Suyun Genleşmesi ve ilginç özellikleri
Sıvılar ısıtılınca hacimleri artar. Yalnız suyun özel bir durumu vardır. +4 C sıcaklıkta suyun hacmi minimumdur. +4 C deki suyu ısıtır veya soğutursak, hacmi artar.
Hacim ile özkütle ters orantılı olduğunda suyun özkütle-sıcaklık grafiği aşağıdaki gibi olur.
Gazların Genleşmesi: Gazlarda ısı karşısında genleşirler. Gazların genleşmesi sadece hacimce olur. Genleşme katsayısı bütün gazlarda aynıdır. Bütün gazların sıcaklıkları 1C değiştiğinde hacimlerinin 1/273 ü kadar genleşirler. Bu nedenle genleşme gazlar için ayırt edici bir özellik değildir.
MUCİZE MOLEKÜL: SU-1
Suyun Olağanüstü Termal Özellikleri
Henderson'ın kitabında üzerinde durulan konulardan biri, suyun termal (ısıyla ilgili) özellikleridir. Henderson, suyun termal özelliklerinin beş ayrı yönden çok ilginç olduğuna dikkat çeker. Bunlar sırasıyla şöyledir:
1) Bilinen tüm maddeler ısıları düştükçe büzüşürler. Bilinen tüm sıvılar da yine ısıları düştükçe büzüşür, hacim kaybederler. Hacim azalınca yoğunluk artar ve böylece soğuk olan kısımlar daha ağır hale gelir. Bu yüzden sıvı maddelerin katı halleri, sıvı hallerine göre daha ağırdır. Ama su, bilinen tüm sıvıların aksine, belirli bir ısıya (+ 4°C'ye) düşene kadar büzüşür, ama sonra birdenbire genleşmeye başlar. Donduğunda ise daha da genleşir. Bu nedenle suyun katı hali, sıvı halinden daha hafiftir. Yani buz, aslında "normal" fizik kurallarına göre suyun dibine batması gerekirken, su üstünde yüzer.
2) Buz eridiğinde ya da su buharlaştığında, etraftan ısı çekilir. Bunun tersi gerçekleştiğinde ise, dışarıya ısı verilir. Bu "gizli ısı" olarak bilinen kavramdır.
Gizli ısı, suyun ısısını değiştirmeyen, ancak sadece onun katıdan sıvıya ya da sıvıdan gaz haline geçmesini sağlayan ısıdır. Bir buzu eritmek için ona ısı verdiğinizde, buz 0°C'ye kadar gelir. Sonra biraz daha ısı verirsiniz, buzun ısısında hiçbir artış olmaz, hala 0°C'dir. Ama artık buz değildir, eriyip su olmuştur. Isıda bir fark olmamasına rağmen, sadece katı halin sıvıya dönüşmesi için kullanılan bu enerjiye "gizli ısı" denir.
Tüm sıvıların gizli ısıları vardır. Ancak suyun gizli ısısı, bilinen tüm sıvıların en yükseği sayılabilir. Normal ısılarda, sadece amonyak sudan daha yüksek bir donma gizli ısısına sahiptir. Buharlaşma gizli ısısında ise hiçbir sıvı, su ile boy ölçüşemez.
3) Suyun "termal kapasitesi", yani suyun ısısını bir derece artırmak için gereken ısı miktarı, bilinen diğer sıvıların çok büyük bölümünden daha yüksektir.
4) Suyun termal iletkenliği, yani ısıyı iletebilme yeteneği, bilinen diğer herhangi bir sıvıdan en az dört kat daha yüksektir.
5) Buzun ve karın termal iletkenlikleri ise düşüktür.
Teknik birer fiziksel özellik gibi duran yukarıdaki beş maddenin ne gibi bir öneme sahip olduğunu merak edebilirsiniz. Bunlar çok büyük birer öneme sahiptir, çünkü dünya üzerindeki yaşam ve bizim hayatımız, bu üstteki özelliklerin tam tamına bu şekilde olması sayesinde mümkündür.
Şimdi sırasıyla bu özelliklerin etkilerini inceleyelim.
Üstten Donmanın Etkisi
Suyun yukarıdaki birinci maddede anlatılan özelliği, Dünya üzerindeki denizler açısından çok önemlidir. Eğer bu özellik olmasa, yani buz suyun üzerinde yüzmese, Dünya üzerindeki suyun çok büyük bir bölümü tamamen donacak, göllerde ve denizlerde hiçbir yaşam kalmayacaktı.
Bu gerçeği biraz detaylı olarak inceleyelim. Dünya'nın pek çok yerinde soğuk kış günlerinde ısı 0°C'nin altına düşer. Bu soğuk elbette denizleri ve gölleri de etkiler. Bu su kütleleri giderek soğurlar. Soğuyan tabakalar dibe doğru çöker, daha sıcak kısımlar yüzeye çıkar, ama bunlar da havanın etkisiyle soğur ve yine dibe doğru çöker. Ancak bu denge sıcaklık 4°C'ye gelince birden değişir, bu kez ısının her düşüşünde, su genleşmeye ve hafiflemeye başlar. Böylece 4°C'lik su en altta kalır. Daha yukarıda 3°C, onun üstünde 2°C, böylece devam eder. Suyun yüzeyi ise 0°C'ye vararak donar. Ama sadece yüzey donmuştur. Yüzeyin altında kalan 4°C'lik bir su tabakası, balıkların ve diğer su canlılarının yaşamlarını sürdürmeleri için yeterlidir.
(Bu arada suyun yukarıdaki beşinci maddede değindiğimiz özelliği de çok büyük bir işlev görmektedir: Bu özellik, buzun ve karın termal iletkenliklerinin düşük olmasıdır. Yani buz, havadaki soğuğu, altındaki su tabakasına çok az iletir. Böylece dışarıdaki hava –50°C'yi bulsa bile, denizin üstündeki buz tabakası bir-iki metreyi geçmez. Foklar, penguenler ve diğer kutup hayvanları, bu sayede denizin üstündeki buzu delip alttaki suya ulaşabilirler.)
Eğer böyle olmasa ne olurdu? Su "normal" davransaydı, tüm diğer sıvılar gibi onun da ısı kaybına paralel olarak yoğunluğu artsaydı, yani buz suyun dibine batsaydı ne olurdu?
Suyun üstten donma özelliği sayesinde, Dünya’daki denizler yüzeyde oluşan buz tabakalarına rağmen her zaman için sıvı olarak kalırlar. Eğer su bu “olağanüstü” özelliğe sahip olmasaydı, denizlerin tamamına yakını sürekli olarak donacak ve deniz yaşamı imkansız hale gelecekti.
Bu durumda okyanuslar, denizler ve göllerde, donma alttan başlayacaktı. Alltan başlayan donma, yüzeyde soğuğu kesecek bir buz tabakası olmadığı için, yukarı doğru devam edecekti. Böylece Dünya'daki göllerin, denizlerin ve okyanusların çok büyük bölümü dev birer buz kütlesi haline gelecekti. Denizlerin yüzeyinde sadece birkaç metrelik bir su tabakası kalacak ve hava sıcaklığı artsa bile, dipteki buz asla çözülmeyecekti. Böyle bir Dünya'nın denizlerinde hiçbir canlı yaşayamazdı. Denizlerin ölü olduğu bir ekolojik sistemde kara canlılarının varlığı da mümkün olamazdı. Kısacası Dünya, eğer su "normal" davransaydı, ölü bir gezegen olacaktı.
Suyun neden "normal" davranmadığı, yani 4°C'ye kadar büzüştükten sonra neden birdenbire genleşmeye başladığı ise, hiç kimsenin cevaplayamadığı bir sorudur.
