Plazma ve hal değişim grafikleri

Bir yaz fırtınasında gökyüzünü yaran şimşek, bir alışveriş caddesinde yanıp sönen neon tabelalar ve gece gökyüzündeki yıldızların hepsi aynı hâlde bulunan maddeden ışık saçar. Bu hâl katı, sıvı ya da gaz değildir; gazın o kadar çok enerji aldığı bir durumdur ki atomlarından elektronlar kopmuş ve madde yüklü taneciklerden oluşan bir karışıma dönüşmüştür. Evrende parlayan görünür maddenin büyük kısmı bu hâldedir. Öte yandan bir buz kalıbını ocağa koyup her dakika sıcaklığını ölçersek bambaşka ama aynı ölçüde öğretici bir şey görürüz: sıcaklık düzenli artar, sonra bir süre hiç değişmez, sonra yeniden artar ve bir kez daha durur. Bu ders, modülü iki konuyla kapatıyor: maddenin dördüncü hâli olan plazmayla, ve hâller arasındaki geçişlerin sıcaklık–zaman grafiklerinde nasıl okunacağıyla.

• Plazmanın yapısını, oluşma koşullarını ve örneklerini açıklarsın.
• Altı hal değişimini adlandırır, hangilerinin ısı aldığını, hangilerinin ısı verdiğini belirlersin.
• Saf bir maddenin ısınma ve soğuma eğrisini okuyarak erime ve kaynama noktalarını, her aralıktaki hâli bulursun.
• Eğrinin yatay ve eğimli bölgelerini enerjiyle ilişkilendirir, saf madde ile karışımın eğrilerini ayırt edersin.

Plazma: maddenin dördüncü hâli

Bir gaz çok yüksek sıcaklıklara ısıtılırsa ya da içinden güçlü bir elektrik akımı geçirilirse atomlarındaki elektronların bir kısmı kopar. Ortaya artı yüklü iyonlarla serbest elektronlardan oluşan, bütün olarak yüksüz ama içinde serbestçe hareket eden yüklü tanecikler bulunan bir madde çıkar. Bu hâle plazma denir.

Plazma da gaz gibi bulunduğu hacmi doldurur ve kendine ait bir biçim taşımaz; ama gazlardan önemli farklarla ayrılır. İçinde serbest yüklü tanecikler bulunduğu için elektriği iyi iletir ve manyetik alanlardan etkilenir. Yüklü tanecikler yeniden birleşirken ya da enerji kaybederken ışık yaydığı için plazmalar çoğunlukla parlaktır.

Plazmanın doğal örnekleri arasında Güneş ve öteki yıldızlar, şimşek ve kutup ışıkları sayılır. Neon lambalar, floresan lambaların içi ve plazma ekranlar ise insan yapımı plazmalardır. Yıldızlar plazmadan oluştuğu için evrende parlayan görünür maddenin büyük kısmı plazma hâlindedir; Dünya'da ise plazma ancak özel koşullarda oluşur.

Altı hal değişimi

Katı, sıvı ve gaz arasındaki geçişlerin her birinin bir adı vardır:

Kural basittir: taneciklerin daha düzensiz ve serbest bir hâle geçtiği değişimler (erime, buharlaşma, süblimleşme) ısı alır; daha düzenli ve sıkı bir hâle geçtiği değişimler (donma, yoğuşma, kırağılaşma) ısı verir. Naftalinin ve iyotun doğrudan buhara dönüşmesi süblimleşmeye, kış sabahlarında havadaki su buharının soğuk yüzeylerde doğrudan buz kristallerine dönüşerek kırağı oluşturması kırağılaşmaya örnektir.

Isınma eğrisi

Saf bir katıyı sabit hızla ısıtıp sıcaklığını zamana karşı çizersek basamaklı bir eğri elde ederiz. 1 atmosfer basınçta −20 °C'deki buzdan başlayan bir örnek düşünelim:

1. Eğimli bölge (katı): Buzun sıcaklığı −20 °C'den 0 °C'ye yükselir. Verilen ısı, taneciklerin titreşimini artırır.
2. Yatay bölge (katı + sıvı): 0 °C'de erime başlar. Bütün buz eriyene kadar sıcaklık değişmez; verilen ısı, kristal düzeni bozmaya harcanır. Bu sıcaklık erime noktasıdır.
3. Eğimli bölge (sıvı): Sıvı suyun sıcaklığı 0 °C'den 100 °C'ye yükselir.
4. Yatay bölge (sıvı + gaz): 100 °C'de kaynama başlar. Bütün su buhara dönüşene kadar sıcaklık sabittir. Bu sıcaklık kaynama noktasıdır.
5. Eğimli bölge (gaz): Buharın sıcaklığı yükselmeye devam eder.

Grafiği okumanın anahtarı şudur: eğimli bölgelerde madde tek hâldedir ve sıcaklığı değişir; yatay bölgelerde iki hâl bir arada bulunur ve sıcaklık sabittir. İlk yatay basamağın yüksekliği erime noktasını, ikincisininki kaynama noktasını verir.

Basamakların uzunluğu ve eğimler

Isınma eğrisindeki ayrıntılar da bilgi taşır. Su için kaynama basamağı erime basamağından çok daha uzundur. Bunun nedeni, bir gram suyu buhara dönüştürmek için gereken ısının, bir gram buzu eritmek için gerekenden çok daha büyük olmasıdır; buharlaşmada moleküller birbirinden tamamen ayrılırken erimede yalnız düzen bozulur. Sabit hızla ısıtılan bir örnekte basamağın uzunluğu, o hal değişimi için gereken ısıyla orantılıdır.

Eğimli bölgelerin dikliği ise ilgili hâlin öz ısısıyla ilgilidir. Aynı ısı verildiğinde öz ısısı küçük olan hâlin sıcaklığı daha hızlı yükselir ve eğrinin o bölgesi daha diktir.

Soğuma eğrisi

Aynı süreç tersine işletilirse, yani buhar sabit hızla soğutulursa, eğri ayna görüntüsü gibi aşağı inen basamaklar çizer. Bu kez yatay bölgelerde yoğuşma ve donma gerçekleşir ve madde çevresine ısı verir; sıcaklık yine sabit kalır. Saf bir madde için donma noktası erime noktasıyla, yoğuşma noktası kaynama noktasıyla aynı sıcaklıktadır.

Basınç eğriyi nasıl değiştirir?

Yukarıdaki su örneği 1 atmosfer basınç için çizilmiştir. Dış basınç değişirse eğrinin basamakları da kayar. Bir önceki derste gördüğümüz gibi dağın tepesinde su, 100 dereceye varmadan kaynamaya başlar; bu yüzden orada çizilen ısınma eğrisinin ikinci basamağı daha alçakta yer alır. Düdüklü tencerenin içinde ise bu basamak 100 °C'nin üzerine çıkar. Grafik sorularında basınç belirtilmişse basamakların konumu ona göre yorumlanır; belirtilmemişse 1 atmosfer varsayılır.

Grafik sorularını çözme sırası

Bir hal değişim grafiğiyle karşılaşıldığında önce eksenler okunur: dikey eksen sıcaklık, yatay eksen çoğunlukla zaman ya da verilen ısıdır. Sonra yatay basamaklar bulunur ve sıcaklık değerleri not edilir; ilk basamak erime ya da donma, ikincisi kaynama ya da yoğuşma noktasıdır. Ardından sorulan sıcaklığın hangi aralığa düştüğüne bakılır: basamakların arasında madde tek hâldedir, basamağın üzerinde iki hâl bir aradadır. Eğri yukarı gidiyorsa madde ısı almakta, aşağı gidiyorsa ısı vermektedir. Son olarak basamakların gerçekten yatay olup olmadığına bakılarak maddenin saf olup olmadığına karar verilir.

Saf madde ve karışım

Yatay basamaklar saf maddelerin işaretidir. Tuzlu su gibi bir karışım ısıtıldığında hal değişimi tek bir sıcaklıkta olmaz; donma ya da kaynama sırasında sıcaklık değişmeye devam eder ve eğride tam yatay bir bölge görülmez. Bu yüzden bir ısınma eğrisine bakarak maddenin saf olup olmadığı anlaşılabilir.

Örnek 1 — Plazma

Soru: Plazma hâlini gaz hâlinden ayıran özellik hangisidir?

• A) Belirli bir hacminin olması
• B) Taneciklerinin hareketsiz olması
• C) İçinde serbest iyonlar ve elektronlar bulunduğu için elektriği iletmesi
• D) Belirli bir şeklinin olması
• E) Yalnız düşük sıcaklıkta oluşması

Çözüm: Plazmada atomlardan kopan elektronlar ve iyonlar serbestçe hareket eder; bu yüzden plazma elektriği iletir. Cevap: C.

Örnek 2 — Grafik okuma

Soru: Saf bir maddenin ısınma eğrisinde ilk yatay basamak 80 °C'de, ikinci yatay basamak 218 °C'de görülüyor. Madde 150 °C'de hangi hâldedir?

• A) Katı
• B) Gaz
• C) Katı ve sıvı bir arada
• D) Sıvı ve gaz bir arada
• E) Sıvı

Çözüm: 80 °C erime, 218 °C kaynama noktasıdır. 150 °C bu iki sıcaklığın arasındadır; madde sıvıdır. Cevap: E.

Örnek 3 — Enerji

Soru: Aşağıdaki hal değişimlerinden hangisi çevreye ısı verir?

• A) Erime
• B) Kırağılaşma
• C) Buharlaşma
• D) Süblimleşme
• E) Kaynama

Çözüm: Gazın doğrudan katıya geçmesi taneciklerin daha düzenli bir hâle geçmesidir ve ısı açığa çıkarır. Cevap: B.

Örnek 4 — Karışım

Soru: Bir maddenin ısınma eğrisinde hal değişimi sırasında sıcaklık sabit kalmıyor, yavaşça artmaya devam ediyor. Bu madde için hangisi doğrudur?

• A) Saf bir maddedir.
• B) Bir elementtir.
• C) Plazmadır.
• D) Bir karışımdır.
• E) Hiç hâl değiştirmez.

Çözüm: Saf maddelerde hal değişimi sabit bir sıcaklıkta olur; sıcaklığın değişmeye devam etmesi karışımın işaretidir. Cevap: D.

• Plazmayı sıcak bir gaz sanmak. Plazmada atomlar iyonlaşmıştır ve serbest yüklü tanecikler vardır.
• Yatay bölgede ısı verilmediğini sanmak. Isı verilir ama hal değişimine harcanır; sıcaklık değişmez.
• Kırağılaşmayı donmayla karıştırmak. Donma sıvıdan katıya, kırağılaşma gazdan doğrudan katıya geçiştir.
• Isı alan ve veren değişimleri karıştırmak. Düzensizliğe giden değişimler ısı alır, düzene giden değişimler ısı verir.
• Karışımın eğrisinde de tam yatay basamak beklemek. Yatay basamaklar saf maddelerin işaretidir.