Buz Parçaları Suyun Üzerinde Neden Yüzer?
Sıcak bir günde mutfağa gittiğini düşün. Bir bardak su dolduruyorsun. Bir yetişkin de bardağın içine birkaç küçük buz parçası koyuyor.
Buzlar suya düşüyor, biraz hareket ediyor ve ardından yüzeyde durmaya başlıyor.
Çok ilginç!
Buz da sudan yapılmıştır. Bardaktaki su da aynı maddedir.
Öyleyse biri neden aşağıda kalırken diğeri yukarıda yüzüyor?
Buz, sıvı sudan daha düşük yoğunluğa sahip olduğu için suyun üzerinde yüzer.
Bu özelliğin nedeni, su moleküllerinin donma sırasında farklı bir düzende yerleşmesidir.
Şimdi bu ilginç olayın nasıl gerçekleştiğine bakalım.
Buz Nedir?
Buz, suyun katı hâlidir.
Su yeterince soğutulduğunda donabilir ve buza dönüşebilir.
Normal atmosfer basıncında saf suyun donma noktası yaklaşık 0 °C'dir.
Ancak sıcaklık yalnızca suyun katı veya sıvı olmasını belirlemez. Moleküllerin nasıl hareket ettiğini ve nasıl düzenlendiğini de etkiler.
Sıvı suda moleküller sürekli hareket eder ve birbirlerine göre yer değiştirebilir.
Su donduğunda ise moleküller daha düzenli bir kristal yapı oluşturur.
Bu yapı, buzun sıvı sudan farklı özelliklere sahip olmasına neden olur.
Yoğunluk Nedir?
Yoğunluk, bir maddenin belirli bir hacimde ne kadar kütle bulunduğunu anlatır.
Örneğin aynı büyüklükte iki kap düşünelim.
Birinde su, diğerinde aynı hacmi kaplayan buz olduğunu hayal edelim.
Normal koşullarda bu hacimdeki buzun kütlesi, sıvı suyun kütlesinden daha az olur.
Bu nedenle buzun yoğunluğu daha düşüktür.
Günlük konuşmada bazen “Buz sudan hafiftir.” diyebiliriz.
Ancak bu ifade her zaman yeterince açık değildir.
Çünkü çok büyük bir buz kütlesi, bir bardak sudan çok daha ağır olabilir.
Önemli olan toplam kütle değil, aynı hacimdeki kütle miktarıdır.
Su Donunca Neden Genleşir?
Çoğu madde soğutulduğunda küçülme eğilimi gösterir.
Ancak su, donma sırasında alışılmadık bir davranış sergiler.
Su molekülleri arasında hidrojen bağı adı verilen özel etkileşimler bulunur.
Sıvı suda bu bağlar sürekli oluşup değişebilir.
Donma sırasında ise moleküller, hidrojen bağlarının etkisiyle düzenli bir kristal yapı oluşturur.
Bu yapıda moleküller arasında sıvı sudakine göre daha fazla boşluk bulunur.
Böylece aynı miktardaki su, buz hâline geldiğinde daha fazla hacim kaplar.
Bu olaya genleşme denir.
Su normal koşullarda donduğunda hacmi yaklaşık yüzde 9 artar.
İşte bu genişleme, buzun yoğunluğunu azaltır.
Donan Su Neden Daha Az Yoğun Olur?
Bir miktar suyu ele alalım.
Bu su donduğunda içindeki su moleküllerinin toplam miktarı değişmez.
Yani suya kendiliğinden yeni madde eklenmez.
Ancak moleküller farklı biçimde düzenlendiği için kapladıkları toplam hacim artar.
Aynı kütle daha büyük bir hacme yayıldığında yoğunluk azalır.
Bu nedenle buz, sıvı sudan daha düşük yoğunluğa sahip olur.
Burada önemli bir ayrıntı var:
Buzun yüzmesi, donarken kütlesini kaybetmesinden değil, aynı kütlenin daha büyük hacim kaplamasından kaynaklanır.
Kaldırma Kuvveti Nedir?
Suya bırakılan cisimlere yalnızca yer çekimi etki etmez.
Su da cisimlere yukarı yönlü bir kuvvet uygular.
Bu kuvvete kaldırma kuvveti denir.
Kaldırma kuvveti, cismin yer değiştirdiği sıvının ağırlığıyla ilişkilidir.
Bir buz parçasını suya bıraktığımızda yer çekimi buzu aşağı doğru çeker.
Su ise buza yukarı yönlü kaldırma kuvveti uygular.
Buz yeterince suyun içine girdiğinde kaldırma kuvveti buzun ağırlığını dengeleyebilir.
Böylece buz, suyun yüzeyinde yüzerek dengede kalır.
Buzun Tamamı Neden Suyun Üzerinde Durmaz?
Bir bardaktaki buz küpüne dikkatlice bakarsan önemli bir ayrıntı fark edebilirsin.
Buzun küçük bir bölümü suyun üzerinde görünür.
Daha büyük bölümü ise suyun altındadır.
Bunun nedeni, buzun ağırlığını dengeleyecek kadar suyun yer değiştirmesi gerekmesidir.
Normal tatlı suda yüzen sıradan buzun hacminin yaklaşık yüzde 90'ı suyun altında kalır.
Yaklaşık yüzde 10'u ise yüzeyin üzerinde bulunur.
Bu oran buzun özelliklerine ve suyun yoğunluğuna göre biraz değişebilir.
Yani buz yüzse bile tamamıyla suyun dışında durmaz.
Buz Parçası Büyük Olursa Batar mı?
Hayır. Buzun büyük olması tek başına batacağı anlamına gelmez.
Küçük bir buz küpü de büyük bir buz kütlesi de uygun koşullarda suyun üzerinde yüzebilir.
Çünkü önemli olan buzun büyüklüğü değil, yoğunluğudur.
Buzun hacmi büyüdükçe kütlesi de artar.
Ancak suyun içinde kalan bölümü daha fazla suyun yer değiştirmesine neden olur.
Böylece daha büyük bir kaldırma kuvveti oluşabilir.
Sonuçta dev bir buzdağı bile yüzebilir.
Buzdağlarının Büyük Bölümü Neden Görünmez?
Denizlerde bulunan buzdağları, suyun üzerinde dev beyaz kayalara benzeyebilir.
Ancak gördüğümüz bölüm buzdağının tamamı değildir.
Buzdağının büyük bölümü deniz suyunun altında bulunur.
Çünkü buzun ağırlığını dengeleyecek kaldırma kuvvetinin oluşabilmesi için büyük bir hacmin suyun içinde olması gerekir.
Buzdağlarının suyun altındaki bölümü, yüzeyde görünen bölümünden çok daha büyük olabilir.
Bu nedenle denizcilikte buzdağları tehlikeli olabilir.
Görünür kısmına bakarak suyun altındaki gerçek büyüklüğünü anlamak kolay değildir.
Buz Tuzlu Suda da Yüzer mi?
Evet. Sıradan buz, tuzlu deniz suyunda da yüzebilir.
Üstelik deniz suyu, içerdiği çözünmüş tuzlar nedeniyle tatlı sudan daha yoğun olabilir.
Bu nedenle aynı buz parçası, tuzlu suda biraz daha yukarıda yüzebilir.
Çünkü daha yoğun sıvı, aynı hacimde daha büyük kaldırma kuvveti oluşturabilir.
Ancak buzun ne kadarının su üstünde kalacağı, hem buzun hem de sıvının yoğunluğuna bağlıdır.
Bu durum, tuzlu su ile tatlı suyun fiziksel özelliklerini karşılaştırmamıza yardımcı olur.
Suyun En Yoğun Olduğu Sıcaklık Kaç Derecedir?
Suyun başka ilginç bir özelliği daha vardır.
Normal atmosfer basıncındaki saf sıvı su, yaklaşık 4 °C'de en yüksek yoğunluğa ulaşır.
Su daha sıcak olduğunda genellikle genleşir ve yoğunluğu azalır.
Ancak 4 °C'nin altına doğru soğutulduğunda da yoğunluğu azalmaya başlar.
Bu durum birçok sıvının davranışından farklıdır.
Suyun bu özel özelliği, göllerin kışın nasıl soğuduğunu ve donduğunu anlamamız açısından önemlidir.
Göller Neden Önce Yüzeyden Donar?
Kışın hava soğuduğunda göllerin yüzeyindeki su da soğumaya başlar.
Su yaklaşık 4 °C'ye kadar soğurken yoğunluğu artar ve daha derinlere inebilir.
Ancak 4 °C'nin altındaki su daha düşük yoğunluklu hâle gelir.
Bu nedenle çok soğuk su, uygun koşullarda yüzeye yakın kalır.
Yüzeydeki su donduğunda buz oluşur.
Buzun yoğunluğu sıvı sudan daha düşük olduğu için yüzeyde kalır.
Böylece gölün üstünde buz tabakası oluşabilir.
Ancak bütün göllerin aynı biçimde veya tamamen donacağını söyleyemeyiz. Gölün derinliği, hava koşulları ve suyun hareketi de önemlidir.
Buz Tabakası Balıklar İçin Neden Önemlidir?
Bir gölün yüzeyinde buz oluştuğunu düşün.
Buz tabakası, altındaki suyla soğuk hava arasındaki ısı alışverişini azaltabilir.
Böylece gölün tamamının hızla donması zorlaşır.
Yeterince derin bazı göllerde, yüzey buzla kaplıyken alt bölümlerde sıvı su kalabilir.
Bu da balıkların ve başka su canlılarının yaşamlarını sürdürmelerine yardımcı olabilir.
Elbette suyun altında yaşam için çözünmüş oksijen ve başka uygun koşullar da gerekir.
Bu nedenle buzun yüzmesi, su canlılarının yaşamını destekleyen önemli doğa özelliklerinden biridir.
Buz Eridiğinde Ne Olur?
Bir bardakta yüzen buz küpünü izlediğimizi düşünelim.
Zaman geçtikçe buz çevresinden ısı alır.
Buzun düzenli kristal yapısı çözülür ve su molekülleri yeniden sıvı hâlde hareket etmeye başlar.
Böylece buz erir.
Buz eridiğinde kütlesi kendiliğinden yok olmaz.
Yalnızca katı hâlden sıvı hâle geçer.
Saf sudan oluşan bir buz parçası, aynı suyun içinde serbestçe yüzüyorsa eridiğinde bardaktaki su seviyesi yaklaşık olarak değişmez.
Çünkü buz, yüzerken kendi ağırlığı kadar suyun yer değiştirmesine neden olmuştur.
Bu durum kaldırma kuvvetinin ilginç sonuçlarından biridir.
Buzun İçinde Hava Olduğu İçin mi Yüzer?
Bazen buz küplerinin içinde küçük hava kabarcıkları görebiliriz.
Bu kabarcıklar buzun görünümünü ve yoğunluğunu etkileyebilir.
Ancak buzun suyun üzerinde yüzmesinin temel nedeni, içinde hava bulunması değildir.
Hava kabarcığı bulunmayan saf buz da sıvı sudan daha düşük yoğunluğa sahiptir.
Bu nedenle o da yüzebilir.
Asıl neden, donma sırasında su moleküllerinin oluşturduğu kristal yapıdır.
Bütün Katı Maddeler Kendi Sıvılarının Üzerinde Yüzer mi?
Hayır.
Birçok madde donduğunda parçacıkları birbirine daha yakın bir düzende yerleşir.
Bu nedenle katı hâllerinin yoğunluğu, sıvı hâllerinden daha yüksek olabilir.
Böyle maddelerin katı parçaları kendi sıvılarında batabilir.
Su ise günlük yaşamda karşılaştığımız önemli istisnalardan biridir.
Normal koşullarda buzun yoğunluğu sıvı sudan daha düşüktür.
Bu nedenle buz yüzer.
Ancak suyun bu özelliği doğadaki bütün maddeler için geçerli değildir.
Buzun Yüzmesini Evde Nasıl Gözlemleyebiliriz?
Bu olayı görmek için özel bir bilim laboratuvarına ihtiyacımız yoktur.
Bir yetişkin, şeffaf plastik bir kaba oda sıcaklığında su koyabilir.
Ardından içine birkaç küçük buz küpü bırakabilir.
Buzların hangi bölümlerinin suyun üzerinde, hangi bölümlerinin suyun altında kaldığı gözlemlenebilir.
Daha sonra suyun üstündeki ve altındaki bölümler bir kâğıda çizilebilir.
Bu gözlem sırasında buzun neden yüzdüğünü yoğunluk ve kaldırma kuvvetiyle açıklayabiliriz.
Ancak buz küplerinin birbirine yapışması, kaba temas etmesi veya çok küçük olması gözlemi zorlaştırabilir.
Bir dahaki sefere suyun üzerinde yüzen buz parçaları gördüğünde, bu küçük olayın ardındaki büyük bilimsel gerçeği hatırlayabilirsin. Su donarken genleşir, buzun yoğunluğu azalır ve kaldırma kuvveti sayesinde buz suyun üzerinde kalır. Bu özellik yalnızca içeceklerdeki buz küplerini değil, kışın donan gölleri, buzdağlarını ve su canlılarının yaşam koşullarını da etkiler.
Buzun Suda Yüzmesi Hakkında Ne Öğrendik?
1. Buz parçaları suyun üzerinde neden yüzer?
Buzun yoğunluğu sıvı sudan daha düşüktür. Bu nedenle suyun uyguladığı kaldırma kuvveti buzun ağırlığını dengeleyerek onun yüzmesini sağlar.
2. Su donunca neden genişler?
Su molekülleri, hidrojen bağlarının etkisiyle daha açık ve düzenli bir kristal yapı oluşturur. Bu nedenle aynı miktardaki su, buz hâlinde daha fazla hacim kaplar.
3. Buzun içinde hava bulunduğu için mi yüzer?
Hayır. Hava kabarcıkları olmasa da normal buz, sıvı sudan daha düşük yoğunluğa sahiptir ve yüzer.
4. Büyük buzdağları da yüzer mi?
Evet. Buzun büyüklüğü tek başına batmasına neden olmaz. Buzdağlarının da önemli bir bölümü suyun altında kalırken üst kısımları yüzeyde görünür.
5. Göller neden genellikle yüzeyden donmaya başlar?
Su, yaklaşık 4 °C'de en yüksek yoğunluğuna sahiptir. Daha soğuk su yüzeye yakın kalabilir ve burada oluşan buz yüzeyde birikir.
6. Buzun yüzmesi canlılar için neden önemlidir?
Yüzeydeki buz tabakası, altındaki suyun hızla soğumasını azaltabilir. Böylece bazı göllerde buzun altında sıvı su kalabilir ve su canlıları yaşamlarını sürdürebilir.
