Hâl Değişimi Isısı ve Isı-Sıcaklık Grafikleri

Hâl değişimi ve hâl değişimi ısısının anlamı

Hâl değişimi, bir maddenin katı, sıvı veya gaz hâllerinden birinden diğerine geçmesidir. Katı hâlde tanecikler düzenli bir yapı içinde titreşir; sıvıda tanecikler birbirlerinin yanından kayabilir; gazda ise tanecikler arasındaki uzaklık daha büyüktür ve tanecikler daha serbest hareket eder. Bir madde daha hareketli ve tanecikler arası çekimlerin daha fazla aşıldığı bir hâle geçerken enerji alır. Ters yönde, daha düzenli veya daha sıkı bağlı bir hâle geçerken enerji verir.

Hâl değişimi ısısı, bir maddenin sıcaklığı değişmeden hâlini değiştirmek için aldığı veya verdiği enerjidir. Isı alındığında bu enerji, taneciklerin ortalama hareket enerjisini artırmak yerine tanecikler arasındaki çekim etkilerini zayıflatmaya ve yapıyı değiştirmeye gider. Bu nedenle enerji sisteme girdiği hâlde sıcaklık yükselmez. Hâl değişimi tamamlandıktan sonra verilen enerji yeniden taneciklerin hareket enerjisini artırmaya başlar ve sıcaklık değişir.

Örneğin erime sıcaklığındaki buz ısı aldığında hemen daha sıcak suya dönüşmez. Önce buzun katı yapısını koruyan çekimlerin aşılması gerekir; bütün buz eriyene kadar sıcaklık aynı kalır. Benzer biçimde kaynama sıcaklığındaki su, aldığı enerjiyi sıvıdan gaza geçmek için kullanır. Donma ve yoğuşmada ise tanecikler daha düzenli ve birbirine daha yakın bir yapıya geçtiği için aynı büyüklükte enerji çevreye verilir. Hâl değişimi ısısının değeri maddenin cinsine ve gerçekleşen hâl değişimine bağlıdır; tanecikler arası çekimler ne kadar güçlüyse gereken enerji de o kadar büyüktür.

Erime, donma, buharlaşma, yoğuşma ve süblimleşme

Erime, katının sıvıya dönüşmesi ve ısı almasıdır; donma ise sıvının katıya dönüşmesi ve ısı vermesidir. Buharlaşma, sıvının gaza dönüşmesidir ve enerji alınmasını gerektirir. Buharlaşma yalnızca kaynama sıcaklığında gerçekleşmez; sıvının yüzeyinden daha düşük sıcaklıklarda da gerçekleşir. Yoğuşma, gazın sıvıya dönüşmesidir ve bu sırada enerji çevreye verilir. Süblimleşme ise katının sıvı hâle uğramadan doğrudan gaza geçmesidir ve ısı alınarak gerçekleşir; naftalinin ve kuru buzun (katı karbondioksit) zamanla gaza dönüşmesi buna örnektir. Tersi olan kırağılaşmada gaz doğrudan katıya dönüşür ve ısı verilir; soğuk gecelerde camlarda ve bitkilerde oluşan kırağı bu yolla oluşur. Bu süreçlerde alınan veya verilen enerjinin büyüklüğü, maddenin kütlesine ve ilgili hâl değişimi ısısına bağlıdır. Örneğin buzun erimesinde enerji alınırken suyun donmasında aynı süreç tersine çevrilir ve aynı miktardaki madde için enerji verilir.

Hâl değişimi ısısı bağıntısı ve birimler

Hâl değişimi sırasında alınan veya verilen ısı miktarının büyüklüğü Q = mL bağıntısıyla bulunur. Burada Q, hâl değişimi için aktarılan ısıyı; m, maddenin kütlesini; L ise ilgili hâl değişimi ısısını gösterir. L, birim kütledeki maddenin hâlini değiştirmek için gereken enerji miktarıdır. SI sisteminde Q joule (J), m kilogram (kg), L ise joule/kilogram (J/kg) birimleriyle kullanılır.

Erime ve donma için erime ısısı Le, buharlaşma ve yoğuşma için buharlaşma ısısı Lb kullanılır. Erime veya buharlaşmada madde ısı aldığı için Q’nun büyüklüğü hesaplanır; donma veya yoğuşmada aynı büyüklükte enerji madde tarafından verilir. İşaret kullanılacaksa alınan ısı pozitif, verilen ısı negatif kabul edilebilir. Bir soruda yalnızca verilen ya da alınan enerjinin miktarı isteniyorsa çoğunlukla pozitif büyüklük yazılır.

Örneğin erime sıcaklığındaki 2 kg su buzu için erime hâl değişimi ısısı 334 kJ/kg ise gereken enerji Q = mLe = 2 kg × 334 kJ/kg = 668 kJ olur. Bu hesapta buzun sıcaklığının erime sürecinde değişmediği ve yalnızca hâl değişimi için gereken enerjinin sorulduğu kabul edilir. Aynı miktardaki suyun donması durumunda 668 kJ enerji çevreye verilir. Hâl değişimi tamamlanmadan önce veya sonra sıcaklık da değişiyorsa süreç ayrı sıcaklık değişimi ve hâl değişimi adımlarına ayrılır.

Hâl değişimi sırasında sıcaklığın sabit kalması

Saf bir madde hâl değiştirirken ısı almasına veya vermesine rağmen sıcaklığının sabit kalmasının nedeni, aktarılan enerjinin taneciklerin ortalama hareket enerjisini değiştirmemesi, tanecikler arasındaki çekimlerin ve düzenin değişmesine harcanmasıdır. Sıcaklık, taneciklerin ortalama kinetik enerjisiyle ilişkilidir. Hâl değişimi sırasında alınan enerji çekimlerin aşılmasına giderse bu ortalama hareket enerjisi, dolayısıyla sıcaklık, artmaz. Hâl değişimi tamamlandığında ise eklenen ısı sıcaklık değişimine yol açar.

Erime sırasında katı tanecikleri arasındaki bağların zayıflatılması gerekir. Buharlaşmada sıvı tanecikleri birbirinden daha fazla uzaklaştırılır ve aralarındaki çekimlerin aşılması gerekir. Bu yüzden çoğu maddede buharlaşma ısısı erime ısısından büyüktür; örneğin su için buharlaşma ısısı yaklaşık 2260 kJ/kg, erime ısısı ise 334 kJ/kg'dır. Ters süreçlerde, yani donma ve yoğuşmada, tanecikler daha bağlı bir düzene geçerken enerji açığa çıkar ve çevreye verilir.

Örneğin başlangıçta 0 °C’de bulunan buz-su karışımına ısı verildiğinde, karışımda buz kaldığı sürece sıcaklık 0 °C’de kalır. Verilen enerjinin tamamı buzun erimesine harcanır. Buzun tamamı eridikten sonra verilen enerji sıvı suyun sıcaklığını artırır. Aynı nedenle kaynama sıcaklığındaki su, tüm sıvı gaza dönüşünceye kadar kaynama sıcaklığında kalır. Bu sabit sıcaklık aralıkları, ısı-sıcaklık grafiğinde yatay bölümler olarak görülür.

Isı-sıcaklık grafiğinin bölümleri

Bir maddenin ısıtılması sırasında yatay eksende verilen ısı Q, düşey eksende sıcaklık T gösterilirse grafik genellikle eğimli ve yatay bölümlerden oluşur. Eğimli bölümde madde tek bir hâlde bulunur ve aldığı ısı sıcaklığını değiştirir. Örneğin buzun erime sıcaklığının altındaki bölümde verilen ısı buzun sıcaklığını artırır. Erime tamamlandıktan sonra sıvı suyun sıcaklığının yükseldiği başka bir eğimli bölüm görülür. Sıvı kaynama sıcaklığına ulaştığında kaynama başlar ve grafik yataylaşır. Sıvının tamamı gaza dönüşünce gazın sıcaklığı yeniden artar ve grafik tekrar eğimli hâle gelir.

Grafikte yatay bölümün uzunluğu, hâl değişimi için gereken ısının büyüklüğü hakkında bilgi verir. Aynı kütle ve aynı ısıtma koşullarında daha uzun yatay bölüm, o hâl değişimi için daha fazla enerji gerektiğini gösterir. Yatay bölümün yüksekliği ise hâl değişiminin gerçekleştiği sıcaklıktır. Eğimli bölümlerdeki eğim, verilen ısı arttıkça sıcaklığın ne kadar hızlı değiştiğini gösterir. Kütleler eşitse, aynı miktarda ısıyla sıcaklığı daha az değişen madde veya hâl daha büyük özgül ısıya sahiptir.

Örneğin suyun ısıtma eğrisinde 1 atm basınçta 0 °C’deki yatay kısım erimeyi, 100 °C’deki yatay kısım kaynamayı temsil eder. 0 °C’den önceki eğimli kısım katı hâlin, 0 °C ile 100 °C arasındaki eğimli kısım sıvı hâlin, 100 °C’den sonraki eğimli kısım ise gaz hâlin sıcaklık artışını gösterir. Bu yorum, verilen ısının hangi aralıkta sıcaklık değişimine, hangi aralıkta hâl değişimine harcandığını ayırt etmeyi sağlar. Grafikteki her bölüm için gerekirse Q = mcΔT veya Q = mL bağıntısı seçilir.

Isıtma ve soğutma eğrilerinin temel yorumu

Isıtma eğrisinde madde çevreden enerji alır. Tek hâlde bulunan maddenin sıcaklığı eğimli bir bölümde artar; hâl değişimi başladığında sıcaklık sabit kalır ve grafik yatay ilerler. Hâl değişimi tamamlanınca sıcaklık yeniden yükselir. Soğutma eğrisinde süreç ters yönde işler: Tek hâlde bulunan maddenin sıcaklığı azalır, donma veya yoğuşma sırasında sıcaklık sabit kalır, hâl değişimi tamamlandıktan sonra soğuma devam eder. Soğuma sırasında yatay bölümdeki enerji madde tarafından çevreye verilir. Örneğin su buharı yoğuşurken çevreye yoğuşma ısısı aktarır; su donarken de donma ısısı çevreye bırakılır. Aynı madde ve aynı kütle için ters yönlü hâl değişimlerinde alınan ve verilen enerjinin büyüklüğü aynıdır.

Özgül ısı ile sıcaklık değişimi arasındaki ilişki

Bir maddenin hâli değişmiyorsa aldığı veya verdiği ısı, sıcaklık değişimiyle Q = mcΔT bağıntısına göre ilişkilidir. Burada c özgül ısıdır ve bir kilogram maddenin sıcaklığını 1 °C veya 1 K değiştirmek için gereken ısıyı ifade eder. Özgül ısının birimi J/(kg·K) veya J/(kg·°C) olabilir. ΔT, son sıcaklık ile ilk sıcaklık arasındaki farktır; Celsius ve kelvin ölçeklerinde sıcaklık farkının sayısal değeri aynıdır.

Bağıntıya göre kütle veya özgül ısı büyüdükçe aynı sıcaklık değişimi için daha fazla ısı gerekir. Aynı miktarda ısı verildiğinde özgül ısısı büyük olan maddenin sıcaklığı daha az değişir. Isı-sıcaklık grafiğinde bu durum eğimli bölümlerin eğimiyle ilişkilidir: Isı yatay eksendeyse, sıcaklığın daha yavaş değiştiği bölüm daha büyük özgül ısıya işaret eder. Ancak bu yorum yalnızca maddenin hâli değişmiyorsa yapılır.

Hâl değişimi sırasında Q = mcΔT kullanılmaz; çünkü bu aralıkta ΔT = 0’dır ve aktarılan enerji hâl değişimine gider. Bu durumda Q = mL kullanılır. Örneğin buzun sıcaklığını erime noktasına kadar artırmak için Q = mcΔT, erime noktasında buzu suya dönüştürmek için Q = mLe, oluşan suyun sıcaklığını artırmak için yeniden Q = mcΔT uygulanır.