Hal değişimi

Bir tencereye buzlu su koyup ocağı yakın ve içine bir termometre daldırın. Buzlar eriyip bitene kadar termometre inatla 0 °C'yi gösterir; ocak sürekli enerji verdiği hâlde sıcaklık kıpırdamaz. Buz bitince sıcaklık hızla yükselmeye başlar, 100 °C'ye gelince yeniden durur ve su kaynayıp buhar olurken orada kalır. Ocağın verdiği enerji bu iki duraklamada nereye gitmiştir? Sıcaklığı artırmamışsa ne işe yaramıştır? Cevap, maddenin tanecikleri arasındaki bağlarda saklıdır. Önceki derste bir cismin ısı alınca sıcaklığının nasıl değiştiğini Q = m · c · ΔT ile hesapladık. Ama o ilişki yalnız maddenin hâli değişmediği sürece geçerlidir. Bu derste hal değişimlerini inceliyoruz: erime, donma, buharlaşma, yoğuşma, süblimleşme ve kırağılaşmayı tanımlamayı, hal değişimi sırasında sıcaklığın neden sabit kaldığını, erime ve buharlaşma ısısıyla Q = m · L hesabını, ısınma grafiklerini okumayı ve kaynama noktasını değiştiren etkenleri öğreniyoruz.

• Hal değişimlerini adlandırır, hangilerinde ısı alındığını, hangilerinde verildiğini söylersin.
• Hal değişimi sırasında sıcaklığın neden sabit kaldığını tanecik düzeyinde açıklarsın.
• Q = m · L ve Q = m · c · ΔT ilişkilerini birlikte kullanarak çok adımlı ısı hesapları yaparsın.
• Kaynama ve donma noktasını değiştiren basınç ve safsızlık etkilerini yorumlarsın.

Altı hal değişimi

Madde katı, sıvı ve gaz hâllerinde bulunabilir ve bu hâller arasında altı geçiş vardır:

Taneciklerin daha serbest olduğu hâle geçişlerde madde ısı alır; daha düzenli hâle geçişlerde ısı verir. Naftalinin dolapta kendiliğinden azalması süblimleşmeye, kış sabahları camlarda oluşan buz desenleri kırağılaşmaya örnektir. Kuru buz olarak bilinen katı karbon dioksit de normal hava basıncında erimez; doğrudan gaza dönüşür ve çevresinde beyaz bir sis oluşturur. Bu sis, soğuyan havadaki su buharının yoğuşmasıdır.

Sıcaklık neden sabit kalır?

Bir katı ısındıkça tanecikleri daha hızlı titreşir. Erime noktasına gelindiğinde verilen ısı artık taneciklerin hızını artırmaya değil, onları yerlerinde tutan bağları gevşetmeye harcanır. Taneciklerin ortalama hareket enerjisi değişmediği için sıcaklık da değişmez. Bütün katı eriyene kadar bu sürer. Aynı durum kaynamada da geçerlidir: verilen ısı sıvı taneciklerini birbirinden tamamen koparmaya harcanır.

Saf bir maddenin erime ve donma noktaları aynı sıcaklıktır; aynı basınçta kaynama ve yoğuşma noktaları da aynıdır. Saf su için deniz seviyesinde bu sıcaklıklar 0 °C ve 100 °C'dir. Bu sabit sıcaklıklar maddeye özgüdür ve maddeyi tanımak için kullanılabilir. Bir maddenin saf olup olmadığı da bu yolla anlaşılır: karışımlar belirli bir sıcaklıkta değil, bir sıcaklık aralığında erir.

Hal değişim ısısı: Q = m · L

Erime noktasındaki 1 g katının tamamen erimesi için gereken ısıya erime ısısı denir ve L_e ile gösterilir. Kaynama noktasındaki 1 g sıvının tamamen buharlaşması için gereken ısı ise buharlaşma ısısıdır (L_b). m kütleli bir maddenin hâlini değiştirmek için gereken ısı:

Q = m · L

Bu hesapta sıcaklık değişimi yoktur, ΔT kullanılmaz. Su için sorularda çoğunlukla L_e = 80 cal/g ve L_b = 540 cal/g alınır. Buna göre 0 °C'deki 25 g buzu eritmek için 25 · 80 = 2000 cal, 100 °C'deki 30 g suyu buhara çevirmek için 30 · 540 = 16 200 cal gerekir. Buharlaşma ısısının erime ısısından çok büyük olması, tanecikleri tamamen ayırmanın onları yalnız gevşetmekten çok daha fazla enerji gerektirmesinden kaynaklanır.

Ters yöndeki değişimlerde aynı miktarda ısı verilir: 100 °C'deki buhar yoğuşurken her gram için 540 cal ısı çevreye bırakır. Bu yüzden buhar yanıkları, aynı sıcaklıktaki su yanıklarından daha tehlikelidir. Bulutların oluşması ve yağmurun yağması sırasında atmosfere bırakılan yoğuşma ısısı da hava olaylarının önemli bir enerji kaynağıdır.

Çok adımlı hesaplar ve ısınma grafiği

Bir madde hem ısınıyor hem hâl değiştiriyorsa hesap adımlara bölünür. Her adımda ya sıcaklık değişir (Q = m · c · ΔT) ya hâl değişir (Q = m · L); ikisi aynı anda olmaz. Örneğin −10 °C'deki 60 g buzu 0 °C'de suya çevirmek için önce buz ısıtılır (c_buz = 0,5 cal/(g·°C) ile 60 · 0,5 · 10 = 300 cal), sonra eritilir (60 · 80 = 4800 cal); toplam 5100 cal gerekir.

Sabit güçlü bir ısıtıcıyla ısıtılan bir maddenin sıcaklık-zaman grafiği basamaklıdır: eğik parçalarda madde ısınır, yatay parçalarda hâl değiştirir. Yatay parçaların uzunluğu m · L ile, eğik parçaların eğimi ise ısı sığasıyla ters orantılıdır. Su için kaynama basamağı erime basamağından 540 / 80 = 6,75 kat uzundur.

Bir karışımın son durumunu bulmak için önce verilen ısının hangi aşamaya kadar yettiği kontrol edilir. Örneğin 0 °C'deki buza verilen ısı onu tamamen eritmeye yetmiyorsa son sıcaklık 0 °C olur ve bir kısım buz kalır.

Buharlaşma ve kaynama

Buharlaşma her sıcaklıkta, yalnız sıvının yüzeyinden gerçekleşir; yüzeydeki hızlı tanecikler sıvıdan kopar. Kaynama ise belirli bir sıcaklıkta, sıvının her yerinde kabarcıklar oluşarak gerçekleşir. Buharlaşan tanecikler en hızlı olanlar olduğu için geride kalan sıvının ortalama enerjisi düşer; buharlaşma soğutur. Terlemenin vücudu serinletmesi, testideki suyun serin kalması ve kolonya sürülen elin üşümesi bu yüzdendir. Sıcaklık, yüzey alanı ve rüzgâr buharlaşmayı hızlandırır; havadaki nemin artması yavaşlatır.

Kaynama ve donma noktasını değiştiren etkenler

Kaynama noktası sıvının üstündeki basınca bağlıdır. Basınç artınca kaynama noktası yükselir: düdüklü tencerede su 100 °C'nin üstünde kaynar ve yemek daha çabuk pişer. Basınç azalınca kaynama noktası düşer: yüksek dağlarda su 100 °C'nin altında kaynar ve yemek geç pişer.

Suya tuz gibi bir madde karıştırılınca kaynama noktası yükselir, donma noktası düşer. Kışın buzlanan yollara tuz serpilmesi, donma noktasını düşürerek buzun erimesini sağlar. Taşıt radyatörlerine konan antifriz de suyun donma noktasını düşürür.

Soru çözme sırası

Önce maddenin başlangıç ve son hâli ile sıcaklıkları yazılır. Aradaki yol basamaklara ayrılır: ısınma, hal değişimi, yeniden ısınma. Her basamak için uygun formül uygulanır ve ısılar toplanır. Son durum sorulursa verilen ısının hangi basamağa kadar yettiğine bakılır.

Örnek 1 — Erime

Soru: 0 °C'deki 45 g buzu tamamen eritmek için kaç kalori gerekir? (L_e = 80 cal/g)

• A) 125
• B) 3600
• C) 1800
• D) 45
• E) 7200

Çözüm: Q = 45 · 80 = 3600 cal. Cevap: B.

Örnek 2 — Hal adları

Soru: Kış sabahı cam yüzeyinde su buharının doğrudan buz kristallerine dönüşmesine ne ad verilir?

• A) Donma
• B) Yoğuşma
• C) Süblimleşme
• D) Kırağılaşma
• E) Erime

Çözüm: Gaz hâlden doğrudan katıya geçiş kırağılaşmadır. Cevap: D.

Örnek 3 — Basamaklı hesap

Soru: −20 °C'deki 10 g buz, 0 °C'de su hâline getiriliyor. c_buz = 0,5 cal/(g·°C), L_e = 80 cal/g olduğuna göre bu dönüşüm toplam kaç kalori ister?

• A) 900
• B) 100
• C) 800
• D) 1000
• E) 700

Çözüm: Isıtma 10 · 0,5 · 20 = 100 cal, erime 800 cal; toplam 900 cal. Cevap: A.

Örnek 4 — Grafik

Soru: Saf bir maddenin ısınma grafiğindeki yatay parça neyi gösterir?

• A) Maddenin soğuduğunu
• B) Isıtıcının kapandığını
• C) Isının kaybolduğunu
• D) Öz ısının sıfır olduğunu
• E) Maddenin sabit sıcaklıkta hâl değiştirdiğini

Çözüm: Verilen ısı bağları çözmeye harcanır; sıcaklık sabit kalır. Cevap: E.

• Hal değişiminde ΔT kullanmak. Hâl değişirken sıcaklık sabittir; Q = m · L kullanılır.
• Basamakları birleştirmek. Isınma ve hal değişimi ayrı ayrı hesaplanıp toplanır.
• Verilen ısının yettiğini varsaymak. Önce her basamağın ne kadar ısı istediğine bakılır.
• Buharlaşma ile kaynamayı aynı sanmak. Buharlaşma her sıcaklıkta ve yüzeyde olur.
• Kaynama noktasını sabit sanmak. Basınç ve karışan maddeler kaynama noktasını değiştirir.