Maddenin fiziksel hali, maddenin taneciklerinin arasındaki mesafe ve taneciklerin hareket serbestliği ile belirlenir. Maddenin üç temel fiziksel hali katı, sıvı ve gazdır. Bu hallerin her biri, kendine özgü özellikler gösterir
Maddenin Farklı Halleri
Suyun Farklı Hallerinin Önemi
Endüstride Hal Değişiminin Önemi
Havadan Azot ve Oksijen Eldesi
Maddenin dört temel fiziksel hali vardır:
1) Katı 2) Sıvı 3) Gaz 4) Plazma
Bütün maddeler bu dört halden birinde bulunur. Uygun sıcaklık ve basınç koşullarında maddeler bu dört fiziksel halden birinden diğerine dönüşebilir.
Genel olarak maddeler düşük sıcaklıklarda katı, yüksek sıcaklıklarda gaz halde bulunurlar.
Gaz halde bulunan bir madde yüksek sıcaklıklara kadar ısıtıldığında atom haline dönüşür. Isı varlığında bazı atomlarda elektronlar ayrılır ve iyon yapısı meydana gelir. Böylece o anda ortamda atom, iyon, elektron ve moleküllerin bir arada bulunduğu yüksek enerjili bir hal oluşur. Maddenin bu haline plazma denir. Maddenin 4. temel hali olarak kabul edilen plazma hali, çok yüksek sıcaklıklarda görülebilen özel bir haldir.
Ok yönünde:
1. Isı alır. (Endotermiktir.)
2. Maddenin düzensizliği artar.
3. Moleküller arası boşluklar artar.
4. Maddenin sahip olduğu enerji artar.
Su Döngüsü
Su, insan ve diğer canlı hayatı için vazgeçilmez bir kaynaktır. Dünya’daki başlıca su kaynaklarını okyanuslar, denizler, göller, barajlar, yer altı ve yer üstü suları oluşturur. Tüm bu su kaynakları hava olayları ile sürekli katı , sıvı ve gaz halleri arasında değişime uğramaktadır. Hava akımları, bulutları dünya çevresinde hareket ettirir, bulut zerreleri bir araya gelerek, büyürler ve yağış olarak gökyüzünden düşerler. Bazı yağışlar, kar olarak dünyaya geri döner ve donmuş su kütleleri halinde binlerce yıl kalabilecek olan buz tepeleri ve buzullar şeklinde birikebilir.
Ilıman iklimlerde ilkbahar geldiğinde çoğu zaman kar örtüleri erir ve eriyen su, erimiş kar olarak toprak yüzeyinde akışa geçer ve bazen de sellere sebep olur. Yeryüzüne düşen suların bir kısmı yüzeysel akışa geçerek akarsuları oluşturarak göl, deniz yada okyanusa dökülürler. Buharlaşmayla yükselip gaz haline geçen su , soğumayla yoğunlaşarak sıvı veya katı halde yeryüzüne düşer ve tekrar su kaynaklarına karışır. Suyun yeryüzündeki bu dönüşüm hareketine su döngüsü adı verilir.
Yüzeyde bulunan suları harekete geçiren güneş, suyu ısıtır, ısınan su da atmosfere su buharı olarak katılır. Yük- selen hava akımları, su buharını atmosfer içinde yukarıya kadar taşır, orada bulunan daha soğuk hava bulutlar içinde yoğunlaşmaya sebep olur. Yeryüzüne düşen suların bir kısmı da yeraltına sızarak yer altı sularını oluştururlar. Bu suyun bir kısmı yüzeye yakın kalır ve yeraltı suyu boşaltımı olarak tekrar yüzeydeki su kütlelerine (ve okyanusa) katılır.
Bazı yeraltı suları yer yüzeyinde buldukları açıklıklardan tatlı su kaynakları olarak tekrar ortaya çıkarlar. Sığ yeraltı suyu, bitki kökleri tarafından alınır, yaprak yüzeyinden terlemeyle atmosfere geri döner. Yeraltına sızan suyun bir kısmı daha derinlere gider ve çok uzun zaman süresince büyük miktarda tatlı suyu depolayabilen akiferleri (suyla doymuş yer altı materyali) besler. Zamanla bu su da hareket eder ve bir kısmı su döngüsünün başladığı ve bittiği okyanuslara karışır.
Canlı yaşamın devam etmesi için gerekli olan temel un- surların başında hava ve su gelmektedir. Hava, su, ışık ve besin maddeleri tüm canlılar için temel gereksinimlerdir. Bu gereksinimler içerisinde kuşkusuz ki su en başı çekmektedir. İnsan gıda almadan yalnız su içerek yaklaşık 5 hafta hayatını sürdürebilir. Su tüketmeden hayatta kalmaya ise ancak 7 ile 12 gün arasında dayanabilir. Doğada bulunan tüm canlı türleri, bitkiler ve hayvanlar su olmadan yaşamlarını sürdüremezler. Canlılığın temeli olan, su, oksijen, ışık ve beslenme kaynakları dikkatli kullanılmalı bilinçli davranış tarzı tüm insanlığa kavratılmalıdır.
Günümüz dünyasında, kuraklık ve küresel kirlenme başta olmak üzere nüfus yoğunluğu, sanayideki gelişmeler ve bitkisel çeşitlilik ve yaygınlığın gelişmesi nedeniyle su tüketimi artmakta ve su kıtlığı bir çok ülkede kendini göstermektedir. Türkiye az miktarda su kıtlığı çeken ülkeler arasında yer almakla birlikte, hızlı nüfus artışı, kirlenme, kentlerde şebekedeki su kaybı, tarım, sanayi ve evsel su kullanım oranlarının belli bir strateji doğrultusunda dağıtılmaması ve yıllık yağış ortalamasının dünya ortalamasından düşük olması; mevcut kaynakların daha dikkatli kullanılmasını ve kirlenmeye karşı gerekli tedbirlerin bir an önce alınmasını gerektirmektedir.
İnsan organizmasının yaklaşık %60-70’inin su olduğu bilinmektedir. Bu suyun 3’te 2’si hücreler içerisinde, geriye kalan kısmı ise dokular arası sıvıda ve kanda bulunmaktadır. İnsanın fizyolojik gereksinimi olan suyu her gün düzenli olarak karşılamak zorundadır. Bu suyun yaklaşık %50’sini içeceklerden, %35’ini yiyeceklerden ve %15`ini de oksidasyon suyu olarak vücuttaki gıdaların yakılmasından sağlar.
Endüstride Hal Değişiminin Önemi
a) Hâl Değişimlerinin Önemli Örnekleri
Gündelik hayatımızda kullandığımız bazı maddelerin fiziksel olarak farklı hâllerinin son derece pratik kullanım alanları vardır. Özellikle gazların sıvılaştırılması kullanımları ve taşınması adına oldukça pratik bir uygulamadır. (Ayrıca gazların itici ve soğutucu olarak kullanılmaları da hâl değişimleri ile ilişkilidir.) 168 Maddenin Hâlleri Gazlar normal şartlarda çok büyük hacim kaplar, bu yüzden aynı hacimde depolanmaları neredeyse imkansızdır. Fakat gazlar, yüksek basınç ve düşük sıcaklık etkisi ile kolaylıkla sıvılaştırılabilirler. Bu da
gazların gerek depolanmasında gerekse taşınmasında çok büyük bir hacim kazancı ve büyük kolaylık sağlamış olur. Buna en iyi örnek birim hacimleri yaklaşık 600 kat sıkıştırılabilen LPG ve LNG dir.
I. LPG (Liguid Petroleum Gas, Sıvılaştırılmış Petrol Gazı)
Sıvılaştırılmış petrol gazı (LPG), ham petrolün rafinerilerde damıtılmasında veya petrol yatakları üzerinde bulunan doğal gazın ayrıştırılması ile elde edilir. LPG yüksek basınçta sıvılaşabilen, havadan ağır, renksiz, kokusuz ve yanıcı bir gazdır. Yanması sonucu yüksek enerji açığa çıkardığından ve herhangi bir merkezi alt yapı gerektirmediğinden tercih edilen bir enerji kaynağıdır. Ülkemizde kullanılan LPG bileşiminde genellikle 9o 70 bütan, Ye 30 propan kullanılır. Ayrıca gaz sızıntılarında gaz kaçağının hemen anlaşılabilmesi amacıyla rafinerilerde LPG özel olarak kokulandırılır. LPG kullanım şartlarına uyulduğunda güvenle kullanılabilen ve basit kimyasal yapısıyla diğer enerji kaynaklarına göre çevreci bir yakıttır.
II. LNG (Liguid Natürel Gas, Sıvılaştırılmış Doğal Gaz)
Sıvılaştırılmış doğal gaz (LNG), atmosferik basınçta yaklaşık —163oC da yoğunlaştırılarak sıvı hâle getirilmiş doğal gazdır. LNG de renksiz ve kokusuz olmasına karşın, gaz kaçaklarının fark edilebilmesi ve tespitine karşın kokulandırılmıştır. Ayrıca LNG zehirsiz ve havadan hafiftir. Genelde % 90 dan daha fazla CH4 (metan) içerirken, etan (C2H6), propan (C3H8), bütan (C4H10 ) gazları da karıştırabilmektedir. Hacminin LPG gibi çok büyük oranlarda sıkıştırılabilmesi LNG yi de gemi ve kamyon tankerlerle taşınabilir hâle getirir.
b) İtici Gazlar
Sıvının buhar dönüşümünün en pratik kullanım alanlarından biri olan, bulunduğu kaptaki maddeyi basınç farkı ile dışarıya iten gazlara itici gaz denir. En basit ve yaygın itici gaz uygulamaları spreylerdir. Spreylerde kullanılan itici gazlar ve sprey içeriği aerosol karışım oluşur. İtici gazlar sıkıştırılarak kolaylıkla sıvılaştırılabilir ve üstündeki basınç kaldırılınca tekrar gaz hâline geçerek büyük bir hızla ileriye doğru püskürtülür. Bu sayede itici gazlar deodorant, oda spreyi, böcek ilacı, pas sökücü sprey gibi birçok alanda kullanılmaktadır. İlk zamanlar itici gazlar olarak kullanılan CFC (kloroflorokarbon) un ozon tabakasına ve atmosfere verdiği büyük zararlar anlaşılınca kullanımında vazgeçilerek, kullanılan maddelerin inert, renksiz, kokusuz, toksik ve yanıcı olmamasına dikkat edildi. İtici gaz olarak N2O, CO2 gazları veya
hidrokarbon (propan, bütan gibi) gazları kullanılmaktadır.
c) Soğutucu Gazlar
Bir maddenin sıcaklığının düşürülebilmesi için maddenin ısı kaybetmesi veya sıcaklığının arttırılabilmesi için ısı kazanması gereklidir. Gündelik hayatımızda bir cismin veya ortamın sıcaklığını düşürmek (soğutmak) amacı ile kullandığımızı araçların içinde hep soğutucu akışkanlar kullanılır. Soğutucu akış, kanlar genellikle kendi hâl değişimleri ile yaptıkları ısı alışverişi sonucu ısıtır veya soğuturlar. Buzdolapları ve derin dondurucu gibi soğutucu olarak kullandığımız makinelerde bu prensip ile soğutmaktadır. Buzdolabında kullanılan gaz (soğutucu akışkan) buzdolabı dışarısında sıkıştırılarak sıvılaşır ve çevreyi (mutfağı) ısıtır. Sıvılaşan gaz buzdolabı içerisine alınır ve tersi işlem gerçekleştirilerek genleştirilir. Genleşen sıvı yeniden gaz hâle geçer ve çevresinden (buzdolabının içinden) ısı alarak buzdolabının içini soğutur. Bu hâl değişim döngüsünde soğutucu akışkan olarak seçilen maddelerin özellikle kullanılan sıcaklık aralıklarında, uygulanabilir basınç altında kolaylıkla buharlaşabilmesi ve yoğunlaşabilmesi gereklidir. Ayrıca kimyasal olarak zehirli ve yanıcı olmamalı, çevreye zarar vermemeli, ucuz ve kolay elde edilebilir olmalı. Önceleri soğutucu akışkan olarak kullanılan amonyak (NH3) zehirleyici etkisinden sonra yerini Freon – 12 (CCI2F2) gazına bıraktı. Ancak son yıllarda CCI2,F2 nın ozon tabakasına verdiği zararlar anlaşılınca bazı ülkelerde kullanımı yasaklanarak yerini puron gazına bırakmıştır.
d) Havanın Sıvılaştırılması
Hava dünya atmosferi birçok gaz karışımından oluşmaktadır ve yeryüzündeki hayat için oldukça önemlidir. Kuru hava hacminin % 99 unu azot ve oksijen oluştururken %1 ini argon başta olmak üzere eser miktarda diğer gazlar oluşturmaktadır. Havanın bu içeriğini anlamak için bilim insanları havayı sıkıştırarak soğutmuşlardır. Bu amaçla geliştirilen en yaygın yöntem olan Claude (Klod) yöntemidir. Claude yönteminde özellikle CO2 ve H2O den arındırılmış havanın bir kısmı basıncı yaklaşık 40 atm ye getirilerek sıkıştırılır. Sıkışan hava ısınır. Bu Isı sıvılaşmamış hava tarafından alınır ve basıncı 40 atm olan hava —70oC a soğur. Soğuyan bu havanında bir kısmı genleştirilir ve bu genleşme sırasında basıncı 40 atm olan havada ısı alır. İyici soğuyan basıncı 40 atm olan sıvının sıcaklığı yaklaşık —160oC a düşer ve sıvılaşır. Elde edilen sıvı havadan, kaynama noktası farkı kullanılarak (ayrımsal damıtma) sırası ile azot ve oksijen gazları elde edilir.
