Faz dönüşümlerinin enerji kıyaslaması üzerinden tarifi

Bir malzemede faz dönüşümü gerçekleşebilmesi için, öncelikle o malzemenin belli bir sıcaklık ve basınç altında sahip olabileceği farklı faz seçeneklerinin bulunması gerekiyor. Katı haldeki saf demirin hem ferrit, hem de östenit yapılarını sergileyebilmesini bu duruma bir örnek olarak gösterebiliriz.

Sıcaklıkta meydana gelen değişimlere bağlı olarak bir fazın farklı bir faza dönüşmesinin temel nedeni, bu fazların enerjilerinin sıcaklığa bağlı olarak farklı şekilde değişim gösteriyor olması. Malzemenin sahip olduğu faz seçenekleri arasında, belli bir sıcaklık ve basınç altında en düşük enerjiye sahip olan faz hangisiyse, sistem kararlı (İngilizce: stable) olarak da tanımlanan, en düşük enerjili faz düzeninde bulunma eğilimi taşıyor. Örnek olarak aşağıdaki resimde, sadece iki ayrı faz seçeneğinin bulunduğu saf bir element için, fazların sahip olduğu enerjinin sabit basınç altında, sadece sıcaklığa bağlı olarak nasıl değiştiği gösteriliyor.

Resimde, sıcaklığın artmasıyla her iki fazın enerjisinin de azaldığını görüyoruz. Fakat bu iki fazın enerjisi aynı eğimde azalmadığı için, bu iki çizgi, resimde dönüşüm sıcaklığı olarak gösterilen bir noktada kesişmek durumunda kalıyor. Bu noktanın sol tarafında A fazı daha düşük enerjiye sahipken, yani kararlı faz durumundayken, sağ tarafında B fazı kararlı hale geliyor. Dolayısıyla, basit bir ifadeyle, sıcaklık dönüşüm sıcaklığının altında veya üzerinde olduğunda, bu element A ve B fazları fazları arasında (hangisinin daha düşük enerjiye sahip olduğuna bakarak) bir tercih yapmak durumunda kalıyor, diyebiliriz. Eğer düşük sıcaklıktan yüksek sıcaklığa doğru malzeme ısıtılıyorsa bu dönüşüm A’dan B’ye doğru gerçekleşiyor; sıcaklık yüksek değerlerden düşürüldüğünde ise B’den A’ya doğru gerçekleşiyor.

Yukarıdaki resimde dikkat etmemiz gereken bir diğer nokta da, sıcaklık hangi değerde olursa olsun, her iki fazın da bir seçenek olarak var olmaya devam ediyor olması. Diğer bir deyişle, dönüşüm sıcaklığının altında her ne kadar sadece A fazı kararlı olarak görünse de, bu durum dönüşüm sıcaklığının altında B fazını asla göremeyeceğimiz anlamına gelmiyor. Resimde gösterilen durum, termodinamikte denge koşulları (İngilizce: equilibrium conditions) adını verdiğimiz, sadece kararlı fazların var olduğu koşullarda geçerli oluyor. Doğada gerçekleşen birçok süreç ise, bu koşulların dışında gerçekleşiyor. Eğer bir faz, en düşük enerjiye sahip faz olmamasına rağmen bir yapıda kendini gösteriyorsa, bu fazı yarı kararlı (İngilizce: metastable) olarak tanımlıyoruz. Oda sıcaklığında ve atmosfer basıncı altında yarı kararlı durumda bulunan elması bu duruma bir örnek olarak gösterebiliriz.

Yarı kararlı fazları, denge koşullarının sağlanmasına izin vermeden, dönüşümün hızlı gerçekleşmesini sağlayarak elde edebiliyoruz. Dönüşüm hızlı gerçekleştiğinde yarı kararlı fazların ortaya çıkıyor olması, bu dönüşümlerin yayılım ile, yani zamana ihtiyaç duyarak gerçekleşiyor olmalarından kaynaklanıyor. Dolayısıyla, denge koşullarında gerçekleşebilmesi için belli bir zamana ihtiyaç duyan bir dönüşümün tamamlanmasını, ya da başlamasını, sıcaklığı çok hızlı değiştirerek engelleyebiliyoruz. Yüksek sıcaklıkta kararlı olan bir fazı hızlıca dönüşüm sıcaklığının altına “dönüşmeden” soğuttuğumuzda bu durumu aşırı soğuma (İngilizce: supercooling, undercooling), aksi yönde, düşük sıcaklıkta kararlı bir fazı hızlıca dönüşüm sıcaklığının üzerine “dönüşmeden” ısıttığımızda da bu durumu aşırı ısınma (superheating) olarak adlandırıyoruz.


Devamı: