Isı veriyorsun ama sıcaklık artmıyor
Buzu ocağa koyduğunda termometre 0 °C’ta takılır. Ocak çalışıyor, enerji giriyor, ama sayı değişmiyor. Çünkü verilen enerji sıcaklığı artırmaya değil, buzu suya çevirmeye harcanıyor. Bu sayfada o düz çizgilerin (platoların) neden oluştuğunu, kütlenin ve maddenin cinsinin neyi değiştirdiğini, tuz ve basıncın erime ile kaynama sıcaklığını nasıl kaydırdığını göreceksin.
Maddeler üzerinde ısının birçok etkisi vardır. Bu etkilerden biri sıcaklık değişimi, diğeri ise hâl değişimidir. Saf maddeler için hâl değişim sıcaklığı ayırt edici özelliktir.
Maddelerin hâl değişim sıcaklığını etkileyen çeşitli nitelikler vardır. Bu nitelikleri bilmek, çay suyunun kaynaması gibi günlük hayatta sıkça karşılaşılan termodinamik olayların, yağmur ve kar oluşumu gibi doğal süreçlerin, soğutma sistemleri gibi teknolojilerin anlaşılmasını sağlar. Bunların yanı sıra buzulların erimesi gibi tüm insanlığı etkileyen çevre sorunlarının çözümüyle ilgili yeni anlayışların geliştirilmesine katkı sunar.
Maddenin saflığı ve üzerine etkiyen basınç, maddenin hâl değişimi sıcaklığını değiştirir.
Hâl değiştirirken saf maddelerin sıcaklığı sabit kalır.
Saf maddelerde maddenin tamamı hâl değiştirinceye kadar sıcaklık sabit kalır. Grafikte bu, yatay düz çizgiler (plato) olarak görünür.
Bu ünitenin en kritik cümlesi budur ve şu soruyu doğurur: enerji giriyorsa nereye gidiyor? Cevap 04. bölümde: tanecikler arasındaki bağları koparmaya, yani potansiyel enerjiye.
Dört nitelik sayılıyor. İkisi hâl değişim sıcaklığını kaydırır, ikisi gereken ısı miktarını belirler:
| Nitelik | Neyi değiştirir | Örnek |
|---|---|---|
| Saflık | hâl değişim sıcaklığını | buza atılan tuz erime sıcaklığını düşürür |
| Basınç | hâl değişim sıcaklığını | düdüklü tencerede su 120 °C’ta kaynar |
| Kütle | gereken ısı miktarını | 200 g buz için gereken ısı, 100 g’ınkinin iki katı |
| Maddenin cinsi | gereken ısı miktarını (hâl değişim ısısı) | 1 g buz 334 J, 1 g bal mumu 168 J ister |
Bu ayrımı yapmadan soru çözülmez: sıcaklığı kaydıran ile enerjiyi belirleyen nitelikler birbirinden farklıdır.
Her satırda tek hücre doğru; işaretle, sonra “Denetle”ye bas.
Saf bir maddenin içine farklı bir madde karıştırılırsa maddenin saflığı bozulur. Oluşan karışımın erime ve kaynama sıcaklığı saf maddeninkinden farklı olur. Örneğin buzun içine atılan tuz, buzun erime sıcaklığını düşürür ve erimeyi kolaylaştırır. Kışın buzlu yollara tuz atılmasının sebebi budur. Suyun içine tuz atılması durumunda ise suyun kaynama sıcaklığı yükselir.
Dikkat: tuz iki sınırı da aynı yöne kaydırmıyor. Erime sıcaklığını aşağı, kaynama sıcaklığını yukarı çekiyor. Yani su tuzlanınca sıvı kalabildiği aralık genişliyor.
Yollara serpilen tuz buzu eritmiyor; buzun erime sıcaklığını düşürüyor. Ortam –3 °C ise saf buz erimez, ama tuzlanmış buzun erime sıcaklığı –5 °C’a inmişse artık o buz için ortam sıcak sayılır ve erir.
Bunun bir sonucu var: çok soğuk günlerde tuz işe yaramaz. Hava sıcaklığı tuzun indirebildiği sınırın da altına inerse yol yine buz tutar. Belediyeler bu yüzden çok soğuk bölgelerde tuz yerine başka çözücüler kullanır.
Aynı mantık mutfakta da geçerli: tuzlu su daha geç kaynar (kaynama sıcaklığı yükselmiştir), ama kaynadığında daha sıcaktır; makarna bu yüzden biraz daha hızlı pişer.
Buz, antimon, bizmut gibi erirken hacmi azalan maddelerde maddenin üzerine uygulanan basıncın artması durumunda maddenin erimesi kolaylaşır ve erime sıcaklığı düşer. Kışın karlı yollarda araç lastiklerinin geçtiği kısımlardaki kar ve buzların erimesinin nedeni budur. Erirken hacmi azalan maddelerde basıncın azalması ise erimeyi zorlaştırarak erime sıcaklığını yükseltir.
Demir, alüminyum, kalay gibi erirken hacmi artan maddelerde maddenin üzerine uygulanan basıncın artması durumunda maddenin erimesi zorlaşır ve erime sıcaklığı yükselir. Bu maddelerde basıncın azalması ise erimeyi kolaylaştırır ve erime sıcaklığını düşürür.
1 atm’de buzun erime sıcaklığı 0 °C · 200 atm’de –2 °C
Basıncın artması, madde ayrımı olmadan tüm maddelerin kaynama sıcaklığını yükseltir.
Örneğin yanan bir ocağın üstündeki düdüklü tencerenin içinde oluşan yaklaşık 2 atmosfer (atm) basınç, yemeğin içindeki suyun kaynama sıcaklığının 100 °C’tan yaklaşık 120 °C’a yükselmesine neden olur. Sıvı hâldeki sıcaklığı 120 °C’a yükselen su yardımıyla düdüklü tencerelerde yemekler daha kısa sürede pişer.
Erimede maddeye göre değişen bir kural, kaynamada herkes için aynı bir kural var. Sınavda en çok karıştırılan yer burası: “basınç artınca erime sıcaklığı ne olur?” sorusunun cevabı maddeye bağlıdır; “kaynama sıcaklığı ne olur?” sorusunun cevabı her zaman yükselir.
Patenci buz üstünde kayarken patenin buza temas ettiği kısımlarda buz erir, buzda yarıklar oluşur ve paten bu yarıkların içinden ilerler. Patenci bu bölgeden geçtikten hemen sonra buz tekrar donarak eski hâline gelir. Patenin buza temas ettiği kısımlardaki buzların erimesinin nedeni nedir?
Çözüm: Patenin bıçağı ince olduğu için temas alanı çok küçüktür ve sporcunun ağırlığı bu küçük alana biner — basınç çok büyür. Buz erirken hacmi azalan bir madde olduğundan artan basınç erime sıcaklığını düşürür ve o noktadaki buz erir. Paten geçtikten sonra basınç ortadan kalkar, erime sıcaklığı eski değerine döner ve su yeniden donar.
Basınç konusunu hatırla: P = F / A. Alan küçüldükçe basınç büyür. Patenin ince bıçağı, karlı yolda lastiğin bastığı çizgi ve kar ayakkabısının geniş tabanı aynı bağıntının üç ayrı kullanımıdır.
Normal şartlarda bulunan –20 °C sıcaklığındaki saf buzun 120 °C sıcaklığındaki gaz hâline geçmesine kadarki süreçte sıcaklık ve hâl değişimleri aşağıdaki grafikte gösteriliyor. Grafikte hâl değişiminin yaşandığı bölgeler yatay düz çizgilerle belirtilmiştir.
Model her aşamada iki enerjiyi ayrı ayrı izliyor:
| Aşama | Sıcaklık | Kinetik enerji (Ek) | Potansiyel enerji (Ep) |
|---|---|---|---|
| Katı ısınıyor (–20 → 0 °C) | artar | artıyor | sabit |
| Erime (0 °C) | sabit | sabit | artıyor |
| Sıvı ısınıyor (0 → 100 °C) | artar | artıyor | sabit |
| Kaynama (100 °C) | sabit | sabit | artıyor |
| Gaz ısınıyor (100 → 120 °C) | artar | artıyor | sabit |
Kural tek cümlede: eğik bölümlerde kinetik enerji, yatay bölümlerde potansiyel enerji artar. Sıcaklık kinetik enerjinin göstergesi olduğu için platolarda termometre kıpırdamaz.
Ünite 18’in tanımını hatırla: sıcaklık, taneciklerin ortalama kinetik enerjisinin göstergesidir. Plato boyunca iç enerji artmaya devam eder — artan kısım potansiyel enerjidir.
Eşit zaman aralıklarında eşit ısı veren bir kaynakla katı bir madde gaz hâline gelinceye kadar ısıtılıyor. Grafikte kırılma noktaları 2t, 3t, 6t ve 9t; platolar 3T ve 7T sıcaklıklarında.
Grafiğin okunması: 0–2t katı ısınır · 2t–3t erime platosu (süre t) · 3t–6t sıvı ısınır · 6t–9t kaynama platosu (süre 3t).
a) Eşit sürelerde eşit ısı verildiğine göre verilen ısı süreyle doğru orantılıdır. Eritmek için gereken ısı t süreye, tamamını gaz hâline geçirmek için gereken ısı 3t süreye karşılık gelir: Qgaz = 3 · Qerime.
b) Madde miktarı artırılırsa: her aşama için gereken ısı kütleyle doğru orantılı olduğundan bütün süreler aynı oranda uzar. Plato sıcaklıkları (3T ve 7T) değişmez — hâl değişim sıcaklığı ayırt edici özelliktir, kütleye bağlı değildir.
c) Isı kaynağının gücü artırılırsa: birim zamanda verilen ısı arttığı için bütün süreler kısalır. Plato sıcaklıkları yine değişmez.
Tek cümlede: kütle ve ısıtıcı gücü grafiğin yatay eksenini (süreleri) değiştirir, düşey eksenini (sıcaklıkları) değiştirmez.
3. Etkinlikte dört madde özdeş ısıtıcılarla ısıtılıyor: 100 g buz, 200 g buz, 100 g bal mumu, 200 g bal mumu. Beklenen sonuçlar kitapta şöyle veriliyor:
Üçüncü satır 334 ≈ 2 · 168 olduğu için doğru. Bu, hâl değişim ısısının maddenin cinsine bağlı olduğunun sayısal kanıtıdır.
Hâl değişimini etkileyen diğer bir nicelik maddenin cinsidir. Eşit kütlede farklı cins maddelerin tamamının hâl değiştirmesi için gereken ısı miktarı birbirinden farklıdır ve bu, hâl değişim ısısı olarak ifade edilir.
Hâl değişim ısısı, hâl değişim sıcaklığındaki bir maddenin birim kütlesinin tamamen hâl değiştirmesi için gereken ısı miktarıdır. L sembolü ile gösterilen hâl değişim ısısının SI’daki birimi joule/kilogramdır (J/kg). Hâl değişim ısısı maddeler için ayırt edici özelliktir.
Q = m · L
Q: hâl değişimi için gereken ısı miktarı (J) · m: hâl değiştiren madde miktarı (kg) · L: hâl değiştirme ısısı (J/kg)
| Q = m · c · ΔT | Q = m · L | |
|---|---|---|
| Ne zaman | grafiğin eğik bölümlerinde | grafiğin yatay bölümlerinde |
| Sıcaklık | değişir | sabit kalır |
| Hâl | değişmez | değişir |
| Sabit | c (öz ısı), J/kg · K | L (hâl değişim ısısı), J/kg |
–20 °C’taki buzu 120 °C’taki buhara çevirmek için beş ayrı hesap gerekir: üç kez Q = m · c · ΔT, iki kez Q = m · L. Toplam ısı bu beş değerin toplamıdır.
Hâl değiştirme sıcaklığındaki saf maddelerin katı hâlini eritmek için maddeye verilmesi gereken ısıyla sıvı hâlini dondurmak için maddeden alınması gereken ısı miktarı aynıdır. Örneğin 0 °C’taki 1 kg buzu eritmek için buza 334 kJ (kilojoule) ısı vermek, 0 °C’taki 1 kg suyu dondurmak için de sudan 334 kJ ısı almak gerekir. Kısaca saf maddelerde erime ısısı donma ısısına eşittir. Benzer şekilde buharlaşma ısısı da yoğuşma ısısına eşittir.
Hâl değişimi süresince kütle korunur.
Bazı saf maddelerin deniz seviyesindeki (1 atm basınç) hâl değişim sıcaklıkları ile hâl değişim ısıları. “Deniz seviyesi” ifadesi önemli: basınç değişirse bu sıcaklıklar da değişir.
1) Kar yağarken hava sıcaklığı neden yükselir?
Maddeler hâl değiştirirken bulundukları ortamdan ya ısı alır ya da bulundukları ortama ısı verir. Kar yağarken hava sıcaklığında bir miktar artış olmasının nedeni yağmur damlalarının kara dönüşürken havaya ısı vererek donmasıdır. Isı alan havanın sıcaklığı artar.
2) Erime sıcaklığındaki 4 kg buzu eritmek için gerekli ısı, kaynama sıcaklığındaki 1 kg suyu tamamen buhar hâline getirebilir mi? (Lerime,buz = 334 kJ/kg, Lbuharlaşma,su = 2.260 kJ/kg)
Qe = m · Le = 4 · 334 = 1.336 kJ
Qb = m · Lb = 1 · 2.260 = 2.260 kJ
1.336 < 2.260 → Hayır, bu ısı yeterli olmaz.
Suyun buharlaşma ısısı, buzun erime ısısının yaklaşık 6,8 katıdır. Bu yüzden bir tencere suyu kaynatmaya başlamak kolay, tamamını buharlaştırmak çok uzundur.
3) K ve L maddelerinin erime ısıları oranı — özdeş ısıtıcılarla ısıtılan K (kütle m) ve L (kütle 2m) maddelerinin sıcaklık-zaman grafiğinde K’nin erimesi t, L’ninki 3t sürüyor.
K için: Q = m · LK
L için: 3Q = 2m · LL
LK = Q / m · LL = 3Q / 2m
LK / LL = 2 / 3
Hâl değiştirmesi için maddeye verilen ısı miktarının maddenin kütlesine oranı, maddeler için ayırt edici bir özellik olarak kullanılabilir mi?
Evet. Q / m oranı zaten L’nin kendisidir ve hâl değişim ısısı maddeler için ayırt edici özelliktir. Kütleyle bölmek, kütle bağımlılığını ortadan kaldırır.
Maddelerin hâl değişimi boyunca sıcaklık değişimi nasıl olur? Hâl değiştirme sıcaklığı ayırt edici özellik olarak kullanılabilir mi?
Saf maddelerde maddenin tamamı hâl değiştirinceye kadar sıcaklık sabit kalır; grafikte plato görünür. Saf maddeler için hâl değişim sıcaklığı ayırt edici özelliktir — 1 atm basınçta erime sıcaklığı 801 °C olan tek madde yemek tuzudur. Ama dikkat: bu ancak saf maddeler ve belirtilmiş bir basınç için geçerlidir.
Sorular karışık sırada geliyor; her cevaptan sonra kısa açıklama çıkıyor.
Buz atılan gazoz neden bu kadar çabuk soğur? Buz erirken her gramı için 334 J ısı çekiyor — ve bunu yaparken kendi sıcaklığı hiç artmıyor. Aynı kütlede 0 °C’lık soğuk su koysaydın soğutma gücü çok daha az olurdu.
Annen “nohut yarım saatte pişti” diyorsa sebebi düdüklü tencerenin içindeki 2 atm basınçtır: su 100 değil yaklaşık 120 °C’ta kaynar ve yemek daha yüksek sıcaklıkta pişer. Basınç arttıkça kaynama sıcaklığı her maddede yükselir.
Yaylada, 2.000 metrede su 100 °C’a varmadan kaynar — çünkü açık hava basıncı düşüktür ve basınç azalınca kaynama sıcaklığı düşer. Su kaynıyor gibi görünse de sıcaklığı düşük olduğu için çay bir türlü demlenmez, makarna geç pişer.
Okul yolundaki kaldırıma serpilen tuz buzu eritmiyor; erime sıcaklığını düşürüyor. Hava –2 °C iken saf buz erimezken tuzlanmış buz erir. Çok soğuk günlerde tuzun işe yaramamasının sebebi de bu.
Patenin ince bıçağı, ağırlığını çok küçük bir alana bindirir ve basınç fırlar. Buz erirken hacmi azalan bir madde olduğu için erime sıcaklığı düşer, bıçağın altında ince bir su tabakası oluşur ve kayma bu tabaka üzerinde gerçekleşir.
“Kar yağacak, hava ısındı” cümlesi bir halk gözlemi değil, fizik: yağmur damlaları kara dönüşürken havaya ısı verir. Donma ısısı, erime ısısına eşittir; suyun donarken verdiği enerji çevreyi ısıtır.
Tuz atılan su daha geç kaynar (kaynama sıcaklığı yükselmiştir) ama kaynadığında daha sıcaktır. Yani tuz suyu “çabuk kaynatmaz”, tencerenin içindeki sıcaklığı yükseltir.
Maçtan sonra terin buharlaşırken vücudundan ısı alır — su için buharlaşma ısısı çok büyük (2.260 kJ/kg) olduğundan az miktar ter bile ciddi bir serinleme sağlar. Rüzgâr buharlaşmayı hızlandırdığı için üşürsün.
Dünyanın ortalama yüzey sıcaklığı, Sanayi Devrimi öncesi döneme göre 1,48 °C artarak yaklaşık 15 °C olmuştur. Sıcaklıktaki bu artış, buzulların erimesine ve iklim değişikliğine sebep olmaktadır. Buz kütlesi devasa olduğu için erimesi çok uzun sürer — ama başladığı zaman durdurmak da o kadar zordur.
Hâl değişimi, saflık ve basıncın etkisi ile Q = m · L bağıntısı üzerine test
Saf bir maddeye ısı verildiğinde ya maddenin sıcaklığı artar ya da madde hâl değiştirir. Saf maddeler için hâl değişim sıcaklığı ayırt edici özelliktir.
Hâl değişim sıcaklığındaki bir maddenin birim kütlesinin tamamen hâl değiştirmesi için gereken ısı miktarıdır. Sembolü L, birimi J/kg, maddeler için ayırt edici bir özelliktir.
Q = m · L
Buzun içine atılan tuz, buzun erime sıcaklığını düşürür ve erimeyi kolaylaştırır. Suyun içine tuz atılması durumunda ise suyun kaynama sıcaklığı yükselir.
Erirken hacmi AZALAN maddelerde (buz, antimon, bizmut) basınç artarsa erime
sıcaklığı düşer.
Erirken hacmi ARTAN maddelerde (demir, alüminyum, kalay) basınç artarsa erime
sıcaklığı yükselir.
buz: 1 atm → 0 °C · 200 atm → –2 °C
Basıncın artması, madde ayrımı olmadan tüm maddelerin kaynama sıcaklığını yükseltir.
su: 1 atm → 100 °C · 2 atm (düdüklü tencere) → yaklaşık 120 °C
Hâl değiştirirken saf maddelerin sıcaklığı sabit kalır. Eğik bölümlerde kinetik enerji, yatay bölümlerde (platolarda) potansiyel enerji artar.
Eğik bölüm → Q = m · c · ΔT · Yatay bölüm → Q = m · L
Saf maddelerde erime ısısı donma ısısına eşittir. Benzer şekilde buharlaşma ısısı da yoğuşma ısısına eşittir. 0 °C’taki 1 kg buzu eritmek için 334 kJ vermek, 1 kg suyu dondurmak için 334 kJ almak gerekir.
Hâl değişimi süresince kütle korunur.
Buz: erime 0 °C · 334 kJ/kg
Su: kaynama 100 °C · 2.260 kJ/kg
Yemek tuzu: 801 °C · 77,2 · 1.465 °C · 3.568
Demir: 1.538 °C · 289 · 3.023 °C · 6.340
Alüminyum: 659 °C · 399 · 2.327 °C · 10.500
Etil alkol: –114 °C · 104 · 78 °C · 854
Cıva: –38,9 °C · 11,8 · 357 °C · 272
Hidrojen: –259 °C · 58 · –253 °C · 448
Kütle, maddenin tamamının hâl değiştirmesi için gereken ısıyı belirler — büyük buz
parçaları küçüklere göre daha uzun süre erimeden kalır.
Maddenin cinsi hâl değişim ısısını belirler: 1 g buz 334 J, 1 g bal mumu 168 J.
Basınç artınca kaynama sıcaklığı her maddede yükselir, ama erime sıcaklığı maddeye göre düşer ya da yükselir. Grafik sorularında kütle ve ısıtıcı gücü süreleri değiştirir, plato sıcaklıklarını değiştirmez.