Plazma ve Hal Değişimi

Gaz tanecikleri rastgele hareket eder ve sıkıştırılabilir. Peki bir gazı çok fazla enerjiyle yüklersen, örneğin neon lambasında, taneciklerin davranışı nasıl değişir?

Nötr atomlar, pozitif iyonlar, serbest elektronlar ve fotonların bir arada bulunduğu elektriksel olarak nötr iyonize gaz (plazma) hali.

Bir reklam tabelasındaki neon gazı elektrik enerjisi aldığında ışık saçar. Katı, sıvı ve gazdan sonra gelen bu özel durumda madde artık yalnızca hareketli taneciklerden oluşmaz. Elektronların bir bölümü atomlardan ayrıldığı için ortamda pozitif iyonlar ve serbest elektronlar birlikte bulunur.

İyonlaşmış gaz olarak plazma

Plazma, gaz taneciklerinin bir kısmının elektron kaybetmesiyle oluşan iyonlaşmış gazdır. Bu nedenle elektrik akımını gaz hâlinden çok daha iyi iletir. Yüksek sıcaklık veya güçlü elektrik enerjisi, elektronları atomlardan ayırabilir.

Şimşek, Güneş, kutup ışıkları, neon lambaları ve plazma televizyonları plazmaya örnektir. Neon lambasında elektrik alanı gaz atomlarına enerji aktarır. Uyarılan tanecikler daha düşük enerji düzeyine dönerken ışık yayar.

Plazmayı normal gazdan ayıran temel nokta, serbest yüklü taneciklerin bulunmasıdır. Ancak her yüksek sıcaklıklı gaz tamamen plazma değildir. İyonlaşma miktarı yeterli olmalıdır.

Isınma ve soğuma eğrilerindeki basamaklar

Bir maddenin sıcaklığı zamanla izlenirse grafik genellikle eğimli ve yatay bölümlerden oluşur. Eğimli bölümde sıcaklık değişir. Yatay bölümde ise madde hâl değiştirirken sıcaklık sabit kalır.

Örnek bir ısınma verisi şöyle yorumlanabilir:

Yatay bölümlerde verilen enerji, taneciklerin ortalama hareketini artırmak yerine tanecikler arasındaki çekimleri zayıflatmaya harcanır. Bu enerjiye gizli ısı denir. Sıcaklık sabit görünür, çünkü sıcaklık taneciklerin ortalama kinetik enerjisiyle ilişkilidir.

Soğuma eğrisinde aynı olaylar ters yönde görülür. Gaz yoğuşurken veya sıvı donarken sıcaklık bir süre sabit kalabilir. Bu, hâl değişimi boyunca enerji alışverişi olmadığı anlamına gelmez.

[!WARNING] Dikkat Hâl değişimi sırasında sıcaklığın sabit olması, enerji verilmediği anlamına gelmez. Enerji taneciklerin hareketini değil, tanecikler arasındaki çekimleri değiştirmektedir.

Erime sırasında alınan gizli ısının hesaplanması

Verileri belirle

Erime miktarı ve bir gram madde için gereken gizli ısı veriliyor. Bağıntıyı yaz

Hâl değişimi sırasında alınan ısı, kütle ile gizli ısının çarpımına eşittir. Sonucu hesapla

200 gram maddenin tamamen erimesi için 66800 joule enerji gerekir.

Hâl değişiminde gizli ısı

• $Q$: Alınan veya verilen ısı (J)
• $m$: Hâl değiştiren madde kütlesi (g veya kg)
• $L$: Öz gizli ısı (J/g veya J/kg)

Bu nedenle grafiği analiz ederken önce yatay bölümleri bul, sonra bu bölümlerde gerçekleşen hâl değişimini adlandır. Bir sonraki adımda sıcaklığın neden özellikle bu bölümlerde sabit kaldığını taneciklerin enerji paylaşımı üzerinden inceleyeceksin.

• Plazma, serbest elektronlar ve pozitif iyonlar içerebilen iyonlaşmış gazdır. Gaz atomlarının bir kısmı elektron kaybettiğinde serbest elektronlar ve pozitif iyonlar oluşur, bu yapı plazma olarak adlandırılır.
• Isınma eğrisindeki yatay bölüm neyi gösterir? Yatay bölümde madde hâl değiştirir ve verilen enerji tanecikler arasındaki çekimleri değiştirmeye harcanır.
• 150 g maddenin öz gizli ısısı 200 J/g ise tamamen hâl değiştirmek için gereken ısı kaç jouledür? Hâl değişiminde $Q=mL$ kullanılır ve $Q=150\times200=30000\ \mathrm{J}$ bulunur.

Gazların basınç, hacim ve sıcaklık değişkenlerini incelerken verdiğimiz enerji, taneciklerin hareketini etkiler. Ancak madde hâl değiştirirken enerji yalnızca sıcaklığı artırmak için kullanılmaz.

Saf maddenin ısınırken erime ve kaynama noktalarında sıcaklığın sabit kalması, kinetik ve potansiyel enerji değişim bölgeleri.

Isınma eğrisinde yatay bölümler

Bir maddenin sıcaklığı zamanla artırıldığında elde edilen grafik genellikle eğimli ve yatay bölümlerden oluşur. Eğimli bölümde sıcaklık artar. Yatay bölümde ise sıcaklık sabit kalırken madde iki hâli birlikte bulundurur.

Buradaki kritik ayrım şudur: Eğimli bölümlerde verilen enerji taneciklerin ortalama hareket enerjisini artırır. Yatay bölümlerde verilen enerji, tanecikler arasındaki çekimlerin azaltılmasına harcanır. Bu nedenle sıcaklık değişmez.

Sıcaklık, taneciklerin ortalama kinetik enerjisiyle ilişkilidir. Hâl değişimi sırasında enerji taneciklerin hızını değil, birbirlerinden ayrılma düzenini değiştirir. Bu enerjiye gizli ısı denir.

Erime ve kaynama sırasında enerji paylaşımı

Bir maddenin kütlesi arttıkça aynı hâl değişimi için gereken enerji de artar. Hâl değişimi enerjisi şu bağıntıyla hesaplanır:

Burada $Q$ alınan veya verilen ısıyı, $m$ kütleyi, $L$ ise birim kütle başına gizli ısıyı gösterir. Erime için $L_e$, buharlaşma için $L_b$ kullanılabilir.

Örneğin buzun sıcaklığı $0^\circ\text{C}$ iken erimeye başladığını düşünelim. Buz tamamen eriyene kadar sıcaklık yine $0^\circ\text{C}$ kalır. Çünkü alınan ısı, buz taneciklerinin daha hızlı hareket etmesine değil, katı düzeninin çözülmesine gider.

Buzun erimesi için gereken enerji

Verileri belirle

Kütle ve erime gizli ısısı verilir. Buz başlangıçta erime sıcaklığındadır. Bağıntıyı yaz

Erime için gerekli ısı, kütle ile erime gizli ısısının çarpımına eşittir. Değerleri yerine koy

Verilen kütle ve gizli ısı çarpılır. Sonucu yorumla

100 gram buzun tamamen erimesi için 33,4 kJ enerji gerekir. Bu süreçte sıcaklık $0^\circ\text{C}$ olarak kalır.

Sıra sende: Erime sıcaklığındaki 50 gram buzun erime gizli ısısı 334 J/g ise buzun tamamen erimesi için kaç joule enerji gerekir?

Soğuma eğrisinde aynı mantık

Soğuma grafiğinde enerji dışarı verilir. Eğimli bölümlerde taneciklerin hareketi yavaşladığı için sıcaklık düşer. Donma veya yoğuşma sırasında ise tanecikler daha düzenli ya da daha yakın bir hâle geçerken enerji çevreye verilir ve sıcaklık bir süre sabit kalır.

Bu yüzden ısıtma ve soğuma eğrilerinin yatay bölümleri aynı fikri gösterir. Isıtma eğrisinde gizli ısı alınır, soğuma eğrisinde gizli ısı verilir. Sadece enerji akışının yönü değişir.

Plazma ve ısınma eğrisi arasındaki fark

Gaz taneciklerine çok büyük enerji verildiğinde bazı atomlar elektronlarını kaybedebilir. Böylece serbest elektronlar ve pozitif iyonlar içeren plazma oluşur. Neon lambasının ışık vermesi veya yıldızların plazma hâlinde bulunması bu durumla ilişkilidir.

Plazma oluşumu, TYT düzeyindeki klasik su ısınma eğrisindeki erime ve kaynama yatay bölümleriyle aynı şekilde yorumlanmaz. Erime ve kaynama, maddenin fiziksel hâlinin değişmesidir. Plazmada ise gaz taneciklerinin iyonlaşması, yani elektrik yüklü taneciklerin oluşması öne çıkar.

• Hâl değişimi sırasında verilen enerji her zaman sıcaklığı artırır. Hâl değişimi sırasında enerji, taneciklerin ortalama hareketini artırmak yerine tanecikler arası çekimleri azaltmaya harcanabilir.
• Isınma eğrisindeki yatay bölüm neyi gösterir? Yatay bölümde madde iki hâli birlikte bulundurur ve verilen enerji hâl değişimine harcandığı için sıcaklık sabit kalır.
• 100 gram buzun erime gizli ısısı 334 J/g ise tamamen erimesi için gereken enerji ___ J olur. Erime enerjisi $Q = m \cdot L_e$ bağıntısıyla bulunur. $100 \times 334 = 33400$ J sonucuna ulaşılır.

Gazlarda sıcaklık, taneciklerin ortalama hareket enerjisiyle ilişkilidir. Hâl değişimi sırasında grafiğin eğimini ve yatay bölümlerini ayırarak enerjinin nereye harcandığını inceleyebilirsin.

Eğrinin her bölümü ne anlatır?

Bir ısıtma eğrisinde yatay eksen genellikle verilen ısıyı veya zamanı, düşey eksen ise sıcaklığı gösterir. Çizginin eğimli olduğu bölümde sıcaklık değişir ve madde tek bir hâlde bulunur. Bu sırada verilen enerji taneciklerin ortalama kinetik enerjisini artırır.

Yatay bölümde sıcaklık sabit kalır. Çünkü enerji, taneciklerin hareketini hızlandırmak yerine tanecikler arası çekimleri azaltmaya ve yeni hâlin oluşmasına harcanır. Bu bölüm, gizli ısı ile ilişkilidir.

Saf madde ile karışımı ayırmak

Saf bir maddenin belirli basınçta erime ve kaynama sıcaklıkları sabittir. Bu nedenle ısıtma eğrisinde yatay bölümler belirgin ve yaklaşık yatay görünür.

Karışımlarda ise birden fazla madde bulunduğu için erime veya kaynama genellikle tek bir sıcaklıkta gerçekleşmez. Hâl değişimi boyunca sıcaklık değişmeye devam edebilir. Bu yüzden grafikte tam yatay yerine eğimli bir geçiş bölgesi görülebilir.

Buradaki sınır önemlidir. Sabit sıcaklık gözlenmesi, yalnızca verilen ısının hâl değişimine harcandığını gösterir. Basınç değişirse kaynama sıcaklığı da değişebilir. Bu nedenle grafik yorumlanırken basıncın sabit tutulup tutulmadığı kontrol edilmelidir.

Plazmayı eğri üzerinde nereye yerleştirmeli?

Plazma, iyonlaşmış gazdır. Gaz taneciklerine çok yüksek enerji verildiğinde bazı atomlardan elektronlar ayrılır ve ortamda pozitif iyonlar ile serbest elektronlar bulunur. Elektrik akımını iletmesi, plazmayı normal gazdan ayıran önemli bir özelliktir.

Plazma oluşumu, TYT düzeyindeki standart su ısıtma eğrisinde ayrı bir yatay bölüm olarak gösterilmez. Çünkü plazmaya geçiş için gereken enerji, maddenin türüne, basınca ve iyonlaşma koşullarına bağlıdır. Isıtma eğrisindeki kaynama platosu yalnızca sıvıdan gaza geçişi gösterir, gazdan plazmaya geçişi değil.

Neon tabelasında elektrik enerjisi gaz atomlarını iyonlaştırır. Oluşan uyarılmış tanecikler tekrar daha düşük enerjili duruma geçerken ışık yayar. Böylece plazmanın gözlenebilir özelliği ışıklı bir tüp veya elektrik arkı olarak ortaya çıkar.

Grafiği adım adım inceleme

Bir grafik sorusunda önce yatay bölümleri belirle. Daha sonra her yatay bölümde hangi iki hâlin birlikte bulunduğunu yaz. Eğimli bölümlerde ise maddenin tek hâlde olduğunu ve sıcaklığın değiştiğini kontrol et.

Örnek durum: Bir maddenin sıcaklığı, verilen ısıyla birlikte önce yükseliyor, sonra 20 °C'de sabit kalıyor, tekrar yükseliyor ve 80 °C'de ikinci kez sabit kalıyor.

Bu veriler şu şekilde yorumlanır:

• 20 °C'deki yatay bölüm erime veya donma sürecidir.
• 80 °C'deki yatay bölüm kaynama veya yoğuşma sürecidir.
• Isıtma gerçekleştiği için 20 °C bölümü erime, 80 °C bölümü kaynama olarak adlandırılır.
• 20 °C ile 80 °C arasındaki eğimli bölümde madde sıvıdır.
• 80 °C'den sonra eğim devam ediyorsa madde gaz hâlindedir.

Plazma ile kaynama platosunu da birbirinden ayırmalısın. Kaynama, sıvı ve gaz arasındaki fiziksel hâl değişimidir. Plazmada ise gaz taneciklerinin bir bölümü iyonlaşır ve ortam elektriksel olarak iletken hâle gelir. Bu nedenle her yüksek sıcaklıklı gazı otomatik olarak plazma kabul etmek doğru değildir.

Bir grafik sorusunda “20 °C'de sabit kaldı” bilgisi, doğrudan maddenin erime sıcaklığını kanıtlamaz. Isıtma mı soğutma mı yapıldığına, yatay bölümden önceki hâle ve yatay bölümden sonraki hâle bakmalısın. Soğuma eğrisinde 80 °C'deki yatay bölüm yoğuşmayı, 20 °C'deki yatay bölüm donmayı gösterir.

Hâl değişimi sırasında alınan ısı

• $Q$: Hâl değişimi için alınan ısı (J)
• $m$: Madde kütlesi (g veya kg)
• $L$: Öz hâl değiştirme ısısı (J/g veya J/kg)

• Isıtma eğrisindeki yatay bölümde madde ısı alırken sıcaklık sabit kalabilir. Alınan enerji sıcaklığı artırmak yerine hâl değişimi için kullanıldığı için sıcaklık sabit kalabilir.
• Isıtılan saf bir maddede 80 °C'deki yatay bölüm hangi olayı gösterir? Isıtma eğrisindeki ikinci yatay bölüm, sıvının gaza geçtiği kaynama sürecini gösterir.
• Gaz taneciklerinin bir bölümünün iyonlaşmasıyla oluşan hâle ___ hâli denir. Plazma, pozitif iyonlar ve serbest elektronlar içeren iyonlaşmış gaz hâlidir.

Basınç, hacim ve sıcaklık birlikte incelendiğinde gaz taneciklerinin enerjisi ile gözlenen değişkenler arasında bağlantı kurulur.

Enerjinin iki farklı görevi

Bir ısıtma eğrisinde eğimli bölümler ile yatay bölümleri ayırmak, enerjinin neye harcandığını anlamanın en hızlı yoludur. Eğimli bölümde taneciklerin ortalama kinetik enerjisi artar ve sıcaklık yükselir.

Yatay bölümde sıcaklık sabit kalır. Çünkü verilen enerji, taneciklerin hareketini hızlandırmak yerine tanecikler arasındaki çekimi azaltmaya ve yeni hâlin oluşmasına harcanır. Bu enerjiye gizli ısı denir.

Su ısıtılırken sıcaklık belirli bir değere ulaştığında kaynama başlar. Isıtıcı çalışmaya devam etse bile suyun tamamı gaz hâline geçene kadar sıcaklık sabit kalabilir. Tanecikler daha hızlı hareket etmek yerine birbirlerinden uzaklaşır.

Isıtma eğrisini şu şekilde inceleyebilirsin:

• Eğimli bölüm: Kinetik enerji artar, sıcaklık değişir.
• Yatay bölüm: Potansiyel enerji artar, sıcaklık sabit kalır.
• Erime sırasında: Katı ve sıvı birlikte bulunur.
• Kaynama sırasında: Sıvı ve gaz birlikte bulunur.

Bir maddenin sıcaklığını artıran enerji, taneciklerin hareket enerjisine gider. Hâl değişimi sırasında kullanılan enerji ise tanecikler arasındaki çekimlerin aşılmasına gider. Bu nedenle yatay bölümü gördüğünde sıcaklığın neden sabit kaldığını yalnızca ezberlemek yerine, enerjinin taneciklerin düzenini değiştirdiğini düşünmelisin.

Isınma eğrisini veriden analiz etmek

Aşağıdaki örnek, bir maddenin ısıtılması sırasında ölçülen sıcaklıkları gösteriyor:

Bu tabloda iki yatay aralık vardır. İlk yatay aralıkta erime, ikinci yatay aralıkta kaynama gerçekleşir. Her iki aralıkta da sıcaklık değişmediği için enerji, kinetik enerjiyi artırmamıştır.

İlk yatay aralık 4 dakika sürerken ikinci yatay aralık 4 dakika sürüyor. Isıtıcının gücü sabitse bu süreler, iki hâl değişimi için harcanan enerjilerin eşit olduğunu düşündürür. Ancak farklı kütle, farklı ısıtıcı gücü veya farklı madde kullanılırsa yalnızca süreye bakarak gizli ısıları karşılaştırmak doğru olmaz.

[!WARNING] Sık yapılan hata Yatay çizgide taneciklerin hareket etmediği söylenemez. Tanecikler hareket etmeye devam eder. Ortalama kinetik enerji ve dolayısıyla sıcaklık sabit kalırken potansiyel enerji değişir.

Gizli ısıyı gerçek bir durumda kullanmak

Bir buz parçası erirken çevresinden enerji alır. Bu sırada sıcaklığı, erime tamamlanana kadar sabit kalır. Kütle ve erime gizli ısısı biliniyorsa hâl değişimi için gereken enerji $Q = mL$ bağıntısıyla hesaplanır.…