Saf Madde Nedir ? Özellikleri Nelerdir ?

Saf Madde Nedir ?

Saf madde, karışımın her noktasında aynı özellik gösteren maddelerdir. Bir maddenin saf madde olabilmesi için tek bir elementten veya bileşimden oluşması şart değildir. Farklı element bileşiklerden oluşan bir karışım homojen ise saf madde olarak değerlendirilebilir. Saf maddelere; helyum, azot, su, karbondioksit örnek olarak verilebilir.

Hava, farklı gazlardan oluşan homojen bir karışımdır ve her bölümünde aynı özelliği gösterdiğinden saf madde olarak değerlendirilir. Diğer yandan yağ – su karışımı birbirlerine karışmadığından saf madde olarak değerlendirilmez. Yağ, yoğunluğunun suya göre daha düşük  sebebiyle suyun üstüne çıkar ve heterojen bir karışım oluşturmuş olurlar.

Bir karışım içerisinde farklı fazlarda bulunan bileşik veya elementlerin kimyasal bileşeninde bir değişiklik olmadığı sürece saf maddedir. Örneğin su ile buz karışımı her iki fazda aynı bileşime sahip olduğundan saf bir maddedir.

Saf Madde Fazları

Maddelerin temelde 3 fazı vardır. Bunlar; katı, sıvı ve gazdır. Maddeler farklı basınç ve sıcaklıklarda farklı faz çeşitlerine sahip olabilirler. Örneğin; katı fazda karbon, elmas veya grafit şeklinde bulunabilir. Bunun nedeni de karbon molekül düzenidir. Doğada helyumun da iki farklı sıvı fazı, demirin üç farklı katı fazı ve buzun da yüksek basınçta yedi fazı vardır. Saf madde için faz, bir molekül düzeninin belli sınırlar içerisinde her noktada aynı olarak bulunmasıdır.

Katı fazda moleküller arası boşluk az olup birbirlerine uyguladıkları çekim gücü yüksektir. Bu yüzden katı cisimlerin şekilleri sabittir. Saf madde için katı fazda moleküller ısıtılmaya başlandığında moleküllerin enerjisi artarak birbirlerinden uzaklaşmaya başlarlar işte bu süreç de erimenin başladığı süreçtir.

Sıvı fazda moleküller arası boşluk katıya göre çok farklı değildir. Ancak bu moleküller aktiftir sabit değildir. Çünkü enerjisi artan moleküller serbestçe dolaşabilecekleri bir özellik kazanmıştır. Bu yüzden saf madde olan sıvılar bulundukları kabın şeklini alabilirler. Sıvı fazda moleküller ısıtılmaya devam ederse enerjileri daha fazla artarak birbirlerinden tamamen uzaklaşıp gaz fazına geçerler. Bu olaya da buharlaşma denir.

Gaz fazında moleküller arası boşluk o kadar fazladır ki düzenli bir molekül yapısından bahsedilemez. Moleküller sürekli hareket halindedir. Enerji düzeyi en yüksek olan faz gazdır. Çünkü katı fazından itibaren moleküller sürekli ısı ile enerji almışlardır.

Bir saf madde gaz fazından soğuma ile sıvı fazına geçişte çevreye ısı ile enerji yayılımı meydana gelir. Çünkü gaz bünyesindeki enerjiyi bırakarak moleküller birbirlerine yaklaşır ve bu süreç ise yoğunlaşma olarak adlandırılır.

Saf Madde Faz Değişim Halleri

Saf madde için iki fazının da bir arada bulunduğu birçok uygulama mevcuttur. Buharlı güç santrallerinde su yoğuşturucuda buhar-sıvı fazında bulunur. Yine buzdolablarındaki soğutucu akışkanlar sıvıdan buhar fazına dönüşür. Bütün saf maddeler bu özelliği gösterir.

Sıkıştırılmış ve Doymuş Sıvı

1 atm (101kPa) basınç altında içerisinde 15 ºC su bulunan bir kap düşünün bu fazda saf madde olan su tamamen sıvı fazdadır ve sıkıştırılmış sıvı olarak adlandırılır. Bu ifade suyun henüz buharlaşma safhasına gelmediğini gösterir.

Bu suyun ısıtılıp sıcaklığının 60 ºC olduğunu farz edelim. Su ısısı arttığı için bir miktar genleşecektir ancak buharlaşma aşamasında olmayacaktır. Sıcaklık 100 ºC’ye çıkarıldığında ise artık su buharlaşma aşamasına gelmiş olacaktır. Bu safhadan sonra sıvıya transfer olan en ufak bir ısı ile su buharlaşmaya başlayacaktır. Yani buharlaşma başlangıcı olan bu hal doymuş sıvı olarak adlandırılır. Burada yaptığımız örnekleme 1 atm basınç altındaki saf madde içindir.

Doymuş Buhar ve Kızgın Buhar

Buharlaşma başladığında sıvının tamamı buhar fazına geçene kadar sıcaklık sabit kalacaktır. Örneğimizdeki su ile devam edersek 100 ºC’den sonra sıvı buharlaşmaya başlayacak ve bu sıvının tamamı buharlaşana kadar da sıcaklık 100 ºC’de sabit kalacaktır.

Sıvı tamamen buharlaştığı zaman ise artık ondan sonra en ufak bir ısı transferinde sıcaklık artmaya başlayacaktır. Bu evreye ise doymuş buhar fazı denir. Ayrıca bu evre yoğuşmanın (gazdan sıvıya geçiş) başladığı safhadır. Bu safhadan sonra tamamen buhar halinde olan su ısıtılmaya devam edildiği takdirde sıcaklığı artarak 100 ºC üzerine çıkacaktır. Bu buharın sıcaklığının 1 atm basınç altında 100 ºC üzerine çıktığı safha da kızgın buhar safhasıdır.

Doyma Sıcaklığı ve Doyma Basıncı

Küçüklüğümüzden beri duyduğumuz su 100 ºC’de kaynar ifadesi sizce ne kadar doğru? Suyun kaynama sıcaklığı basınç ile doğru orantılıdır.  Bu yüzden bu ifadenin doğrusu; Su, 1 atm (101kPa) basınç altında 100 ºC’de kaynar. Nitekim suyun, 500 kPa basınç altında kaynama sıcaklığı 151.8 ºC olur. Diğer taraftan bir suyu 25 ºC’de kaynatmak  isterseniz ortam basıncı 3,17 kPa olmalıdır.

Örneğimize dönecek olursak suyun buhar fazına geçmeye başladığı yani kaynamaya başladığı sıcaklık doyma sıcaklığı olarak adlandırılır. Tdoyma olarak ifade edilir. Bu safhadaki basınç da doyma basıncıdır ve Pdoyma olarak ifade edilir.  1 atm (101kPa) basınç altında suyun doyma sıcaklığı 100 ºC, doyma basıncı da 101 kPa’dır.

Tüm maddeler için doyma basıncının doyma sıcaklığına göre değişimini gösteren doyma tabloları mevcuttur.

Gizli Füzyon ve Buharlaşma Isısı

Bir saf madde katı fazdan sıvı faza enerji alarak geçtiğinde bu süreç boyunca verilen ısı gizli ısı olarak adlandırılır. Yani erime işlemi boyunca katının emdiği ısı gizli füzyon ısısıdır. Bu ısı değeri termodinamiğin 1.kanunu sebebiyle sıvı fazdan katı faza geçerken ortama yayılan enerjiye eşittir. Buharlaşma sırasında çekilen enerji de gizli buharlaşma ısısı olarak ifade edilir. Yine bu enerji gaz fazdan sıvı faza geçişte çevreye yayılan enerjiye eşittir. 1 atm basınç altında suyun gizli füzyon ısı değeri 333,7 kj/kg ve gizli buharlaşma ısı değeri de 2256,5 kj/kg’dır.

Doyma Sıcaklığı ve Basıncı İlişkisi

Doyma sıcaklığı ve basıncı ile ilgili günümüzde en güzel örnek düdüklü tencerelerdir. Çünkü, düdüklü tencere içerisindeki su dış ortama göre daha fazla basınca maruz kalır. Örneğin düdüklü tencere olmadan yemeklerimizi yaklaşık olarak 1 atm basınç altında 100 ºC’ye yakın su sıcaklığı ile pişiririz ama düdüklü tencerede su 3 atm basınca sıkıştırılarak kaynama noktası 135 ºC’ye yükseltilmiş olur ve bu sıcaklığa erişen su yemekleri daha hızlı pişirir. Düdüklü tencerede 20-30 dk’da pişen bir yemek normal tencerede 1-2 saatte pişebilir.

Saf madde olan su için doyma sıcaklığının basınç ile arttığı, yukarıdaki eğriden ve yapılan uygulamalardan açıkça görülmektedir. Düdüklü tencere örneğini de bu olaya dayanarak verdik. Bunun yanı sıra 2000 metre yükseklikte yemek pişirdiğinizi hayal edin bu yükseklikte atmosfer basıncı yaklaşık olarak 80 kPa’dır. Buna karşılık suyun kaynama sıcaklığı da 93 ºC’dir. Halbuki bu değer deniz seviyesinde yani 1 atm basınç altında 100 ºC’dir.  1000 m yükseklik artışında kaynama sıcaklığı yaklaşık olarak 3 ºC düşmektedir.

Enerji üretim santrallerinde kullanılan en önemli saf madde sudur. Su buhar türbinli santrallerde yüksek basınç altında kızgın buhar fazına ısıtılır ve bu yüksek enerjili sıcak buhar ise türbini döndürür. Türbinde soğuyan bu buharda yoğuşturucu ünitelerinde tamamen su fazına dönüştürülür.

Bir diğer saf madde türü olan soğutucu akışkanlar da soğutma ve ısıtma amaçlı kullanırlar. Buna en güzel örnek de buzdolaplarıdır. Düşük kaynama sıcaklığına sahip olan soğutucu akışkanlar ise buzdolabının içerisinde buhar fazına geçerek burayı soğutur ve aldığı ısıyı dış ortama aktarır. Bunlar gibi birçok uygulamada kullanılan saf maddeler insanlığa büyük bir katkı sağlamıştır. Gelecekte de saf madde kullanımı önemli bir yer tutmaktadır.

Kaynak: Yunus Çengel Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik