💡 10. Sınıf Fizik: Enerji, ısı ve sıcaklık Çözümlü Örnekler

💡 Çözüm:

Kavramları tek tek inceleyelim:

• I. İfade: İç enerji, bir maddeyi oluşturan taneciklerin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır. Sıcaklık arttıkça taneciklerin ortalama kinetik enerjisi artacağı için maddenin iç enerjisi de artar. (Doğru)
• II. İfade: Fizikte tek başına bir maddenin "ısısı" diye bir kavram yoktur. Isı, yalnızca transfer edilen bir enerji türüdür. Bu yüzden "maddenin ısısı" ifadesi bilimsel olarak yanlıştır. (Yanlış)
• III. İfade: Isı, sıcaklıkları farklı iki sistem arasında sıcaklığı yüksek olandan düşük olana doğru yalnızca sıcaklık farkından dolayı aktarılan enerjidir. (Doğru)

✅ Cevap: I ve III

💡 Çözüm:

Bir maddenin sıcaklığını değiştirmek için verilmesi veya alınması gereken ısı miktarı şu formülle hesaplanır:

\[ Q = m \cdot c \cdot \Delta t \]

Verilen değerleri formülde yerine yazalım:

• Kütle: \( m = 200 \) g
• Öz ısı: \( c = 0.11 \) cal/g°C
• Sıcaklık değişimi: \( \Delta t = 80 - 20 = 60^\circ\text{C} \)

Hesaplamayı yapalım:

\[ Q = 200 \cdot 0.11 \cdot 60 \]

\[ Q = 22 \cdot 60 \]

\[ Q = 1320 \] cal

✅ Demirin sıcaklığını artırmak için sisteme 1320 kalori ısı verilmelidir.

💡 Çözüm:

Hal değişimi sırasında sıcaklık sabit kalır. Erime sürecinde gerekli olan ısı miktarı şu formülle bulunur:

\[ Q = m \cdot L \]

Soruda verilen değerleri yerine koyalım:

• Maddenin kütlesi: \( m = 50 \) g
• Erime ısısı: \( L = 80 \) cal/g

Hesaplama:

\[ Q = 50 \cdot 80 \]

\[ Q = 4000 \] cal

✅ Buzun tamamen erimesi için sisteme 4000 kalori ısı verilmesi gerekir.

💡 Çözüm:

Isıca yalıtılmış ortamda alınan ısı, verilen ısıya eşittir:

\[ Q_{alinan} = Q_{verilen} \]

Sıcaklığı düşük olan su ısı alacak, sıcaklığı yüksek olan su ise ısı verecektir. Denge sıcaklığına \( t \) diyelim:

\[ m_1 \cdot c \cdot (t - t_1) = m_2 \cdot c \cdot (t_2 - t) \]

Değerleri yerine yazalım (öz ısılar aynı olduğu için sadeleşir):

\[ 100 \cdot (t - 20) = 200 \cdot (80 - t) \]

Sadeleştirme yapalım:

\[ t - 20 = 2 \cdot (80 - t) \]

\[ t - 20 = 160 - 2t \]

\[ 3t = 180 \]

\[ t = 60^\circ\text{C} \]

✅ Karışımın denge sıcaklığı 60 derece olarak bulunur.

💡 Çözüm:

Genleşme katsayısı büyük olan metaller, sıcaklık değişimlerine karşı daha duyarlıdır. Yani ısıtıldıklarında daha çok uzarlar, soğutulduklarında ise daha çok büzülürler.

• 1. Isıtılma Durumu: X metalinin genleşme katsayısı daha büyük olduğu için X, Y'ye göre daha fazla uzamak isteyecektir. Dış tarafta kalan metal daha uzun olacağı için metal çifti Y metalinin üzerine doğru (Y yönünde) bükülür.
• 2. Soğutulma Durumu: Soğutulduğunda genleşme katsayısı büyük olan X metali daha çok büzülerek daha kısa hale gelecektir. Bu durumda kısa kalan metal içte kalacağı için metal çifti X metalinin üzerine doğru (X yönünde) bükülür.

✅ Bu prensip sayesinde elektrik devresi açılıp kapanarak sıcaklık kontrol altında tutulur.

💡 Çözüm:

Isının yayılmasını engellemek için termoslarda şu fiziksel önlemler alınır:

• a) Çift duvar arasındaki vakumlanmış boşluk: Isının iletim (kondüksiyon) ve konveksiyon (taşıma) yoluyla yayılabilmesi için maddesel bir ortama ihtiyaç vardır. Aradaki hava boşaltılarak maddesel ortam yok edilir ve böylece ısının iletim ve konveksiyon yollarıyla dışarı kaçması veya içeri girmesi engellenir.
• b) Parlak iç yüzey: Sıcak maddeler çevrelerine kızılötesi ışınlar yayarak ışıma (radyasyon) yoluyla ısı kaybederler. Parlak ve yansıtıcı yüzeyler, bu ısı ışınlarını tekrar içe doğru yansıtarak ısının ışıma yoluyla yayılmasını engeller.

💡 Çözüm:

Boyca genleşme miktarı şu formülle hesaplanır:

\[ \Delta L = L \cdot a \cdot \Delta t \]

Verilen değerleri yerine yazalım:

• İlk boy: \( L = 10 \) m
• Genleşme katsayısı: \( a = 1.2 \cdot 10^{-5} \text{ /}^\circ\text{C} \)
• Sıcaklık değişimi: \( \Delta t = 40 - 10 = 30^\circ\text{C} \)

Hesaplamayı yapalım:

\[ \Delta L = 10 \cdot (1.2 \cdot 10^{-5}) \cdot 30 \]

\[ \Delta L = 300 \cdot 1.2 \cdot 10^{-5} \]

\[ \Delta L = 360 \cdot 10^{-5} \text{ metre} \]

\[ \Delta L = 0.0036 \text{ metre} \]

Metreyi milimetreye çevirmek için \( 1000 \) ile çarparız:

\[ \Delta L = 0.0036 \cdot 1000 = 3.6 \text{ mm} \]

✅ Çelik rayın boyu 3.6 mm uzar.

💡 Çözüm:

Saf maddelerin hal değişimi sırasındaki özelliklerini kullanarak grafiği yorumlayalım:

• a) Erime Sıcaklığı: Saf maddeler hal değiştirirken sıcaklıkları sabit kalır. Grafikte sıcaklığın sabit kaldığı değer \( 0^\circ\text{C} \)'dir. Dolayısıyla maddenin erime sıcaklığı \( 0^\circ\text{C} \)'dir.
• b) Katı ve Sıvı Fazın Birlikte Bulunduğu Aralık: Hal değişimi süresince (erime esnasında) maddede her iki faz da bir arada bulunur. Erime süreci \( 4 \). dakikada başlayıp \( 10 \). dakikada bittiği için, madde 4 - 10. dakikalar arasında heterojen görünümlüdür ve hem katı hem sıvı halde bulunur.