Kaynama
Kaynama, sıvının buhar basıncının dış basınca eşit olduğunda, sıvının her yerinden gaz kabarcıklarının çıkması. Saf maddelerin sabit atmosfer basıncı altında kaynama noktası sabittir. Kaynama süresi boyunca maddenin sıcaklığı değişmez. Sıvı bir maddenin içine uçucu olmayan bir çözünen eklenirse çözeltinin kaynama noktası yükselir. Çözünen madde miktarı arttıkça kaynama noktası yükselecektir. Aynı ortamdaki bütün sıvıların kaynama anındaki buhar basınçları eşittir, ancak maddelerin kaynama sıcaklığı maddenin cinsine, saflığına ve ortamın dış basıncına bağlıdır. Kaynama sıcaklığı maddeler için ayırt edici bir özelliktir. ⓘ
Kaynama sıcaklığındaki 1 gram sıvı maddenin tamamının gaz haline gelmesi için verilmesi gerek ısıya buharlaşma ısısı (Lb) denir. m gram maddeyi aynı sıcaklıkta buhar haline getirmek için verilmesi gerek ısı miktarı 𝑄 = 𝑚 𝐿𝑏 formülü ile hesaplanabilir. Suyun buharlaşma ısısı 540 cal/g'dır. Bu değer maddenin cinsine bağlıdır ve ayırt edici bir özelliktir. ⓘ
Kaynama noktası saf su için farklı sıcaklık birimlerinde 100 °C, 212 F ve 373 K olarak belirlenmiştir. ⓘ
Bazı maddelerin Celsius ve Kelvin birimlerinde kaynama sıcaklıkları: ⓘ
- Su: 100 °C (373 K)
- Metil alkol: 64,7 °C (337,8 K)
- Etil alkol: 78,38 °C (351,53 K)
- Eter: 34,6 °C (307,8 K)
- Aseton: 56 °C (329 K)
- Amonyak: -33 °C (240 K) ⓘ
Suyu kaynatmak, mevcut olabilecek mikrop ve virüsleri öldürerek içilebilir hale getirmek için bir yöntem olarak kullanılır. Farklı mikroorganizmaların ısıya karşı duyarlılığı değişir, ancak su 100 °C'de (212 °F) bir dakika tutulursa, çoğu mikroorganizma ve virüs etkisiz hale gelir. Çoğu bakteri için 70 °C (158 °F) sıcaklıkta on dakika da yeterlidir. ⓘ
Kaynar su ayrıca haşlama, buharda pişirme ve haşlama gibi çeşitli pişirme yöntemlerinde de kullanılır. ⓘ
Türleri
Nucleate
Çekirdekli kaynama, sıcaklığı sıvının sıcaklığının sadece biraz üzerinde olan bir yüzeydeki ayrı noktalardan yükselen ısıtılmış bir yüzeydeki kabarcıkların veya patlamaların büyümesi (heterojen çekirdeklenme) ile karakterize edilir. Genel olarak, çekirdeklenme bölgelerinin sayısı artan yüzey sıcaklığı ile artar. ⓘ
Kaynama kabının düzensiz bir yüzeyi (yani artan yüzey pürüzlülüğü) veya sıvıya eklenen katkı maddeleri (yani yüzey aktif maddeler ve/veya nanopartiküller) daha geniş bir sıcaklık aralığında çekirdeklenmeyi kolaylaştırırken, plastik gibi son derece pürüzsüz bir yüzey aşırı ısınmaya neden olur. Bu koşullar altında, ısıtılan bir sıvı kaynama gecikmesi gösterebilir ve sıcaklık kaynama olmadan kaynama noktasının biraz üzerine çıkabilir. ⓘ
Kabarcıkların bir yüzey yerine etrafındaki sıvıdan oluştuğu homojen çekirdeklenme, sıvının merkezinde daha sıcak ve kabın yüzeylerinde daha soğuk olması durumunda meydana gelebilir. Bu, örneğin, kabı değil suyu ısıtan bir mikrodalga fırında yapılabilir. ⓘ
Kritik ısı akısı
Kritik ısı akısı (CHF), ısıtma sırasında (suyu ısıtmak için kullanılan metal bir yüzeyde oluşan kabarcıklar gibi) ısı transferinin verimliliğini aniden düşüren ve böylece ısıtma yüzeyinin bölgesel olarak aşırı ısınmasına neden olan bir faz değişikliğinin meydana geldiği bir olgunun termal sınırını tanımlar. Kaynayan yüzey kritik bir sıcaklığın üzerinde ısıtıldığında, yüzeyde bir buhar filmi oluşur. Bu buhar filmi ısıyı yüzeyden uzaklaĢtırmada çok daha az yetenekli olduğundan, sıcaklık bu noktanın ötesinde kaynama geçiĢ rejimine doğru çok hızlı bir Ģekilde yükselir. Bunun meydana geldiği nokta, kaynayan sıvının özelliklerine ve söz konusu ısıtma yüzeyine bağlıdır. ⓘ
Geçiş
Geçiş kaynaması, çekirdek kaynamasında ulaşılabilen maksimum ile film kaynamasında ulaşılabilen minimum arasındaki yüzey sıcaklıklarında meydana gelen kararsız kaynama olarak tanımlanabilir. ⓘ
Isıtılmış bir sıvıda kabarcık oluşumu, genellikle kavitasyon ve kabarcıkların yüzeye çıktığı noktaya kadar henüz ısıtılmamış bir su ısıtıcısında duyulan geniş spektrumlu tıslama gibi akustik etkileri içeren karmaşık bir fiziksel süreçtir. ⓘ
Film
Sıvıyı ısıtan bir yüzey sıvıdan önemli ölçüde daha sıcaksa, düşük ısı iletkenliğine sahip ince bir buhar tabakasının yüzeyi yalıttığı film kaynaması meydana gelecektir. Yüzeyi sıvıdan yalıtan buhar filminin bu durumu film kaynamasını karakterize eder. ⓘ
Fizik
Bir elementin belirli bir basınçtaki kaynama noktası, o elementin karakteristik bir özelliğidir. Bu durum su ve basit alkoller de dahil olmak üzere birçok basit bileşik için de geçerlidir. Kaynama başladıktan sonra ve kaynamanın sabit kalması ve basıncın sabit olması koşuluyla, kaynayan sıvının sıcaklığı da sabit kalır. Bu özellik, kaynama noktalarının 100°C tanımı olarak benimsenmesine yol açmıştır. ⓘ
Distilasyon
Uçucu sıvıların karışımları, sabit bir bileşen karışımına sahip buhar üreten karışıma özgü bir kaynama noktasına sahiptir - sabit kaynama karışımı. Bu özellik, sıvı karışımlarının kaynatılarak ayrılmasını veya kısmen ayrılmasını sağlar ve en iyi etanolü sudan ayırma aracı olarak bilinir. ⓘ
Kullanım Alanları
Soğutma ve iklimlendirme
Çoğu soğutma türü ve bazı klima türleri, bir gazı sıkıştırarak sıvı hale getirip kaynamasını sağlayarak çalışır. Bu, çevredeki ısıyı emerek buzdolabını veya dondurucuyu soğutur ya da bir binaya giren havayı soğutur. Tipik sıvılar arasında propan, amonyak, karbondioksit veya nitrojen bulunur. ⓘ
Suyu içilebilir hale getirmek için
Suyu dezenfekte etme yöntemi olarak, 100 °C (212 °F) kaynama noktasına getirmek, tadı etkilemediği, içinde bulunan kirletici maddelere veya partiküllere rağmen etkili olduğu ve bağırsakla ilgili hastalıklara neden olan mikropların çoğunu ortadan kaldıran tek adımlı bir işlem olduğu için en eski ve en etkili yoldur. Suyun kaynama noktası deniz seviyesinde ve normal barometrik basınçta 100 °C'dir (212 °F). Uygun bir su arıtma sistemine sahip yerlerde, kimyasal toksinleri veya safsızlıkları gideremediği için yalnızca acil bir tedavi yöntemi olarak veya vahşi doğada veya kırsal alanlarda içilebilir su elde etmek için önerilir. ⓘ
Kaynatma yoluyla mikroorganizmaların ortadan kaldırılması birinci dereceden kinetiği takip eder; yüksek sıcaklıklarda daha kısa sürede, düşük sıcaklıklarda ise daha uzun sürede gerçekleşir. Mikroorganizmaların ısıya duyarlılığı değişiklik gösterir; 70 °C'de (158 °F) Giardia türlerinin (Giardiasis'e neden olur) tamamen inaktivasyonu on dakika sürebilir, bağırsakları etkileyen mikropların çoğu ve E. coli (gastroenterit) bir dakikadan az sürer; kaynama noktasında Vibrio cholerae (kolera) on saniye ve hepatit A virüsü (sarılık belirtisine neden olur) bir dakika sürer. Kaynatma işlemi tüm mikroorganizmaların yok edilmesini sağlamaz; Clostridium bakteri sporları 100 °C'de (212 °F) hayatta kalabilir ancak su yoluyla bulaşmaz veya bağırsakları etkilemez. Dolayısıyla insan sağlığı için suyun tamamen sterilize edilmesi gerekli değildir. ⓘ
Suyun on dakika kaynatılması yönündeki geleneksel tavsiye, mikroplar 60 °C (140 °F) üzerindeki sıcaklıklarda yok olmaya başladığından ve suyun kaynama noktasına getirilmesi termometre yardımı olmadan da görülebilen faydalı bir gösterge olduğundan ve bu süre zarfında su dezenfekte edildiğinden, esas olarak ek güvenlik içindir. Yükseklik arttıkça kaynama noktası düşse de, bu dezenfeksiyon sürecini etkilemek için yeterli değildir. ⓘ
Yemek pişirirken
.jpg)
Haşlama, yiyecekleri kaynar suda veya et suyu veya süt gibi diğer su bazlı sıvılarda pişirme yöntemidir. Kaynamada hafif bir kaynama söz konusudur, haşlamada ise pişirme sıvısı hareket eder ancak çok az kabarcık çıkarır. ⓘ
Suyun kaynama noktası, özellikle deniz seviyesinde tipik olarak 100 °C (212 °F; 373 K) olarak kabul edilir. Basınç ve sıvının bileşimindeki bir değişiklik sıvının kaynama noktasını değiştirebilir. Kaynama noktası atmosferik basıncın bir fonksiyonu olduğu için yüksek rakımlarda pişirme genellikle daha uzun sürer. Yaklaşık bir mil (1.600 m) yükseklikte su yaklaşık 95 °C'de (203 °F; 368 K) kaynar. Yiyeceğin türüne ve yüksekliğe bağlı olarak, kaynayan su yiyeceği düzgün bir şekilde pişirmek için yeterince sıcak olmayabilir. Benzer şekilde, düdüklü tencerede olduğu gibi basıncın artırılması, içeriğin sıcaklığını açık havadaki kaynama noktasının üzerine çıkarır. ⓘ
Torba içinde kaynatma
"Poşet içinde kaynatma" olarak da bilinen bu yöntem, kalın bir plastik poşet içine konulmuş hazır gıdaların ısıtılmasını veya pişirilmesini içerir. Genellikle dondurulmuş olan yiyecekleri içeren torba, belirlenen süre boyunca kaynar suya daldırılır. Bu işlem sırasında tencere veya tava kirlenmediği için ortaya çıkan yemekler daha kolay bir şekilde hazırlanabilmektedir. Bu tür yemekler hem kampta hem de evde yemek için kullanılabilir. ⓘ
Buharlaştırma ile kontrast
Herhangi bir sıcaklıkta, bir sıvıdaki moleküller değişen kinetik enerjilere sahiptir. Sıvı yüzeyindeki bazı yüksek enerjili parçacıklar, sıvının moleküller arası çekim kuvvetlerinden kaçmak ve bir gaz haline gelmek için yeterli enerjiye sahip olabilir. Buna buharlaşma denir. ⓘ
Buharlaşma sadece yüzeyde gerçekleşirken, kaynama sıvının tamamında gerçekleşir. Bir sıvı kaynama noktasına ulaştığında içinde gaz kabarcıkları oluşur ve bunlar yüzeye çıkarak havaya karışır. Bu süreç kaynama olarak adlandırılır. Kaynayan sıvı daha güçlü ısıtılırsa sıcaklık yükselmez ancak sıvı daha hızlı kaynar. ⓘ
Bu ayrım sıvıdan gaza geçişe özeldir; doğrudan katıdan gaza geçiş, kaynama noktasında olup olmadığına bakılmaksızın her zaman süblimleşme olarak adlandırılır. ⓘ