Konu anlatımı
Çoğu madde ısındıkça genleşir, soğudukça büzülür; su ise belirli bir aralıkta bu kurala uymaz. Bu alt başlıkta suyun hacminin sıcaklıkla nasıl değiştiğini, buzun neden suda yüzdüğünü ve bu özelliğin canlı yaşamı için neden önemli olduğunu göreceksin.
Hacim-sıcaklık ilişkisi
Su 0 °C ile 4 °C arasında ısıtılınca genleşmez, büzülür; hacmi azalır. 4 °C'de suyun hacmi en küçük, özkütlesi en büyüktür. 4 °C'nin üstünde su öbür maddeler gibi ısındıkça genleşir. Su 4 °C'den 0 °C'ye soğurken de hacmi artar. Hacim-sıcaklık grafiği 4 °C'de en alt noktaya iner; özkütle-sıcaklık grafiği ise 4 °C'de en üst noktaya çıkar.
Donma ve buz
Su donarken hacmi yaklaşık %9 artar; bu yüzden buzun özkütlesi (yaklaşık 0,92 g/cm³) suyunkinden küçüktür ve buz suda yüzer. Buz eriyince hacim azalır. Hacmin donarken artması bazı sorunlara yol açar: kışın su boruları ve ağzı kapalı tam dolu cam şişeler çatlayabilir, kayaların çatlaklarındaki su donunca kayaları parçalar. Su ve buzun öz ısıları da farklıdır: buzun öz ısısı suyunkinin yaklaşık yarısıdır, bu yüzden aynı ısıyı alan eşit kütleli buzun sıcaklığı sudan daha çok artar.
Göller ve canlı yaşamı
Kışın havanın soğumasıyla göllerin yüzeyindeki su soğur. 4 °C'ye kadar soğuyan su ağırlaştığı için dibe çöker; dipte 4 °C'deki en yoğun su birikir. Yüzeydeki su daha da soğuyunca hafiflediği için yüzeyde kalır ve 0 °C'de donar. Buz tabakası kötü bir iletken olduğu için alttaki suyun ısı kaybını yavaşlatır. Böylece göller yüzeyden donar, dipteki su sıvı kalır ve balıklar ile öbür canlılar kışı geçirebilir.
Çözümlü örnekler
Örnek 1. −10 °C'deki bir buz parçası sürekli ısıtılarak 10 °C'deki suya dönüştürülüyor. Bu süreçte buzun ve suyun hacmi nasıl değişir?
Çözüm. Buz −10 °C'den 0 °C'ye ısınırken öbür katılar gibi biraz genleşir. 0 °C'de erirken hacmi belirgin biçimde azalır, çünkü su buzdan daha yoğundur. Su 0 °C'den 4 °C'ye ısınırken büzülmeye devam eder ve hacmi 4 °C'de en küçük değerine iner. 4 °C'den 10 °C'ye ısınırken su genleşir ve hacmi artar.
Örnek 2. Ağzı sıkıca kapatılmış, ağzına kadar suyla dolu cam bir şişe dondurucuda unutuluyor. Şişeye ne olabilir? Neden?
Çözüm. Su soğuyup donarken hacmi artar. Şişe ağzına kadar dolu ve kapalı olduğu için genişleyen buzun yerleşebileceği boşluk yoktur. Buz şişenin çeperlerine büyük kuvvet uygular ve şişe çatlayabilir ya da kırılabilir. Kışın açıkta kalan su borularının patlaması da aynı nedenledir.
Sık yapılan hatalar
- Suyun özkütlesinin en büyük olduğu sıcaklığı 0 °C sanmak; bu sıcaklık 4 °C olur.
- Buz eriyince hacmin arttığını düşünmek; buz eriyince hacim azalır.
- Göllerin dipten donduğunu sanmak; göller yüzeyden donar.
- Su 0 °C ile 4 °C arasında ısıtılınca büzülür.
- Suyun özkütlesi 4 °C'de en büyük, hacmi en küçüktür.
- Su donunca hacmi artar; buz suda yüzer ve göller yüzeyden donar.