Bir madde doğada katı, sıvı, gaz ve plazma olmak üzere dört temel halde bulunur. Etrafımızda gördüğümüz ya da hissettiğimiz maddelerin çoğunluğu katı, sıvı ya da gaz halindedir ancak evrendeki maddenin %99’u plazma(iyonlaşmış gaz) halindedir.

Maddeler ortam şartları elverişli hale getirildiği zaman, istenildiği taktirde bir halden diğerine dönüştürülebilir ve bu dönüştürme işlemine hal değişimi denir.

Bir maddeyi oluşturan atom ya da moleküller sürekli hareket halindedir. Bu hareket hali katı maddelerde denge konumu etrafındaki titreşimler, sıvı ve haz maddelerde ise hem titreşim hem de öteleme hareketleri şeklindedir. Bu sebeple maddeyi oluşturan her atom ya da molekül kinetik enerjiye sahiptir ve maddeye ısı verildiğinde temel parçacıkların hareketi artar.  Maddeye verilen ısı maddenin temel parçacıklarının hareket enerjisini artırırken, ısı kaybettiğinde ise azaltır.

Sıcaklık bir maddeyi oluşturan temel parçacıkların ortalama kinetik (hareket) enerjisinin bir ölçüsüdür. Bir tek taneciğin ortalama hareket enerjisi artınca artar, azaldıkça azalır. Ancak sıcaklık, taneciklerin hareket enerjisine eşit olmayıp onunla bağıntılı büyüklüktür. Maddenin hal değişimleri de ortamdan ısı alması ya da ortama ısı vermesiyle gerçekleşir.

Erime ve kaynama gibi olaylarda madde ısı aldığı halde sıcaklığında herhangi bir değişim gözlenmez. Çünkü bu olaylar sırasında maddeye verilen enerji, taneciklerin hareket enerjisini artırmaz. Maddeye verilen ısı enerjisi, tanecikler arasındaki uzaklığı artırmaya, tanecikler arasındaki bağların kırılmasına harcanır, potansiyel enerjinin artmasını sağlar. Buradan hareketle, “O halde bir maddedeki ısı miktarı, o maddeyi oluşturan temel parçacıkların kinetik enerjisinin toplamıdır.” denebilir. Madde soğurken taneciklerin hareket enerjisi değişir ve bu durumda madde gaz halinden katı hale doğru hal değiştirmeye başlar ancak bir maddenin taneciklerinin hareket enerjisi hiç bir zaman sıfıra inmez.

Isınan maddenin taneciklerinin hareket enerjisinde artma görülür ancak bu artış her moleküle eşit dağılım göstermez. Dolayısıyla maddeyi oluşturan taneciklerin birine düşen ortalama kinetik enerjisi, ısıtılmaya başlamadan öncekine göre artar ve dışarıdan bakıldığında sıcaklık artışı olarak gözlemlenir.

Erime ve donma

Erime, bir katının belirli bir sıcaklıkta ısı alarak sıvı hale geçmesi olayıdır. Erimenin gerçekleştiği sıcaklık da erime noktası ya da erime sıcaklığı olarak adlandırılır.

Donma ise bir maddenin belirli bir sıcaklıkta ısı kaybederek katılaşmasıdır. Donma olayının gerçekleştiği sıcaklık da donma noktası olarak adlandırılır.

Erime sıcaklığına kadar ısınan madde, daha fazla ısı aldığında erir, sıvılaşır; ısı almazsa o sıcaklıkta katı olarak kalır. Madde erirken aldığı ısıyı, donarken geri verir. Her madde için aynı fiziksel koşullarda erime ve donma noktası aynıdır. Erime ve donma olayında maddenin kütlesi, atom yapısı ve sıcaklığı değişmez. Madde miktarına bağlı değildir. Saf maddelerde erime ve donma hal değişimlerinde, sıcaklık değişmez, sabit kalır.

Her maddenin erime ve donma noktası kendine özgüdür ve maddenin ayırt edici özelliğidir. Plastik maddeler gibi bazı maddelerin belirli bir erime ve donma noktaları yoktur, yavaş yavaş yumuşar ve katı halden sıvı hale geçerler.

Buharlaşma, kaynama ve süblimleşme

Sıvı maddeler her sıcaklıkta buharlaşabilir, bu açıdan kaynama ile birbirinden ayrılır.

Bir kap içerisindeki sıvı molekülleri sürekli serbestçe ve değişik yönlerde değişik hızlarda hareket eder. Oda sıcaklığında dahi moleküllerden bazıları son derece hızlı hareket eder ve sıvı yüzeyinden fırlayıp kurtulur. Böylece bu molekül gaz haline geçmiş olur.

Bir sıvıdan buharlaşarak ayrılan molekül, sıvı içerisinde en çok enerjiye sahip olanlardır. Sıvı sıcaklığının artırılması, sıvı moleküllerinin hareket enerjisini artırır. Böylece moleküllerin hareket ve buharlaşma hızı artar. Kaynama ise sıvının her tarafında gerçekleşen en hızlı buharlaşma olayıdır. Belirli bir sıcaklık ve basınçta gerçekleşir. Kaynama olayının gerçekleştiği sıcaklık kaynama noktası veya kaynama sıcaklığı olarak adlandırılır.

Kaynama sıcaklığı da erime ve donma sıcaklığı gibi her madde için farklı, dolayısıyla ayırt edici özelliklerdendir. Madde miktarına bağlı değildir, basınç ile birlikte değişir. Örneğin; deniz seviyesinden yükseğe çıkıldıkça hava basıncı azalır, kaynama sıcaklığı düşer; deniz seviyesine inildikçe basınç artar ve kaynama sıcaklığı yükselir. Saf suyun deniz seviyesinde kaynama sıcaklığı 100°C’dir.

Süblimleşme

Katı maddenin sıvı hale geçmeden direkt gaz haline geçmesi olayıdır. Bu olaya örnek olarak; yaz başında yünlü kışlık giysiler naftalinlenerek kutulara koyulur, kış başında kutular açıldığında giysiler arasına konmuş katı naftalinler göz ile görünmez ancak keskin kokusunun hemen duyulması verilebilir. Sıcak ortamdaki süblimleşme, soğuk ortamdakinden daha hızlı gerçekleşir.