Genleşme

03.11.2019 - 15:23

Temel fizikte gördüğümüz konulardan biri de genleşmedir. Genleşme sıcaklık etkisiyle olduğu için aslında ısı sıcaklık ve genleşme genellikle tek başlık altında ele alınır. Bu yazıda genleşme nedir, neden olur, nelere bağlıdır gibi sorulara yanıt arayacak ve konuyu birlikte öğrenmeye çalışacağız.

Isı alan maddelerde, sıcaklık artışının bir sonucu olarak boy, yüzey alanı veya hacimde meydana gelen artmaya genleşme denir. Genleşme katılarda, sıvılarda ve gazlarda gerçekleşmektedir.

Genleşmenin temel nedeni sıcaklık artışıdır. Sıcaklık arttığı zaman maddedeki moleküllerin kinetik enerjisi artar. Bu nedenle daha hızlı hareket eder ve birbirlerini daha çok iterler. Böylece moleküllere daha fazla yayılma alanı gerekir. Doğal olarak moleküller birbirinden uzaklaşacağı için maddenin hacminde de artış olur.

Bir maddeyi ısıttığımızda nasıl genleşiyorsa soğuttuğumuzda da büzülür. Çok genleşen maddeler aynı zamanda çok büzülme özelliği gösterirler.

Genleşme konusunda örnekleri anlamak ve soruları iyi çözmek için maddenin üç fazında da genleşme ile ilgili bilgiler verelim.

Katılarda Genleşme

Katı maddelerin molekülleri daha sıkı dizilmiştir. Bu nedenle sıcaklıkla genleşme katılarda daha belirgin gözlemleneblir. Aynı şekilde katılar soğutulduğunda da hacimleri azalır. Buna da büzülme denir.

Öyleyse su donduğunda neden hacmi artar? Hatta su dolu bir şişeyi donmaya bırakırsanız şişenin şiştiğini veya kırıldığını görürsünüz.

Cevap: Su, antimon ve bizmut gibi maddeler donunca hacmi artan istisna maddelerdir. Geri kalan maddeler için bunun tam tersidir.

Katıların genleşmesi günlük hayatta da karşımıza çıkmaktadır. Örneğin elektrik telleri yazın aşağı doğru sarkar ve kışım daha dik durur. Bunun nedeni yazın genleşmenin, kışın da büzülmenin olmasıdır. Teller döşenirken mevsim değişikliği de hesaba katılmak zorundadır.

Yine tren rayları güneş alarak uzarlar. Bu nedenle tren raylarında eklenti bölgelerinde bir miktar boşluklar bırakılır. Bunun nedeni de yine katılarda genleşme prensibidir.

Katılarda Boyca Uzama

Genellikle metal çubuk örneği verilir. Metal çubuğun ilk boyuna L₀ diyelim. Metal çubuğu ısıt sıcaklığını Δt kadar arttırsak sıcaklıkla orantılı olarak genleşir.

Öyleyse boyca uzama miktarı ΔL = L₀.λ.Δt bağıntısıyla bulunur. Burada λ boyca genleşme katsayısıdır ve maddeye özgüdür.

Yani genleşmenin bağlı olduğu değişkenler cismin ilk boyuna, uzama katsayısına ve sıcaklık farkına bağlıdır.

Metal çubuğun son boyunu bulacaksak eğer L = L₀ + L₀.λ.Δt formülüyle bulabiliriz.

Katılarda Yüzeyce Genleşme

Yüzeyce genişleme iki boyutlu olduğu için uzama katsayısı da 2 katına çıkacaktır. Yine aynı formülü kullanabiliriz. İlk alana S₀ diyelim.

Öyleyse uzama miktarı ΔS = S₀.2 λ.Δt eşitliğiyle bulunabilir.

Son durumda alan ise S = S₀ + S₀.2 λ.Δt eşitliğiyle bulunur.

Katılarda Hacimce Genişleme

Aynı mantığı kendiniz de kurabilirsiniz. Bu safer hacimce genişleme katsayısı 3 kat olacaktır. Cismin uzamadan önceki hacmine V₀ diyelim.

Hacimdeki artış miktarı ΔV = V₀.3λ.Δt ile bulunacaktır.

Son durumda hacim ise V = V₀ + V₀.3λ.Δt olacaktır.

Sıvılarda Genleşme

Elbette sıvı maddeler de genleşir. Ancak sıvılarda genleşmeyi katılardaki gibi gözlemleyemeyiz. Çünkü sıvıların hacmi olmasına rağmen boyu, alanı ve şekli yoktur.

Öyleyse sıvıyı hacmi belli bir kaba koyup ısıtırsak ve buharlaşmaya da engel olursak sıvıdaki genleşmeyi hacim farkından ölçebiliriz.

Sıvılarda sıcaklıkla hacim artışı ΔV = V. a. Δt formülüyle bulunur. Burada a sıvının genleşme katsayısıdır.

Termometrelerin, termosifonların, sıcak su kazanlarının çalışma mantığı sıvıların genleşmesi ilkesine dayanır.

Gazlarda Genleşme

Gazlardaki moleküller sıvılardan bile daha serbesttir. Gazlarda hacmin ölçülmesi de zordur çünkü gazlar çok kolay yayılırlar.

Gazlarda genleşme gazdan gaza farklılık göstermez. İdeal kabul edilen gazların tamamı aynı şekilde genleşir. Bu nedenle gazların genleşmesiyle ilgili hesap yapacağımız sorularla karşılaşmayız.

Gazlarda genleşme katsayısı ayırt edici bir özellik değildir.

Gazların genişlemesi çeşitli soğutma sistemlerinde ve motorlarda aktif olarak kullanılmaktadır.

Metal Çifti Soruları

Sınavlarda hacimce genişleme soruları veya boyca uzama sorularıyla karşılaşabiliriz. Bu sorularda yukarıda verdiğimiz formüller kullanılır. Ancak genleşmeyle ilgili karşımıza en çok sıkan soru tipi metal çifti sorularıdır.

Birbirine perçinlenmiş iki metal ısıtıldığı zaman bu metallerin genleşme katsayısı farklıysa daha çok uzayan metal diğerini kuşatır. Yani dışta olanın uzama katsayısı daha fazladır.

Yine perçinlenmiş metal çifti soğutulursa iki metalin de boyu kısalacaktır. Ancak uzama katsayısı yüksek olan metalin boyu daha çok kısalacağı için diğer metal onu kuşatacaktır. Dolayısıyla bu sefer içte kalanın katsayısı daha büyüktür şeklinde düşünebiliriz.

Metal çiftleri teknolojinin birçok alanında da kullanılmaktadır. Farkına varmadığımız günlük hayatımızdaki ütü, şofben gibi araçlarda dahi metal çifti bulunmaktadır.

Etiketler:

fizik

Yorumlar

Yorum Yap