Bir maddeye ısı verildiğinde ya da madde ile çevresi arasında ısı alış – verişi olurken maddenin sıcaklığı değişir. Ancak ısı alış – verişi sırasında maddenin sıcaklığının değişmediği durumlar da vardır. Bu durumlar maddenin katıdan sıvıya geçmesi (erime), sıvıdan gaza geçmesi (buharlaşma), gazdan sıvıya geçmesi (yoğunlaşma), sıvıdan katıya geçmesi (donma) dır. Bu olaylara hal değişimi ya da faz değişmesi denir.

Erime: 

Bir katı maddeye ısı enerjisi verildiğinde maddenin sıcaklığı dolayısıyla moleküllerinin (ya da atomlarının) titreşim genliği artar. Katının erime noktasında genlik, moleküller arasındaki bağı kırabilecek kadar büyük olur ve moleküller birbirinden uzaklaşarak madde sıvı hale geçer. Buna göre bir katının erimesi, moleküllerinin sıvı molekülleri kadar birbirinden uzaklaşmasıdır. Erime sırasında verilen ısı, moleküller arasındaki çekim kuvvetine karşı iş yapar ve moleküllerin birbirinden uzaklaşmasını sağlar. Erime süresince sıcaklık sabit kalır.

• Saf bir katı madde, belirli bir basınç altında, belirli bir sıcaklıkta erir. Bu sıcaklığa erime sıcaklığı ya da erime noktası denir.
• Erime sıcaklığında bulunan 1 gram katının aynı sıcaklıkta 1 gram sıvı olabilmesi için gereken ısıya erime ısısı denir. L_e ile gösterilir. Birimi cal/g dır. Erime sıcaklığında bulunan m gram katının erimesi için gereken ısı;

• Belli basınçtaki erime sıcaklığı ve erime ısısı katıların ayırt edici özelliğidir.
• Sıvı soğutulursa, erime sıcaklığında katılaşmaya (donmaya) başlar. Erirken aldığı ısıyı donarken geri verir.
  Erime sıcaklığı = Donma (katılaşma) sıcaklığı
  Erime ısısı = Donma (katılaşma) ısısı
• Erime sıcaklığında bir maddenin sıvısı ile katısı bir arada bulunur.
• Basınç değişirse erime noktası değişir. Maddenin erirken hacmi küçülüyorsa (buz gibi) basıncın artması, hacmin küçülmesini kolaylaştıracağından erime noktası düşer.
• Maddenin erirken hacmi büyüyorsa (Al, Au, Ag, Cu gibi) basıncın artması hacmin büyümesini zorlaştıracağından erime noktası yükselir.
• Sıvı içinde çözünen yabancı maddeler donma noktasını düşürür.

Donma:

Maddenin sıvı halden katı hale geçişidir. Donma sıcaklığı, bir madde için belirli bir sabit değerdir. Sıvı moleküller, belirli bir sıcaklıkta termal enerji kaybederek katı hale dönüşür.

Buharlaşma: 

Bir sıvının ya da katının gaz haline geçmesine buharlaşma, buharlaşma sırasında oluşan gaza da buhar denir. Buharlaşma her sıcaklıkta olur. Bunun nedeni, madde yüzeyindeki moleküllerin bir kısmının maddeyi terk etmeye yetecek büyüklükte hıza sahip olmasıdır. Moleküllerin hızları sıcaklıkla arttığından maddeyi birim zamanda terk eden moleküllerin sayısı yani buharlaşma hızı sıcaklıkla artar.

Kaynama (Yoğunlaşma): 

Sıvı molekülleri birbirine gazlarınkine göre daha yakındır. Bu nedenle sıvı moleküllerinin birbirine uyguladıkları çekim kuvveti, gaz moleküllerinin birbirine uyguladıkları çekim kuvvetinden daha büyüktür. Kaynama sırasında verilen, ısı, sıvı molekülleri arasındaki bağı kırarak moleküllerin birbirinden uzaklaşmasını sağlar. Yani kaynama sırasında verilen ısı, sıvı molekülleri arasındaki çekim kuvvetinin yenilmesine harcanır. Kaynama, bir sıvının hızlı ve içten buharlaşmasıdır. Bir sıvı, buhar basıncının dış basınca eşit olduğu sıcaklıkta kaynamaya başlar ve kaynama süresince sıcaklık sabit kalır.

• Saf bir sıvı belirli bir basınç altında belirli bir sıcaklıkta kaynar. Bu sıcaklığa kaynama sıcaklığı ya da kaynama noktası denir.
• Belirli bir basınç ve sıcaklıkta 1 gram sıvının yine aynı sıcaklıkta 1 gram buhar olabilmesi için gereken ısıya buharlaşma ısısı denir. L_b ile gösterilir. Birimi cal/g dır. Buna göre m gram sıvının kaynama süresince aldığı ısı;

• Belli basınçtaki kaynama sıcaklığı ve buharlaşma ısısı sıvıların ayırt edici özelliğidir.
• Buhar soğutulursa yoğunlaşır. Buharlaşırken aldığı ısıyı yoğunlaşırken geri verir.
• Basınç artarsa kaynama noktası yükselir.
• Bir sıvı içinde çözünen yabancı maddeler kaynama noktasını yükseltir.

Saf Bir Katı Maddenin Hal Değişimi Grafiği

• Sıcaklığı değişen bir maddenin moleküllerinin kinetik enerjisi, hal değişimi yapan bir maddenin moleküllerinin potansiyel enerjisi değişir.
• Bir maddenin katı halden sıvı hale, sıvı halden gaz hale geçerken öz kütlesi değişir.
• Hal değişikliği sırasında maddenin sıcaklığı değişmediğinden kapta geriye kalan maddenin öz kütlesi değişmez.
• Hal değişikliği yapan maddelerde erime ve kaynama süreleri madde miktarına bağlıdır.

Çözümlü Örnek Sorular:

Örnek 1:

Soru: 200 gram buzun erimesi için ne kadar ısı gerekir? Buzun erime ısısı 334 J/g’dir.

Çözüm: Buzun erimesi için gereken ısıyı bulmak için hal değişim ısısı formülünü kullanırız.

Q = m * Le

• m = 200 gram = 0.2 kg
• Le = 334 J/g

Q = 200 g * 334 J/g
Q = 66800 J

200 gram buzun tamamen erimesi için 66800 joule ısı gerekir.

Örnek 2:

Soru: 1.5 kg suyun tamamını buharlaştırmak için ne kadar ısı gerekir? Suyun buharlaşma ısısı 2260 J/g’dir.

Çözüm: Suyun buharlaşması için gereken ısıyı bulmak için yine hal değişim ısısı formülünü kullanırız.

Q = m * Lv

• m = 1.5 kg = 1500 gram
• Lv = 2260 J/g

Q = 1500 g * 2260 J/g
Q = 3390000 J

1.5 kg suyun tamamen buharlaşması için 3390000 joule ısı gerekmektedir.

Örnek 3:

Soru: 300 gram su, 100°C sıcaklıkta bulunuyor. Suyu buharlaştırmak için kaç joule ısı gereklidir? (Suyun buharlaşma ısısı 2260 J/g)

Çözüm:

Q = m * Lv

• m = 300 g
• Lv = 2260 J/g

Q = 300 g * 2260 J/g
Q = 678000 J

300 gram suyu tamamen buharlaştırmak için 678000 joule ısı gerekir.