Buharlaşma neden serinletir? Maddenin halleri ve hal değişimi

Sıcak bir yaz günü denizden çıktığınızda, hava 35 derece olsa bile bir an üşüdüğünüzü hissedersiniz. Kolonya döktüğünüz elinize serin bir rüzgâr değmiş gibi olur. Anadolu’da yüzyıllardır kullanılan toprak testilerdeki su, en sıcak günde bile serin kalır. Bütün bu olayların ortak noktası buharlaşmadır. Peki bir sıvının buharlaşması neden çevresini soğutur? Cevabı bulmak için önce maddenin hallerine ve moleküllerin dünyasına kısa bir yolculuk yapalım.

Maddenin halleri: katı, sıvı, gaz

Gündelik hayatta maddeyi üç temel halde görürüz:

• Katı: Tanecikler birbirine çok yakındır ve belirli konumlarda titreşir. Katının belirli bir şekli ve hacmi vardır. Buz, demir, tuz kristali gibi.
• Sıvı: Tanecikler yine birbirine yakındır, ama birbirinin üzerinden kayarak yer değiştirebilir. Sıvının belirli bir hacmi vardır, şekli ise konulduğu kabın şeklini alır. Su, zeytinyağı gibi.
• Gaz: Tanecikler birbirinden çok uzaktır ve her yöne hızla hareket eder. Gazın belirli bir şekli ya da hacmi yoktur; bulunduğu kabı doldurur. Su buharı, hava gibi.

Bilim insanları bunlara bir dördüncü hal olarak plazmayı da ekler. Yıldızların içi ve şimşek kanalı plazma halindedir. Ama ortaokul düzeyindeki günlük olaylar için üç hal yeterlidir.

Bu üç hal arasındaki fark, taneciklerin ne kadar hızlı hareket ettiği ve birbirini ne kadar güçlü çektiğiyle ilgilidir. Sıcaklık, aslında taneciklerin ortalama hareket enerjisinin (kinetik enerjisinin) bir ölçüsüdür. Sıcak çayın molekülleri, soğuk suyunkilerden ortalama olarak daha hızlı hareket eder.

Hal değişimleri

Bir maddeye ısı verdiğimizde ya da ondan ısı aldığımızda hali değişebilir. Bu değişimlerin adları şöyledir:

Naftalinin kokusunun dolapta yayılması süblimleşmeye, kış sabahı camlarda oluşan buz desenleri ise kırağılaşmaya örnektir. Banyo aynasının buğulanması da yoğuşmadır.

Saf bir maddenin erime ve kaynama sırasında, aldığı ısıya rağmen sıcaklığı değişmez. Örneğin deniz seviyesinde kaynayan su, ocak açık kaldığı sürece 100 °C civarında kalır. Verilen enerji sıcaklığı artırmak yerine, molekülleri birbirinden koparmak için harcanır. Bu enerjiye hal değişim ısısı (gizli ısı) denir.

Buharlaşma ile kaynama aynı şey mi?

Değil. İkisi de sıvıdan gaza geçiştir, ama farklı biçimlerde olur:

• Buharlaşma her sıcaklıkta gerçekleşebilir ve yalnızca sıvının yüzeyinde olur. Balkonda asılı çamaşırlar 100 dereceye çıkmadan kurur.
• Kaynama belirli bir sıcaklıkta (kaynama noktası) olur ve sıvının her yerinde buhar kabarcıkları oluşur.

Kaynama noktası basınca bağlıdır. Erzurum gibi yüksek yerlerde hava basıncı daha düşük olduğu için su 100 °C’nin biraz altında kaynar. Düdüklü tencerede ise basınç artırıldığı için su 100 °C’nin üzerinde kaynar ve yemek daha çabuk pişer.

Buharlaşma neden serinletir?

İşte asıl soru. Bir bardak sudaki moleküllerin hepsi aynı hızda hareket etmez. Bazıları yavaş, çoğu orta hızda, bazıları ise çok hızlıdır. Sıcaklık, bu hızların ortalaması ile ilgilidir.

Sıvının yüzeyinden kopup havaya karışabilmek için bir molekülün, onu sıvıya bağlayan çekim kuvvetlerini yenecek kadar enerjiye sahip olması gerekir. Bunu yalnızca en hızlı moleküller başarabilir. Bir sınıftan en enerjik öğrencilerin teneffüse ilk çıktığını düşünün: Sınıfta kalanların ortalama enerjisi düşer.

Sıvıda da aynısı olur. En hızlı moleküller kaçıp gidince geride kalanların ortalama hareket enerjisi azalır. Ortalama hareket enerjisi azalınca da sıcaklık düşer. Sıvı, kaybettiği enerjiyi temas ettiği yüzeyden, örneğin cildinizden, ısı olarak alır. Böylece cildiniz soğur.

Ne kadar enerji söz konusu? Suyun vücut sıcaklığına yakın sıcaklıklarda buharlaşması için gram başına yaklaşık 2,4 kilojoule enerji gerekir. Bu, aynı bir gram suyu 0 °C’den 100 °C’ye ısıtmak için gereken enerjinin beş katından fazladır. Bu yüzden ciltten buharlaşan az miktarda ter bile ciddi bir serinleme sağlar.

Gündelik hayattan örnekler

• Terleme: Vücudumuz ısındığında ter bezleri cilde su verir. Ter buharlaşırken vücudumuzdan ısı alır. Nemli havada ter zor buharlaştığı için Adana ya da İstanbul’un nemli yaz günleri, aynı sıcaklıktaki kuru bir günden daha bunaltıcı gelir.
• Kolonya: Kolonyadaki alkol, sudan daha kolay buharlaşır. Bu yüzden kolonya cildi hızla serinletir.
• Toprak testi: Testi, gözenekli pişmiş topraktan yapılır. Su yavaşça dış yüzeye sızar ve orada buharlaşır. Buharlaşma testiyi ve içindeki suyu soğutur.
• Çay üflemek: Sıcak çayı üflediğinizde yüzeydeki nemli havayı uzaklaştırırsınız; buharlaşma hızlanır, çay daha çabuk soğur.
• Islak çamaşır rüzgârda çabuk kurur: Rüzgâr, yüzeydeki su buharını uzaklaştırarak buharlaşmayı hızlandırır.

Sık yapılan yanılgılar

“Su yalnızca 100 °C’de buharlaşır.” Hayır. 100 °C, deniz seviyesinde suyun kaynama noktasıdır. Buharlaşma her sıcaklıkta olur; yerdeki su birikintisi de kurur.

“Kaynayan suya daha fazla ısı verirsek sıcaklığı yükselmeye devam eder.” Açık bir tencerede ve sabit basınçta kaynayan suyun sıcaklığı sabit kalır. Ocağı açmak kaynamayı hızlandırır, sıcaklığı değil.

“Kaynayan sudaki kabarcıklar hava kabarcığıdır.” Kaynama sırasındaki büyük kabarcıklar su buharıdır. Isıtmanın başında görülen küçük kabarcıklar ise sudan ayrılan çözünmüş havadır.

“Vantilatör havayı soğutur.” Vantilatör odanın havasını soğutmaz; hareket eden hava terin buharlaşmasını hızlandırdığı ve vücudun etrafındaki sıcak hava tabakasını dağıttığı için serinlediğimizi hissederiz.

Evde dene: Islak ve kuru el

Malzemeler: Su, bir pamuk ya da peçete, varsa iki termometre.

1. Bir elinizin üst yüzünü suyla ıslatın, diğerini kuru bırakın.
2. İki elinize de aynı anda hafifçe üfleyin ya da onları bir vantilatörün önüne tutun.
3. Hangisinin daha serin geldiğini not edin.

Termometreniz varsa daha nicel bir deney yapabilirsiniz: Birinin hazne kısmını ıslak bir peçeteyle sarın, diğerini kuru bırakın. İkisini de vantilatörün önüne koyun ve birkaç dakika sonra okuyun. Islak termometre daha düşük bir sıcaklık gösterecektir. Hava ne kadar kuruysa fark o kadar büyük olur. Meteorologlar havadaki nemi ölçmek için uzun yıllar tam olarak bu ilkeyi kullandı.

Özetle

• Madde katı, sıvı ve gaz hallerinde bulunur; fark, taneciklerin hareketi ve aralarındaki çekimdir.
• Sıcaklık, taneciklerin ortalama hareket enerjisiyle ilgilidir.
• Buharlaşma her sıcaklıkta ve sıvının yüzeyinde, kaynama belirli bir sıcaklıkta ve sıvının her yerinde olur.
• Buharlaşmada en hızlı moleküller kaçar, kalanların ortalama enerjisi düşer ve sıvı soğur.
• Terleme, kolonya ve toprak testi bu ilkeyle serinletir.

Daha fazlası için Fen Bilimleri konularına ve kimya yazılarımıza göz atabilirsiniz.