Hâl Değişimi

Dünya XX. yüzyılın başlarından itibaren hızla artan sanayileşme sonucunda "küresel ısınma" tehdidi ile karşı karşıya kalmıştır. Bu dönemde dünyanın ortalama yüzey sıcaklığı, Sanayi Devrimi öncesi döneme göre 1,48 °C artarak yaklaşık 15 °C olmuştur. Sıcaklıktaki bu artış buzulların erimesine ve iklim değişikliğine sebep olmaktadır. Maddelerin hâl değişim sıcaklığını etkileyen nitelikleri bilmek; çay suyunun kaynaması gibi günlük olayların, yağmur ve kar oluşumu gibi doğal süreçlerin, soğutma sistemleri gibi teknolojilerin ve buzulların erimesi gibi küresel çevre sorunlarının anlaşılmasına katkı sunar.

Maddeler üzerinde ısının iki temel etkisi vardır: sıcaklık değişimi ve hâl değişimi. Saf maddeler için hâl değişim sıcaklığı ayırt edici bir özelliktir. Maddenin saflığı ve üzerine etkiyen basınç, maddenin hâl değişimi sıcaklığını değiştirir.

Saflığın Erime ve Kaynama Sıcaklığına Etkisi

Saf bir maddenin içine farklı bir madde karıştırılırsa maddenin saflığı bozulur ve oluşan karışımın erime-kaynama sıcaklığı saf maddeninkinden farklı olur. Örneğin buzun içine atılan tuz, buzun erime sıcaklığını düşürür ve erimeyi kolaylaştırır; kışın buzlu yollara tuz atılmasının sebebi budur. Suyun içine tuz atılması durumunda ise suyun kaynama sıcaklığı yükselir.

Basıncın Erime ve Kaynama Sıcaklığına Etkisi

Buz, antimon, bizmut gibi erirken hacmi azalan maddelerde, madde üzerine uygulanan basıncın artması erimeyi kolaylaştırır ve erime sıcaklığını düşürür. Kışın karlı yollarda araç lastiklerinin geçtiği kısımlardaki kar ve buzların diğer bölgelere göre daha hızlı erimesinin nedeni budur — lastiklerin uyguladığı ek basınç, buzun erime sıcaklığını düşürür. Demir, alüminyum, kalay gibi erirken hacmi artan maddelerde ise basıncın artması erimeyi zorlaştırır ve erime sıcaklığını yükseltir; bu maddelerde basıncın azalması erimeyi kolaylaştırıp erime sıcaklığını düşürür.

Basıncın artması, madde ayrımı olmaksızın tüm maddelerin kaynama sıcaklığını yükseltir. Örneğin yanan bir ocağın üstündeki düdüklü tencerenin içinde oluşan yaklaşık 2 atmosferlik basınç, suyun kaynama sıcaklığının 100 °C'tan yaklaşık 120 °C'a yükselmesine neden olur; bu sayede düdüklü tencerelerde yemekler daha kısa sürede pişer.

Kütle ve Madde Cinsinin Hâl Değişimine Etkisi

Kütle, maddenin tamamının hâl değiştirmesi için gereken ısı miktarını belirleyen bir niceliktir. Küçük bir buz parçasının tamamını eritmek için gereken ısı, büyük bir buz parçasınınkine göre daha az olduğundan büyük buz parçaları, küçük olanlara göre daha uzun süre tamamı erimeden kalabilir.

Hâl değişimini etkileyen diğer bir nicelik maddenin cinsidir. Eşit kütledeki farklı cins maddelerin tamamının hâl değiştirmesi için gereken ısı miktarı birbirinden farklıdır; buna hâl değişim ısısı denir. Hâl değişim ısısı, hâl değişim sıcaklığındaki bir maddenin birim kütlesinin tamamen hâl değiştirmesi için gereken ısı miktarıdır. L sembolü ile gösterilen hâl değişim ısısının SI'daki birimi joule/kilogramdır (J/kg) ve maddeler için ayırt edici bir özelliktir.

Hâl değiştirme sıcaklığındaki saf maddelerin katı hâlini eritmek için maddeye verilmesi gereken ısıyla sıvı hâlini dondurmak için maddeden alınması gereken ısı miktarı aynıdır. Örneğin 0 °C'taki 1 kg buzu eritmek için buza 334 kJ ısı vermek, 0 °C'taki 1 kg suyu dondurmak için de sudan 334 kJ ısı almak gerekir. Kısaca saf maddelerde erime ısısı donma ısısına, buharlaşma ısısı da yoğuşma ısısına eşittir.

Hâl Değişimi Sırasında Sıcaklık Sabit Kalır

Hâl değiştirirken saf maddelerin sıcaklığı sabit kalır. Normal şartlarda −20 °C sıcaklığındaki saf buz ısıtılmaya başlandığında önce katı hâlde sıcaklığı 0 °C'a kadar yükselir (bu aşamada kinetik enerji artar, potansiyel enerji sabit kalır). 0 °C'a ulaşan buz erimeye başladığında, erime tamamlanana kadar sıcaklık 0 °C'ta sabit kalır; bu süreçte verilen ısı taneciklerin kinetik enerjisini değil, aralarındaki bağları koparmak için gereken potansiyel enerjiyi artırır. Erime tamamlandıktan sonra sıvı hâldeki su tekrar ısınarak 100 °C'a (kaynama sıcaklığına) kadar yükselir; burada da kinetik enerji artar. 100 °C'ta su kaynamaya başladığında, tüm su buhara dönüşene kadar sıcaklık yine sabit kalır (bu kez potansiyel enerji artar). Son olarak gaz hâlindeki su buharının sıcaklığı 100 °C'ın üzerine, örneğin 120 °C'a kadar yükselebilir.

Hâl Değişimi İçin Gerekli Isının Matematiksel Modeli

Hâl değiştirme ısısı, bir kilogram maddenin hâl değiştirmesi (erimesi, donması, yoğuşması veya buharlaşması) için gereken ısı miktarı olarak tanımlandığından, maddenin tamamının hâl değiştirmesi için gereken ısı miktarı:

Q = m·L

matematiksel modeliyle hesaplanır. Burada Q hâl değişimi için gereken ısı miktarı (J), m hâl değiştiren madde miktarı (kg), L ise hâl değiştirme ısısıdır (J/kg).

Örnek Çözümler

Kar yağarken hava sıcaklığı neden yükselir? Maddeler hâl değiştirirken bulundukları ortamdan ya ısı alır ya da ortama ısı verir. Kar yağarken hava sıcaklığında bir miktar artış olmasının nedeni, yağmur damlalarının kara dönüşürken (donarken) havaya ısı vermesidir; ısı alan havanın sıcaklığı bu nedenle artar.

Erime ısılarının oranı: Özdeş ısıtıcılarla ısıtılan, kütleleri sırasıyla m ve 2m olan K ve L katı maddeleri için, K'nin erimesi t sürede, L'nin erimesi 3t sürede tamamlanıyorsa (eşit zamanda eşit ısı verildiğinden): Q = m·Lₖ ve 3Q = 2m·Lₗ eşitliklerinden Lₖ/Lₗ = 2/3 bulunur.

Isı yeterlilik kontrolü: Erime sıcaklığındaki 4 kg buzu eritmek için gerekli ısı Qₑ = m·Lₑ = 4 × 334 = 1.336 kJ'dür. Kaynama sıcaklığındaki 1 kg suyu tamamen buhar hâline getirmek için ise Qᵦ = m·Lᵦ = 1 × 2.260 = 2.260 kJ gereklidir. Buzu eritmek için gereken 1.336 kJ'lük ısı, 2.260 kJ'den daha az olduğundan bu ısı, 1 kg suyu buharlaştırmaya yetmez.

Buz Pateni Örneği

Buz pateni sporcuları buz üstünde kayarken patenin buza temas ettiği kısımlarda buz erir, buzda yarıklar oluşur ve paten bu yarıkların içinden ilerler; patenci geçtikten hemen sonra buz tekrar donarak eski hâline gelir. Bunun nedeni, patenin ince kenarının buza uyguladığı yüksek basınçtır: basınç arttıkça (buz gibi erirken hacmi azalan bir madde için) erime sıcaklığı düşer ve buz normalde erimeyeceği bir sıcaklıkta bile geçici olarak erir; paten geçtikten sonra basınç ortadan kalkınca su tekrar donar.