Erime ve donma

Maddeler ısı alarak yada ısı vererek bir halden diğer bir hale gçiş yapabilirler. Maddelerin bir halden diğer bir hale geçmesine hal değişimi denir.

Maddelerin katı halden sıvı hale geçmesine erime, sıvı halden katı hale geçmesine ise donma denir.

Eğer bir maddeye ısı verildiği halde sıcaklığı değişmiyorsa madde hal değiştiriyor demektir. Madde hal değiştirirken sıcaklığı değişmez, verilen ısı maddenin molekülleri arasındaki bağları kopararak hal değiştirmesinde harcanır.

Erime Sıcaklığı

Sabit atmosfer basıncı altında bütün katı maddelerin katı halden sıvı hale geçtiği sabit bir sıcaklık değeri vardır. Bu sıcaklık değerine erime sıcaklığı ya da erime sıcaklık noktası denir.

Sabit atmosfer basındı altında her maddenin erime sıcaklığı farklı olduğu için maddeler için ayırt edici bir özelliktir. Örneğin deniz düzeyinde buzun erime sıcaklığı 0 C dir.

Erime Isısı erime sıcaklığındaki bir katının 1 gr*****n yine aynı sıcaklıkta sıvı hale gelmesi için verilmesi gereken ısıya erime ısısı denir. Erime ısısı da ayırt edici bir özeliktir. Kütlesi m olan erime ısısındaki bir katıyı eritmesi için verilmesi gereken sıcaklık miktarı,

Q= m . Le bağlantısı ile bulunur.

Örneğin, buzun erime ısısı Le = 80 cal/g dır.

Sıvı bir maddenin ısı verilerek katı bir hale geçmesine donma denir. Sabit atmosfer basıncı altında bütün sıvı maddelerin katı hale geçtiği sabit bir sıcaklık değeri vardır. Bu değere donma sıcaklığı yada donma sıcaklık noktası denir.

Erime ile donma bir birinin tersidir. Bundan dolayı bir maddenin erime sıcaklığı, donma sıcaklığına eşittir. Erime ısısı da donma ısısına eşittir.

Örneğin deniz yüzeyinde 0 C taki su donarken dışarıda 80 cal/g lık ısı verir. Erirkende 80 cal/g lık ısı alır.

> UYARI<

-Madde hal değiştirirken sıcaklığı değişmez.-Bir maddenin erime sıcaklığı ile donma sıcaklığı eşittir.-Bir maddenin erime ısısı ile donma ısısı eşittir.-Erime sıcaklığı ve erime ısısı, maddenin ayırt edici özelliklerindendir.

Erime ve Donmaya Eti Eden Faktörler

Erime ve donma sıcaklığı normal şartlarda sabittir. Eğer basınç ve maddenin sıcaklığı değiştirilirse, maddelerin erime ve donma sıcaklığıda değişir.

BUHARLAŞMA

Sıvı bir maddenin ısı alarak gaz haline geçmesi olayına büharlaşma denir.

Buharlaşma sıvı yüzeyinde olur. Yerlere dökülen suların kaybolması, ağzı açık kaptaki suyun azalması buharlaşma sonucu olur.

Buharlaşma olabilmesi için sıvı moleküllerin ısı alması gerekir. Bu ısı, çevrelerinden alındığı için buharlaşmanın olduğu yerde serinleme olur. Elimize döktüğümüz kolonya ve eter buharlaşırken elimizden ısı alır ve serinlik hissederiz. Terlerimiz buharlaşırken vücudumuz ısı kaybeder ve üşüme hissederiz.

Buharlaşmaya basınç ve diğer fiziksel şartların etkileri çoktur.

-Buharlaşma her sıcaklıkta olabilir.

-Maddeler dışarıdan ısı alarak buharlaşırlar. Dolayısı ile buharlaşmanın olduğu yerde serinleme ve soğuma olur.

-Sıcaklığın artması buharlaşmayı hızlandırır.

-Açık hava basıncının azalması buharlaşmayı arttırır.

-Sıvının açık yüzey alanı arttıkça buharlaşma daha fazla olur.

-Rüzgarlı havada buharlaşma fazla olduğundan ıslak çamaşırlar daha çabuk kurur.

KAYNAMA

Bir kapta bulunan sıvı ısıtılırsa sıcaklığı yükselir ve buharlaşma artar. Sıvının sıcaklığının yükselmesiyle meydana gelen buhar basıncı, sıvının yüzeyine etki eden basınca eşit olduğu an, sıvı kaynamaya başlar.

Kaynama sırasında sıvının sıcaklığı değişmez.

Kaynama Sıcaklığı

Sabit atmosfer basıncı altında bütün sıvı maddelerin, sıvı halden gaz hale geçtiği sabit bir sıcaklık değeri vardır. Bu sıcaklık değerine kaynama noktası denir. Kaynama noktası maddeler için ayırt edici bir özelliktir.

Buharlaşma Isısı

Kaynama noktasına gelmiş 1 gram sıvı maddenin tam*****n aynı sıocaklıkta gaz

haline gelmesi için verilmesi gereken ısıya buharlaşma ısısı denir. Buharlaşma ısısı Lb ile gösterilir. Kaynama sıcaklığındaki m gramlık maddeyi gaz haline getirmek için verilmesi gereken ısı miktarı,

Q=m.Lb bağlantısı ile bulunur.

Suyun buharlaşma ısısı Lb = 540 cal/g dır. Buharlaşma ısısı maddeler için ayırt edici bir özelliktir.

Gaz halindeki bir maddenin ısı verilerek sıvı hale geçmesine yoğunlaşma denir. Erime ve donmada olduğu gibi, yoğunlaşmada, kaynamanın tersidir. Dolayısıyla bir maddenin kaynama sıcaklığı ile yoğunlaşma sıcaklığı eşittir. Buharlaşma ısısı ile yoğunlaşma ısısı da eşittir.

SÜBLİMLEŞME

Bazı katı maddeler ısı enerjisi alarak sıvı hale geçmeden doğrudan gaz hale geçerler. Bu olaya süblimleşme denir. Naftalin, ernet ve bazı koku yayan maddelerin zamanla azaldığı görülür. Fakat sıvılaştığı görülmez.

Kaynama ve Yoğunlaşmaya Etki Eden Faktörler

Yine erime ve donmada olduğu gibi, kaynama ve yoğunlaşmaya etki eden faktörler vardır. Basınç ve maddenin saflığının değiştirilmesi, kaynama sıcaklığını etkiler.

Kaynama olayının gerçekleşmesi için, buhar basıncının atmosfer basıncına eşit olması gerekir.atmosfer basıncı artarsa, ağzı açık kaptaki sıvının kaynaması zorlaşır. Dolayısıyla sıvı daha düşük bir sıcaklıkta kaynar. Deniz yüzeyinde 100 C de kaynayan arı su Ankara da 96 C, Erzurum da 94C, Everest in tepesinde 75 C de kaynar.

Saf sıvı içinde karıştırılan farklı maddeler sıvının saflığını bozar. Saflığı bozulan sıvının kaynama noktası değişir. Örneğin suyun içine tuz karıştırılırsa, kaynama noktası yükselir.

< - Çaydanlığın Şarkısı ->çaydanlığı su kaynatmak için ocağın üzerine koymamızdan hemen sonra çıkmaya başlayan tıslama sesi (çaydanlığın şarkı söylemesi olarak da bilinen ses) hepimiz için bildiktir. Bu ses zamanla artar ve su kaynamaya başladığında da hemen kesilir. Suyun hazır olduğunu, yanı kaynadığını su sesin kesilmesinden anlarız. Çaydanlığın şarkı söylemesine neyin yol açtığını hiç merak ettiniz mi?

< - Açıklama ->çaydanlığın içindeki suyun önce alt tabakası ısınır. Sıcaklık yükseldikçe dipte buhar kabarcıkları (hava kabarcıkları değil) oluşur. Sudan daha hafif olduklarından yukarı doğru yükselen bu kabarcıklar üst kısımda daha soğuk olan su tabakasıyla karşılaştıklarında sönerler. Çok sayıda kabarcığın sönüşü biz tıslama sesi olarak duyarız. Yani bu ses oluşup sönen kabarcık sayısı arttıkça artar. Çaydanlıktaki suyun tamamı kaynama noktasına kadar

ısıtıldığında, buhar kabarcıkları sönmezler; çünkü üst kısımda karşılaşacakları soğuk tabaka kalmamıştır. Bu durumda artık tıslama sesi duyulmaz; çaydanlıktaki suyun tamamı kaynamaktadır.

Suyun Hal Değişim Grafiği

Deniz düzeyinde bir parça saf buz ısıtıldığında önce sıcaklığı artar. Erime sıcaklığına geldiğinde hal değiştirmeye başlar ve buzun tamamı eriyinceye kadar sıcaklığı değişmez. Isı enerjisi verilmeye devam edildiğinde, suyun sıcaklığı artar ve 100 C de kaynamaya başlar. Sıvının tamamı bitinceye kadar sıcaklık değişmez.

Bu açıklamaya göre buzun sıcaklık – alınan ısı grafiği şekildeki gibi olur.

Buzun erime ısısı, Le = 80 cal/g, Buharlaşma ısısı Lb = 540 cal/g dır. Dolayısıyla 0 C taki 1 gram buzu eritmek için 80 calorilik ısı gerekirken, 100 C taki 1 gram suyu gaz haline getirmek için 540 calori gerekmektedir.

Bundan dolayı, Q1 < Q2 dir.

Grafikteki doğruların eğimi,

Tan a = T = 1 dirQ m.c

Buzun öz ısısı 0,5 cal/g.C, suyun öz ısısı 1 cal/g.C olduğundan, öz ısısı küçük olan doğrunun eğimi daha büyüktür.

Madde ısı hızı sabit olan ocakla ısıtılıyorsa. Isı ekseni yerine zaman ekseni alınabilir. 110 C sıcaklığındaki su buharından düzgün bir şekilde ısı alınırsa, buharın önce sıcaklığı azalır ve 100C de yoğunlaşmaya başlar. Tamamen yoğunlaşarak su haline geldiğinde sıcaklık azalarak 0 C ta dolar ve buz olur. Bu durumda sıcaklık – zaman yada sıcaklık – maddeden alınan ısı grafiği şekildeki gibi olur.

Örnek…7

-10 ta 10 gram buzu ancak eritebilen ısı enerjisi, 0 C sıcaklıktaki 20 gram suyun sıcaklılığı kaç C yükseltir?(C buz = 0,5 cal/g C, L buz = 80 cal/g, C su = 1 cal/g. C )

Çözüm….

Buzun sıcaklığı – 10 C tan, erime sıcaklığı olan 0 C ta için verilmesi gereken ısı,

Q1 = m . c . T

Q1 = 10 . 0,5 . 10 = 50 calori

0 C taki buzu tamamen eritebilmek için gerekli ısı,

Q2 = m . L buz

Q2 = 10 . 80 = 800 calori

Q toplam = Q1 + Q2

= 50 + 800 = 850 calori

bu kadar ısı enerji ile 0 C taki suyun sıcaklığının kaç derece yükseleceğini bulalım.

Q = m su . c . T

850 = 50 . 1 . T

T = 85 = 17 C olur5

GENLEŞME ve SIKIŞTIRILABİLİRLİK

Isıtılan bütün maddelerin boylarında uzama, yüzeylerinde ve hacimlerinde artma olur. Günlük hayatımızda değişik yerlerde, örneğin elektrik tellerinin kızın gergin yazın sarkık olması, tren rayları döşenirken bir miktar boşluk bırakılması, demir köprülerin makara üzerine oturtulması gibi hemen hepimiz maddelerin bu özelliğini gözleriz.

Bu olayların açıklanabilmesi için, maddenin ısıtılması veya soğutulması durumundaki davranışlarının bilinmesi gerekir. Gözlemlerimize göre bir maddenin ısıtıldığında veya soğutulduğunda boyutlarında değişme olduğunu biliriz. İşte sıcaklığı değiştirilen maddelerin, boy, yüzey yada hacim olarak değişiklik göstermelerine genleşme denir. Genleşme ister katı ister sıvı isterse gaz olsun maddelerin bütün hallerine ilişkin bir özelliktir. Maddenin fiziksel haline göre, tanecikler arasındaki yani atom yada moleküller arasındaki uzaklık küçük yada büyüktür. Katı halde tanecikler bir birine çok yakınken, gaz fazında çok uzaktır.

Eğer maddelerin üzerine basınç uygulanacak olursa, tanecikler arasındaki uzaklıklar azalır ve madde sıkışır. Gazların sıkışması katı ve sıvıya göre çok daha fazladır. Düşük basınçlarda, gazlarda sıkışabilirlik ve sıcaklıkla genleşme maddenin cinsine bağlı değildir.

Katılarda, atomlar arası uzaklık çok küçük olduğu için bunları sıkıştırarak

hacimlerinin küçültmek çok zordur. Ama gazlarda atom yada molekül birbirlerinden uzakta olduğu için sıkıştırıldıklarında yaklaşırlar ve hacimleri küçülür.

< - Fincandaki Kaşık ->bazıları porselen fincanlara çay doldurmadan önce fincana *meta*l bir kaşık koyarlar. Niye? Hangisi daha zor kırılır, ince bir fincan mı yoksa kalın bir fincan mı?

< - Açıklama ->*meta*l kaşık konulmasının nedeni *meta*lın ısı yalıtımı yüksek oluşuyla ilgilidir. Fincana sıcak çar konulurken, fincanın önce iç yüzeyi ısınır, dış yüzey sıcaklıktan daha geç etkilenir. Isının bu eşit olmayan dağılımı, fincanın bütününde eşit olmayan bir genleşmeye ve dolayısıyla çatlaklara yol açar. Dolayısıyla kalın kenarlı bir fincan ince kenarlıdan daha kolay kırılır.

A. KATILARDA GEBNLEŞME

Maddeyi oluşturan tanecikler arasında elektriksel bir çekim kuvveti vardır. Katılarda bu kuvvetler çok büyük olduğundan, katı maddenin tanecikleri yalnız ileri geri titreşim hareketi yaparlar.

Eğer katı maddelere ısı verilerek sıcaklıkları artırılırsa, taneciklerin kinetik enerjileri artar. Bunun sonucu olarak titreşim hareketi artar. Tanecikler birbirinden uzaklaşırlar ve katının hacmi yada boyutları büyür. Sıcaklık artışı tanecikler arası uzaklığın artmasına yani genleşmeye neden olur.

Katı madde, tel şeklinde ise boyca uzaması, ince levha şeklinde ise, hacimce genişlemesi, bunların dışında küre ve silindir gibi şekle sahip ise, hacimce genişlemesi ile ilgilidir. Tel şeklindeki katı maddelerin kesitlerindeki genleşme, boyundaki genleşmenin yanında çok küçük kaldığı için dikkate alınmaz. Aynı şekilde levha şeklindeki katının kalınlığındaki genişleme, yüzeyindeki genleşmenin yanında çok küçük kaldığı için dikkate alınmaz.

Katıların Boyca Uzaması

Isıtılan bir maddenin boyca uzama miktarı, ilk boyuna, sıcaklık artışına ve katı maddenin cinsine bağlıdır. Katını kesit alanına bağlı değildir. Örneğin uzunluğundaki bir *meta*l çubuğun sıcaklığı T C artırılırsa ( T = T2 – T1 ) boyu kadar uzar. Çubuğun bu boyca uzama miktarı,

Bağlantısı ile hesaplanır.

Bu bağlantıdaki boyca uzama katsayısıdır, birimi (1/ C) dir.

Boyca Uzama

Bir cismin birim uzunluğunun sıcaklığı 1 C artırıldığında, meydana gelen uzama

miktarı boyca uzama katsayısı denir. Boyca uzama kat sayısı maddeler için ayırt edici bir özelliktir. İlk boyu olan bir *meta*l çubuğun sıcaklığı T C artırılırsa, son boyu,

Olur

> UYARI<

Uzama katsayısı katı maddeler için ayırt edici bir özelliktir.

Çubuk şeklindeki maddelerin boyca uzaması kesit alanına bağlı değildir.

Aynı maddeden yapılmış, ilk boyları eşit olan çubukların sıcaklıkları eşit olarak artırılırsa,kalın olan çubuk ile ince olan çubuğun boyları eşit olarak artar.

Genleşmenin tersi büzülmedir. Bir çubuk sıcaklığı artırıldığında ne kadar uzuyorsa ilk duruma göre sıcaklığı eşit miktar azaltılırsa eşit miktar kısalır.

Uzama katsayısı büyük olan çubuk, ısıtıldığında fazla uzar, soğutulduğunda ise fazla kısalır.

B. SIVILARDA GENLEŞME

Isıtılan bir sıvı hacimce genleşir. Sobanın yanına koyulan dolu şişedeki suyun taşması, sıcak suyla dolu şişenin soğuyunca su seviyesinin düşmesi, sıvının genleştiğini gösterir. Ancak şişeden taşan su, şişeye oranla fazla genleşen su miktarı olduğu unutulmamalıdır. Hava sıcaklığı artınca termometrede cıva düzeyi yükselir. Bu olaylar sıvıların genleştiğini gösterir.

Sıvılar ısıtılırsa, sıvı moleküllerin kinetik enerjileri de artar. Moleküllerin hareketleri hızlanır ve aralarındaki boşluklar artar. Böylece sıvı genleşir. Isıtılan su üç boyutlu genleşeceği için sıvının hacmi artar.genleşme sıvılar için ayırt edici bir özelliktir. Her sıvı için sıvının özelliğine göre bir genleşme kat sayısı vardır. Bir sıvının T1 C sıcaklığındaki hacmi, Vo olmak üzer, sıvının sıcaklığı T2 C ta çıkarıldığında sıvının genleşme miktarı ( V)Bağlantısı ile hesaplanır.

Bağıntıdaki T = T2 – T1 sıcaklık değişimi, a a hacimce genleşme katsayısıdır.

Eğer aynı hacimdeki ve sıcaklıktaki farklı sıvıların sıcaklıkları eşit miktar artırılırsa, farklı miktarda genleştikleri gözlenir. Dolayısıyla sıvıların genleşme miktarları ilk hacimlerine, sıvının cinsine ve sıcaklık artışına bağlıdır.

Su diğer sıvılardan farklı şekilde genleşir. +4 C ta hacmi en küçük değerini alır. +4 C tanitibaren hacmi artar ve 0 C taki hacmi ile +8 C teki hacmi eşit olur. Hacmin minimum olduğu +4 C ta öz kütlesi maksimum değerini alır. Öz kütlesi büyük olan sıvı altta olduğu için, su birikintilerinin, göllerin ve denizlerin dip kısımlarındaki sıcaklık +4 C civarındadır.

Örnek…14

Taban alanları S, 2S, 2S ve düşey kesiti şekildeki gibi olan silindirik kaplarda h yüksekliğine kadar aynı cins sıvı vardır.

Suların sıcaklıkları eşit miktar artırılırsa, yükselme miktarı olan h1, h2, h3 arasındaki ilişki ne olur?

Çözüm…

1. kapta V hacimde sıvı var ise, 2.ve 3. kaplarda 2V hacminde sıvı vardır. V = Vo . a . T bağlantısına göre, 1. kaptaki sıvının hacmindeki artış V kadar ise, 2. ve 3. kaplarda 2 V dir.

Bu hacimce artış miktarlarının yükseldiği kısım kesit alanına göre, sıvı düzeylerindeki artışlar belirlenir. 3. kaptaki sıvının hacimce artışı 1. kaptakinin iki katı, fakat sıvının yükseldiği kesit alanı da iki kat olduğu için h1 = h2 olur.

1. ve 2. kaplarda sıvının yükseldiği kesit alanları eşit fakat 2. kaptaki hacim artışı iki kat olduğu için h2 = 2h1 olur.

Buna göre sıvı düzeylerin yükselme miktarları arasındah1 = h3 < h2 ilişkisi vardır.C. GAZLARDA GENLEŞME

Isıtılan gazlar genleşir. Gaz moleküllerinin kinetik enerjileri artar. Buda gaz moleküllerinin arasındaki uzaklığın artmasına neden olur. Çeşitli gazlarla yapılan deneylerde, normal şartlar altında bütün gazların birim hacimlerinin genleşme miktarlarının yani genleşme kat sayılarının aynı olduğu görülmüştür. Genleşme kat sayılarının eşit olması genleşmenin gazlar için ayırt edici bir özellik olmadığını gösterir.

Hacimlerinin ve sıcaklıklarının aynı olan iki gazın basınçları sabit kalmak şartı ile, sıcaklıkları eşit miktar yükseltilirse, ikisi de eşit miktar genleşir.

Az şişirilmiş ve ağzı bağlı esnek bir balon sıcak su üzerine konulursa balonun içindeki gazın genleştiği ve balonun şiştiği gözlenir. Yani ısıtılan gazlar genleşir.

> UYARI<gazların genleşme katsayısı sıvılarınkinden, sıvılarınki de katılarınkinden daha büyüktür.Sıkıştırabilirlik

Katı, sıvı ve gazlar ısıtıldığında genleşir. Soğutulduğun boy ve hacimce küçülür, yani sıkışabilir. Acaba ısınmadan basınç etkisi ile maddenin hacmi küçülebilir mi?

Gazlar, bulundukları hacme göre daha küçük bir hacme sıkıştırılabilir. Örneğin bir otomobil lastiğine havanın sıkıştırılması gibi. Bu sıkıştırma bütün gazlar için aynıdır.

Sıvılar ve katılar hemen hemen hiç sıkışmaz. Basınç yapılarak bir sıvının yada

katının hacmi küçültülemez.

Soru…

Katı bir cismin sıcaklığının aldığı ısı enerjisine bağlı değişim grafiği şekildeki gibidir.

Cismin katı halinin öz ısısı c, erime ısısı L olduğuna göre, c oranı kaçtır.LÇözüm…

Katı maddelerin sıcaklığının 30 C den 60 C ye çıkarılması durumundan faydalanarak öz ısısı buluna bilir. Cisim bu aralıkta 30 cal. Isı enerjisi almıştır.

Q = m . c . T

30 = m . c . (60-30)

c = 1 olur.m

Katı cisim sıvı haline gelirken 100 – 30 = 70 calorilik ısı enerjisi almıştır.

Q = m . L den

70 = m . L

L = 70 dir.m1c = m = 1 olur.L 70 70m

Soru…

Isıca yalıtılmış bir ortamda – 10 C deki 50 gram buzun, 80 C de su haline getirilebilmesi için verilmesi gereken ısı enerjisi kaç cal. dir?

( C buz = 0,5 cal/g. C ; Le = 80 cal/g. ; C = 1 cal/g. C )

Çözüm…

Buzun sıcaklığını – 10 C den, 80 C ye çıkarmak için verilmesi gereken ısı enerjisi üç aralıkta ayrı ayrı bulunup, üçünün toplamına eşit olur.

Q = Qı + Qıı + Qııı

Q = m . c buz . T1 + m . L + m . c su . T2

Q = 50 . 0,5 . 10 + 50 . 80 + 50. 1 . (80-0)

Q = 8250 cal. olur.Soru…

Isıca yalıtılmış boş bir silindirik kap X ve Y musluklarında akan suyla doldurulmak isteniyor. Musluklardan akan suyun hacim – zaman grafiği şekildeki gibi değişiyor.

X ten akan suyun sıcaklığı 20 C, Y den akan suyun sıcaklığı 50 C olduğuna göre, 3t anında kapta toplanan suyun sıcaklığı kaç C olur?

Çözüm…

Grafikteki verilere göre, 3t anına kadar her iki musluktan 2V hacmine su akmıştır. Yani akan suların kütleleri eşittir.

Q alınan = Q verilen

m . c . (Tson – Tx) = m . c . ( Ty – Tson)

Tson – 20 = 50 – Tson

2Tson = 70

Tson = 35 C olur.

Yada, musluktan akan su hacimleri eşit olduğundan, denge sıcaklığı, akan suların sıcaklık topl*****n yarısına eşittir.

Yani, Tson = Tx + Ty2Tson = 20 + 50Tson = 35 C dir