Hâl Değişim Grafikleri Nasıl Yorumlanır?
Hâl değişim grafiklerinde yatay eksen zamanı veya alınan enerjiyi, dikey eksen ise sıcaklığı gösterir. Saf maddelerin grafiklerinde eğimli bölgelerde sıcaklık değişirken yatay bölgelerde madde hâl değiştirir ve sıcaklık sabit kalır; karışımlarda ise hâl değişimi sırasında sıcaklık sabit kalmaz. Isıtma ve soğutma eğrileri üzerinden maddenin hâli ile erime, donma, kaynama ve yoğuşma sıcaklıkları belirlenebilir.
Bu yazıda (6)
Hâl değişim grafikleri, bir maddenin ısıtılırken veya soğutulurken sıcaklığının nasıl değiştiğini gösterir. Grafikteki eksenler, eğimli parçalar ve yatay parçalar birlikte okunarak maddenin hangi hâlde olduğu ve hangi hâl değişiminin gerçekleştiği anlaşılır.
Grafiğin eksenlerini ve bölümlerini okuma
Önce grafiğin eksenleri incelenir. Dikey eksen genellikle sıcaklığı, yatay eksen ise zamanı veya maddeye verilen enerjiyi gösterir. Yatay eksen zaman ise eğrinin her noktasında ısıtma ya da soğutma sürecinin hangi anında olunduğu okunur. Yatay eksen enerji miktarını gösteriyorsa, grafik sıcaklığın alınan enerjiyle nasıl değiştiğini anlatır. Eksen adları ve birimleri görülmeden yalnızca çizginin şekline bakarak yorum yapmak doğru değildir.
Grafik, çoğunlukla eğimli ve yatay bölümlere ayrılır. Eğimli bölümde dikey değer, yani sıcaklık, değişir. Yatay bölümde ise yatay eksende ilerleme sürmesine rağmen sıcaklık aynı değerde kalır. Bu iki bölümün sınırları, maddenin bir hâlden başka bir hâle geçmeye başladığı veya geçişi tamamladığı noktaları gösterir. Örneğin ısıtılan bir katının sıcaklığı önce yükselir; erime başladığında grafik bir süre yatay ilerler; erime tamamlandıktan sonra sıvının sıcaklığı yeniden yükselir.
Özgül ısı, bir maddenin sıcaklığını değiştirmek için gereken ısıyla ilgili bir özelliktir; hâl değiştirme ısısı ise hâl değişimi sırasında kullanılan enerjiyle ilgilidir. Bu kavramların ayrıntıları ısı ve sıcaklık konusuyla birlikte ele alınır.
Isıtma eğrisinin yorumlanması
Isıtma eğrisi, maddeye sürekli ısı verilirken sıcaklığın nasıl değiştiğini gösterir. Tipik bir saf madde ısıtma eğrisinde ilk eğimli bölüm katının ısınmasını, ilk yatay bölüm erimeyi, sonraki eğimli bölüm sıvının ısınmasını, ikinci yatay bölüm kaynamayı ve son eğimli bölüm gazın ısınmasını gösterir. Bu sıralama, katıdan sıvıya ve sıvıdan gaza doğru ilerleyen bir ısıtma sürecidir.
İlk eğimli bölümde verilen ısı, katı taneciklerin ortalama hareket enerjisini artırır; bu nedenle sıcaklık yükselir. Erime sıcaklığına ulaşıldığında verilen enerji, tanecikleri katıdaki düzenli konumlarında tutan çekimlerin bir kısmını aşmaya yönelir. Bu sırada sıcaklık sabit kalır ve katı ile sıvı birlikte bulunur. Katı tamamen eridikten sonra verilen enerji sıvının sıcaklığını artırır ve grafik yeniden eğimli hâle gelir.
Sıvı kaynama sıcaklığına ulaştığında ikinci yatay bölüm başlar. Bu bölümde sıvı gaza dönüşür; sıcaklık, kaynama tamamlanıncaya kadar sabit kalır. Tüm sıvı gaza dönüştükten sonra gazın sıcaklığı tekrar yükselir. Örneğin bir buz parçası ısıtılırsa önce buzun sıcaklığı yükselir, erime sırasında sıcaklık sabit kalır, oluşan su ısınır, kaynama sırasında ikinci bir yatay bölüm oluşur ve su buharı daha sonra ısınabilir.
Kaynama sıcaklığı çevre basıncına bağlı olduğundan, farklı basınçlarda çizilen grafiklerde kaynama yatay bölümünün sıcaklığı farklı olabilir. Isıtma eğrisindeki her yatay bölümün mutlaka bir hâl değişimine karşılık geldiği unutulmamalıdır. Tuzlu su gibi karışımlarda ise hâl değişimi sırasında sıcaklık sabit kalmaz; bu yüzden grafikte tam yatay bir bölüm görülmez.
Eğimli ve yatay bölgelerin anlamı
Eğimli bölgeler, maddenin tek bir hâlde bulunurken sıcaklığının değiştiği bölümlerdir. Isıtma sırasında bu bölümlerde madde enerji alır ve taneciklerin ortalama hareket enerjisi arttığı için sıcaklık yükselir. Soğutma sırasında ise sıcaklık azalır. Örneğin erimesi tamamlanmış su ısıtılıyorsa, su sıvı hâlde kaldığı sürece sıcaklığı artar ve grafik eğimli görünür.
Yatay bölgelerde yatay eksende zaman veya enerji artmaya devam ederken sıcaklık sabit kalır. Çünkü verilen ya da uzaklaştırılan enerji, taneciklerin hareketini hızlandırmak yerine tanecikler arasındaki çekimlerin zayıflaması veya güçlenmesiyle ilgilidir. Isıtma eğrisinde bu durum hâl değişimini ilerletir; soğutma eğrisinde ise ters yöndeki hâl değişimini sürdürür. Örneğin kaynayan suya daha fazla ısı verilmesi, kaynama sıcaklığını sürekli yükseltmek yerine buharlaşmayı hızlandırabilir.
Bir yatay bölümün uzunluğu, grafiğin yatay ekseninin neyi gösterdiğine göre yorumlanır. Zaman ekseninde uzun yatay bölüm, hâl değişiminin daha uzun sürdüğünü; enerji ekseninde uzun bölüm ise geçiş için daha fazla enerji gerektiğini gösterir. Hâl değişimi sırasında alınan enerji sıcaklığı değiştirmekten çok hâl değişiminin ilerlemesini sağlar. Hâl değişim grafikleriyle ısı ve enerji hesaplamaları ayrı bir konunun kapsamındadır.
Yatay bölgelerde gerçekleşen hâl değişimleri
Yatay bölgeler, sıcaklığın sabit kaldığı hâl değişimi aşamalarıdır. Isıtma eğrisinde katıdan sıvıya geçiş erime, sıvıdan gaza geçiş ise buharlaşma veya kaynama olarak adlandırılır. Soğutma eğrisinde gazdan sıvıya geçiş yoğuşma, sıvıdan katıya geçiş donmadır. Bu süreçlerde iki hâl aynı anda bulunur; geçiş tamamlandığında madde tek bir hâlde kalır.
Erime yatay bölümünde katı ve sıvı birlikte bulunur. Verilen enerji katının tamamının sıvıya dönüşmesine harcanırken sıcaklık erime noktasında sabit kalır. Örneğin buz-su karışımı erime sürerken sıcaklık sabit kalabilir; buz tamamen eridikten sonra suyun sıcaklığı yükselmeye başlar. Bunun tersi olan donmada sıvı ve katı birlikte bulunur ve sıvı tamamen katılaşıncaya kadar sıcaklık donma noktasında kalır.
Kaynama yatay bölümünde sıvı ve gaz birlikte bulunur. Sıvının tamamı gaza dönüşünceye kadar sıcaklık sabittir. Soğutma sürecinde bunun karşılığı yoğuşmadır: gaz sıvıya dönüşür ve geçiş boyunca gaz ile sıvı aynı anda bulunabilir. Örneğin su buharının daha soğuk bir yüzeyde sıvı su damlacıklarına dönüşmesi yoğuşmaya örnektir.
Hâl değişimleri yalnızca bu dört geçişle sınırlı değildir. Katının doğrudan gaza dönüşmesine süblimleşme, gazın doğrudan katıya dönüşmesine kırağılaşma denir; ancak bu geçişler, sıvı hâlin bulunmadığı farklı grafiklerde gösterilir. Bir maddenin hâl diyagramı ise bu grafikten farklı olarak hâlleri basınç ve sıcaklık koşullarına göre gösteren ayrı bir konudur.
Soğutma eğrisinin yorumlanması
Soğutma eğrisi, maddeden ısı uzaklaştırılırken sıcaklığın nasıl değiştiğini gösterir. Önce gazın sıcaklığı düşebilir; gaz yoğuşma sıcaklığına ulaştığında yatay bir bölüm oluşur ve gaz sıvıya dönüşürken sıcaklık sabit kalır. Yoğuşma tamamlandıktan sonra sıvının sıcaklığı yeniden düşer. Sıvı donma sıcaklığına ulaştığında ikinci yatay bölümde donma gerçekleşir; bu sırada sıvı ve katı birlikte bulunur. Tüm sıvı katıya dönüştükten sonra katının sıcaklığı azalmaya devam eder. Böylece soğutma eğrisi, ısıtma eğrisindeki geçişlerin ters yöndeki karşılıklarını gösterir. Donma ve yoğuşmada tanecikler arasındaki çekimler güçlenirken enerji çevreye verilir.
Grafikten maddenin hâlini ve hâl değişim sıcaklığını belirleme
Grafikte belirli bir noktadaki maddenin hâlini belirlemek için noktanın hangi bölüme düştüğüne bakılır. Isıtma eğrisinde ilk eğimli bölüm katıyı, erimeye karşılık gelen yatay bölüm katı-sıvı karışımını, erime ile kaynama arasındaki eğimli bölüm sıvıyı, kaynama yatay bölümü sıvı-gaz karışımını ve son eğimli bölüm gazı gösterir. Soğutma eğrisinde ise gaz, yoğuşma sırasında gaz-sıvı karışımı, ardından sıvı, donma sırasında sıvı-katı karışımı ve sonrasında katı bulunur.
Hâl değişim sıcaklığı, grafikte yatay bölümün dikey eksendeki sıcaklık değerinden okunur. Isıtma grafiğinde ilk yatay bölümün sıcaklığı erime sıcaklığını, ikinci yatay bölümün sıcaklığı kaynama sıcaklığını verir. Soğutma grafiğinde ise ilk yatay bölüm yoğuşma, ikinci yatay bölüm donma sıcaklığını gösterir; saf bir madde için erime sıcaklığı donma sıcaklığına, kaynama sıcaklığı da aynı basınçta yoğuşma sıcaklığına eşittir. Bir nokta yatay bölümün başlangıcındaysa geçiş yeni başlamış, ortasındaysa iki hâl birlikte bulunuyor, sonunda ise hâl değişimi tamamlanmak üzere veya tamamlanmıştır. Bu nedenle yalnızca sıcaklık değerini değil, noktanın yatay bölümdeki konumunu da değerlendirmek gerekir.
Buzun erirken sıcaklığının bir süre sabit kalması, kaynayan suyun sıcaklığı sabitken buharlaşması ve soğuk yüzeyde su damlacıkları oluşması hâl değişim grafiklerindeki yatay bölümlere günlük hayattan örnektir.
Grafikte eğimli bölümün tek hâlde sıcaklık değişimini, yatay bölümün ise iki hâlin birlikte bulunduğu hâl değişimini gösterdiği ayırt edilmelidir. Yatay bölümün dikey eksendeki değeri, geçiş sıcaklığını verir; bölümün ortasında maddeyi tek bir hâlde kabul etmek hatalıdır.
Sık sorulan sorular
Hâl değişimi sırasında sıcaklık neden sabit kalır?
Verilen veya uzaklaştırılan enerji, sıcaklığı değiştirmek yerine tanecikler arasındaki çekimlerin zayıflaması ya da güçlenmesi için kullanılır. Bu nedenle hâl değişimi tamamlanıncaya kadar sıcaklık sabit kalır.
Isıtma grafiğinde yatay bölüm hangi hâli gösterir?
Yatay bölüm bir hâl değişimini gösterir. Erime sırasında katı ve sıvı, kaynama sırasında ise sıvı ve gaz birlikte bulunur.
Soğutma eğrisinde yatay bölümler hangi geçişlerdir?
Gazın sıvıya dönüşmesi yoğuşma, sıvının katıya dönüşmesi donmadır. Bu geçişlerin her ikisi de sıcaklığın sabit kaldığı yatay bölümlerde görülür.
Grafikte bir noktanın katı mı, sıvı mı olduğu nasıl anlaşılır?
Noktanın bulunduğu bölüme bakılır. Eğimli tek hâl bölgeleri katı, sıvı veya gazı; yatay bölgeler ise iki hâlin birlikte bulunduğu geçiş aşamasını gösterir.
Erime ve donma sıcaklıkları grafikte nasıl bulunur?
Erime veya donma sırasında oluşan yatay bölümün dikey eksendeki sıcaklık değeri okunur. Aynı madde için geçişin yönüne göre bu değer erime ya da donma sıcaklığı olarak adlandırılır.
Öğrendin mi? Kendini sına
Testi ayrı sayfada aç →3 soru. Hepsini işaretledikten sonra sonucunu ve her sorunun açıklamasını görürsün.