Genleşme

Termodinamik
Klasik Carnot ısı makinesi
Dallar Klasik İstatistiksel Kimyasal Kuantum termodinamiği Denge / Dengesizlik
Kanunlar Sıfırıncı Birinci İkinci Üçüncü
Sistemler Kapalı sistem İzole sistem Durum Hâl denklemi İdeal gaz Gerçek gaz Maddenin hâlleri Faz (madde) Denge Kontrol hacmi Enstrümanlar Süreçler İzobarik İzokorik İzotermal Adyabatik İzentropik İzentalpik Kuazi-statik Politropik Serbest genişleme Tersinirlik Tersinmezlik Endotersinirlik Çevrimler Isı motorları Isı pompaları Isıl verim
Sistem özellikleri Not: Eşlenik değişkenler italik yazılmıştır. Özellik diyagramları Yeğin ve yaygın özellikler Süreç fonksiyonları İş Isı Hâl fonksiyonları Sıcaklık / Entropi (giriş) Basınç / Hacim Kimyasal potansiyel / Parçacık sayısı Buhar kalitesi İndirgenmiş özellik
Malzeme özellikleri Özellik veritabanları Isı sığası  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Sıkıştırılabilirlik  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Genleşme  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Denklemler Carnot teoremi Clausius teoremi Temel ilişki İdeal gaz yasası Maxwell ilişkileri Çift taraflı Onsager bağıntıları Bridgman denklemleri Termodinamik denklemler tablosu
Potansiyeller Serbest enerji Serbest entropi İç enerji ${\displaystyle U(S,V)}$ Entalpi ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Helmholtz serbest enerjisi ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Gibbs serbest enerjisi ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
Tarih Kültür Tarih Genel Entropi Gaz yasaları "Devridaim" makineleri Felsefe Entropi ve zaman Entropi ve yaşam Brownian ratchet Maxwell'in Cini Isı ölümü paradoksu Loschmidt paradoksu Sinerjetik Teoriler Kalorik teorisi Vis viva ("yaşam gücü") Isının mekanik eşdeğeri Tahrik gücü Temel yayınlar "An Experimental Enquiry Concerning ... Heat" "On the Equilibrium of Heterogeneous Substances" "Reflections on the Motive Power of Fire" Zaman çizelgeleri Termodinamik Isı makineleri Sanat Eğitim Maxwell'in termodinamik yüzeyi Enerji dağıtımı olarak entropi
Bilim insanları Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
Diğer Çekirdeklenme Öztoplanma Özörgütlenme Düzen ve düzensizlik
Kategori

Genleşme, sıcaklığı artırılan bir cismin uzunluk ya da hacminin değişmesi olayıdır.

Katıları, sıvıları ya da gazları oluşturan tanecikler, ortalama konumları çevresinde sürekli çalkalanma halindedirler. Bu cisimlerden birine ısı biçiminde enerji verilirse bu enerji kinetik enerjiye dönüşür. Dolayısıyla, kinetik enerjisi artan tanecikler daha şiddetle çalkalanır ve daha geniş alana yayılmaya çalışırlar; yani sıcaklığı yükselen cisim (katı, sıvı, gaz) aynı zamanda genleşir. Sıcak bir cisim ışınını başka bir maddeye gönderirse o maddenin kapladığı alan (hacmi) genişler ve yayılır.

Genleşme katsayısı, bir maddenin ısı etkisiyle genleştiği miktarın belirlenmesi için kullanılan katsayıdır. Birim hacimdeki bir maddenin birim sıcaklık değişiminde hacmindeki değişme miktarı olarak tanımlanır.

Isı değişikliği etkisi altında kalan bir malzemeyi oluşturan atomların, enerji düzeylerinin değişmesi ile moleküler bağ uzunlukları değişir. Dolayısıyla atomlar arası mesafelerin değişmesi maddenin hacmini de değiştirir.

Katı ve sıvı her maddenin farklı bir genleşme katsayısı vardır. Aynı şartlar altında eşit hacimdeki iki gaz örneği özdeş ısıtıcılarda aynı sürede ısıtıldıklarında hacimleri eşit miktarda artar. Bütün gazların genleşme katsayısı aynıdır.

Bir gaz, sıvı veya katının genel hacimce genleşme katsayısı şöyle ifade edilir;

${\displaystyle \alpha _{V}={\frac {1}{V}}\,\left({\frac {\partial V}{\partial T}}\right)_{p}}$

Burada p alt indisi,genleşme süresince sabit tutulan basıncı; "V" ise bu genel ifadeye giren (doğrusal olmayan) hacimce gerilmeyi ifade eder. Gaz ortamında basıncın sabit tutulması önemlidir. Çünkü bir gaz hacmi, basınç ve sıcaklıkla çok değişir. Düşük yoğunlukla bir gaz için bu, ideal gaz modelinde görülebilir.

Dışarıdan ısı alan maddenin taneciklerinin kinetik enerjisi, dolayısıyla taneciklerin titreşim hızı artar. Tanecikler birbirinden uzaklaşmaya başlar. Bu olaya genleşme adı verilir. Tersine olarak madde dışarıya ısı verdiğinde (madde soğutulduğunda) maddenin taneciklerinin kinetik enerjilerinin azalmasına neden olur.

Maddelerin genleşmesi ya da tersine büzülmesi sırasında büyük kuvvetlerin ortaya çıkması, tren raylarında, köprü gibi yapılarda hasarlara neden olmaktadır. Bu yüzden tren raylarının eklenti yerlerinde boşluklar bırakılır, köprüler demir makaralar üzerine oturtulur. Çevremizdeki bu tür yapıları gözlemleyerek genleşme ile ilgili birçok örnekler bulabiliriz.

Katı bir maddenin sıcaklığının 1 °C yükseltilmesiyle birim boyundaki uzama miktarına boyca genleşme katsayısı denir.

Bir metal çubuğun önceki ilk boyu, L₀ olsun. Bu metal boyu uzayarak son boyu L olur. Boyca uzama miktarı (Δl);

ΔL =L-L₀= L₀.λ.Δt bağıntısıyla bulunur. Burada,

L₀ : Metalin ilk boyu.

Δt = t_son-t_ilk : Metalin ısıtılmadan önceki sıcaklığı ile ısıtıldıktan sonraki sıcaklığının farkıdır.

Basınç ihmal edilirse, boyca genleşme katsayısı şöyle ifade edilebilir.

${\displaystyle \alpha ={1 \over L}{\partial L \over \partial T}}$

Bir metal levhanın ısıtılmadan önceki ilk yüzeyi S₀ olsun. Bu metal levhayı ısıttığımızda, yüzey artarak son yüzeyi

ΔS = S-S₀=S₀.2 λ.Δt bağıntısıyla hesap edilir.

Burada;

S₀: Metalin ilk yüzü.

2λ: Yüzeyce genleşme katsayısı (Boyca genleşmenin iki katıdır.)

Δt = t_son-t_ilk :Sıcaklık farkıdır

Metal bir kürenin ısıtılmadan önceki ilk hacmi V₀ olsun. Bu metal küreyi ısıttığımızda son hacmi V olur. Hacimce genleşme miktarı ΔV;

ΔV= V-V₀ =V₀ .3λ.Δt

Burada;

V₀: Metal kürenin ilk hacmi

3λ: Hacimce genleşme katsayısı (Dikkat edilirse boyca genleşme katsayısının üç katıdır.)

Δt = t_son-t_ilk : Sıcaklık

Sıvıların ısıtılmadaki davranışlarını, katılarda olduğu gibi inceleyemeyiz. Çünkü, sıvıları katılar gibi şekillendirmek, örneğin boru haline getirmek imkânsızdır. Bu yüzden, sıvıların, bir kap içinde incelenmeleri gerekir. Ayırt edici bir özelliktir.

Sıvıların genleşmesinden sıvılı termometrelerde, sıcak su kazanlarında, termosifonlarda ve kalorifer sistemlerinde yararlanılır. Sıvıların genleşme miktarı aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır;

ΔV=V.a.ΔT

Bağıntıda;

ΔV: sıvının hacimce genleşme miktarı

V: sıvının ilk hacmi

a: sıvının hacimce genleşme katsayısı

ΔT: sıcaklık değişimidir

Gazlarda genleşme her gazda aynıdır. Gazlar en çok genleşen maddelerdir.

İdeal gaz için, hacimce genleşme (örneğin, sıcaklık değişiminden dolayı hacimdeki görsel değişim) sıcaklığı değiştiren sürecin türüne bağlıdır. İki temel durumdan biri, basıncın sabit tutulduğu izobarik süreç, diğeri ortamda ısı değişiminin olmadığı süreçtir.

Bir izobarik süreçte hacimce genleşmeyi ${\displaystyle \gamma _{p}}$ ile gösterirsek, ideal gaz yasasına göre:

${\displaystyle PV=nRT\,}$

${\displaystyle \ln \left(V\right)=\ln \left(T\right)+\ln \left(nR/P\right)}$

${\displaystyle \gamma _{p}=\left({\frac {1}{V}}{\frac {dV}{dT}}\right)_{p}=\left({\frac {d(\ln V)}{dT}}\right)_{p}={\frac {d(\ln T)}{dT}}={\frac {1}{T}}.}$

olur. Burada ${\displaystyle p}$ izobarik süreci ifade eder.

Wikimedia Commons'ta Genleşme ile ilgili ortam dosyaları bulunmaktadır.