Hal Değişimi (Faz Geçişi)

Katı, sıvı veya gaz olsun, bir maddenin durumu parçacıklarının (atomlar, moleküller veya iyonlar) düzenine ve şekillenmesine bağlıdır. Katı parçacıklar genellikle bir düzen içerisinde, birbirine çok yakın paketlenmiştir. Parçacıklar sabit konumlarında titrer ama hareket etmez veya komşularının yanından geçmez. Sıvılarda, parçacıklar birbirine çok yakın olmasına rağmen, rasgele düzenlenmiştir. Parçacıkların konumu sabit değildir, yani farklı yerleri işgal etmek için komşularının yanından geçmekte özgürdürler. Parçacıklar katı ve sıvı hallerde birbirine yakın olduklarından, bunlara yoğunlaşmış haller veya yoğunlaşmış fazlar denir. Bu durumlarda, maddeler nispeten güçlü moleküller arası kuvvetler sergiler. Gazlarda, parçacıklar arası çekim kuvvetleri zayıftır. Bir gazın parçacıkları komşuları tarafından kısıtlanmaz; parçacıklar hareket etmekte serbesttir ve normal koşullar altında büyük mesafelerle ayrılır.

Bir maddenin iç enerjisi —tüm moleküllerinin toplam kinetik enerjisi— yoğun fazlardaki moleküller arası kuvvetlerin gücüne ve madde üzerine uygulanan basınca bağlıdır. Bir maddenin iç enerjisi gaz halinde en yüksek, katı halde en düşük ve sıvı halde orta düzeydedir.

Faz geçişlerine, moleküller arası kuvvetlerin gücünü etkileyen sıcaklık ve/veya basınç gibi fiziksel koşullarda meydana gelen değişiklikler neden olur. Örneğin, bir maddeye ısı verilmesi, parçacığın termal enerjisinin (veya hareket enerjisinin) artmasına ve aralarındaki moleküller arası çekim kuvvetlerini yenmesine neden olur. Katı, sıcaklığı parçacıkların sabit konumlarından çıkacak kadar hızlı titreştiği noktaya yükseldiğinde erir. Bu faz geçişine erime denir ve oluştuğu nokta katının erime noktasıdır. Sıcaklık daha da yükseldikçe, parçacıklar nihayet gaz haline geçene kadar daha hızlı hareket ederler. Bu buharlaşmadır ve oluştuğu nokta sıvının kaynama noktasıdır.

Faz geçiş noktası ve geçişle ilişkili enerji değişimi, maddede var olan moleküller arası kuvvetlere bağlıdır. Belirli bir basınçta, daha güçlü moleküller arası kuvvetlere sahip maddeler, bunların üstesinden gelmek için daha fazla enerjiye ihtiyaç duyar ve bu nedenle, daha yüksek sıcaklıklarda faz değişimlerine uğrar. Bir mol maddenin bir molünün sıcaklıkta bir değişiklik olmadan tam faz geçişine neden olması için gereken enerjiye, bu geçişin molar ısısı veya molar entalpisi denir. Örneğin, bir mol sıvının buharlaşması için gereken enerjiye buharlaşmanın molar entalpisi denir.

Enerjiyi absorbe ederek gerçekleşen geçişler ekzotermiktir ve entalpi değerleri negatiftir. Öte yandan enerji açığa çıkarak meydana gelen geçişler endotermiktir ve entalpi değerleri pozitiftir. Örneğin, buharlaşmanın molar entalpisi pozitif iken, yoğunlaşmanın molar entalpisi negatiftir.

Bir madde, bir faz geçişi sırasında molekül tarafından bir fazdan başka bir moleküle dönüştüğü için, iki faz bir arada bulunur; ve sürekli ısı beslemesine rağmen maddenin sıcaklığı sabit kalır. Yığının geçişi tamamlandıktan sonra maddenin sıcaklığı yükselir.

Kapalı bir sistemde faz geçişleri meydana geldiğinde, karşıt geçişler eşit oranlarda meydana gelir ve bu da dinamik bir denge durumuna yol açar.