Maddenin Sıvı Hali

Sıvı,

maddenin üç temel halinden biri. Gaz hali ile kristal yapıdaki katı hal arasındadır.
Katılarda moleküller arası çekim (kohezyon) kuvveti güçlü olduğundan potansiyel enerji düşüktür, bu da moleküllerin düzenli desenler halinde birbirlerine bağlanmasına neden olur. Buna karşılık gazlarda kohezyon kuvveti zayıf, potansiyel enerji yüksektir, bu da moleküllerin rasgele dağılımına ve serbestçe hareket etmelerine yol açar. Potansiyel enerjileri ve kohezyon kuvvetleri gazlar ile kaklardakilerin arasında yer alan sıvılar ise, ne kristal yapılı bir katının düzenliliğini, ne de bir gazın rasgeleliğini gösterir. Sıvı molekülleri bulunduktan kabın içinde istedikleri gibi hareket edemez, ancak birkaç molekül çapındaki bir boyutta yer değiştirebilirler.

Gaz, sıvı ve katı hal arasındaki kesin ayırım yalnızca molekülleri az sayıda atomdan oluşan maddeler için geçerlidir. Moleküllerindeki atom sayısı 20’nin üzerinde olan bir sıvı çoğunlukla gerçek erime noktasının altına kadar soğutulabilir ve çoğu mekanik özellikleri bir katininki gibi olan, ama molekülleri belirli bir desen oluşturacak biçimde dizilmemiş camsı bir madde oluşturur. Moleküldeki atomların sayısı yaklaşık 100-200’ü aştığında ise, bir maddenin katı, sıvı ve gaz halinden söz etmenin yaran yoktur. Bu tür maddeler düşük sıcaklıklarda çoğunlukla camsı ya da biçimsiz (amorf) katılardır; sıcaklık arttıkça katılıktan azalan bu tür maddelerin sabit bir erime noktası yoktur. Bunlann ancak bazıları gerçek sıvı oluşturabilir. Bu tür büyük moleküllü maddeler gaz haline geçemez çünkü sıvının buharlaşması için gerekli olan sıcaklığa ulaşmadan önce kimyasal olarak bozunurlar. Naylon ve kauçuk gibi çok büyük moleküllü yapay ve doğal polimerler bu davranışı gösterir. Bu nedenle normal sıvılar için geliştirilen kuramlar, basit moleküllü maddelerin davranışını açıklayan kuramlardır.

Sıvı hal, maddenin öbür halleri gibi, ancak kinetik molekül kuramının geliştirilmesiyle tam olarak anlaşılmıştır. Bu kurama göre madde sabit hızla hareket eden parçacıklardan oluşur ve bu hareket ısıl enerjiden kaynaklanır. Parçacığın ısıl enerjisi arttıkça hareket hızı da artar.
Çok genel bir tanımla parçacıklar molekül, atom, iyon ya da elektronlar olabilir. Bir gazdaki parçacıklar aralarında etkileşim olmayacak derecede birbirlerinden uzaktır ve hızlı hareket ederler. Düz bir çizgi üstünde hareket eden parçacıkların birbiriyle çarpışması sonucunda enerji yok olmaz, ama parçacıklar arasında enerji alışverişi olabilir. Bir gaz soğutulduğunda parçacıklar daha yavaş hareket eder ve birbirinden uzaklaşamayacak derecede yavaş hareket edenler, azalan kinetik enerjiyi yenen bir çekim kuvveti nedeniyle birbirine yapışırlar. Her parçacık sıvı hale geçerken sıvılaşına gizli ısısı olarak bilinen bir ısı açığa çıkarır, ama sıcaklık yoğunlaşma noktasında kaldığı sürece sıvı içindeki bütün parçacıklar aynı hızla hareket ederler. Bir sıvı içinde parçacıkların birbirine çarpmadan hareket edebileceği yol molekül çaplan kadardır. Sıvı soğutulduğunda parçacıklar daha da yavaş hareket etmeye başlar ve donma noktasına gelindiğinde moleküller arası çekim enerjisi sıvının donarak katı hale geçebileceği kadar yüksek bir yoğunluk oluşturur. Sıcaklık donma noktasında kaldığı sürece parçacıklar aynı hızla titreşirler ve donma süresince erime gizli ısıları açığa çıkarırlar.

Katı ısıtıldığında, parçacıklar, sıvı halde birbirlerinden etkilenmeyecek ölçüde uzaklaşacakları yeterli erime ısısına ulaşırlar. Isıtma sürdürüldüğünde buharlaşma ısısına ulaşan sıvı haldeki parçacıklar gaz haline geçerler. Maddenin bir halden öbürüne geçişini açıklayan bu çok basitleştirilmiş görüş birçok karmaşık etkeni göz önüne almaz. Örneğin bir katı, sıvı ya da gazdaki hiçbir parçacık aynı hızda olamayacağı gibi, bir katıdaki bazı parçacıklar gaz haline geçebilecek bütün enerjiye sahip olabilirler ya da bir gazdaki bazı parçacıklar kısa bir süre için hareketsiz kalabilirler. Hareketin rasgele olduğu gerçeğiyle birlikte parçacıkların ortalama bir kinetik enerjisi olduğu düşünülmelidir. Bir sıvı ile gazın ya da bir sıvı ile katının arayüzeyinde her zaman parçacık değişimi olur. Yavaş hareket eden gaz molekülleri sıvı yüzeyinde yoğunlaşırken, hızlı hareket eden sıvı molekülleri gaz haline geçebilirler. Kapalı bir sistemde her iki yöndeki değişim sayısının aynı olduğu bir denge durumuna ulaşılır. Sıvı haldeki katı parçacıkların kinetik enerjisi yalnızca istatistiksel terimlerle tanımlanabildiğinden, sıvı halin tartışılması gaz haldeki gibi olasılık fonksiyonlarıyla yapılır.

Sıvıları katılardan ve gazlardan ayıran bir başka özellik de, sıvıların çok küçük bir kayma geriliminin etkisi altında akabilmesidir. Ayrıca, kendi buharlarıyla ya da havayla temas eden sıvılar (karşı koyan dış bir kuvvet bulunmadığında) ara yüzey alanının en küçük olacağı belirli bir yüzey gerilimine sahip olurlar. Yerçekimi ve başka kuvvetlerin etkisi altında olmayan bir sıvı kütlesinin en kararlı biçimi küreseldir. Bir sıvı ile bir katının ya da kendisiyle karışmayan bir başka sıvının arasındaki yüzeylerin de, sıvının öbür madde üzerinde dağılıp dağılmayacağını belirleyen özgün arayüzey gerilimleri vardır. Sıvıların elektrik özelliklerini yüklü parçacıkların yoğunluğu belirler. Sıvı metallerin, erimiş tuzların ve iyonlaştırıcı çözücülerdeki tuz çözeltilerinin dışındaki sıvıların elektriksel iletkenliği düşüktür. Erimiş tuzlarda ve tuz çözeltilerinde akımın tuz iyonları tarafından taşınmasına karşılık, sıvı metallerde akım elektronlar tarafından taşınır.