Donma
Donma, bir maddenin sıvı halden katı hale geçmesine denir. Donmanın meydana geldiği sıcaklığa da donma sıcaklığı denir. Donma, erimenin tersi olarak da ifade edilebilir. Örneğin, su 0 derece Celsius'ta donar. Çoğunlukla maddelerin donma ve erime noktaları aynı olmaktadır. ⓘ
Donma olayı cisimlerin hacimlerinde de bir değişmeye neden olur. Donan cisimlerin hacmi genellikle küçülür. Bizmut, antimon ve su ise donma sırasında genleşirler ve hacimleri büyür. Kışın soğuk havalarda su borularının, otomobil radyatörlerinin, testilerin çatlamasının nedeni, suyun donarken hacminin büyümesidir. ⓘ
Donma noktası, cismin saf olması ile ilgili olduğu gibi, basınç ile de ilgilidir. Su gibi donma sırasında genleşen cisimlerin üzerindeki basınç artarsa donma noktası düşer. Tersine, donma sırasında hacmi küçülen cisimlerin üzerindeki basınç azalırsa donma noktası yükselir. ⓘ
Canlı dokuların aşırı soğuk maruziyetinde donmasına soğuk ısırması denmektedir. ⓘ
Bazı yazarlar katılaşmayı, basıncın artırılmasıyla bir sıvının katıya dönüştüğü bir süreç olarak donmadan ayırsa da, iki terim birbirinin yerine kullanılmaktadır. ⓘ
Çoğu madde için erime ve donma noktaları aynı sıcaklıktadır; ancak bazı maddeler farklı katı-sıvı geçiş sıcaklıklarına sahiptir. Örneğin, agar erime ve donma noktalarında histerezis gösterir. 85 °C'de (185 °F) erir ve 32 °C ila 40 °C (89,6 °F ila 104 °F) arasında katılaşır. ⓘ
Kristalleşme
Sıvıların çoğu kristalleşme yoluyla donar, homojen sıvıdan kristal katı oluşur. Bu birinci dereceden termodinamik bir faz geçişidir, yani katı ve sıvı bir arada bulunduğu sürece, zayıf bir ısı iletkeni olan hava ile temas ettiğinde ısının yavaşça uzaklaştırılması nedeniyle tüm sistemin sıcaklığı neredeyse erime noktasına eşit kalır. Gizli füzyon ısısı nedeniyle donma büyük ölçüde yavaşlar ve donma başladıktan sonra sıcaklık artık düşmez, ancak bittikten sonra düşmeye devam eder. ⓘ
Kristalleşme, çekirdeklenme ve kristal büyümesi olmak üzere iki ana olaydan oluşur. "Çekirdeklenme", moleküllerin nanometre ölçeğinde kümeler halinde toplanmaya başladığı, kristal yapıyı tanımlayan tanımlı ve periyodik bir şekilde düzenlendiği adımdır. "Kristal büyümesi" ise kritik küme boyutuna ulaşmayı başaran çekirdeklerin müteakip büyümesidir. Donma ve erime termodinamiği, günümüzde bilgisayar simülasyonları ile birlikte gelişen fiziksel kimya içinde klasik bir disiplindir. ⓘ
Aşırı soğutma
Termodinamiğin ikinci yasasına rağmen, homojen çekirdeklenmenin yüksek aktivasyon enerjisi nedeniyle saf sıvıların kristalleşmesi genellikle erime noktasından daha düşük bir sıcaklıkta başlar. Bir çekirdeğin oluşturulması, yeni fazın sınırlarında bir arayüzey oluşumu anlamına gelir. Her bir fazın yüzey enerjisine bağlı olarak bu arayüzü oluşturmak için bir miktar enerji harcanır. Varsayımsal bir çekirdek çok küçükse, hacmini oluşturarak açığa çıkacak enerji yüzeyini oluşturmak için yeterli olmaz ve çekirdeklenme devam etmez. Sıcaklık, kararlı çekirdekler oluşturmak için yeterli enerjiyi sağlayacak kadar düşük olana kadar donma başlamaz. İçeren kabın yüzeyinde düzensizlikler, katı veya gaz halindeki safsızlıklar, önceden oluşmuş katı kristaller veya diğer çekirdeklendiricilerin varlığında, önceki ara yüzeyin kısmen yok edilmesiyle bir miktar enerjinin açığa çıktığı ve aşırı soğuma noktasını erime noktasına yakın veya eşit bir noktaya yükselten heterojen çekirdeklenme meydana gelebilir. Suyun 1 atmosfer basınçtaki erime noktası 0 °C'ye (32 °F, 273.15 K) çok yakındır ve çekirdekleştirici maddelerin varlığında suyun donma noktası erime noktasına yakındır, ancak çekirdekleştiricilerin yokluğunda su donmadan önce -40 °C'ye (-40 °F; 233 K) kadar aşırı soğuyabilir. Yüksek basınç altında (2.000 atmosfer) su donmadan önce -70 °C'ye (-94 °F; 203 K) kadar aşırı soğuyacaktır. ⓘ
Ekzotermiklik
Donma neredeyse her zaman ekzotermik bir süreçtir, yani sıvı katıya dönüşürken ısı ve basınç açığa çıkar. Bu genellikle sezgiye aykırı olarak görülür, çünkü sıvı aşırı soğutulmadığı sürece donma sırasında malzemenin sıcaklığı yükselmez. Ancak bu durum, ısının donan sıvıdan sürekli olarak uzaklaştırılması gerektiğinden ya da donma işlemi duracağından anlaşılabilir. Donma sırasında açığa çıkan enerji gizli bir ısıdır ve füzyon entalpisi olarak bilinir ve aynı miktarda katıyı eritmek için gereken enerjiyle tamamen aynıdır. ⓘ
Düşük sıcaklıktaki helyum, genel kuralın bilinen tek istisnasıdır. Helyum-3 0,3 K'nin altındaki sıcaklıklarda negatif bir füzyon entalpisine sahiptir. Helyum-4 de 0,8 K'nin altında çok az negatif bir füzyon entalpisine sahiptir. Bu, uygun sabit basınçlarda bu maddeleri dondurmak için onlara ısı eklenmesi gerektiği anlamına gelir. ⓘ
Vitrifikasyon
Cam ve gliserol gibi bazı malzemeler kristalleşmeden sertleşebilir; bunlara amorf katılar denir. Amorf malzemelerin yanı sıra bazı polimerlerin donma noktası yoktur, çünkü belirli bir sıcaklıkta ani bir faz değişimi olmaz. Bunun yerine, viskoelastik özelliklerinde bir dizi sıcaklıkta kademeli bir değişiklik olur. Bu tür malzemeler, kabaca malzemenin yoğunluğa karşı sıcaklık grafiğinin "diz" noktası olarak tanımlanabilecek bir camsı geçiş sıcaklığında meydana gelen bir camsı geçiş ile karakterize edilir. Vitrifikasyon denge dışı bir süreç olduğundan, kristal ve sıvı hal arasında bir denge gerektiren donma olarak nitelendirilmez. ⓘ
Genişleme
Maddeler ısıtıldıklarında boyutları artar veya genişler. Isınma nedeniyle bir cismin boyutundaki bu artışa termal genleşme denir. Termal genleşme tüm cisimlerde ve maddenin tüm hallerinde gerçekleşir. Ancak farklı maddeler aynı sıcaklık artışı için farklı genleşme oranlarına sahiptir. ⓘ
Canlı organizmaların donması
Birçok canlı organizma, suyun donma noktasının altındaki sıcaklıklarda uzun süre kalmayı tolere edebilir. Çoğu canlı organizma, keskin buz kristallerinin donma hasarına karşı kendilerini korumak için çekirdeklenmeyi önleyici proteinler, polioller ve glikoz gibi kriyoprotektanlar biriktirir. Özellikle çoğu bitki -4 °C ila -12 °C sıcaklıklara güvenle ulaşabilir. Başta Pseudomonas syringae olmak üzere bazı bakteriler, -2 °C civarında çeşitli meyve ve bitkilerin yüzeyinde buz oluşumunu zorlamak için kullandıkları güçlü buz çekirdekleyicileri olarak hizmet eden özel proteinler üretir. Donma epitelde yaralanmalara neden olur ve alttaki bitki dokularındaki besin maddelerini bakteriler için kullanılabilir hale getirir. ⓘ
Bakteriler
Carnobacterium pleistocenium'un yanı sıra Chryseobacterium greenlandensis ve Herminiimonas glaciei adlı üç bakteri türünün binlerce yıl boyunca buzda donmuş halde hayatta kaldıktan sonra yeniden canlandığı bildirildi. ⓘ
Bitkiler
Birçok bitki sertleşme adı verilen bir süreçten geçerek 0 °C'nin altındaki sıcaklıklarda haftalarca ya da aylarca hayatta kalabilir. ⓘ
Hayvanlar
Haemonchus contortus nematodu sıvı nitrojen sıcaklıklarında donmuş halde 44 hafta hayatta kalabilir. 0°C'nin altındaki sıcaklıklarda hayatta kalabilen diğer nematodlar arasında Trichostrongylus colubriformis ve Panagrolaimus davidi bulunmaktadır. Birçok sürüngen ve amfibi türü donarak hayatta kalır. Tam bir tartışma için kriyobiyolojiye bakınız. ⓘ
İnsan gametleri ve 2, 4 ve 8 hücreli embriyolar dondurularak hayatta kalabilir ve kriyoprezervasyon olarak bilinen bir süreçle 10 yıla kadar yaşayabilir. ⓘ
İnsanların daha sonra yeniden canlandırılmak üzere dondurulmasına yönelik deneysel girişimler kriyonik olarak bilinmektedir. ⓘ
Gıda muhafazası
Dondurma, hem gıdaların çürümesini hem de mikroorganizmaların büyümesini yavaşlatan yaygın bir gıda koruma yöntemidir. Düşük sıcaklıkların reaksiyon hızları üzerindeki etkisinin yanı sıra dondurma, suyu bakteri üremesi için daha az uygun hale getirir. 1842'ye kadar dondurma, buz ve tuz salamurasında yoğun olarak kullanılan en eski ve en yaygın gıda koruma yöntemlerinden biridir. Dondurma işleminde tatlar, koku ve besin içeriği genellikle değişmeden kalır. Dondurma işlemi, mekanik soğutmanın ortaya çıkmasından (kullanılmaya başlanmasından) sonra ticari olarak uygulanabilir hale gelmiştir. Dondurma, birçok gıdanın uzun süreli muhafazası için başarılı bir şekilde kullanılmış ve raf ömrünü önemli ölçüde uzatmıştır. Dondurarak muhafaza genellikle duyusal özelliklerin ve besleyici özelliklerin korunması açısından konserve ve dehidrasyondan daha üstün olarak kabul edilir. ⓘ
Ayrıca bakınız
- Donma derecesi
- Flaş dondurma
- Fraksiyonel dondurma
- Dondurucu
- Dondurucu hava sıcaklığı
- Frost
- Mikro-çekme-aşağı
- Mpemba etkisi
- Faz diyagramı ⓘ
Tablo
için Kimden
|
Katı | Sıvı | Gaz | Plazma |
|---|---|---|---|---|
| Katı | Erime | Süblimasyon | ||
| Sıvı | Dondurma | Buharlaşma | ||
| Gaz | İfade Alma | Yoğuşma | İyonizasyon | |
| Plazma | Rekombinasyon |