Donma ve Erime
Sıvı ya da gaz halindeki bir maddenin ısı yitirerek katı hale geçmesine donma, katı haldeki bir maddenin çevresinden ısı alarak sıvı hale geçmesine de erime denir. Görüldüğü gibi birbirinin tersi olan bu iki süreç maddenin hal ya da durum değiştirmesidir.
Bilinen bütün maddeler katı, sıvı ya da gaz halinde bulunur. Olağan çevre sıcaklığında demir ve altın gibi bazı maddeler katı, su ve süt gibi maddeler sıvı, azot ve helyum gibi maddeler ise gaz halindedir. Normal olarak katı bir madde belli bir sıcaklığa kadar ısıtıldığında eriyerek sıvılaşır. Ama bazı katilar, örneğin karbon dioksit gazının -78°C’de donmasıyla oluşan kuru buz hiçbir zaman sıvı halde görülmez; çünkü ısıtıldığında sıvılaşmaksızın doğrudan buhar (gaz) haline geçer. Bu olaya süblimleşme ya da uçunum denir. Suyun donmasıyla oluşan bildiğimiz buz bile, erime noktasının çok altındaki sıcaklıklarda süblimleşerek doğrudan su buharına dönüşebilir.
Katışıksız her maddenin kendine özgü bir erime ve donma noktası vardır. Yani bir maddenin eriyebilmesi için belirli bir sıcaklığa kadar ısıtılması, donması için de gene aynı sıcaklığa kadar soğutulması gerekir. Kısacası aynı maddenin katı durumdan sıvı duruma ve sıvı durumdan katı duruma geçiş sıcaklığını belirleyen erime ve donma noktalan aynıdır. Örneğin su 0°C’de donarak buz olur, buz da 0°C’de eriyerek suya dönüşür. Benzer biçimde, eğer bir metal 327,4°C’de eriyerek sıvılaşıyorsa, çok daha yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılmış olan bu sıvı metalin donarak katılaşması için yeniden 327,4°C’ye kadar soğutulması gerekir.
Bir madde erime noktasında bulunsa bile fazladan ısı verilmediği sürece erimez. Maddenin sıcaklığını yükseltmeyen, yalnızca moleküllerin birbirinden uzaklaşabilmesi için gerekli enerjiyi sağlayan bu ek ısıya gizli erime ısısı denir. Çoğu zaman, maddenin hal değiştirmesi için gereken gizli ısı miktarı oldukça fazladır. Örneğin 1 kg suyun sıcaklığını 0°C’den 80°C’ye çıkarmak için ne kadar ısı gerekiyorsa, 0°C sıcaklıktaki 1 kg buzu eritmek için de o kadar ısı gerekir
Normal donma (ya da erime) noktası 0°C olan su, donmaksızın daha düşük sıcaklıklara kadar soğutulabilir. Örneğin içinde başka madde bulunmayan arı su hiç çalkalanmadan yaklaşık -10°C’ye kadar soğutulduğunda bile donmayabilir. Ama bu sıcaklığa inildiğinde birden çalkalanır ya da içine bir buz parçası
atılırsa, suyun sıcaklığı bir anda 0°C’ye yükselir ve bütün kütle donuncaya kadar aynı sıcaklığı korur. Bunun nedeni, donmaksızın 0°C’nin altına kadar soğutulan suyun gereğinden çok ısı tutmuş ya da soğurmuş olmasıdır. Bir dış etken bu dengeyi bozduğunda, suyun bir bölümü tuttuğu fazla ısıyı geri vererek donmaya başlar. Geri kalan su kütlesini erime noktasına kadar ısıtan işte bu gizli ısıdır. Bu süreçte, geri kalan kütlenin sıcaklığını 0°C’ye yükseltmek için ne kadar gizli ısı gerekiyorsa yalnızca o kadar su donar. Görüldüğü gibi donma olayı bir ısı kaynağıdır. Bu nedenle, ısı pompaları kullanarak, maddenin hal değiştirmesiyle açığa çıkan ısıdan konutların ısıtılmasında yararlanılabilir. Soğutuculardakinin tam tersi olan bu olayda açığa çıkan ısı gizli erime ısısı değil, özel bir sıvının ya da akışkanın gizli, yoğunlaşma ısısıdır.
Donmuş bir sıvının molekülleri artık serbestçe hareket edemez, ancak bulunduğu noktada titreşebilir. Bütün moleküllerin belirli bir konumda bulunduğu bu yapıya “kristal örgüsü” denir. Her maddenin kendine özgü bir kristal yapısı vardır ve bu yapı onun ayırt edici özelliklerinden biridir. Örneğin buz kristallerinden başka bir şey olmayan zarif ve güzel kar tanecikleri her zaman altıgen yapıda kristalleşir. Bir buz kristalinin molekülleri su moleküllerine oranla birbirine çok daha yakındır. Buna karşılık, özel biçimleri nedeniyle bu kristaller sudan daha geniş yer kaplar. Suyun donduğu zaman genleşmesi de bundan ileri gelir. Aynı özelliği gösteren birkaç madde daha vardır, ama suyun donarak genleşmesi hepsininkinden fazladır. Nitekim bu maddelerden biri olan demirin hacmi donduğu zaman yalnızca yüzde 1 kadar artarken, bir su kütlesi donarak buz haline geldiğinde hacim artışı yüzde 11’i bulur.
Suyun bu özelliği nedeniyle, kışın gerekli önlemler alınmazsa su boruları ve otomobil radyatörleri patlayabilir. Doğada da toprağın ve kayaların çatlaklarından içeri sızarak donan su bu çatlakların büyümesine, sonuçta kayaların ve dağların aşınmasına yol açar.
Suyun genleşmesi donma noktasından hemen önce (yaklaşık 4°C’de) başlayıp bütün donma süresince devam ettiği için, soğukta göllerin bütün yüzeyi buzla örtülür. Böylece, üstteki bu buz katmanı alttaki su kütlesinin donmasını önleyerek göllerdeki balıkların ve öbür canlıların yaşamını kurtarır.
Bir maddeye başka bir maddenin karıştırılması genellikle o maddenin donma noktasını düşürür. Örneğin tuzlu suyun donma noktası 0°C’nin çok daha altındadır. Bu nedenle buzlanmış bir yüzeye tuz serpildiğinde buz eriyerek çözülür. Aynı biçimde suyun donma noktasını düşüren alkol ve gliserin de otomobil radyatörlerinin suyuna donmayı önleyici (antifriz) madde olarak katılır.
Buna karşılık basıncın artması buzun erime noktasını yükseltir. Eğer böyle olmasaydı buzüstünde patenle kayılamazdı.