Maddenin Hâl Değişimi
Buzluktan çıkardığımız buz küpleri bir süre sonra suya dönüşür. Çaydanlıktan buhar çıkar, soğuk bardağın dış yüzeyinde su damlacıkları oluşur, kışın bitkilerin üzerinde ince bir buz tabakası belirir. Bu olayların ortak noktası, maddenin ısı alarak ya da ısı vererek bir hâlden başka bir hâle geçmesidir; buna hâl değişimi denir. Bu sayfada erime, donma, buharlaşma, kaynama, yoğuşma, süblimleşme ve kırağılaşmayı tanıyacak, hâl değişiminin ısı ile ilişkisini kuracak ve gözlemlerinden yararlanarak tahmin yürüteceksin.
Hâl Değişimi Nedir?
Maddeler doğada katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç fiziksel hâlde bulunur. Buz, su ve su buharı aynı maddenin — suyun — üç farklı hâlidir. Aşağıdaki görselde suyun üç hâli ve aralarındaki geçişler gösterilmiştir.
- Maddelerin ısı alarak ya da ısı vererek bir hâlden başka bir hâle geçmesine hâl değişimi denir.
- Hâl değişimi sırasında madde ısı alır ya da ısı verir; bu, maddenin türünün değiştiği anlamına gelmez.
- Hâl değişimi fiziksel bir olaydır: buz eridiğinde de su buharlaştığında da yine sudur; kütle değişmez, yalnızca taneciklerin düzeni ve hareketi değişir.
- Hâl değişimi, maddenin ısı alması ya da ısı vermesiyle gerçekleştiği için sıcaklıkla doğrudan ilişkilidir.
Benzetimle düşünelim: Sınıftaki öğrenciler sıralarında oturuyorsa "katı", yerinde hareket ediyorsa "sıvı", bahçeye dağılmışsa "gaz" gibidir. Sınıfın hâli değişir ama öğrenciler aynı öğrencilerdir.
Erime ve Donma
Katı bir maddenin ısı alarak sıvı hâle geçmesine erime, sıvı bir maddenin ısı vererek katı hâle geçmesine donma denir.
Erimeye örnekler:
- Buzluktan çıkarılan buz küplerinin bir süre sonra suya dönüşmesi
- Sıcak tavada tereyağının eriyip sıvı hâle geçmesi
- Çikolatanın elde ya da güneşte yumuşayıp erimesi
Donmaya örnekler:
- Kışın göllerin ve birikmiş suların yüzeyinin buz tutması
- Buzdolabının dondurucu bölümüne konulan suyun buza dönüşmesi
- Kışın buz sarkıtlarının oluşması
Erime sırasında neler olur?
- Tanecikler arasındaki boşluk artar.
- Taneciklerin hareketi hızlanır.
- Tanecikler titreşim hareketinin yanında dönme ve öteleme hareketi de yapmaya başlar.
- Madde akışkanlık özelliği kazanır.
Donma sırasında neler olur?
- Tanecikler arasındaki boşluk azalır.
- Taneciklerin hareketi yavaşlar.
- Tanecikler yalnızca titreşim hareketi yapabilir.
- Maddenin akışkanlık özelliği kaybolur.
Dikkat: Erime ile donma birbirinin tersidir. Bir madde hangi sıcaklıkta erimeye başlıyorsa aynı sıcaklıkta donmaya başlar; yani erime sıcaklığı ile donma sıcaklığı eşittir. Su 0 °C'ta hem erir hem donar.
Günlük yaşamdan: Kar yağarken havanın ılık olmasının nedeni, su taneciklerinin donarken çevreye ısı vermesidir; donma sırasında ortam bir miktar ısınır.
Buharlaşma ve Kaynama
Sıvı bir maddenin ısı alarak gaz hâle geçmesine buharlaşma denir. Buharlaşma sıvının yüzeyinde gerçekleşir ve her sıcaklıkta olur. Sıvının her yerinde kabarcıklar oluşarak gerçekleşen en hızlı buharlaşmaya ise kaynama denir. Aşağıdaki görselde iki olay karşılaştırılmıştır.
- Islak çamaşırların ve yağmurdan sonra yolların kuruması buharlaşmaya örnektir.
- Buharlaşma sırasında sıvı çevreden ısı alır; bu yüzden ortam serinler.
- Elimize kolonya döktüğümüzde serinlememizin, denizden çıktığımızda üşümemizin nedeni suyun buharlaşırken vücudumuzdan ısı almasıdır.
- Sıcaklık arttıkça buharlaşma hızlanır; çamaşırlar yazın daha çabuk kurur.
Aşağıdaki tabloda buharlaşma ile kaynama karşılaştırılmıştır.
| Buharlaşma | Kaynama |
|---|---|
| Yalnızca sıvının yüzeyinde gerçekleşir | Sıvının her yerinde gerçekleşir, kabarcıklar oluşur |
| Her sıcaklıkta gerçekleşir | Belirli bir sıcaklıkta gerçekleşir |
| Sıcaklık değişebilir | Sıcaklık sabit kalır |
| Yüzey alanı büyüdükçe hızlanır | Kaynama başladıktan sonra hız sabittir |
- Deniz seviyesinde su 100 °C'ta kaynamaya başlar.
- Kaynama süresince suyun sıcaklığı değişmez; su kaynarken termometre hep 100 °C gösterir.
- Farklı sıvıların kaynama sıcaklıkları farklıdır (örneğin etil alkol 78 °C'ta kaynar).
Günlük yaşamdan: Reçel ve salça yapımında, deniz suyundan tuz elde edilmesinde buharlaşmadan yararlanılır. Testilerin dışına ıslak bez sarılması da buharlaşmanın serinletmesine dayanır.
Yoğuşma (Yoğunlaşma)
Gaz hâldeki bir maddenin ısı vererek sıvı hâle geçmesine yoğuşma denir.
- Buzdolabından çıkarılan su şişesinin dış yüzeyinin buğulanması yoğuşmadır: havadaki su buharı soğuk şişeye çarpar, ısı verir ve su damlacıklarına dönüşür.
- Soğuk havalarda pencere camlarının iç yüzeyinde su damlacıklarının oluşması yoğuşmadır.
- Sabahları otların üzerinde oluşan çiy de yoğuşmaya örnektir.
- Banyo aynasının buğulanması ve kaynayan tencerenin kapağında su damlacıkları oluşması yoğuşmadır.
Yoğuşma sırasında: Tanecikler arasındaki boşluk azalır ve taneciklerin hareketi yavaşlar; madde ısı verdiği için çevresi bir miktar ısınır.
Dikkat: Yoğuşma ile buharlaşma birbirinin tersidir. Su buharı yoğuşurken çevresine ısı verdiği için kaynar suyun buharı elinize değdiğinde daha çok yakar.
Süblimleşme ve Kırağılaşma
- Katı bir maddenin ısı alarak sıvı hâle geçmeden doğrudan gaz hâle geçmesine süblimleşme denir.
- Gaz hâldeki bir maddenin ısı vererek sıvı hâle geçmeden doğrudan katı hâle geçmesine kırağılaşma denir.
Süblimleşmeye örnekler:
- Naftalinin (güve ilacı) zamanla küçülüp kaybolması; naftalin sıvı hâle geçmeden doğrudan gaz hâle geçer.
- Kuru buzun (katı karbondioksit) oda sıcaklığında erimeden doğrudan gaz hâle geçmesi.
- Bazı koku yayan katı maddelerin doğrudan gaz hâle geçmesi.
Kırağılaşmaya örnekler:
- Çok soğuk havalarda bitkilerin ve otomobil camlarının üzerinde oluşan ince buz tabakası (kırağı) — havadaki su buharı sıvı hâle geçmeden doğrudan katı hâle geçmiştir.
- Uçakların gökyüzünde arkalarında bıraktığı beyaz iz; motordan çıkan su buharı yükseklerde aniden donar.
Dikkat: Süblimleşme ile kırağılaşma birbirinin tersidir. Erime-donma ve buharlaşma-yoğuşma çiftlerinde madde ara hâlden geçer; süblimleşme ve kırağılaşmada ise ara hâl yoktur.
Hâl Değişimi Şeması ve Günlük Yaşam
Aşağıdaki şemada üç hâl arasındaki altı geçiş bir arada gösterilmiştir.
| Hâl değişimi | Yön | Isı alır mı, verir mi? |
|---|---|---|
| Erime | Katı → Sıvı | Isı alır |
| Donma | Sıvı → Katı | Isı verir |
| Buharlaşma / kaynama | Sıvı → Gaz | Isı alır |
| Yoğuşma | Gaz → Sıvı | Isı verir |
| Süblimleşme | Katı → Gaz | Isı alır |
| Kırağılaşma | Gaz → Katı | Isı verir |
Kolay yol: Katıdan gaza doğru giden her geçişte madde ısı alır, gazdan katıya doğru gelen her geçişte ısı verir. Katıdan gaza gidildikçe tanecikler arası boşluk artar, hareket hızlanır; tersi yönde boşluk azalır, hareket yavaşlar.
Aşağıdaki tabloda günlük yaşamdan hâl değişimi örnekleri ve bu olaylarda ısının hangi yönde alınıp verildiği verilmiştir.
| Olay | Hâl değişimi | Isı durumu |
|---|---|---|
| Buz küplerinin erimesi | Erime | Isı alır |
| Göllerin kışın buz tutması | Donma | Isı verir |
| Islak çamaşırın kuruması | Buharlaşma | Isı alır |
| Çaydanlıkta suyun kaynaması | Kaynama (buharlaşma) | Isı alır |
| Buzdolabından çıkan şişenin buğulanması | Yoğuşma | Isı verir |
| Naftalinin zamanla kaybolması | Süblimleşme | Isı alır |
| Bitkilerin üzerinde kırağı oluşması | Kırağılaşma | Isı verir |
Mesleklerden: Aşçı tereyağını eritirken erime olayından yararlanır; metal işçisi metali eritip kalıba dökerek donma olayını kullanır; meteoroloji uzmanı yoğuşma ve kırağılaşmaya bakarak hava tahmininde bulunur.
Hâl Değişiminde Tanecikler Ne Yapar?
Hâl değişimi sırasında madde başka bir maddeye dönüşmez; yalnızca taneciklerin düzeni ve hareketi değişir. Aşağıdaki görselde üç hâlde taneciklerin dizilişi karşılaştırılmıştır.
- Katı hâlde tanecikler düzenli dizilmiştir, aralarındaki boşluk çok azdır ve yalnızca titreşim hareketi yaparlar.
- Sıvı hâlde tanecikler düzensizdir, aralarındaki boşluk biraz daha fazladır; titreşim, dönme ve öteleme hareketi yaparlar.
- Gaz hâlde tanecikler birbirinden bağımsızdır, aralarındaki boşluk çok fazladır ve hızlı hareket ederler.
- Isı alan maddenin tanecikleri hızlanır ve aralarındaki boşluk artar; ısı veren maddenin tanecikleri yavaşlar ve boşluk azalır. Hâl değişiminin yönünü bu durum belirler.
Unutma: Hâl değişimi tanecikleri değiştirmez; yalnızca taneciklerin bir arada bulunma biçimini değiştirir.
Hâl Değişimi Sırasında Sıcaklık Değişir mi?
Saf bir madde ısıtılırken sıcaklığı artar. Ancak madde hâl değiştirmeye başladığında sıcaklığı değişmez; aldığı ısı hâl değişimi için kullanılır. Aşağıdaki grafikte buzun ısıtılması sırasındaki sıcaklık–zaman değişimi gösterilmiştir.
- Grafikte sıcaklığın arttığı bölümler, maddenin ısı alıp ısındığı bölümlerdir.
- Grafikteki yatay bölümler hâl değişiminin sürdüğü zamanı gösterir: buz erirken sıcaklık 0 °C'ta, su kaynarken 100 °C'ta sabit kalır.
- Bu yüzden bir maddenin erime sıcaklığını bulmak için sıcaklık–zaman tablosundaki değişmeyen değere bakılır. Örneğin tabloda sıcaklık 6, 8 ve 10. dakikalarda 38 °C'ta sabit kalıyorsa maddenin erime sıcaklığı 38 °C'tur.
Gözlemden tahmine: Bilimsel tahmin, gözlem verilerine dayanır. Aşağıdaki tabloda gözlemler ve bu gözlemlerden çıkarılan tahminler karşılaştırılmıştır.
| Gözlem | Gözleme dayalı tahmin |
|---|---|
| Buz küpü oda sıcaklığında bir süre sonra suya dönüştü | Aynı büyüklükteki bir buz küpü daha sıcak bir odada daha kısa sürede erir |
| Isıtılan su 100 °C'ta kaynamaya başladı ve sıcaklık artmadı | Isıtma sürse de suyun kaynarken sıcaklığı 100 °C'ta kalır |
| Soğuk şişenin dışı buğulandı | Daha soğuk bir şişenin dışı daha çabuk buğulanır |
Gözleme dayanmayan bir tahmin ise "Buz erirken kütlesi azalır, çünkü buz yok olur" gibi bir cümledir. Oysa eriyen buzun kütlesi azalmaz; buz suya dönüşür, kütle korunur. Tahminimizin geçerli olup olmadığını yeni bir gözlemle sınarız.
Sık Karıştırılan Noktalar
- Buharlaşma ile kaynama aynı şey değildir. Buharlaşma sıvının yüzeyinde ve her sıcaklıkta; kaynama ise sıvının her yerinde ve belirli bir sıcaklıkta gerçekleşir.
- Hâl değişimi sırasında kütle değişmez. Eriyen buzun ya da buharlaşan suyun kütlesi kaybolmaz; madde başka bir hâle geçer.
- Hâl değişimi sırasında sıcaklık değişmez. Buz erirken 0 °C'ta, su kaynarken 100 °C'ta sabit kalır.
- Erime sırasında ısı alınır, donma sırasında ısı verilir. İkisi birbirinin tersidir.
- Kırağılaşma ile donma karıştırılmamalıdır. Donmada sıvı katıya dönüşür; kırağılaşmada gaz, sıvı hâle geçmeden doğrudan katıya dönüşür.
- "Buharlaşma yalnızca kaynama sıcaklığında olur" ifadesi yanlıştır; buharlaşma her sıcaklıkta olur.
- Hâl değişimi maddenin türünü değiştirmez. Buz eridiğinde su, su buharlaştığında yine su elde edilir; yeni bir madde oluşmaz.
- Suyun kaynama sıcaklığı ortama göre değişebilir. Deniz seviyesinde 100 °C olan kaynama sıcaklığı, yüksek dağlarda daha düşüktür.
Neler Öğrendik?
- Maddelerin ısı alarak ya da ısı vererek bir hâlden başka bir hâle geçmesine hâl değişimi denir.
- Erime katının ısı alarak sıvıya, donma sıvının ısı vererek katıya dönüşmesidir; ikisi birbirinin tersidir ve aynı sıcaklıkta gerçekleşir.
- Buharlaşma sıvının yüzeyinde ve her sıcaklıkta, kaynama ise sıvının her yerinde ve belirli bir sıcaklıkta olur.
- Yoğuşma, gazın ısı vererek sıvıya dönüşmesidir; buharlaşmanın tersidir.
- Süblimleşme katının sıvıya uğramadan gaza, kırağılaşma gazın sıvıya uğramadan katıya dönüşmesidir.
- Katıdan gaza doğru giden geçişlerde madde ısı alır; gazdan katıya doğru gelen geçişlerde ısı verir.
- Hâl değişimi sırasında sıcaklık değişmez; grafikte bu durum yatay bölüm olarak görünür.
- Hâl değişiminde taneciklerin düzeni ve hareketi değişir; maddenin türü ve kütlesi değişmez. Gözleme dayalı tahmin, görülen verilere dayanır ve yeni gözlemlerle sınanır.