de uygulanarak gerçekleştirilebilir. 1.2.2.1. Katılarda Genleşme Boyca uzama: Bir cismin sıcaklığını 1 oC artırdığımızda birim boyunda meydana gelen uzama miktarına boyca uzama kat sayısı denir. Boyca uzama kat sayısı λ ile gösterilir, birimi 1/0C’tur. Boyca uzama kat sayısı maddeler için ayırt edici özelliktir. 1cm’lik boydaki 1 oC’luk sıcaklık artışındaki uzama λ ,l0 cm ‘lik boydaki 1 oC’luk sıcaklık artışındaki uzama λ .l0 , l0 cm’lik boydaki ∆t oC’luk sıcaklık artışındaki uzama; ‘dir. Şekil 1.2: Katıların boyca uzaması Buna göre yeni boy; olur. 8 9 Madde Platin Çelik Demir Bakır Boyca uzama kat sayısı o (1/ C) 9.10-6 11. 10-6 12. 10-6 17. 10-6 Madde Pirinç Gümüş Alüminyum Kurşun Boyca uzama kat sayısı o (1/ C) 20. 10-6 19. 10-6 25. 10-6 29. 10-6 Tablo 1. 1: Bazı maddelerin boyca uzama kat sayıları Metalin ısıtılmadan önceki sıcaklığı ile ısıtıldıktan sonraki sıcaklığının farkıdır. Önemli Uyarılar ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ Boyca genleşme kat sayısı sadece katının cinsine bağlıdır. Aynı cins maddeden yapılan iki metalin ilk boyları aynı, kalınlıkları farklı olsun.λ Sıcaklık değişimleri aynı olacak şekilde ısıtıldığında son boyları yine aynı olur. Aynı cins maddeden yapılan iki metalin ilk boyları aynı kütleleri farklı olsun. İlk sıcaklıları aynı olan bu metallere eşit miktarda ısı verdiğimizde son boyları eşit olmaz. Çünkü kütlesi büyük olanın sıcaklık artışı daha az olacağından uzama miktarı da az olur. Aynı cins maddeden yapılan iki metalin ilk boyları ve sıcaklıkları aynı olsun. Sıcaklık farkları aynı olacak şekilde birisini ısıtıp diğerini soğuttuğumuzda, ısıtılanın boyu artar, soğutulanın boyu azalır. Ancak uzama ve kısalma miktarları aynı miktarda olur. Birbirine perçinlenmiş X ve Y metal çubukları ısıtıldığında ve soğutulduğunda birbirlerini bırakmadıkları için bükülürler. Uzama kat sayısı büyük olan ısıtıldığında daha fazla uzar, soğutulduğunda daha fazla büzülür. Örnek 1.7: Sıcaklığın 20 oC olduğu bir ortamda 10 cm boyundaki bakır çubuk, 100 oC deki bir fırında boyu kaç cm olur?( λ = 17.10 −6 1/ oC) Çözüm: Sıcaklık farkının neden olduğu boyca uzamayı hesaplamak için: ∆t = (t 2 − t1 ) ∆l = l 0 × λ × ∆t l = l 0 + ∆l ⇒ ⇒ ∆l = 10 × 1,7.10 −6 (100 − 20) ⇒ ∆l = 136.10 −5 cm l = 10 + 0,00136 ⇒ l = 10,00136cm 9 10 Örnek 1.8: Demir ve pirinçten yapılmış iki çubuğun uzunlukları arasındaki fark her sıcaklık derecesinde 20 cm oluyor. Pirinç çubuğun uzunluğu kaç cm’dir? (λpirinç=20.10-6 1/ oC , λdemir=12.10-6 1/ oC) Çözüm: Çubukların uzamaları arasındaki farkın her sıcaklıkta aynı kalması, uzama miktarının eşit olması ile mümkündür. λdemir < λpirinç olduğundan demir çubuğun uzama miktarının pirinç çubuğun uzama miktarına eşit olması için λpirinç > λdemir olmalıdır. ∆l = ∆l ⇒ ∆t aynı olduğundan; l 0 ( demir ) × λdemir × ∆t = l 0( pirinç ) λ pirinç × ∆t l 0 ( demir ) × λdemir = l 0( pirinç ) λ pirinç şeklinde yazılır. Değerleri bağıntıda yerine yazarak; ( x + 20) × 12.10 −6 = x × 20.10 −6 ⇒ ( x + 20) × 3 = 5 x ⇒ x = 30cm Yüzeyce genleşme: Bir cismin sıcaklığını 1 oC artırdığımızda birim yüzeyde meydana gelen genleşme miktarına yüzeyce genleşme kat sayısı denir. Yüzeyce genleşme kat sayısı 2λ ile gösterilir. Bu ifadeye göre Aynı cins maddeden yapılan iki metalin ilk yüzeyleri ve sıcaklıkları aynı, kalınlıkları farklı olsun. Kalınlıkları farklı olunca kütleleri de farklı olur. Bu metallere eşit miktarda ısı verelim. Kalın levhanın kütlesi ince levhanın kütlesinden büyük olduğu için, Q= m.c. ∆t ye göre kütlesi büyük olanın sıcaklık değişimi küçük olur. Böylece yüzeyce genleşmeleri de farklı olur. Hacimce genleşme: Bir cismin sıcaklığını 1 oC artırdığımızda birim hacimde meydana gelen genleşme miktarına hacimce genleşme kat sayısı denir. Hacimce genleşme kat sayısı 3λ ile gösterilir. Bu ifadeye göre: 10 11 Önemli Uyarılar ¾ ¾ ¾ Aynı cins maddeden yapılan iki metal küreden birisinin boş, diğerinin içi dolu olup dış hacimleri ve ilk sıcaklıkları eşit olsun. Bu metal küreleri sıcaklık değişimleri eşit kalmak şartıyla ısıttığımızda ve soğuttuğumuzda dış hacimleri yine eşit olur. Aynı şartlardaki metal kürelere eşit miktarda ısı verelim. İçi boş kürenin kütlesi, içi dolu olan kürenin kütlesinden küçük olduğu için, Q = m.c.∆t ye göre kütlesi küçük olanın sıcaklık değişimi büyük olur. Sonuçta eşit ısı verilen içi boş kürenin son hacmi daha büyük olur. İçinin bir kısmı boş olan bir küre ısıtılırsa küre genleşeceğinden boş olan kısmın hacmi de artar. Dolayısıyla üç boyutlu cisimler de dışa doğru genleşirler. 1.2.2.2. Sıvılarda Genleşme Isıtılan bir sıvı sadece hacimce genleşebilir. Genleşme sıvılar için de ayırt edicidir. Sıvının hacmi değişirken içinde bulunduğu kap da genleşir. Sıvının gerçek genleşme miktarı, sıvının görünen genleşme miktarı ile kabın genleşme miktarının toplanmasıyla bulunabilir. Sıvılar kaba doldurulduklarında kabın şeklini aldıklarından bir geometrik şekli yoktur. Dolayısıyla boyca ve yüzeyce genleşmeden bahsetmek oldukça güçtür. Hacimsel olarak genleşmelerini incelemek ise oldukça kolaydır. Bir sıvının birim hacminin sıcaklığını 1 oC artırınca hacimdeki genleşme miktarına hacimce genleşme kat sayısı denir. Sıvının hacimsel olarak genleşme miktarı, ∆V :Hacimdeki değişim V0: İlk hacim a Hacimsel olarak genleşme kat sayısıdır. Su ise farklı özellik gösterir. Suyun 1 atmosferlik basınç altında +4 ºC altında ve üstündeki sıcaklıklarda hacmi artar. +4 ºC de suyun hacmi minimum, öz kütlesi maksimumdur. Eğer suyun diğer sıvılardan farklı özelliği olmasaydı yani diğer sıvılar gibi davransaydı, sular üstten değil dipten donar ve denizlerde hayat olmazdı. Hâlbuki su üstten donup 1 m kalınlığında buz tabakası olsa da, suyun dip taraftaki sıcaklığı +4 civarındadır. Çünkü yoğunluğu en fazla olan sıvı dipte olur. Bizmut ve Antimon da su gibi davranır. Madde Cıva Gliserin Sülfürik asit Etil alkol Eter Hacimce genleşme kat sayısı o (1/ C) 18×10-5 53×10-5 57×10-5 75×10-5 160×10-5 Tablo 1.2: Bazı sıvıların hacimce genleşme katsayıları 11 12 Örnek 1. 9: Yarıçapı 20 cm olan küresel bir kap 30 oC’ta su ile doludur. Kaptaki suyun sıcaklığı 60 oC’a çıkarılırsa 4 cm taban yarıçaplı silindirde su seviyesi kaç cm yükselir? ( π = 3, a su = 20.10 −41 / 0 C , kabın genleşmediğini varsayınız.) Çözüm: Suyun hacmini hesaplamak için 4 4 ×π × r3 ⇒ Vsu = × 3 × 20 3 ⇒ Vsu = 32000cm 3 3 3 Suyun sıcaklığı 30 oC’tan 60 oC’a çıkarılınca genleşen miktarı hesaplamak için; ∆V = V0 × a × ∆t ⇒ ∆V = 32000 × 20.10 −4 × (60 − 30) ⇒ ∆V = 1920cm 3 Suyun genleşme miktarının silindirde kapladığı yüksekliği hesaplamak için: ∆V = π × r 2 × h ⇒ 1920 = 3 × 4 2 × h ⇒ h = 40cm Vsu = 1.2.2.3. Gazların Genleşmesi Gazların genleşmesi sadece hacimce olur. Genleşme kat sayısı bütün gazlarda aynıdır. Bütün gazların sıcaklıkları 1 oC artırıldığında hacimlerinin 1/273’ü kadar genleşirler. Bu nedenle genleşme gazlar için ayırt edici bir özellik değildir. 12 13 UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ Size verilen bakır telin boyca genleşme miktarını bulunuz. Gerekli malzemeler: Bakır tel, metal cetvel, destek çubuğu (2 adet), sabitleme malzemesi, termometre İşlem basamakları Öneriler ¾ 30 cm boyunda bakır tel hazırlayınız. ¾ Laboratuar önlüğünüzü giyerek çalışma tezgâhınızı düzenleyiniz. ¾ Çalışma ortamınızı hazırlayınız. ¾ Ölçümü hassas yapınız. ¾ Destek çubuğuna sabitleyiniz. telin bir ucunu ¾ Sabitleyeceğiniz bakır telin ucuna ısı yalıtımı yapınız. ¾ İkinci bir destek çubuğuna metal metre sabitleyiniz. ¾ Metal metrenin ısı ile etmemesine dikkat ediniz. temas ¾ Bakır telin ucu metal metrenin sıfır noktasına değmeyecek şekilde yerleştiriniz. ¾ Metal ısı aldığında, genleşmeyi metal metreden okunacak şekilde destek çubuğunu yerleştiriniz. 13 14 ¾ İki ayrı beki metal çubuğun altına yerleştiriniz. ¾ Cetvel ve destek çubukları, ısıdan fazla etkilenmemesine dikkat ediniz. ¾ Atölye ortamının sıcaklığını ölçünüz. ¾ Termometre ölçüm kurallarına uyunuz. ¾ Sıcaklığı kaydetmeyi unutmayınız. ¾ Bekleri yakınız. ¾ Bek yakma kurallarına uyunuz. ¾ Belli bir süre (5–10 dk. arası) sonra metaldeki uzamayı cetvelden okuyunuz. ¾ Bekleri kapatınız. ¾ Ne kadar uzamasına neden olan sıcaklığı ¾ Hesaplamayı dikkatli yapınız. hesaplayınız. ¾ Yaptığınız işlemleri ve deneyleri, sonuçları ile raporunuza yazınız. ¾ Sonucu rapor ediniz. 14 15 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Aşağıdaki cümlelerde boş bırakılan yerleri doğru sözcüklerle doldurunuz. 1. İlk sıcaklık yapılmıştır. ölçümü ,………………tarafından …………yüzyılın 2. Sıcaklık ölçümleri içinde referans noktası …………..sıcaklığı baz alınmış ve bu sıcaklık ……………olarak kabul edilmiştir. 3. Belirli sıcaklıktaki bir sistemin sınırlarından , daha düşük sıcaklıktaki bir sisteme , sıcaklık farkı nedeniyle transfer edilen enerjiye ……………..denir. 4. Bir maddenin 1 gramının sıcaklığını 1 oC değiştirmek için alınması veya verilmesi gerekli olan ısıya ………….… denir. 5. Isıtılan cisimlerin hacimlerinde meydana gelen artışa…………………..denir. Aşağıdaki sorularda doğru seçeneği işaretleyiniz. 6. Aşağıdakilerden hangisi sıcaklık ölçüm göstergesi değildir? A) Celsus B) Fahrenheit C) Pascal D) Rankin 7. 75 oC ‘un Fahrenheit derecesi olarak karşılığı aşağıdakilerden hangisidir? A) 167 B) 108 C) 43 D) 32 8. 0 oC’nin Kelvin derecesi olarak karşılığı aşağıdakilerden hangisidir? A) 173 B) 212 C) 273 D) 492 9. Aşağıdakilerden hangisi mutlak sıcaklıkta en düşük sıcaklık derecesidir? A) 492 B) 273 C) 32 D) 0 15 sonlarında 16 10. 45 oC ‘deki m gram kütleli bir sıvının sıcaklığını 75 oC ‘a çıkarmak için harcanan ısı 10800 cal olduğuna göre sıvı kaç gramdır? (csıvı= 0,6 cal /g oC) A) 60 B) 120 C) 300 D) 600 11. 10 g 20 oC’deki su ile 30g 40 ºC ‘deki karıştırılırsa son sıcaklık kaç oC olur? A) 35 B) 30 C) 25 D) 23 12. Sıcaklığın 20 oC olduğu bir ortamda 20 cm boyundaki demir çubuğun 120 oC’ da boyu kaç cm olur? ( λ = 12.10 −61 / 0 C ) A) 20,024 B) 24,024 C) 24,24 D) 24 DEĞERLENDİRME Cevaplarınızı modül sonunda yer alan cevap anahtarı ile karşılaştırınız ve doğru cevap sayınızı belirleyerek kendinizi değerlendiriniz. Ölçme sorularındaki yanlış cevaplarınızı tekrar ederek, araştırarak ya da öğretmeninizden yardım alarak tamamlayınız. 16 17 UYGULAMALI TEST 40 cm boyundaki alüminyum telin 5 ile 10 dakika arasındaki süre içinde, iki bek alevinin sıcaklığı ile boyca artışını cetvelden okuyarak genleşmedeki son sıcaklığı hesaplayınız. λ Al = 25.10 −61 / 0 C Aşağıda hazırlanan değerlendirme ölçeğine göre yaptığınız çalışmayı değerlendiriniz. Gerçekleşme düzeyine göre evet-hayır seçeneklerinden uygun olan kutucuğu işaretleyerek belirtiniz. 1. DEĞERLENDİRME ÖLÇÜTLERİ İş önlüğünüzü giyip çalışma masanızı düzenlediniz mi? 2. Malzemelerinizi aldınız mı? 3. 40 cm boyunda alüminyum çubuk hazırladınız mı? 4. 5. 7. 8. Bekleri metal çubuğun altına yerleştirip yaktınız mı? 10. Cetvelden verilen süre aralığında boyca uzamayı okudunuz mu? Hesaplama yaptınız mı? 11. Rapor hazırladınız mı? 9. Hayır Metalin sabitlenecek ucunu izolasyonunu yapıp destek çubuğuna sabitlediniz mi? Metal cetveli destek çubuğuna sabitlediniz mi? Metalin sabitlenmeyen ucunu cetvelin sıfır noktasına değmeyecek şekilde destek çubuklarını yerleştirdiniz mi? Atölye ortamının sıcaklığını ölçtünüz mü? 6. Evet DEĞERLENDİRME Uygulamalı test sonunda yapacağınız değerlendirme ölçütlerinde verdiğiniz cevaplardaki “Hayır” işaretli cevaplarınız yapamadığınız işlemleri göstermektedir. Buraları tekrar ederek başarmaya çalışınız. Tüm işlemleri başarıyla tamamladıysanız bir sonraki faaliyete geçiniz. 17 18 ÖĞRENME FAALİYETİ–2 ÖĞRENME FAALİYETİ–2 AMAÇ Kuralına uygun olarak reaksiyon ısısını ölçebileceksiniz. ARAŞTIRMA ¾ ¾ Reaksiyon ısısı nedir, araştırınız. Reaksiyon ısısı nasıl ölçülür, araştırınız. 2. REAKSİYON ISISI (ENTALPİSİ) Kimyasal olaylar gerçekleşirken, az ya da çok mutlaka bir enerji değişimi olur. Kimyasal reaksiyonlara eşlik eden enerji, genellikle ısı enerjisidir. Ancak bir kimyasal tepkimeye eşlik eden enerji bazen ışık ve elektrik enerjisi şeklinde de görülebilir. Örneğin; kibritin yanması kimyasal bir değişmedir. Kibrit yanarak kimyasal değişmeye uğrarken, olaya ısı ve ışık enerjisi eşlik eder. Kimyasal tepkimelerde alınan ya da verilen enerjiler, tepkime denklemlerinde ısı enerjisi biçiminde gösterilir. Isı enerjisinin değerinin de gösterildiği kimyasal denklemlere termokimyasal denklem denir. Tepkimelerde gösterilen ısı değerleri, o tepkimelerin 25 oC sıcaklıkta ve sabit atmosfer basıncında (1 atm.) oluşması sırasındaki ısı enerjisidir. Kimyasal reaksiyonlarda, açığa çıkan ya da alınan bu enerjiler, tepkimeye giren maddeler ile tepkimeden çıkan maddelerin potansiyel enerjileri arasındaki farkın karşılığıdır. İşte bu farka reaksiyon ısısı adı verilir. Isı birimi olarak joul ya da joulenin 1000 katı olan kilojoule kullanılır ve J ya da kJ sembolleri ile gösterilir. Ayrıca ısı hesaplarında yaygın olarak kalori (cal ) ya da bunu 1000 katı olan kilokalori (kcal ) birimi kullanılmaktadır. Reaksiyonlar ısı yönüyle ikiye ayrılır. ¾ ¾ Ekzotermik reaksiyonlar (ısıveren) Endotermik reaksiyonlar (ısıalan) Bir kimyasal reaksiyon söz konusu ise mutlaka enerji değişimi olur. Ya dışarıya ısı verir ya da dışarıdan ısı alır. H2 + 1/2 O2 → H2O + 68 kcal (ekzotermik reaksiyon) C + O2 → CO2 + 94 kcal (ekzotermik reaksiyon) N2 + 3/2 O2 + 25 kcal → N2O3 (endotermik reaksiyon) 18 19 2.1. Entalpi (∆H) Herhangi bir madde bir kimyasal reaksiyonda dışarıya enerji vererek başka bir maddeye dönüşüyorsa, açığa çıkan enerji önceden başlangıçtaki maddede depo edilmiş halde bulunmalıdır. Aynı şekilde oluşan maddeler de, başka bir maddeye dönüşürken yine enerji verebildiklerine göre bu maddelerde de depo enerjisi vardır denilebilir. Herhangi bir maddenin kimyasal yapısına bağlı olarak depo edilmiş olan bu enerjiye ısı kapsamı denir. Sabit basınçta “H” ile gösterilir. İç enerji değişimine Entalpi adı verilir. Her maddenin kendi içinde bulunduğu bir iç enerji vardır. İç enerji değişimi “∆H” ile gösterilir. Bir maddenin katı, sıvı, gaz hallerinde entalpi değişimleri farklıdır. Entalpi; ¾ ¾ ¾ Madde miktarına, Maddenin fiziksel haline, Basınca bağlıdır. ∆H : (+) işaretli ise ya da ∆H > 0 ise reaksiyon endotermiktir. ∆H : (-) işaretli ise ya da ∆H < 0 ise reaksiyon ekzotermiktir. 2Fe + 3/2 O2 → Fe2O3 + 190 kcal 2Fe + 3/2 O2 → Fe2O3 Ekzotermik ∆H = - 190 kcal CaCO3 + 106 kcal → CaO + CO2 CaCO3 → CaO + CO2 Endotermik ∆H = + 106 kcal 2.2. Oluşum Entalpisi (Isısı ) Elementlerin ve tabiatta bulunan halleri ile tek cins atomdan oluşmuş moleküllerin (Na, Fe, H2, O2) entalpileri sıfır kabul edilmiştir. Herhangi bir maddenin bir molünün elementlerinden oluşurken aldığı ya da verdiği ısı miktarına oluşum entalpisi denir. C + O2 → CO2 ∆H = - 94 kcal 2Fe + 3/2 O2 → Fe2O3 + 190 kcal denklemine göre ‘Fe ve O2’nin entalpileri sıfır olduğundan Fe2O3’ün oluşum entalpisi - 190 kcal /mol’dür’’ denir. Fotoğraf 2.1: Yanma tepkimeleri sonucu ısı açığa çıkar 19 20 Örnek 2.1: Normal koşullarda 5,6 L N2O gazının elementlerinden oluşabilmesi için dışardan 5 kcal ısı alınmıştır. Buna göre N2O’nun oluşum entalpisi kaç kcal / mol’dür? Çözüm: N.Ş:A ‘da 5,6 L olan N2O gazının kaç mol olduğunu hesaplayalım. n= V 5,6 ⇒n= ⇒ n = 0,25mol 22,4 22,4 0,25 mol 1 mol X= 5 kcal ısı alındığına göre; X kcal 5x1 =20 kcal olay endotermiktir. Entalpi pozitiftir. (∆H = + 20 kcal /mol) 0,25 Örnek 2.2: 12 g Ca’un yeterli miktarda O2 ile reaksiyona girmesi sırasında 45 kcal ısı açığa çıkıyor. Buna göre, CaO’in oluşum entalpisi kaç kcal /mol’dür? (Ca =40) Çözüm: 12 g Ca’nın kaç mol olduğunu hesaplamak için; n= m 12 ⇒n= ⇒ n = 0,3mol MA 40 Ca + ½ O2 → CaO denklemine göre 0,3 mol Ca ‘dan 0,3 mol CaO oluşur. 1mol = 45 ⇒ 1mol = 150kkal . Buna göre, CaO’in oluşum entalpisi -150 kcal 0,3 /mol’dür. 25 oC ve 1 atm basınç altında ölçülen oluşum entalpilerine standart oluşum entalpisi denir. 2.3. Reaksiyon Entalpisi Tepkimede oluşan ürünlerin standart oluşum entalpileri ile tepkimeye girenlerin standart oluşum entalpileri toplamı arasındaki farka eşittir. Standart oluşum entalpilerini kullanarak tepkime ısısını aşağıdaki bağıntı yardımıyla hesaplayabiliriz. ∆H0 =∑∆H0ürünler - ∑∆H0grenler (∑= Toplam ) (“0” standart koşullar) Örnek 2. 3. C3H8(g) , CO2(g) ve H2O(s)’yun standart oluşum entalpilerinin sırasıyla 104; -394 ;- 286 kJ/mol olduğu bilindiğine göre; C3H8(g) + 5 O2(g) → 3 CO2(g) + 4 H2O(s) tepkimesinin ∆H0’sini hesaplayınız. Çözüm: Bağıntıda verilen değerleri yerine yazarak; ∆H0 =∑∆H0ürünler - ∑∆H0girenler ∆H0 = [3. (∆H0CO2) + 4. (∆H0H2O )] - [ (∆H0C3H8 ) + 5.(∆H0O2) ] ∆H0 = [3.( - 394 ) +4. ( - 286 ) ] - [ (-104 ) + 5. (0) ] 20 ⇒ ∆H0 = 2222 kJ 21 Örnek 2.4: CaO + 2 HCl → CaCl2 + H2 O tepkimesi için ∆H0 = -110 kcal, denklemde, HCl = - 22 kcal /mol, CaO = - 150 kcal /mol ve H2 O = - 68 kcal /mol olarak veriliyor. Buna göre, CaCl2 ‘in oluşum entalpisini kaç kcal / mol’dür? Çözüm: Verilen değerleri bağıntıda yerine yazarak; CaO + 2 HCl → CaCl2 + H2 O ∆H0 =∑∆H0ürünler - ∑∆H0girenler ⇒ ∆H0 = [(∆H0 2.(∆H HCl)] 0 —110 = [(∆H0CaCl2) +(-68)] - [(-150) + 2.(-22)] CaCl2) +(∆H0H2O )] - [(∆H0CaO ) + ⇒ ∆H0CaCl2 = + 152 kcal /mol 2.4. Reaksiyon Isılarının Toplanabilirliği (Hess Kanunu) Bir tepkime denklemi, iki ya da daha çok tepkime denklemlerinin toplamı olarak yazılabilir. Bu durumda toplam tepkimenin tepkime ısısı, denklemleri toplanan tepkimelerin tepkime ısılarının toplamına eşittir. İlk kez Hess (H. Hess) tarafından 1840 yılında ifade edilen bu yasaya, tepkime ısılarının toplanabilirliği yasası ya da Hess Yasası adı verilir. Kalorimetre ile pek çok tepkimenin tepkime ısısı hesaplanabilir. Ancak, bazı tepkimelerde girenlerin tümü ürünlere dönüşmez. Böyle tepkimelerin ısıları kalorimetre yöntemi ile bulunmaz. Bu durumda Hess Yasası’ndan yararlanılarak tepkimelerin ısısı hesaplanır. Hess Yasası’na göre, bir tepkimedeki ısı değişimi, o tepkimenin izlediği yola bağlı değildir. Tepkime entalpileri hesaplanırken aşağıdaki kurallara uyulur: Bir tepkime denklemi her hangi bir sayı ile çarpılırsa ya da bölünürse ∆H değeri de bu sayı ile çarpılır ya da bu sayıya bölünür. Bir tepkime denklemi ters çevrildiğinde ∆H değerinin işareti değişir. Yani ∆H’nin değeri (+) ise (-) , (-) ise (+) olur. Reaksiyonlar toplanırsa ∆H’lar da toplanır. Örnek 2.5: I. NO + ½ O2 → NO2 ∆H = - 10 kcal II. CO + ½ O2 → CO2 ∆H = - 65 kcal III. NO2 + CO → CO2 + NO ∆H =? Denklemine göre ∆H’si bilinmeyen III. tepkimenin değeri kaç kcal /mol’dür? Çözüm: Hess Yasası’na göre III. tepkimenin elde edilebilmesi için; I. tepkime ters çevrilir, II. tepkime aynen alınır, tepkimeler taraf tarafa toplanırsa III. tepkime elde edilir. I. NO2 → NO + ½ O2 ∆H1 = 10 kcal (tepkime ters çevrildi değeri (+) oldu) II. CO + ½ O2 → CO2 ∆H2 = - 65 kcal III. NO2 + CO → CO2 + NO ∆H3 =? ∆H3 =∆H1 +∆H2 ⇒ ∆H3 = 10 + (-65) ⇒ ∆H3 = -55 kcal 21 22 Örnek 2.6. I. H2 + ½ O2 → H2 O ∆H1 = -286 kJ II. H2 + S → H2 S ∆H2 = -21 kJ III. 2H2 S + SO2 → 3 S +2 H2 O ∆H3 = -233 kJ Tepkimeleri verildiğine göre; S + O2 → SO2 tepkimesi için ∆H4 değerini hesaplayınız. Çözüm : ∆H4 değerini istenen tepkime denkleminde elde etmek için ∆H değeri verilen tepkime denklemleri üzerinde uygun değişiklikler yapılır. Buna göre, I. Tepkime denklemi ve ∆H1 değeri 2 ile çarpılır. Bu durumda I. tepkime denklemi aşağıdaki gibi olur; I. 2H2 + O2 → 2 H2 O ∆H1 = 2.(-286 kJ) =-572 kJ II. tepkime denklemi ters çevrilip 2 ile çarpılır. ∆H değeri 2 ile çarpılır ve işareti pozitif olur. Bu durumda tepkime denklemi aşağıdaki gibi olur: II. 2H2 S → 2H2 + 2S ∆H2 = 2.21kJ = 42 kJ SO2 entalpisi istenen IV. tepkimenin ürünler kısmında, III. tepkimenin ise girenler kısmında yer aldığından III. tepkime denklemi ters çevrilerek ∆H değerinin işareti değiştirilir. Bu durumda III. tepkime denklemi aşağıdaki gibi olur; III: 3 S + 2H2 O → 2H2 S + SO2 ∆H3 = + 233 kJ Üzeride değişiklik yaptığımız üç tepkime denklemi Hess Yasası’na göre taraf tarafa toplanarak IV. tepkimenin entalpisi bulunur. Buna göre; I. 2H2 + O2 → 2 H2 O II. 2H2 S → 2H2 + 2S III: 3 S + 2H2 O →2H2 S + SO2 IV. S + O2 → SO2 ∆H4 =∆H1 +∆H2 +∆H3 ⇒ ∆H1 =-572 kJ ∆H2 = +42 kJ ∆H3 = + 233 kJ ∆H4=? ∆H4 = -572 kJ + 42 kJ+233 kJ ⇒ ∆H4 = -297 kJ 2.4. Reaksiyon Isılarının Ölçülmesi ve Kalorimetre Bütün yanma tepkimeleri sonucunda ısı açığa çıkar. Tepkime ısıları, tepkimelerin çevre ile ısı alış verişinden yararlanarak hesaplanabilir. Tepkime ısılarını hesaplamak için yapılan özel kaplara kalorimetre (ısıölçer ) adı verilir. Kalorimetre, çevresi ısı kaybını önlemeye yarayan yalıtkanla kaplanmış olan bir kaptır. Bu kabın içinde; termometre, yakma düzeneği ve belli bir miktar su bulunur. Tepkimenin oluştuğu kap, su içine daldırılmıştır. Tepkime sırasında alınan ya da verilen ısı, suyun ve kabın sıcaklığının değişmesine neden olur. Sıcaklık değişiminden yararlanılarak tepkimedeki ısı değişimi hesaplanabilir. Q = m.c. ∆t formülü kullanılarak alınan ya da verilen ısı hesaplanır. Bir kalorimetrenin ısı sığası; kalorimetre sisteminin sıcaklığını 1 oC artırmak için verilmesi gereken ısı miktarıdır. 22 23 Örnek 2.7: 500 gram camdan yapılmış bir kalorimetre içinde 900 gram su vardır. Bu kalorimetrenin ısı sığası kaç cal / oC’dir. (csu= 1 cal / g oC, ccam = 0,2 cal /g oC) Çözüm: Su ve camın ayrı ayrı ısı sığalarını hesaplayarak; msu= 900 g , csu= 1 cal / g oC, ∆t = 1 oC Qsu = m×csu×∆t ise ⇒ Qsu= 900 cal Qsu= 900×1 ×1 mcam= 500 g , ccam= 0,2 cal / g oC, ∆t = 1 oC ⇒ Qsu= 500×0,2×1 Qcam = m×ccam× ∆t ⇒ Qcam = 100 cal QToplam= Qsu+ Qcam ⇒ QToplam=1000 cal Örnek.2.8: Camdan yapılmış 600 gramlık bir kalorimetre kabında 2 L su bulunmaktadır. Kapta 44,8 g KOH çözündüğünde sıcaklık 15 oC’tan 20 oC’a yükseliyor. ccam= 0,63 J/ g oC, csu= 4,184 J /g oC olduğuna göre; ¾ ¾ ¾ ¾ Cam kabın aldığı ısıyı bulunuz. Suyun aldığı ısıyı bulunuz. (dsu= 1 g/ ml) 44,8 g’lık KOH ‘in çözünmesinde açığa çıkan ısıyı bulunuz. 1 mol KOH çözeltisi ile açığa çıkan ısıyı bulunuz. (KOH =56) Çözüm: Cam kabın aldığı ısı; Qcam = m.ccam. ∆t ⇒ Qcam = 600. 0,63 .(20- 15 ) ⇒ Qcam = 1890 J’dür. Suyun aldığı ısı; d su = m m ⇒1= ⇒ m = 2000 g V 2000 Qsu = m.csu. ∆t ⇒ Qsu = 2000 . 4,184. (20 -15) ⇒ Qsu = 41480 J’dür. 44,8 g KOH’in çözünmesiyle açığa çıkan toplam ısı (QT): ⇒ QT = 1890 + 41480 QT = Qcam+ Qsu d. n KOH = 1 mol için x = ⇒ QT = 43730 J m 44,8 ⇒ n KOH = ⇒ n KOH = 0,8 mol 56 MA 43,73 ⇒ x ≅ 54,66 kJ ısı açığa çıkar 0,8 23 24 UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ 0,01 g NaOH’ın çözünme ısısını bulunuz. Gerekli Malzemeler: Beher 250 ml, hassas terazi, termometre, spatül, NaOH (katı), Mezür İşlem basamakları ¾ 250 ml’lik kuru ve temiz beher tartınız. Öneriler ¾ Laboratuar önlüğünüzü giyerek çalışma tezgâhınızı düzenleyiniz. ¾ Çalışma ortamınızı hazırlayınız. ¾ 250 ml’lik beheri temiz olmasına dikkat ediniz. ¾ Beheri kurulayınız. ¾ Beherin kütlesini (mbeher=?) not etiniz. ¾ Behere 100 ml arı su koyup karıştırarak sabit bir sıcaklığa gelmesini sağlayınız. ¾ 100 ml saf suyu mezürde ölçüp behere boşaltınız. ¾ Suyun kütlesini hesaplayınız. ¾ Beherle suyun sıcaklıklarının eşit olmasına dikkat ediniz. ¾ Beherdeki saf suyu sıcaklığını 0,2 oC ¾ Termometreyi saf suyun içinde belli bir hassaslıkta ölçünüz. süre bekletiniz. ¾ Termometre ile ölçüm kurallarına uyunuz. ¾ Termometre ile hassas ölçüm yapmaya özen gösteriniz. ¾ Ölçtüğünüz sıcaklık değerini (t1=?) not ediniz. ¾ Yaklaşık 1 gram hassaslıkta tartınız. NaOH’i 0,01 g ¾ Tartımda kullanacağınız kâğıdın darasını almayı unutmayınız. ¾ Kâğıdın nemli olmamasını dikkat ediniz. ¾ NaOH nem çekici bir madde olduğu için tartımı hızlı yapınız ve kâğıtta bekletmeyiniz. ¾ NaOH ‘in kütlesini (mNaOH=?) not ediniz. 24 25 ¾ Tarttığınız NaOH’i beherdeki saf su içine katınız. ¾ Beherdeki saf suya kattığınız NaOH iyice karıştırıp çözünmesini sağlayınız. ¾ Çözeltini kütlesini hesaplayınız. (mÇözelti =?) ¾ Çözünme anında termometredeki yükselmeyi takip ediniz. ¾ NaOH’in çözünmesi sırasında termometredeki en yüksek sıcaklığı (t2=?) not ediniz. ¾ Sıcaklık değişimini hesaplayınız. ¾ Hesaplama yapabilmeniz için ∆t = (t 2 − t1 ) bağıntısını kullanınız. ¾ Çözelti tarafından hesaplayınız. alınan ısıyı ¾ Hesaplama yapmak için (Q=mçözeltix cçözelti x∆t ) bağıntısını kullanınız. ¾ (ccam= 0,836 J/ g oC) olarak alınız. ¾ Q=mbeherx ccam x ∆t bağıntısını kullanınız. ¾ Beherin aldığı ısıyı hesaplayınız.(J) ¾ NaOH’in çözünme ısısını hesaplayınız (J) ¾ NaOH= 40 g/mol alınız. ¾ NaOH’in mol başına verdiği ısıyı hesaplayınız.(J) ¾ NaOH’in ∆H’sini (J) olarak hesaplayınız. 25 26 ÖLÇMEVE VEDEĞERLENDİRME DEĞERLENDİRME ÖLÇME Aşağıdaki sorularda doğru seçeneği işaretleyiniz. 1. I. S + O2 → SO2 + 40 kcal II. H 2O (g) → H 2O(s) + 10 kcal denklemine göre 16 gram S’nin yakılması için açığa çıkan enerji ile 100 oC’taki kaç gram su buharlaştırılabilir? (S= 32 g /mol) A) 18 2. B) 36 C) 54 D) 72 Farklı sıcaklıklardaki iki sıvı karıştırıldığında ısı dengesinde denge sıcaklığının hesaplanabilmesi için sıvıların; I. İlk sıcaklıkları II. Öz ısı III. Kütle niceliklerinden hangileri hakkında bilgi verilmelidir? A) I ve II B) I, II ve III C) Yalnız III D) I ve III ∆H0NH3(g) = – 46,0 kJ/mol; ∆H0NO(g) = + 90,5 kJ/mol; ∆H0H2O(g) = – 242 kJ/mol; Tepkimelerin oluşma ısıları bilindiğine göre, 0,2 mol NH3 ‘ün O2 ile tepkimesinden NO(g) ve H2O(g) oluşturulmasında kaç kJ ısı açığa çıkar? 3. A) –453 4. B) –113 C)+226,5 D) +453 NaOH’in molar çözünme ısısı : –10,2 kcal, molar nötrleşme ısısı ise –13,6 kcal’dir. Yeterli ve derişik HCl çözeltisine 8 gram NaOH katısı bırakıldığında açığa çıkan ısı kaç kcal’dir? (NaOH = 40 g /mol) A) 0,68 B) 0,34 C) 2,38 D) 4,76 DEĞERLENDİRME Cevaplarınızı modül sonunda yer alan cevap anahtarı ile karşılaştırınız ve doğru cevap sayınızı belirleyerek kendinizi değerlendiriniz. Ölçme sorularındaki yanlış cevaplarınızı tekrar ederek, araştırarak ya da öğretmeninizden yardım alarak tamamlayınız. 26 27 UYGULAMALI TEST Size verilen 2 gram KOH’in 100 ml saf sudaki çözünme ısını belirleyiniz. (KOH= 56 g/mol), (cçözelti ≈ csu = 4,18 J/g °C), (ccam= 0,836 J/ g °C) Aşağıda hazırlanan değerlendirme ölçeğine göre yaptığınız çalışmayı değerlendiriniz. Gerçekleşme düzeyine göre, evet-hayır seçeneklerinden uygun olan kutucuğu işaretleyerek belirtiniz. 1. DEĞERLENDİRME ÖLÇÜTLERİ İş önlüğünüzü giyip çalışma masanızı düzenlediniz mi? 2. Malzemelerinizi aldınız mı? 3. Kullandığınız cam malzemenin temizliğini yaptınız mı? 4. Beherin tartımını yaptınız mı? 5. Behere 100 ml saf su koyup sıcaklığını ölçtünüz mü? 6. Suyun kütlesini hesapladınız mı? 7. 2 gram KOH’in tartımını yaptınız mı? 8. 9. Hayır Tarttığınız KOH’in saf suya ekleyip çözünme işlemini yaptınız mı? Çözeltinin kütlesini hesapladınız mı? 11. Karıştırma yaparken termometreden sıcaklığı kontrol ederek en yüksek değeri not ettiniz mi? Sıcaklık değişimini hesapladınız mı? 12. Çözelti tarafından alınan ısıyı hesapladınız mı? 13. Beherin aldığı ısıyı hesapladınız mı? 14. KOH’in mol başına verdiği ısıyı hesapladınız mı? 15. KOH’in çözünme ısısını ( ∆Η ) hesapladınız mı? 16. Rapor hazırladınız mı? 10. Evet DEĞERLENDİRME Uygulamalı test sonunda yapacağınız değerlendirme ölçütlerinde verdiğiniz cevaplardaki “Hayır” işaretli cevaplarınız yapamadığınız işlemleri göstermektedir. Buraları tekrar ederek başarmaya çalışınız. Tüm işlemleri başarıyla tamamladıysanız bir sonraki faaliyete geçiniz. 27 28 ÖĞRENME FAALİYETİ–3 ÖĞRENME FAALİYETİ–3 AMAÇ Gerekli ortam sağladığında, kurallara uygun olarak ısı iletimini ölçebileceksiniz. ARAŞTIRMA ¾ Proseste ısı iletimi hakkında araştırma yapınız 3. ISININ HAREKETİ Isı bir enerji türüdür. Isıyı bir yerde muhafaza etmek çok zordur. Isı, iletim, taşınım ve ışıma yolları ile hareket edebilir. Metal bir kaşığı sıcak bir çorba içerisine bıraktığınızda kaşığın ısındığını fark edersiniz. Isı, kaşığın ucundan yukarıya doğru hareket eder. Isının yüksek sıcaklık bölgelerinden düşük sıcaklık bölgelerine hareket ettiğini hatırlayalım. Isı kaynağına yakın olan parçacıkların kinetik enerjisi daha büyüktür. Bunlar kaynaktan uzak olan parçacıklara nazaran çok hızlı hareket eder. Enerjinin kaşıktan yukarı doğru hareketi kinetik enerji transferi ile mümkün olmaktadır. 3.1. Isı İletimi (Kondüksiyon) Isı iletimi, bir ortam (katı, sıvı, gaz) içerisinde bulunan bölgeler arasında veya doğrudan doğruya fiziki temas durumunda bulunan farklı atomlar arasında, atom veya moleküllerin fark edilebilir bir yer değiştirmesi olmaksızın bunların doğrudan teması sonucu meydana gelen ısı yayınımı işlemidir. Resim 3. 1: Katı maddenin ısı iletimi Termodinamiğin ikinci kanununa göre, ısı yüksek sıcaklıkta bulunan bir bölgeden düşük sıcaklıktaki bir bölgeye akar. Kinetik teoriye göre bir maddenin, bu maddeyi meydana getiren moleküllerin ortalama kinetik enerjileri ile orantılıdır. Kinetik enerjinin fazla olması, iç enerjinin fazla olması demektir. 28 29 Bir bölgede moleküllerin ortalama kinetik enerjileri, sıcaklık farkından dolayı bitişik bölgedeki moleküllerin ortalama kinetik enerjilerinden fazla ise, enerjileri fazla olan moleküller bu enerjisini komşu olan moleküllere iletir. Bu enerji transferi, akışkanlarda moleküllerin elastik çarpmaları, metallerde ise serbest elektronların yüksek sıcaklıktan alçak sıcaklık bölgelerine yayınımı ile olur. Katılarda enerji transferi, elektron yayınımına ilaveden maddenin yapısını meydana getiren kafes titreşimleri ile de komşu bölgelere iletilir. Fakat bu son halde enerji transferi miktarı azdır. Bu sebepten elektriği iyi iletenler aynı zamanda iyi ısı iletkenidir. Katı cisimler içerisinde ısı transferi genel olarak ısı iletimi ile olur. Fakat çok az katı cisimler ile bazı gazlar ve sıvılar içerisinden ısı enerjisi, ışıma ile transfer edilir ve bir kısmı ortam içerisinde soğurulur. Isı iletiminde genel olarak ısı transferi sıcaklığa ve sıcaklık basamağına bağlıdır. 3.2. Faurier Isı İletim Kanunu Isı iletiminin temel denklemi Faurier Isı İletim Kanunu ile ifade edilir. Faurier ısı iletim kanunu yapılan gözlemler ve deneyler sonucu elde edilmiştir. Bu kanunu açıklamak için yan yüzeyi yalıtılmış (ısı kaybı olmayan) bir metal çubuğu ele alalım. Silindir şeklindeki metal çubuğun uç yüzeyleri T1> T2 olacak şekilde sabit sıcaklıkta tutulduğunu kabul edelim. Bu durumda iki uç yüzey arasında ki sıcaklık farkı pozitiftir. Bu da x yönünde ısı transferine neden olacaktır. Birim zamanda transfer edilen ısı (ısı transfer oranı) ölçülebilir ve Q x’ in, yüzeyler arası sıcaklık farkı ∆T (T2 - T1) , kesit alanı A(=A1=A2) ve çubuğun boyu L (= x2-x1) ile değişimi incelenebilir. Resim 3.2: Yan yüzeyi yalıtılmış silindirden ısı iletimi İlk olarak ∆T ve L’yi sabit tutalım ve kesit alanı A’yı değiştirelim. Bu durumda Qx’in A ile doğru orantılı olarak değiştiği gözlemlenecektir. Benzer olarak ∆T ve A’yı sabit tutarsak ve L ‘yi değiştirirsek Qx’in L ile ters orantılı olarak değiştiği görülecektir. Son olarak A ve L sabit tutulup ∆T değiştirilirse, Qx’in ∆T ile doğru orantılı olarak değiştiğini gözlemleyebiliriz. O halde toplu olarak bunları aşağıdaki şekilde ifade edebiliriz: Qx αA 29 ∆T L 30 Çubuğun malzemesini (örneğin metal yerine plastik) değiştirirsek yukarıdaki orantının geçerliliğinin devam ediği gözlenecektir. Ancak, aynı A, L ve ∆T için plastik çubukta Qx daha küçük olacaktır. Bu durum orantının bir eşitlik şekline dönüştürülebileceğini gösterir. Malzemenin ısı iletimindeki rolünün bir ölçüsü olarak orantı kat sayısı da tanımlanarak eşitlik yazılır. şeklinde yazılır. Isı iletimi termodinamiğin II. kanunu’na göre azalan sıcaklık yönünde olacağından pozitif ısı transferi oranı (Q x) için eşitliğin sağ tarafı (-) işareti ile çarpılır. Burada; k=Isı iletim kat sayısı (W /mK) (malzemenin önemli bir özelliğidir) Q x=Isı transfer oranı (W) (birim zamanda) d T=sıcaklık farkı (°C) dT Q x = − kA dx d x=Boyu (m) denklemi aşağıdaki gibi ifade edilebilir. Burada qx, x istikametinde birim zamanda birim yüzeye ısı transfer miktarı olup kısaca ısı akısı adını alır. qx vektörel bir miktar olup, yön ve değeri vardır. Yönü, azalan sıcaklık doğrultusundadır. Isı iletim kat sayısı malzemenin bir özelliği olması yanında yön ve sıcaklığa da bağlıdır. Verilen bir sıcaklık gradyanı için, iletimle ısı akışı artan ısı iletim kat sayısı ile artar. Genel olarak katılar sıvılardan, sıvılar ise gazlardan daha yüksek ısı iletim kat sayısına sahiptir. Isı iletim kat sayısının değeri moleküler ya da atomlar arasındaki mesafe ile bağlantılıdır. Isı iletim kat sayısının değeri farklı maddeler için genel olarak şekil 3.1 de verilmiştir. Akışkanlarda moleküller arası mesafe katılara nazaran daha fazla olduğu için ısıl enerji transferi daha az etkilidir. Bu nedenle gaz ve sıvıların ısı iletim kat sayısı katılardan daha düşüktür. Gaz, sıvıların ve yalıtım malzemelerinin ısı iletim kat sayısı genellikle artan sıcaklıkla artar. Sıcaklıkla değişim genellikle fazladır. 30 31 Şekil 3.1: Değişik maddeler için ısı iletim kat sayısı değerleri Malzeme Gazlar Yağlar Su Sıvı metaller Katılar (metal olmayan ) Katılar (alaşımlar ) Saf metaller Isı iletim kat sayısı(W/mK) 0,002–0,2 0,1–1,0 0,5–0,7 10–100 0,03–3,0 20–200 40–400 Tablo 3.1: Çeşitli maddeler için ısı iletim katsayılarının mertebeleri Şekil 3.2: Bazı sıvıların ısı iletim katsayılarının sıcaklıkla değişimi Bir kural olarak, yoğunluk arttığı zaman “k” artar. Bununla beraber malzemenin içyapısına, içerisinde bulunan gözeneklere ve nem derecesine bağlıdır. Nemli bir malzemenin ısı iletim kat sayısı kuru malzemenin ve suyun ayrı ayrı ısı iletim katsayılarından daha fazla olabilir. Örneğin kuru tuğlanın k = 0,3 kcal /mh ºC, suyun k = 0,5 kcal /mh ºC değerine karşılık nemli tuğla için k = 0,9 kcal /mh ºC bulunmuştur. 31 32 Isı iletim kat sayısı k = 0,2 kcal /mh ºC’den daha küçük olan malzemeler ısı yalıtkanı olarak kullanılmaktadır. (1 kcal /mh ºC = 1,163 W/mK) Bazı metallerin ısı iletim şekil 3.2’de verilmektedir. En iyi gümüş, bunu takiben bakır, altın, alüminyum görülür. Saf bir metalin ısı iletim kat sayısı, eğer içerisinde başka bir bileşen ilave edilirse kuvvetle azalır. Örneğin 20 ºC’de (%60 Cu + %40 Ni) karışımının ısı iletim kat sayısı 22,7 W/mK olduğu halde yalnız başlarına Cu 336 W/mK , Ni 69 W/ mK’dir. Şekil 3.3: Bazı metallerin ısı iletim katsayılarının sıcaklıkla değişimi Örnek 3.1: Bir fırının duvarı 12 mm paslanmaz çelikten yapılmıştır. Duvarın iç yüzeyi 200 ºC’dir. Duvarın ısı iletim kat sayısı 26 W /mK ve duvardan geçen ısı akısı 50 kW/m2, olduğuna göre duvarın dış yüzey sıcaklığını hesaplayınız? Çözüm: Verilenleri yazıp qx = 50 kW /m2 = 50000 W /m2 t1= 200 ºC (duvarın iç yüzey sıcaklığı) t2 = ? (duvarda bulunması gereken diş yüzey sıcaklığı) L= 12 mm = 0,012 m (duvarın kalınlığı) k= 26 W /mK Verilenleri bağıntıda yerine yazarsak: qx = Qx / A = − k qx = k dt dx 200 0 C − T2 T1 − T2 ⇒ 50000W / m 2 = 26W / mK 0,012m L 32 0 ⇒ T2 = 176,9 C 33 Örnek 3.2: 30 cm kalınlığında bir duvarın yüzey sıcaklıkları sırası ile 15 ºC , -5 ºC ve malzemenin ısı iletkenlik kat sayısı 0,872 W/mK olduğuna göre, 15 m2’lik duvar yüzeyinin ısı kaybını hesap ediniz? Çözüm; verilen değerleri yazarak; k= 0,872 W/mK A=15 m2 T1 = 15 ºC T2 =-5 ºC L =30 cm = 0,3m Qx=? Verilen değerleri bağıntıda yerine yazarak; Qx = k × A T1 − T2 [15 − (−5)] ⇒ Q x = 0,872 × 15 × L 0,3 Q x = 13,08 × 20 ⇒ Q x = 13,08 × 66,7 0,3 Q x = 872W 33 34 UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ Size verilen bakır telde ısı iletimini gözlemleyiniz. Gerekli malzemeler: Beher, bakır tel, alüminyum tel, 3 adet termometre, alüminyum folyo, izolasyon malzemesi, spor, kıskaç, üç ayak, amyant tel İşlem basamakları ¾ 50 cm boyunda bakır tel kesiniz. Öneriler ¾ Laboratuar önlüğünüzü giyerek çalışma tezgâhınızı düzenleyiniz. ¾ Çalışma ortamınızı hazırlayınız. ¾ Bakır teli metal testeresi ile kesiniz. ¾ Kesme işlemini mengeneye sıkıştırarak yapınız. ¾ Ölçümü dikkatli ve hassas yapınız. ¾ Bakır telin kesit alanını hesaplayınız. ¾ Ölçümü hassas yapınız ve kumpas kullanınız. 2 ¾ A = π × r formülünü kullanınız. ¾ Bakır telin yalıtımını yapınız. ¾ İç kaplamasını pamukla yapınız. ¾ Pamuğun dışını alüminyum folyo ile kaplayınız. ¾ Folyonun açılmaması için belli noktalardan iple bağlayınız. ¾ Beherde su hazırlayınız. kaynatmak için düzenek ¾ 250 ml’lik beheri yarısına kadar su doldurunuz. ¾ Suyu kaynatınız. 34 35 ¾ Beherdeki kaynayan suya yalıtılmış bakır teli destek çubuğu ile sabitleyiniz. ¾ Sabitleme kurunuz. işlemi için düzenek ¾ Termometre yalıtımla metalin arasında kalacak şekilde uç kısma sabitleyiniz. ¾ Termometreyi metalin kesit alanına değecek şekilde sabitleyebilirsiniz. ¾ Kaynayan suyun içine metale yakın noktaya ikinci bir termometre sabitleyiniz. ¾ Beherin içindeki termometre yalıtılmış metale yakın olmasına dikkat ediniz. ¾ Aynı anda her iki sıcaklıkları not ediniz. termometredeki ¾ Termometredeki değerleri kurallara uygun okumaya dikkat ediniz. ¾ Sıcaklık değerlerini celsius olarak ölçünüz. ¾ k=380 W/mK olarak alınız. ¾ Isı transferini hesaplayınız. ¾ Qx = k × A × (T1 − T2 ) L formülünü kullanınız. ¾ Yaptığınız işlemleri ve deneyleri, sonuçları ile raporunuza yazınız. ¾ Sonucu rapor ediniz. 35 36 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Aşağıdaki sorularda doğru seçeneği işaretleyiniz. 1. Aşağıdakilerden hangisi ısıyı iletim yollarından biri değildir? A) İletim B) Taşınım C) Işıma D) Nakliye 2. Aşağıdakilerden hangisi ısı iletim kat sayısının (k) birimidir? A) W B) W/m C) W/mK D) W/m2K 3. ∆T (sıcaklık farkı) ile L’nın (iletkenin boyu ) sabit tutulduğu ısı iletiminde Qx ile A (kesit alanı ) arasında orantı aşağıdakilerden hangisidir? A) B) C) D) Q x αA 1 Q xα A Qx = A 1 Qx = A 4. Bir fırının duvarı 6 mm paslanmaz çelikten yapılmıştır. Duvarın iç yüzeyi 100 ºC ‘dir. Duvarın ısı iletim kat sayısı 26 W/mK ve duvardan gecen ısı akısı 20 kW /m2 olduğuna göre duvarın diş yüzey sıcaklığı aşağıdakilerden hangisidir? A) 85 B) 90 C) 95,4 D) 98,4 5. 20 cm kalınlığındaki bir duvarın sıcaklıkları sıra ile 10 ºC ile -8 ºC ve malzemenin ısı iletim kat sayısı 0,872 W/mK olduğuna göre 10 m2 duvar yüzeyinin ısı kaybı değeri aşağıdakilerden hangisidir? A) 78,48 B) 784,48 C) 874,48 D) 478,48 36 37 6. 5 cm kalınlığındaki duvarın dış yüzey sıcaklığı 20 ºC ve ısı kaybı 800 W’tır. Duvar malzemesinin ısı iletkenlik kat sayısı 0.872 W/mK olduğuna göre 40 m2’lik duvarın iç yüzeyinin sıcaklık değeri aşağıdakilerden hangisidir? A) 40 B) 39,3 C) 36,6 D) 33,9 7. Aşağıdaki maddelerden hangisinin ısı iletim katsayı (k) değeri en düşüktür? A) Çinko B) Plastikler C) Su D) CO2 8. Aynı şartlarda aşağıdaki metallerden hangisinin ısı iletimi fazladır?(kCu=390W/mK, kAl=200 W/mK, kZn=110 W/mK , kNi= 70 W/mK) A) Cu B) Al C) Zn D) Ni daha DEĞERLENDİRME Cevaplarınızı modül sonunda yer alan cevap anahtarı ile karşılaştırınız ve doğru cevap sayınızı belirleyerek kendinizi değerlendiriniz. Ölçme sorularındaki yanlış cevaplarınızı tekrar ederek, araştırarak ya da öğretmeninizden yardım alarak tamamlayınız. 37 38 UYGULAMALI TEST Size verilen 40 cm boyunda kesit alanları aynı bakır ve alüminyum metallerinin ısı transferi (Q x Cu ile Q x Al ) arasındaki farkı hesaplayınız? (kCu=360 W/mK ,kAl=210 W/mK) Aşağıda hazırlanan değerlendirme ölçeğine göre yaptığınız çalışmayı değerlendiriniz. Gerçekleşme düzeyine göre, “Evet-Hayır” seçeneklerinden uygun olan kutucuğu işaretleyerek belirtiniz. DEĞERLENDİRME ÖLÇÜTLERİ 1. 5. 6. Yalıtılmış metalleri farklı sporlara sabitlediniz mi? 3. 4. 8. Termometreleri yalıtılmış metallerin uçlarına sabitlediniz mi? Beherin içindeki termometreleri sabitlediniz mi? 9. Beki yakıp suyun kaynattınız mı? 10. Aynı anda üç termometredeki değerleri not ettiniz mi? 11. Bakırın ısı transferini hesapladınız mı? 12. Alüminyumun ısı transferini hesapladınız mı? 13. İki metal arasındaki ısı farkını hesapladınız mı? 14. Rapor hazırladınız mı? 7. Hayır İş önlüğünüzü giyip çalışma masanızı düzenlediniz mi? Bakır ve alüminyum metallerini 40 cm boyda kesip hazırladınız mı? Kumpasla metal çubukların çaplarını (metal çubukların boyu ve çapları eşit) ölçüp kesit alanlarını hesapladınız mı? İki metal çubuğu aynı standartlarda izolasyonunu yaptınız mı? Beherde su kaynatmak için düzenek hazırladınız mı? 2. Evet DEĞERLENDİRME Uygulamalı test sonunda yapacağınız değerlendirme ölçütlerinde verdiğiniz cevaplarda ki “Hayır” işaretli cevaplarınız yapamadığınız işlemleri göstermektedir. Buraları tekrar ederek başarmaya çalışınız. Tüm işlemleri başarıyla tamamladıysanız bir sonraki faaliyete geçiniz. 38 39 ÖĞRENME FAALİYETİ–4 ÖĞRENME FAALİYETİ–4 AMAÇ Gerekli ortam sağladığında, kurallara uygun olarak taşınım, ışınım ile ısı transferi yapabileceksiniz. ARAŞTIRMA ¾ ¾ ¾ ¾ Isı iletimi (kondüksiyon) ile taşınımı (konveksiyon) arasındaki farkı araştırınız. Isının doğal taşınımını araştırınız. Isının zorlanmış taşınımını araştırınız. Işınımla ısı transferini araştırınız. 4. ISI TRANSFERİ 4.1. Konveksiyon ile Isı Transferi Akışkan hareketiyle ilişkili olan ısı transferinin bu modu, akışkan içinde moleküllerin etkileşmesiyle gerçekleşen iletimle ısı transferi yanında akışkanın hareketi dolaysıyla enerjinin taşınması mekanizmalarının her ikisini de içerir. Sıvı veya gazı ısı taşıması için pompa veya fanla hareket ettiriyorsak bu zorlanmış taşınımdır. Birbirinden ayrılmış sıcak ve soğuk akışkanlar ısı transfer ekipmanlarına pompalanır. Isı transfer oranı akışkanların fiziksel özelliklerine ve akışa bağlıdır. (Nre > 4000) transfer edilen ısı akışkanları, akış hızıyla orantılı olduğu için zorlanmış (cebri) taşıma ile daha çok ısı transfer edilir. Resim 4.1: Zorlanmış taşınım düzeneği Eğer sıvı veya gazın sıcaklığındaki değişmeden dolayı yoğunluğu değişiyorsa ve bu değişim nedeniyle yaptığı hareket ile ısıyı taşıyorsa bu doğal taşınımdır. Örneğin güneşli bir günde bir otomobilin metal kısımları, belli bir zaman diliminde, güneş ışınlarına maruz kaldığında güneş ışınımı dolaysıyla ısı transferine maruz kalacaktır. 39 40 Otomobillerde bulunan metal aksam her yönde ışınım yaparak ısı kaybeder. Kaybolan ısı çevresindeki havayı ısıtır. Havanın otomobil üzerindeki hareketi ile doğal taşınım gerçekleşmiş olur. Otomobil hareket ettiğinde ise çevre havasına zorlanmış taşınımla ısı transferi gerçekleşecektir. Zorlanmış taşınımın, genelde, doğal taşınımdan çok daha fazla ısı transferine neden olduğu bilinmektedir. Fotoğraf 4.2: Doğal taşınım Fotoğraf 4.3: İki ayrı zorlanmış ve doğal taşınım düzeneği Konveksiyon, akışkan hareketi ile enerji taşınımı işlemidir. Ortam bir sıvı veya gaz ise, akışkan hareketi ile ısı enerjisi bir bölgeden diğer bölgeye sıcaklık farkından dolayı transfer edilecektir. Isı transferinin en önemli konusu konveksiyondur. Isı değiştirgeçlerinde akışkanlar, katı, cisimler (yüzeyler ) ile birbirinden ayrılmış olduklarından, konveksiyon, bir yüzey ile akışkan arasında enerji taşınmasından en önemli ısı transferi mekanizmasıdır. Akışkan hareketi taşınımla ısı transferinin ayırt edici özelliği olduğuna göre, ısı transferinin bu şekilde taşıyabilmek için akışkanlar mekaniği prensiplerinin iyi anlaşılmış olması gerekmektedir. Herhangi bir akışkan bir katı yüzey üzerinde akarken yüzey ile temas eden moleküllerin sürtünme ya da viskoz etkiler nedeniyle yüzeye yapışır. Yüzeye yapışan (yüzeyi ıslatan) bu moleküllerin yüzey üzerinde kaymadığı kabul edilirse burada akışkanın hızı sıfır olacaktır. 40 41 Resim 4.4: Yüzeyde sıcaklık dağılımı Şekilde görüldüğü gibi yüzey sıcaklığı TW yüzey ile temasta bulunan akışkanın ortalama sıcaklığı ise yüzey ile akışkan arasında birim zamanda ısı transferi; Qt = h × A(T y − T∞ ) ifadesi ile hesaplanır. Bu ifade 1701 senesinde Newton tarafından verilmiş olup, literatürde Newton’un Soğuma Kanunu diye adlandırılır ve konveksiyonun özel kanunudur. Bağıntıyı aşağıdaki şekilde de ifade edebiliriz. Qt αT y − T∞ yazılabilir. Bir orantı sabiti tanımlanarak eşitliği; A qtaş = Qt = hm × (Ty − T∞ ) A şeklinde yeniden düzenlenebilir. q = h × (T y − T ∞ ) hm= Ortalama ısı taşınım kat sayısı (W/m2K) veya (yüzey ısı transferi kat sayısı). Üzerinde çizgi ve indis olmadan “h” şeklinde de kullanılabilir. Bazı durumlarda ısı taşınım kat sayısının değeri analitik olarak bulunabilir, fakat çoğunlukla ölçümler sonucu tespit edilir. Isı taşınım kat sayısı, akış türü (laminar ya da türbülanslı), akışkan hızı, akışkan özellikleri (viskozite, yoğunluk, ısı iletim kat sayısı vb.) , sıcaklık, geometri gibi birçok etkene bağlı olarak değişir. Ty = Yüzey sıcaklığı (ºC) T∞ = Bir kanal içerisindeki akışta akışkanların ortalama sıcaklığı veya bir yüzey üzerindeki akışta, yüzeyden uzaktaki sıcaklık. (ºC) A= Sınır yüzey alanı (m2) Q = Isı transferi (W) qtaş = Isı akısı (W/m2) 41 42 Tablo 4.1: Bazı akışkanlar için ortalama ısı taşınım kat sayısı değeri Örnek 4.1: Bir düzlem duvardan ısı akısı 400 W/m2 olduğu biliniyor. Ayrıca duvar yüzeyi ve çevresindeki 20 ºC’de hava arasında ısı taşınım kat sayısı 10 W/m2K olarak verilmektedir. Duvarın yüzey sıcaklığını hesaplayınız? Çözüm: Verilenleri formülde yerine yazarsak; q = h × (T y − T∞ ) ⇒ 400 = 10 × (T y − 20) ⇒ TY = 400 + 20 10 ⇒ T y = 60 0 C Örnek 4.2: 20 m2’lik duvar yüzeyi ve çevresi 30 ºC, duvar yüzey sıcaklığı 90 ºC’dir. Hava arasında ısı taşınım kat sayısı 15 W/m2K olarak veriliyor. Duvarın ısı transferini hesaplayınız? Çözüm: Verilenleri formülde yerine yazarak; Qt = h × A(T y − T∞ ) ⇒ Qt = 15(W / m 2 K ) × 20m 2 × (90 0 C − 30 0 C ) Qt = 300(W / K ) × 60 0 C ⇒ Qt = 18000W 4.2. Işınımla Isı Transferi İletim ve taşınımla ısı transferi mekanizmaları enerjinin içinde nakledilebileceği bir ortama gereksinim duyulmaktadır. Ancak enerji mutlak vakum ortamından, yani hiçbir maddenin bulunmadığı bir ortam içinden, geçerek de transfer edilebilir. Bu mekanizma elektromanyetik ışınım (radyasyon) olarak tanımlanır. Işınımda enerji elektromanyetik dalgalarla (ya da fotonlar ile) taşınır. Elektromanyetik ışınım, X ışınları, gama ışınları, görülebilen ışık spektrumu, radyo dalgaları gibi yaygın olarak bilinen dalga boyu aralıklarını da kapsayan geniş bir spektruma sahiptir. Işıma olayı ışığın vakum içindeki hızıyla gerçekleşir. Bu geniş ışıma spektrumunda bizi ilgilendiren sadece ısıl bileşenleridir. Mutlak sıfır sıcaklığının üzerinde sonlu sıcaklığa sahip bütün maddeler çevrelerinden bağımsız olarak ışıma ile enerji yayar. Net ısı transferi ise sıcak bölgeden soğuk bölgeye gerçekleşir. Dolayısıyla ortamdaki izafi olarak soğuk cisim yaptığı ışımadan daha fazla enerji yutar. 42 43 Resim 3.1: Işınımla ısı transferi Maddenin ısıl enerjisinden kaynaklanan ve birim yüzeyden birim zamanda serbest bırakılan enerji yayının gücü E ile gösterilebilir. Stefan – Boltzman Kanunu’nun yayınım gücünün alabileceği maksimum değeri belirtmektedir. [W / m ] E s = σ T y4 2 Burada Ty = Yüzeyin mutlak sıcaklığı (K) σ = Stefan – Boltzman sabiti (4,96 x10-8 kcal /m2 hK4 = 5,67 x 10-8 W/m2K4) Maksimum yayınım gücüne sahip böyle bir yüzey ideal ışıyıcı ya da siyah cisim olarak adlandırılır. Siyah cisim ile aynı sıcaklığa sahip gerçek bir yüzey tarafından yayılan ısı akısı ise; E = ε × σ × Ty4 şeklinde bulunabilir. ε = Yüzey ışınım yayma özelliği olan (emissivity) yayınım oranı, yayınım oranı değeri 0 ≤ ε ≤ 1 aralığındadır ve yüzeyin siyah cisme nazaran enerji yayma etkinliğini göstermektedir. Siyah cisim için ε = 1 ’dir. Yayınım oranı değeri yüzeyin yapısına, büyük oranda bağlıdır. Yüzeyi gören diğer cisimlerden ve çevresinden yüzey üzerine ışınım olmaktadır. Işıma kaynağına bakmadan, yüzey üzerine düşen ışınımdan, yüzeyin birim alanında birim zamanda absorbe edilen ışıma enerjisi, yüzeyin ışıma özelliklerinden yutma kat sayısının (absorptivity) bilinmesi ile hesaplanır. Yani: [W / m ] Gabs = α × G 2 43 44 Yutma kat sayısı değeri yüzey yapısına bağlı olarak 0 ≤ ε ≤ 1 ’dır. Eğer α <1 ise yüzey opaktır ve yüzeye gelen ışınımın bir kısmı yansıtılmaktadır. Yüzey yarı geçirgen ise gelen ışınımın bir kısmı geçirilecektir. Absorbe edilen ya da yüzey tarafından yayılan enerji, maddenin ısı enerjisini sırasıyla artırır ya da azaltırken yüzey tarafından yansıtılan ya da geçirilen ışınım maddenin ısıl enerjisinin değişmesinde bir etkiye sahip değildir. Yutma kat sayısı, α , yüzeyin yapısına bağlı olduğu kadar yüzey üzerine düşen ışınımın karakteristiğine de bağlıdır. Yüzeyin yutma kat sayısı ile ışıma kat sayısının eşit olduğu (α=ε, gri yüzey) varsayılırsa yüzeyden birim zamanda ve birim alandan net ışınımla ısı transferi için: qışınım = [W / m ] Q 4 = ε × Eb × (T y ) − α × G (TÇev ) = α × ε × (T y4 − Tçevre ) A 2 ifadesi yazılır. Bu ifade; birim zamanda ve birim alanda, yüzeyin ışıma ile kaybettiği enerji ile yüzeye gelen ışıma ile kazandığı enerji arasındaki farkı vermektedir. Uygulamada bazen ışınımla ısı transferi için yukarda ki eşitlik Newton’un soğuma kanunu ifadesine benzetilerek aşağıdaki formda kullanıldığı olmaktadır. Bu durumda, birim zamanda birim yüzeyde olan net ışınımla ısı transferi: q ışınım = Q ışınım A [W / m ] 2 = h r ( T y − T çevre ) bağıntısı ile bulunabilir. Burada “hr” ışınımla ısı transfer kat sayısı olarak isimlendirilir ve değeri; 2 hr = α × ε × (T y − Tçevre ) × (T y2 + Tçevre ) [W / m K ]şeklinde hesaplanabilir. 2 Taşınılma ve ışınımla ısı transferinin birlikte gerçekleştiği durumlarda (birleşik ısı transferi) birim zamanda birim yüzeyden gerçekleşen ısı transferi için: q = qtaşaşıa + qışınım = ht (Ty − T∞ ) + hr (Ty − Tçevre) [W / m 2 ] yazılabilir. Eğer T∞ = Tçevre ise yukarıdaki bağıntı aşağıdaki gibi yazılabilir. q = qtaşaşıa + qışınım = (ht + hr ) × (Ty − T∞ ) [W / m 2 K ] Örnek.4.3: Bir fırın duvarı briketten yapılmıştır. Bu duvar fırın içindeki sıcak havayı dış ortamdan ayırmaktadır. Duvar kalınlığı 0,25 m ve briketin ısı iletim kat sayısı 1,2 W/mK’dır. Kararlı halde duvar dış yüzey sıcaklığı 120 ºC ve dış ortam sıcaklığı 25 ºC’dir. Duvar ile dış ortam arasındaki ısı taşınım kat sayısı 20 W/m2K ve duvarın ışınım yayma oranı 0,8 olduğuna göre duvarın iç yüzey sıcaklığını bulunuz? ( σ =5,67 x 10-8 W/m2K4 ) 44 45 Çözüm: Fırının yüzeyinde enerji dengesi yazılırsa: qiletim = qtaşaşıa + qışınım ve ilgili ifadeler yerine yazılarak T1 − T2 = h × (T2 − T∞ ) + ε × α × (T24 − T∞4 ) değerleri yerine yazıp L (T − 393) 1,2 × 1 = (20) × (398 − 298) + (0,8) × (5,67.10−8 ) × (3934 − 2984 ) (0,25) 4,8(T1 − 393) = 1900 + 724,3 ⇒ T1 = 939,7 K ⇒ veya T1 = 666 0 C k× Örnek 4.4: Bir düzlem duvardan ısı akısı 400 W/m2 olduğu biliniyor. Ayrıca duvar yüzeyi ve çevresindeki 20 ºC ‘de hava arasında ısı taşınım kat sayısı 10 W/m2K olarak verilmektedir. a. Duvarın yüzey sıcaklığını, b. (a) şıkkındaki şartlara ilave olarak duvar ile 20 ºC ‘deki çevre arasındaki ışınımla ısı transfer kat sayısı hr= 5 W/m2K olması durumunda hesaplayınız? yazıp Çözüm : (a ) şıkkını çözmek için ısı akısı bağıntısında “Ty” çekerek verilen değerleri q 400 + T∞ ⇒ T y = + 20 ⇒ T y = 60 0 C h 10 a. q = h × (T y − T∞ ) ⇒ T y = b. Bağıntıyı yazıp değerleri yerine yazarsak q = h × (T y − T∞ ) + (T y − T∞ ) ⇒ Ty = 400 q + T∞ ⇒ T y = + 20 10 + 5 h + hr T y = 46,7 0 C Örnek 4.5: Bir evin terası 4 metre genişliğinde ve 10 metre uzunluğundadır. Yazın gün boyunca güneş ışınlarına maruz kalan terasın sıcaklığı 50 ºC sıcaklığına yükselmektedir. Yüzeyin ışıma oranın 0,9 ve yüzey sıcaklığının 50 ºC 2’de sabit olduğunu kabul ederek bulutsuz bir gece vakti terastan uzaya olan birim zamandaki ısı transfer miktarını hesaplayınız. Yüzey ve uzay arasındaki ışınımla ısı transferi kat sayısını bulunuz? 45 46 Çözüm: Temas yüzeyinin sıcaklığı; T y = 50 + 273 ⇒ T y = 323K olacaktır. Uzayın sıcaklığı Tu = 0 K alınabilir. 4 Q = ε × A × α × (T y4 − Tçevre ) ⇒ Q = 0,9 × (4 × 10) × 5,67.10 −8 ) × (323 4 − 0) Q = 24686W Işınımla ısı transferi kat sayısı, hr ise; hr = hr = Q A(T y − Tu ) 24686 (4 × 10) × (323 − 0) 46 47 UYGULAMA FAALİYETİ UYGULAMA FAALİYETİ Size verilen bakır telde ısı iletimini gözlemleyiniz. Gerekli malzemeler: Metre, Fırın, Termometre, Üçayak, Destek çubuğu, Kıskaç, Bek İşlem basamakları ¾ Tuğladan yapılmış kalınlığını ölçünüz. fırının Öneriler duvar ¾ Önlüğünüzü giyerek çalışma masanızı düzenleyiniz. ¾ Ölçümü kaydediniz. ¾ Fırını üçayak üzerine yerleştiriniz. ¾ Bek alevinin fırın içinde olacak şekilde üçayağı seçiniz. ¾ Bek alevini fırının içinde yanacak şekilde ayarlayınız. ¾ Bek alevinin fırının dışına etmemesine dikkat ediniz. temas ¾ Beki yakınız ve 10 dakika fırını ısıtınız. ¾ Alevin tamamen fırının içinde olmasına dikkat ediniz. 47 48 ¾ Termometreyi sabitleyiniz. fırının duvarına ¾ Termometredeki kontrol ediniz. ¾ Atölyenin herhangi bir yerinden ortam sıcaklığını ölçünüz. sıcaklık yükselmesini ¾ Fırına yakın yerde ölçmemeye dikkat ediniz. ¾ Ölçtüğünüz sıcaklığı not ediniz T∞ = ? ¾ Beki kapattığınız anda fırının duvar sıcaklığını termometreden okuyunuz. ¾ Duvar sıcaklığını termometre kurallarına uyarak okuyunuz. okuma ¾ Ölçtüğünüz sıcaklığı not ediniz. T2 = ? h∞ = 20W / m 2 K , ε = 0,8 ¾ Fırının iç sıcaklığını hesaplayınız. ¾ Sonuçları rapor ediniz. σ = 5,67.10 −8 W / m 2 K 4 , k = 1,4W / mK ¾ Olarak alınız. ¾ Yaptığınız işlemleri hazırlayınız. 48 rapor olarak 49 ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME ÖLÇME VE DEĞERLENDİRME Aşağıdaki cümlelerde boş bırakılan yerlere doğru kelimeleri yazınız. 1. Sıvı veya gazı ısı taşıması için pompa ya da ……………… taşınım denir. fanla hareket ettiriyorsak buna 2. Sıvı veya gazın sıcaklığındaki değişimden dolayı yoğunluğu değişiyorsa ve bu değişim nedeniyle yaptığı hareket ile ısı taşıyorsa bu …………………… taşınımdır. 3. Konveksiyon ………………… 4. Işınımda enerji ………………… dalgalarla ya da …………………..ile taşınır. …………………. ile enerji taşınımı işlemidir. Aşağıdaki sorularda doğru seçeneği işaretleyiniz. 5. Yüzey ısı transfer kat sayısı (h)’nin birimi aşağıdakilerden hangisidir? A) W/mK B) W/m2K C) W D) J 6. Aşağıdakilerden hangisinin ısı taşınım kat sayısına etkisi olmaz? A) Akış türü B) Akışkanın hızı C) Sıcaklık D) Renk 7. Bir düzlem duvarda ısı akısı 200 W/m2 olduğu biliniyor. Ayrıca duvar yüzeyi ve çevresindeki 10 ºC’de hava arasındaki ısı taşınım kat sayısı 8 W/m2K olarak verilmektedir. Duvarın yüzey sıcaklığının değeri aşağıdakilerden hangisidir? A) 25 B) 30 C) 35 D) 40 8. 10 m2’lik duvarın ısı transferi 9000 W’tır. Duvar yüzeyi ve çevresi 20 ºC ve hava arasındaki ısı taşınım kat sayısı 10 W/m2K olarak veriliyor. Buna göre duvarın yüzey sıcaklığı kaç ºC’dir? A) 90 B) 65 C) 50 D) 45 49 50 9. Bir fırının duvarı tuğladan yapılmıştır. Duvarın kalınlığı 20 cm ve tuğlanın ısı iletim kat sayısı 1,6 W/mK ‘dır. Kararlı halde duvar dış yüzey sıcaklığı 127 ºC ve dış ortam sıcaklığı 27 ºC ‘dir. Duvar ile dış ortam arasındaki ısı taşınım kat sayısı 20 W/m2K ve duvarın ışınım yayma oranı 0,8 olduğuna göre duvarın iç yüzey sıcaklığı kaç ºC’dir?( σ = 5,67.10 −8 A) 476,2 B) 480,2 C) 512,2 D) 749,2 10. Bir binanın terası 5 m genişliğinde ve 10 m uzunluğundadır. Yazın gün boyunca güneş ışınlarına maruz kalan terasın yüzeyinin ortalama sıcaklığı 47 ºC’dir. Yüzeyin ışıma oranı 0,9 ve bulutsuz bir gece vakti terastan uzaya olan birim zamandaki ısı transferi miktarını hesaplayınız? (Tu= 0 0K) (σ = 5,67.10 −8 ) A) 24761 B) 25672 C) 26762 D) 2767 DEĞERLENDİRME Cevaplarınızı modül sonunda yer alan cevap anahtarı ile karşılaştırınız ve doğru cevap sayınızı belirleyerek kendinizi değerlendiriniz. Ölçme sorularındaki yanlış cevaplarınızı tekrar ederek, araştırarak ya da öğretmeninizden yardım alarak tamamlayınız. 50 51 UYGULAMALI TEST Size verilen Tuğladan yapılmış fırını 15 dakika ısıtınız. Süre dolduğunda beki kapatarak fırının iç sıcaklığını hesaplayınız. h∞ = 20W / m 2 K , ε = 0,8 , σ = 5,67.10 −8 W / m 2 K 4 , k = 1,4W / mK olarak alınız. Aşağıda hazırlanan değerlendirme ölçeğine göre yaptığınız çalışmayı değerlendiriniz. Gerçekleşme düzeyine göre “Evet-Hayır” seçeneklerinden uygun olan kutucuğu işaretleyerek belirtiniz. DEĞERLENDİRME ÖLÇÜTLERİ 1. İş önlüğünüzü giyip çalışma masanızı düzenlediniz mi? 2. Fırının kırık veya çatlak olup olmadığını kontrol ettiniz mi? 3. Fırının duvar kalınlığını ölçtünüz mü? 4. Fırını üçayak üzerine yerleştirdiniz mi? 5. Beki yaktınız mı? Bekin alevinin tamamen fırının içinde yandığını kontrol ettiniz mi? 15 dakika ısıtma işlemini yaptınız mı? 6. 7. 10. Atölyenin sıcaklığını ölçtünüz mü? Beki kapattığınız anda fırının dış duvar yüzeyinin sıcaklığını ölçtünüz mü? Hesaplama yaptınız mı? 11. Deneyiniz bittiğinde malzemelerinizi temizlediniz mi? 12. Malzemelerinizi eksiksiz teslim ettiniz mi? 13. Rapor hazırlayıp teslim ettiniz mi? 8. 9. Evet Hayır DEĞERLENDİRME Uygulamalı test sonunda yapacağınız değerlendirme ölçütlerinde verdiğiniz cevaplarda ki “Hayır” işaretli cevaplarınız yapamadığınız işlemleri göstermektedir. Buraları tekrar ederek başarmaya çalışınız. Tüm işlemleri başarıyla tamamladıysanız bir sonraki faaliyete geçiniz. 51 52 MODÜL DEĞERLENDİRME MODÜL DEĞERLENDİRME Aşağıdaki cümlelerde boş bırakılan yerlere doğru kelimeleri yazınız. 1. 100 ºC…………….. Fahrenheit derecesidir. 2. Isı belli sıcaklıktaki bir sistemin sınırlarından, daha düşük sıcaklıktaki bir sisteme , sıcaklık farkı nedeniyle transfer edilen …………………….dir. 3. 1 gram suyun sıcaklığını 14,5 ºC’den 15,5 ºC’ye yükseltmek için gerekli olan ısı miktarına ………………………… denir. 4. Üzerlerinden ısı alınan cisimlerin ……………… denir. 5. Bir cismin sıcaklığını 1 ºC artırdığımızda birim boyunda meydana gelen uzama miktarına …………………….. kat sayısı denir. 6. Isı alan reaksiyonlara ……………………. , ısı veren reaksiyonlara ……………… denir. 7. Herhangi bir maddenin kimyasal yapısına bağlı olarak depo edilmiş olan enerjiye ……………………………… denir. 8. Elementler bir araya gelerek 1 mol bileşik oluştururken kullanılan ısıya yada açığa çıkan ısıya …………………… ……………………….. denir. hacimlerinde meydana gelen küçülmeye Aşağıdaki sorularda doğru seçeneği işaretleyiniz. 9. 70 ºF’nin Rankin derecesi olarak karşılığı aşağıdakilerden hangisidir? A) B) C) D) 490 530 640 672 10. 80 gram 20 ºC’deki su ile 80 gram 80 ºC’deki karıştırılırsa son sıcaklık kaç ºC olur? A) 40 B) 50 C) 55 D) 60 11. 20 ºC sıcaklıkta 2 cm eninde ve 5 cm boyundaki Cu (bakır ) levhanın 80 ºC’deki yüzey genleşmesi kaç cm2 olur? ( λCu = 17.10 −61 / 0 C ) A) 0,102 B) 0,0102 C) 0,00102 D) 0,000102 52 53 12. Bir kenarı 10 cm olan bakırdan yapılmış küp şeklindeki kap tamamen su ile doludur. Suyun sıcaklığını 20 ºC’ den 80 ºC ‘ ye çıkardığımızda kaptan kaç cm3 su taşar? ( λCu = 17.10 −61 / 0 C , a su = 2.10 −31 / 0 C ) A) 123,06 B) 120 C) 118,98 D) 108 13. Metanın yanma tepkimesi ve tepkime ısısı aşağıda verilmiştir. CH4 (g) + 2 O2(g) → CO2 (g) + 2 H2O (s) ∆H = - 212 kcal ∆H0 CO2 = -94 kcal , ∆H0 H2O = -68 kcal olduğuna göre, metanın (CH4) oluşma ısınsı hesaplayınız? A) –18 kcal /mol B) 18 kcal /mol C) –162 kcal /mol D) 162 kcal /mol 14. C2 H5 OH(s) + 3 O2(g) → 2 CO2 (g) + 3 H2O (s) tepkimesine göre, 9,2 g etil alkol (C2 H5 OH) yeterince O2 ile tepkimeye girdiğinde kaç kcal ısı açığa çıkar? (∆H0 C2H5OH (s) = - 66 kcal /mol , ∆H0 CO2(g) = - 94 kcal /mol , ∆H0 H2O (s) = - 68 kcal /mol, C2 H5 OH = 46 g /mol) A) 60 B) 60,2 C) 62 D) 65,2 15. Bakırdan yapılmış bir kalorimetrede 3 gram karbon (C) yandığında sıcaklık 11 ºC yükselmektedir. Kalorimetre kabının kütlesi 1500 g, içindeki su 2000 g olduğuna göre karbonun molar yanma ısısı nedir? (cCu = 0,1kal /g ºC, csu =1 kal /g ºC ) A) 22 B) 64,2 C) 94,6 D) 96,4 16. I. 2Fe2 O3(k) + 6 CO (g) → 6 CO2 (g) + 4Fe (k) + 14 kcal CO (g) + 26 kcal II. C(k) + ½ O2(g) → III. CO (g) + ½ O2(g) → CO2 (g) + 68 kcal Yukarıdaki tepkimeye göre, 3C(k) +2Fe2 O3(k) → 4Fe (k) + 3 CO2 (g) tepkimesinin entalpisi kaç kcal dir? A) –112 B) –108 C) +108 D) +112 53 54 17. ∆T ve A’nın sabit tutup L’yi değiştirirsek ısı iletiminde Qx ile L arasındaki orantının ifade edilişi hangi şıkta doğru olarak verilmiştir? A) B) C) D) 18. Q x αL Qx = L 1 Q xα L 1 Qx = L 10 cm kalınlığında bir duvarın yüzey sıcaklıkları sıra ile 20 ºC ve -4 ºC’dir. Malzemenin ısı iletim kat sayısı 0,872 W/mK olduğuna göre 16 m2’lik yüzeyin ısı kaybı değeri ne kadardır? A) B) C) D) 3348,48 33,48 48.33 48,48 19. Bir düzlem duvarda ısı akısı 100 W/m2 olduğu biliniyor. Ayrıca duvar yüzeyi ve çevresindeki 200C ‘de hava arasında ısı taşınım kat sayısı 10 W/m2 K olarak verilmektedir. Duvarın yüzey sıcaklığının değeri kaç ºC’dir. A) 10 B) 20 C) 30 D) 40 20. Bir fırının duvarı 10 mm demirden yapılmıştır. Duvarın iç yüzeyi 160 ºC’dir. Duvarı ısı iletim kat sayısı 24 W/mK ve duvardan geçen ısı akısı 48 W/m2 olduğuna göre duvarın dış yüzeyinin sıcaklığı kaç ºC’dir? A) 100 B) 120 C) 130 D) 140 21. 10 m boyunda, 5 m eninde bir duvar yüzeyi ve çevresi 20 ºC, duvarın yüzey sıcaklığı 80 ºC’dir. Hava arasında ısı taşınım kat sayısı 15 W/m2 K olarak veriliyor. Duvarın ısı transfer değeri kaç W’tır? A) 30000 B) 40000 C) 45000 D) 50000 54 55 22. Bir binanın terası 20 m2 olup yaz boyunca güneş ışınlarına maruz kalıyor ve yüzey sıcaklığı ortalama 47 ºC’de sabit kalıyor. Bulutsuz bir gece vakti terastan uzaya olan birim zamandaki ısı transfer miktarı 26762 W olduğuna göre yüzey ve yüzey arasındaki ışınımla ısı transfer kat sayısının (hr= ? W/ m2 K) değeri kaçtır? (Tu = 0 K ) A) 2,815 B) 3,185 C) 4,1815 D) 5,15 23. Bir düzlem duvarın yüzey sıcaklığı 60 ºC’dir. Ayrıca duvar yüzeyi ve çevresinde 20 ºC’de hava arasında ısı taşınım kat sayısı 10 W/ m2K olarak verilmektedir. Buna göre duvarın ısı akısı değeri kaçtır? A) 100 B) 200 C) 300 D) 400 DEĞERLENDİRME Sorulara verdiğiniz cevaplar ile cevap anahtarınızı karşılaştırınız, cevaplarınız doğru ise modül değerlendirme uygulamasına geçiniz. Yanlış cevap verdiyseniz öğrenme faaliyetinin ilgili bölümüne dönerek konuyu tekrar ediniz. 55 56 UYGULAMA TESTİ Size verilen briketten yapılmış fırına 40 cm uzunluğunda bir ucu dışta kalacak şekilde demir çubuk yerleştiriliyor. Fırın bek alevinde 10 dakika ısıtılıyor. Demir çubuğun bekin kapatıldığı sıcaklıktaki boyunu hesaplayınız? λ Fe = 12.10 −6 , h∞ = 20W / m 2 K , ε = 0,8 , σ = 5,67.10 −8 W / m 2 K 4 , k = 1,2W / mK Aşağıda belirtilen uygulama faaliyetini gözlenecek davranışları dikkate alarak gerçekleştiriniz. İşlemlerinizden sonra aşağıdaki kontrol listesini doldurunuz. DEĞERLENDİRME ÖLÇÜTLERİ 1. İş önlüğünüzü giyip çalışma masanızı düzenlediniz mi? 2. 40 cm boyunda demir çubuk hazırladınız mı? 3. Fırının duvar kalınlığını ölçtünüz mü ? 4. Demir çubuğu bir uçu dışarda kalacak şekilde fırına yerleştirdiniz mi? Fırını üçayağın üzerine yerleştirdiniz mi ? 5. 7. Bekin alevinin tamamının fırın içinde olacak şekilde ayarladınız mı ? Fırının dış duvar yüzeyine termometreyi sabitlediniz mi? 8. Atölye ortamının sıcaklığını ölçtünüz mü? 9. Beki yaktınız mı ? 10. 10 dakika fırını ısıttınız mı? 11. Beki söndürdüğünüz anda duvarın dış yüzey sıcaklığını termometreden okuyup not ettiniz mi? Fırının iç sıcaklığını hesaplatınız mı? 6. 12. 14. Fırının iç sıcaklığından yararlanarak demir çubuğun boyca uzamasını hesapladınız mı? Deneyiniz bittiğinde malzemelerinizi temizlediniz mi? 15. Malzemelerinizi eksiksiz teslim ettiniz mi? 16. Rapor hazırlayıp teslim ettiniz mi? 13. Evet Hayır DEĞERLENDİRME Performans testi sonunda “Hayır” şeklindeki cevaplarınızı bir daha gözden geçiriniz. Kendinizi yeterli görmüyorsanız öğrenme faaliyetini tekrar ediniz. Eksikliklerinizi araştırarak ya da öğretmeninizden yardım alarak tamamlayabilirsiniz. Cevaplarınızın tamamı “Evet” ise bir sonraki modüle geçiniz. 56 57 CEVAP ANAHTARLARI CEVAP ANAHTARLARI ÖĞRENME FAALİYETİ 1 CEVAP ANAHTARI 1. 2. Galilo - 16 Suyun donma– 00C Isı Öz ısı Genleşme C A C D D C A 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. ÖĞRENME FAALİYETİ 2 CEVAP ANAHTARI 1 2 3 4 D B A D ÖĞRENME FAALİYETİ 3 CEVAP ANAHTARI 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. D C A C B D D A 57 58 ÖĞRENME FAALİYETİ 4 CEVAP ANAHTARI 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Zorlanmış Doğal Akışkan hareketi Elektromanyetik -Foton B D C B A C MODÜL DEĞERLENDİRME SORULARI CEVAP ANAHTARI 1. 2. 3. 4. 5. 212 Enerji 1 Calori Büzülme Boyca uzama Endotermik -Ekzotermik Isı kapsamı Oluşma Entalpisi B D B C A D C D C A B D C C D 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 58 59 KAYNAKÇA KAYNAKÇA ¾ ARIK, Ahmet, Rahim POLAT; Kimya Lise 2, Oran Yayıncılık, İZMİR, Baskı, Kaptan Ofset- İSTANBUL ¾ ARIK, Ahmet, Rahim POLAT, Şeniz ŞENİZ, Ö.S.S Kimya, Oran Yayıncılık, Kaya Ofset – İSTANBUL – Kasım 2003 ¾ DALKILIÇ, İbrahim, Nurşen DALKILIÇ, Kimya – Lise 2, Mega Yayıncılık – ANKARA ¾ KAKAÇ, Sadık, Isı Transferine Giriş I: Isı İletimi, Tisa Matbaacılık sanayi, ANKARA – 1976 ¾ KALYONCU, Celalettin, Yaşar ÇAKMAK, Fizik – Lise 1, Semih Ofset – ANKARA 2005 ¾ TÜPRAŞ (Türkiye Petrol Rafinerileri A.Ş.), Proses Üniteleri İşletme Müdürlüğü Eğitim Programları–1 ¾ TAŞLICA, Ali Osman, Kemal TANER, Fahri OLUKLULU, Zekeriya ALTAÇCihaz Teknolojisi – Sıcaklık ve Kimyasal Bileşimin Ölçümü (2), Etam A.Ş. Matbaa Tesisleri, ESKİŞEHİR – 1994 ¾ www.virtualsciencefair.org/.../conclusion.html ¾ http://tr.wikipedia.org/wiki/Ate%C5%9F ¾ www.numerical-modeling.ca/.../Gas_radiation.htm ¾ www.newtonfizigi.com/termo.pdf ¾ www.kfupm.edu.sa/me/Lheattrs_Equipment.htm ¾ www.ceet.niu.edu/depts/me/hmt.html 59
