Suyun Özgül Isısı, Buharlaşma Isısı ve Yoğunluğu

Havanın çok sıcak olduğunu hayal edin. Bir süredir dışarıda güneşin altındasınız ve biraz da terliyorsunuz. Oturuyor ve bir bardak buzlu su kapıyorsunuz. Tembel tembel kolunuzdaki ter damlacıklarına ve bardağınızda yüzen buz yığınına bakıyorsunuz. Su hakkında bilgi edinmek için gösterdiğiniz çaba sayesinde, kolunuzdaki ter damlacıklarının ve suda yüzen buzların, hidrojen bağlarının eseri olduğunu biliyorsunuz.

Peki bu nasıl olur? Su molekülleri kolaylıkla hidrojen bağları yani moleküllerin kısmen pozitif ve kısmen negatif uçları arasındaki güçsüz bağlar kurarlar. Hidrojen bağları, hem buharlaşmalı soğutmanın neden etkili olduğunu, başka bi deyişle terlemenin neden insanı serinlettiğini hem de buzun düşük yoğunluğu yani neden suda batmadığını açıklar.

Şimdi, hidrojen bağının suyun buharlaşmasında, donmasında ve sıcaklık değişiminde oynadığı rolü inceleyelim .

Su her haldinde (katı , sıvı ve gaz), moleküllerinin birbirleri ile hidrojen bağı kurabilme özellikleri sayeinde ilginç özelliklere sahiptir. İnsanlardan bakterilere bütün canlıların yapısının büyük bir kısmını su oluşturur. Bu sebeple, suyun her üç halinin de sahip olduğu kimyasal özellikleri anlayabilmek, biyolojideki önemli konulardan biridir.

Suyun sıvı halinde, moleküller hareket halinde oldukları için, hidrojen bağlarının sürekli olarak kurulduğunu ve koptuğunu söyleyebiliriz. Bu bağlar, sistemin içerdiği ısı enerjisinden ötürü, su moleküllerinin hareketlerinden doğan kinetik enerji sebebiyle koparlar.

Isı arttığında (örneğin, su kaynadığında) moleküllerin kinetik enerjisi artar, bu da hidrojen bağlarının zayıflamasına ve kopmasına sebep olur. Bağlar koptuğunda, su molekülleri sıvı halden gaz hale geçer ve biz de bunu buhar olarak gözlemleriz.

Diğer taraftan, sıcaklık düştüğünde ve su donduğunda oluşan kristal yapı hidrojen bağları tarafından korunur (hidrojen bağlarını koparmak için çok az bir ısı enerjisi kalır). Bu yapı da buzun yoğunluğunun sudan daha düşük olmasına neden olur.

Buzun yoğunluğunun daha düşük olması, su donarken hidrojen bağlarının yön değiştirmesinden kaynaklanır. Daha net olmak gerekise, buzdaki moleküller arası uzaklık sudakine oranla daha fazladır.

Bu, suyun donarken genleşmesi anlamına gelir. Su ya da çorba, meşrubat gibi su bazlı bir içecekle dolu cam bir bardağı derin dondurucuya koymak, su donarken genleştiği için camın kırılmasına ya da şişenin patlamasına neden olabilir.

Diğer birçok sıvı, sıcaklığın düşüp kinetik enerjinin (hareket enerjisi) azalmasıyla katı hale geçer. Kinetik enerji azaldıkça moleküller birbirlerine daha çok yaklaşır ve sıvı daha yoğun hale geçerek katılaşır. Suyun katı halinin sıvı haline oranla daha düşük yoğunluklu olması bir istisnadır .

Buz, düşük yoğunluğundan dolayı, suda yüzer. Buzulların okyanuslar üzerinde ya da buz küplerinin su dolu bir bardak üzerinde yüzmesinin sebebi de budur. Göller ve göletlerim yüzeyleri üzerinde oluşan ve yüzen ince bir buz tabakası, suyun içinde yaşayan canlı ve bitkileri donmaya karşı korur.

Peki canlılar için donmak neden zararlıdır? Derin dondurucuya koyduğunuz cam bardaktaki suyu hatırlayın, su donarken genleştikçe yüzeye kuvvet uygulayacak ve cam bardağın kırılmasına yol açacaktır. Aynı şekilde, bir hücre donduğunda da hücrenin yapısındaki su genleşecek ve hücre zarı parçalanacaktır .

Sıvı suyun sıcaklığını artırmak için gerekli enerji miktarı çok fazladır, bunun sebebi, sıcaklığın arttırılması için kullanılacak olan ısının bir kısmının hidrojen bağlarını koparmak için harcanmasıdır. Başka bir deyişle, suyun özgül ısısı yani bir maddenin bir gramının sıcaklığını bir santigrat derece arttırmak için gerekli olan ısı miktarı, yüksektir. 1 gram suyun sıcaklığını 1 °C yükseltmek için gerekli ısı, kalori olarak adlandırılır.

Yüksek ısı sığası dolayısıyla su, sıcaklıktaki değişimleri en aza indirir. Örneğin, suyun özgül ısı sığası, kumunkinden yaklaşık beş kat fazladır. Güneş battığında toprak, denizden daha önce soğur ve suyun daha yavaş soğuması sonucu geceleri denize yakın yerlere ısı salınır. Su aynı zamanda sıcak kanlı hayvanlar tarafından ısıyı vücutlarına yaymak için kullanılır: bu sistem, bir arabanın soğutma sistemine benzer olarak çalışır, sıcak yerlerden soğuk yerlere ısı taşınarak vücudun dengeli bir sıcaklıkta kalması sağlanır.

Sıvı haldeki suyun sıcaklığını artırmak için çok fazla ısı gerektiği gibi belirli bir miktardaki suyun buharlaşması için gereken ısı miktarı da oldukça yüksektir. Bunun sebebi, su moleküllerin gaz haline geçmesi için hidrojen bağlarının parçalanmasının gerekmesidir. Bu da, suyun buharlaşma ısısının, yani bir gram sıvı maddenin sabit sıcaklıkta gaz haline geçmesi için gereken enerji miktarının yüksek olması anlamına gelir.

Suyun kaynama noktası olan 100 °C sıcaklıktaki buharlaşma ısısı 540 kal/gr'dır. Kinetik enerjisi yüksek olan bazı su moleküllerinin, su yüzeyinden düşük sıcaklıklarda bile ayrıldığını yani buharlaştığını da unutmamak gerekir.

Buharlaşma sırasında su moleküllerinin buharlaştığı yüzey soğur, bu sürece buharlaşmalı soğutma denir. Bu sürecin sebebi kinetik enerjisi yüksek olan moleküllerin buharlaşmaya bağlı olarak kaybedilmesidir ( daha fazla bilgi için buharlaşmalı soğutma konulu videomuzu izleyebilirsiniz.\n İnsanlarda ve diğer organizmalarda %99 su olan terin buharlaşması vücudu soğutarak düzenli bir sıcaklıkta kalmasını sağlar.