f-hal değişim ısıları

ÖĞRENME ALANI
ÜNĐTE 5
F-
:
:
MADDE VE DEĞĐŞĐM
MADDENĐN HALLERĐ VE ISI
HAL DEĞĐŞĐM ISILARI
(ERĐME – DONMA VE BUHARLAŞMA – YOĞUŞMA ISISI)
1Hal Değişim Sıcaklıkları (Noktaları)
2Hal Değişim Isısı
3Hal Değişim Isısının Bağlı Olduğu Faktörler
4Erime ve Donma Sıcaklığına Etki Eden Faktörler
5Kaynama ve Yoğunlaşma Sıcaklığına Etki Eden Faktörler
6Maddelerin Bazı Ayırt Edici Özelliklerine Ait Değerler
(4 SAAT)
1
F-
HAL DEĞĐŞĐM ISILARI :
1-
Hal Değişim Sıcaklıkları (Noktaları)
:
Maddelerin, bir halden diğerine geçmeye başladığı andaki sıcaklığına hal değişim sıcaklığı
denir.
a)
Erime Sıcaklığı (Noktası) :
Katı haldeki bir maddenin sıvı hale geçmeye başladığı sıcaklığa erime sıcaklığı
(noktası) denir.
b)
Donma Sıcaklığı (Noktası) :
Sıvı haldeki maddenin katı hale geçmeye başladığı sıcaklığa donma sıcaklığı
(noktası) denir.
c)
Buharlaşma Sıcaklığı (Noktası) :
Sıvı haldeki maddenin gaz hale geçmeye başladığı sıcaklığa buharlaşma sıcaklığı
(noktası) denir. Buharlaşma her sıcaklıkta gerçekleşir.
d)
Kaynama Sıcaklığı (Noktası)
:
Sıvı haldeki maddenin buharlaşarak oluşturduğu buhar basıncının açık hava
basıncına eşit olduğu andaki sıcaklığa kaynama sıcaklığı (noktası) denir.
e)
Yoğunlaşma Sıcaklığı (Noktası) :
Gaz halindeki maddenin sıvı hale geçmeye başladığı yoğunlaşma sıcaklığı (noktası)
denir.
f)
Hal Değişim Sıcaklıklarının Özellikleri
:
1-
Saf maddelerin hal değişim sıcaklıkları sabittir.
2-
Saf olmayan maddelerin hal değişim sıcaklıkları sabit değildir, safsızlığı bozan
madde miktarında göre değişir.
3-
Herhangi bir maddenin erime sıcaklığı, donma sıcaklığına, kaynama sıcaklığı da,
yoğunlaşma sıcaklığına eşittir.
Erime Sıcaklığı
=
Kaynama Sıcaklığı =
4-
Donma Sıcaklığı
Yoğunlaşma Sıcaklığı
Erime, donma, kaynama ve yoğunlaşma sıcaklıkları;
▪
Her madde için farklıdır ve bu nedenle maddeler için ayırt edici özelliklerdir.
▪
Maddenin kütlesine, hacmine ya da şekline bağlı değildir.
▪
Isı enerjisi veren ısı kaynağının gücüne (birim zamanda verilen ısı enerjisi
miktarına) bağlı değildir.
2-
Hal Değişim Isısı
:
Herhangi bir maddeye ısı enerjisi verildiğinde ya da maddeden ısı enerjisi alındığında
taneciklerin kinetik enerjisi ve hızı, taneciklerin arasındaki çekim kuvveti, tanecikler arasındaki
boşluk miktarı ve maddenin sıcaklığı değişir. Belli bir sıcaklık değerinden sonra alınan ya da
verilen ısı enerjisi maddenin sıcaklığını değiştirmez. Bu andan sonra alınan ya da verilen ısı enerjisi
taneciklerin arasındaki bağların kopmasını veya bağların güçlenmesini ve başka taneciklerle yeni
bağ oluşturmasını yani maddenin hal değiştirmesini sağlar.
Maddenin 1 gramının hal değiştirmesi için alınması ya da verilmesi gereken ısı enerjisi
miktarına hal değişim ısısı denir ve hal değişim ısısı L ile gösterilir.
2
a)
Erime Isısı :
Erime sıcaklığındaki 1 gr saf katının aynı sıcaklıkta 1 gr sıvı hale geçmesi için
dışarıdan alınması gereken ısı miktarına erime ısısı (Le) denir. Erime ısısı, katı haldeki
maddenin taneciklerinin arasındaki çekim kuvvetinin azalmasını sağlar.
b)
Donma Isısı :
Donma sıcaklığındaki 1 gr saf sıvının aynı sıcaklıkta 1 gr katı hale geçmesi için
dışarıya verilmesi gerekli ısı miktarına donma ısısı (Ld) denir.
c)
Buharlaşma Isısı
:
Kaynama sıcaklığındaki 1 gr saf sıvının aynı sıcaklıkta 1 gr buhar (gaz) hale geçmesi
için dışarıdan alınması gereken ısı miktarına buharlaşma ısısı (Lb) denir. Buharlaşma ısısı,
sıvı haldeki maddenin taneciklerinin arasındaki çekim kuvvetinin azalmasını sağlar.
d)
Yoğunlaşma Isısı
:
Yoğunlaşma sıcaklığındaki 1 gr saf buharın (gazın) aynı sıcaklıkta 1 gr sıvı hale
geçmesi için dışarıya verilmesi gerekli ısı miktarına yoğunlaşma ısısı (Ly) denir.
e)
Hal Değişim Isılarının Özellikleri :
1-
Saf maddelerin hal değişim ısıları sabittir.
2-
Saf olmayan maddelerin hal değişim ısıları sabit değildir.
3-
Herhangi bir maddenin erime ısısı donma ısısına, buharlaşma ısısı da yoğunlaşma
ısısına eşittir.
Erime Isısı
Buharlaşma Isısı
4-
=
=
Donma Isısı
Yoğunlaşma Isısı
⇒
⇒
Le = Ld
Lb = Ly
Erime, donma, buharlaşma ve yoğunlaşma ısıları (hal değişim ısıları);
▪
Her madde için farklıdır ve bu nedenle maddeler için ayırt edici özelliklerdir.
▪
Maddenin kütlesine, hacmine ya da şekline bağlı değildir.
▪
Isı enerjisi veren ısı kaynağının gücüne (birim zamanda verilen ısı enerjisi
miktarına) bağlı değildir.
3-
Hal Değişimi Đçin Gerekli Isı Enerjisinin Bağlı Olduğu Faktörler
:
Hal değişimi sırasında maddelerin aldıkları ya da verdikleri ısı enerjisi miktarı, maddenin
kütlesine yani miktarına ve maddenin cinsine yani hal değişim ısılarına bağlı olup bunlarla doğru
orantılıdır.
Her maddenin taneciklerinin arasındaki çekim kuvveti yani tanecikler arasındaki bağın
kuvveti farklı olduğu için bu bağın koparılması yani maddelerin hal değiştirmeleri için gereken ısı
enerjisi miktarları da farklıdır. Yani hal değişim ısısı maddenin tanecikleri arasındaki çekim
kuvvetinin bir ölçüsüdür. Bu nedenle hal değişim ısıları maddelerin cinsine bağlı olup maddeler için
ayırt edici özelliktir. Hal değişim ısısı yüksek olan maddenin erimesi veya kaynaması için daha
fazla ısı verilmesi, donması veya yoğunlaşması için de daha fazla ısı alınması gerekir.
Madde miktarı yani maddenin kütlesi arttıkça tanecik sayısı artar. Tanecik sayısı arttıkça
taneciklerin arasında çekim kuvveti yani bağın kuvveti artar ve bağın koparılması için gerekli enerji
miktarı artar. Bu nedenle maddenin kütlesi arttıkça maddenin erimesi veya kaynaması için daha
fazla ısı verilmesi, donması veya yoğunlaşması için de daha fazla ısı alınması gerekir.
3
a)
Hal Değişimi Đçin Gerekli Isı Enerjisinin Bulunması
:
Hal değişimi sırasında maddelerin aldıkları ya da verdikleri ısı enerjisi miktarı, maddenin
kütlesine yani miktarına ve maddenin cinsine yani hal değişim ısılarına bağlı olup bunlarla doğru
orantılıdır.
ISI ENERJĐSĐ = KÜTLE x HAL DEĞĐŞĐM ISISI
Kütle
Hal Değişim Isısı
Sembol
→
m
→
→
L
→
Isı Enerjisi
→
Q
→
Erime Đçin Gerekli Isı Enerjisi
→
Donma Đçin Gerekli Isı Enerjisi
→
Buharlaşma Đçin Gerekli Isı Enerjisi →
Yoğunlaşma Đçin Gerekli Isı Enerjisi →
b)
Q=m.L
Birim (CGS)
gr
Joule/gr
(cal/gr)
Joule
(cal)
→
→
→
Birim (SI)
kg
Joule/kg
(cal/kg)
Joule
(cal)
Q = m . Le
Q = m . Ld
Q = m . Lb
Q = m . Ly
Isı Enerjisi – Kütle Grafiği (Q – m)
:
Isı enerjisi – kütle grafiğinde çizilen doğrunun eğimi hal değişim ısısını verir.
Q (cal)
Eğim = tan α =
(Q = m . L
Q
α
Q
= L = Hal Değişim Isısı
m
⇒
Q
= L)
m
m (gr)
m
4-
Erime ve Donma Sıcaklığına Etki Eden Faktörler
:
Saf maddelerin erime ve donma sıcaklıkları sabittir. Saf maddelerin erime ve donma
sıcaklığını, eklenen yabancı (farklı) maddeler (safsızlık) ve basınç değiştirir.
a)
Yabancı Maddelerin (Safsızlığın) Erime ve Donmaya Etkisi :
Saf maddelere eklenen yabancı (farklı) maddeler, saf maddelerin erime ve donma
sıcaklıklarını düşürür.
Sıvı haldeki tanecikleri düzensiz olan maddeye yabancı (farklı) bir madde
eklendiğinde, eklenen maddenin tanecikleri, sıvı maddenin taneciklerinin arasına girerek sıvı
taneciklerinin düzenli hale gelmesini geciktirir.
Sıvı madde soğutulduğunda düzensizliği artan taneciklerin düzenli hale gelmesi için
daha fazla ısı enerjisi kaybetmesi gerekir. Bu nedenle sıvı haldeki saf maddeye katılan
yabancı (farklı) maddeler sıvının donma sıcaklığını düşürür.
▪
Sıvı maddelerin içine katılan yabancı madde miktarı arttıkça erime ve donma
sıcaklığı azalır.
▪
Suyun içine tuz (yabancı madde) konursa, erime ve donma sıcaklığı düşer.
▪
Tuz miktarı arttıkça donma sıcaklığı daha fazla azalır.
▪
Saf suyun donma sıcaklığı 00C, tuzlu suyun donma sıcaklığı 00C’den daha
azdır ve suya katılan tuz miktarına göre değişir.
▪
Buzun içine tuz konursa erime sıcaklığı düşer ve buzun düşük sıcaklıkta
erimesi sağlanır.
4
▪
▪
b)
Araçların radyatörlerine antifriz konması suyun donma sıcaklığını düşürür.
Uçak pistlerinin kışın alkolle yıkanması, suyun buharlaşma sıcaklığını
düşürür ve pistteki suyun düşük sıcaklıklarda buharlaşmasını sağlayarak
buzlanmayı önler.
Basıncın Erime ve Donmaya Etkisi
:
Erime sırasında hacmi küçülen maddelerin üzerindeki basınç artarsa erime sıcaklığı
düşer ve erime kolaylaşır.
Erime sırasında hacmi artan maddelerin üzerindeki basınç artarsa erime sıcaklığı
yükselir ve erime zorlaşır.
Basınç, madde moleküllerinin bir arada tutulmasını sağlar. Erime sırasında hacim
küçülürse ve bir de basınç uygulanırsa erime kolaylaşır. Erime sırasında hacim büyüyorsa ve
basınç uygulanıyorsa, basınç hacmin küçülmesini sağladığı için erime zorlaşır.
▪
Buz eridiğinde hacmi küçüldüğü için basınç artarsa erimesi kolaylaşır.
5-
Kaynama ve Yoğunlaşma Sıcaklığına Etki Eden Faktörler
:
Saf maddelerin kaynama ve yoğunlaşma sıcaklıkları sabittir. Saf maddelerin kaynama ve
yoğunlaşma sıcaklığını, eklenen yabancı (farklı) maddeler (safsızlık) ve basınç değiştirir.
a)
Yabancı Maddelerin (Safsızlığın) Kaynama ve Yoğunlaşmaya Etkisi :
Saf maddelere eklenen yabancı (farklı) maddeler, saf maddelerin kaynama ve
yoğunlaşma sıcaklıklarını yükseltir.
Sıvı haldeki tanecikleri düzensiz olan maddeye yabancı (farklı) bir madde
eklendiğinde, eklenen maddenin tanecikleri, sıvı maddenin taneciklerinin arasına girerek
yeni bağlar oluşturmasını geciktirir.
Sıvı madde ısıtıldığında, sıvı tanecikleri arasındaki bağlar kopar. Sıvı tanecikleri
arasına giren yabancı maddenin tanecikleri, birbirinden ayrılan sıvı taneciklerinin başka
tanecikler ile yeni bağlar oluşturmasını engeller. Birbirinden ayrılan sıvı taneciklerinin,
başka taneciklerle yeni bağlar oluşturarak gaz haline geçebilmesi için daha fazla ısı enerjisi
verilmesi gerekir. Bu nedenle sıvı haldeki saf maddeye katılan yabancı (farklı) maddeler
sıvının kaynama sıcaklığını yükseltir.
▪
Suyun içine tuz (yabancı madde) konursa, kaynama ve yoğunlaşma sıcaklığı
yükselir.
▪
Tuz miktarı arttıkça kaynama sıcaklığı daha fazla artar.
▪
Saf suyun kaynama sıcaklığı 1000C, tuzlu suyun kaynama sıcaklığı
1000C’den daha fazladır ve suya katılan tuz miktarına göre değişir.
b)
Açık Hava Basıncının Kaynama ve Yoğunlaşmaya Etkisi
:
Sıvı haldeki maddenin kaynaması için, buharlaşarak oluşturduğu buhar basıncının
açık hava basıncına eşit olması gerekir. Açık hava basıncı yükselirse, buhar basıncının açık
hava basıncına eşit olması zorlaşır ve kaynama sıcaklığı yükselir.
▪
Açık hava basıncı arttıkça kaynama zorlaşır ve kaynama sıcaklığı yükselir.
▪
Açık hava basıncı azaldıkça kaynama kolaylaşır ve kaynama sıcaklığı düşer.
▪
Düdüklü tencere, basıncın artmasını sağlar ve içindeki sıvının kaynama
noktasını yükseltir.
▪
Erciyes’in tepesinde açık hava basıncı düşük olduğu için, deniz seviyesinden
daha düşük sıcaklıkta kaynama olur.
▪
Açık hava basıncı yeterince düşürüldüğünde 00C’de de su kaynatılabilir.
▪
Açık hava basıncı olmamış olsaydı sular kaynayarak uzaya (atmosfere)
yayılırdı.
5
NOT : 123456-
789-
10-
11-
12-
13-
14-
15-
1617-
Hal değişimi sırasında sıcaklık değişmez. Bu nedenle hacim ve yoğunluk değişmez.
Isı enerjisi alan veya veren madde hem sıcaklık değişimi hem de hal değişimi
yapabilir. Sıcaklık değişmiyorsa hal değişiyordur.
Sıcaklığı değişen maddenin kinetik enerjisi, hal değiştiren maddenin potansiyel
enerjisi değişir (artar veya azalır).
Hal değişimi sırasında erime, donma, kaynama ve yoğunlaşma süreleri madde
miktarına ve ısı veren kaynağın gücüne bağlı olup bunlarla doğru orantılıdır.
Madde hal değiştirirse maddenin hacmi, öz kütlesi, öz ısısı ve hal değişim ısısı da
değişir. Fakat maddenin kütlesi değişmez.
Maddenin hal değiştirmesi için sadece hal değişim sıcaklığına kadar ısıtılması
yetmez. Hal değişim sıcaklığına gelen maddenin taneciklerinin birbirinden ayrılması
için ısı enerjisi verilmeye devam edilmelidir.
Sıvı kaynamaya başladığında, buharlaşan moleküllerin basıncı açık hava basıncına
eşit olur.
Su dışındaki maddelerin öz kütleleri sıcaklıkla ters orantılı, hacimleri sıcaklıkla
doğru orantılıdır.
Birden fazla sıvı karışımının olduğu kap;
▪
Isıtılırsa, kaynama noktası küçük (düşük) olan sıvı önce kaynar.
▪
Soğutulursa, donma noktası büyük (yüksek) olan sıvı önce donar.
Birden fazla sıvı karışımının olduğu kap ısıtıldığında, kaptaki sıvılardan biri
kaynarken (hal değiştirirken), diğer sıvıların sıcaklıkları ve halleri değişmez. Bu
nedenle birden fazla sıvı karışımının olduğu kap ısıtıldığında, kaptaki sıvılardan biri
hal değiştirirken karışımın hacmi ve öz kütlesi değişmez.
Soğuk havalarda meyve ve sebzelerin donmaması için depolara büyük miktarlarda su
konur. Bunun nedeni depoya konulan su, ortamdan daha sıcak olacağı için donarken
ortama ısı verir. Böylece ortamın sıcaklığı artar ve sebzelerin donması önlenir.
Testideki suyun soğuma sebebi, suyu oluşturan taneciklerin gaz haline geçmek için
gözenekli yapıda olan toprak testinin yüzeyinden ısı almaları ve bu sebeple testideki
suyun sıcaklığının düşmesidir.
Toprak testi yerine alüminyum bir kap kullanılmış olsaydı, alüminyum kapta,
alüminyum atomları arasındaki boşluk, su moleküllerinin geçebileceği kadar büyük
olmadığı için, kabın yüzeyinde buharlaşma olmaz ve kaptaki suyun sıcaklığı düşmez.
Banyo yapılırken sıcak su buharlaşarak sıvı halden gaz hale geçer. Gaz halde
bulunan suyun tanecikleri, havayı oluşturan taneciklerle çarpışarak enerjilerini hava
taneciklerine veya çarptıkları yüzeylere aktarır. Aynayı oluşturan taneciklere enerji
aktaran su buharı taneciklerinin enerjisi azalarak tekrar sıvı hale döner. Aynadaki
buğulanmanın sebebi su buharının yoğunlaşarak sıvı hale geçmesidir.
Herhangi bir maddenin erime ısısı donma ısısına, kaynama ısısı da yoğunlaşma
ısısına eşittir.
▪
Erime sırasında tanecikler arasındaki bağların kopması için ne kadar ısı
enerjisi gerekiyorsa, donma sırasında bağın oluşması için de aynı miktarda ısı
enerjisi gerekir. Bu nedenle erime ve donma ısıları birbirine eşittir.
▪
Buharlaşma sırasında tanecikler arasındaki bağların kopması için ne kadar ısı
enerjisi gerekiyorsa, yoğunlaşma sırasında bağın oluşması için de aynı
miktarda ısı enerjisi gerekir. Bu nedenle buharlaşma ve yoğunlaşma ısıları
birbirine eşittir.
Madde erirken veya buharlaşırken ısı alarak çevresinin soğumasını sağlar.
Madde donarken veya yoğunlaşırken çevresine ısı vererek çevrenin ısınmasını sağlar.
Maddelerin buharlaşırken ısı alması ve yoğunlaşırken ısı vermesi günlük hayatta
kullanılır.
▪
Buzdolaplarındaki sıvı haldeki kimyasal madde buzdolabının içindeki
borulardan geçerken yiyeceklerden ısı alır ve yiyecekler soğur, sıvı da
6
18-
1920-
buharlaşır. Buzdolabının dışına çıkan buhar halindeki kimyasal çevreye ısı
verir ve yoğunlaşarak sıvı hale döner.
▪
Ele kolonya döküldüğünde serinlik hissi vermesinin nedeni, alkolün hızlı
buharlaşması ve buharlaşırken de elin ısısını almasıdır.
▪
Kesilen karpuz güneşe konulduğunda karpuzdaki su buharlaşırken karpuzun
ısısını alır ve ısı kaybeden karpuz soğur.
▪
Sıcak havada duş alındığında serinlik hissedilir. Bir süre sonra vücut sıcaklığı
düşer ve çevreden ısı alan vücut tekrar ısınır.
Eter çok düşük sıcaklıkta buharlaşabilir ve eterin koklanması tehlikelidir. Eter, tıp
alanında cerrahi müdahalelerde anestezi için kullanılmaktadır. Bu sebeple
koklanması tehlikelidir.
Üflenerek etere ısı verildiğinde nefes, eteri buharlaştıracak kadar sıcaktır. Eter
buharlaşırken etrafından ısı alır ve cama dokunan suyun donmasını sağlayabilir.
Erime, donma, kaynama ve buharlaşma süresi, yabancı maddelerin çözeltideki
çözünürlükleri ile doğru orantılıdır.
ÖRNEKLER :
1-
00C sıcaklığındaki 10 gram buzun, aynı sıcaklıkta 10 gram su haline dönüşebilmesi için
gerekli olan ısı enerjisi;
a)
Kaç kaloridir?
b)
Kaç Joule’dür?
(Le = 80 cal/gr , Le = 334,4 Joule/gr)
2-
Erime sıcaklığındaki 5 gram demirin tamamen sıvı hale gelmesi için gerekli olan ısı enerjisi;
a)
Kaç kaloridir?
b)
Kaç Joule’dür?
(Le = 28 cal/gr , Le = 117,04 Joule/gr)
3-
Erime sıcaklığındaki 25 gram buzun, tamamen erimesi için gerekli olan ısı enerjisi;
a)
Kaç kaloridir?
b)
Kaç Joule’dür?
(Le = 80 cal/gr , Le = 334,4 Joule/gr)
4-
Erime sıcaklığındaki bir miktar buza 13376 Joule’lük ısı enerjisi verilerek buzun tamamen
sıvı hale geçmesi sağlandığında kaç gram su elde edilir?
5-
1000C sıcaklıktaki 50 gram suyun aynı sıcaklıkta 50 gram su buharı haline dönüşebilmesi
için gereken ısı enerjisi;
a)
Kaç kaloridir?
b)
Kaç Joule’dür?
(Lb = 540 cal/gr , Lb = 2257,2 Joule/gr)
6-
1000C sıcaklıktaki 50 gram su buharının aynı sıcaklıkta 50 gram su haline dönüşebilmesi
için dışarı verilmesi gereken ısı enerjisi;
a)
Kaç kaloridir?
b)
Kaç Joule’dür?
(Ly = 540 cal/gr , Ly = 2257,2 Joule/gr)
7-
2 gr asetonun buharlaşması için çevreden alması gereken ısı enerjisi kaç Joule’dür?
(Lb
= 520,4 Joule/gr)
7
8-
Yoğunlaşma ısısı 855 Joule/gr olan alkol buharlaşması için çevreden 1710 Joule’lük ısı
enerjisi aldığına göre alkolün kütlesi kaç gramdır?
9-
Buharlaşma ısısı 2392 Joule/gr olan 10 gram gümüşün buharlaşması için gereken ısı enerjisi
kaç Joule’dür?
8