Madde ve özellikleri

Madde, cisim ve ortak özellikler

Kütlesi, hacmi, eylemsizliği ve tanecikli yapısı olan her şeye madde denir. Maddenin şekil almış hâline ise cisim adı verilir. Örneğin demir bir maddedir; demirden yapılmış çivi veya masa ayağı ise birer cisimdir.

Bütün maddelerde istisnasız bulunan özelliklere ortak özellikler denir. Dört temel ortak özellik vardır:

KısayolKütle değişmeyen madde miktarıdır; ağırlık ise yerçekimine bağlı değişkendir. Aydaki kütle dünyadakiyle aynıdır fakat ağırlık altıda birine düşer.

Ayırt edici özellik ve özkütle

Belli şartlar altında yalnız o maddeye özgü olan ve maddeleri birbirinden ayırt etmeye yarayan özelliklere ayırt edici özellikler denir. Özkütle, erime noktası, kaynama noktası ve özısı ayırt edici özelliklere örnektir.

Bir maddenin birim hacminin kütlesine özkütle (yoğunluk) denir ve d harfiyle gösterilir. Kütle m, hacim V olmak üzere temel formül şöyledir:

Özkütle formülüd = m / V · Kütle = d · V · Hacim = m / d

Örnek. Kütlesi 160 g olan homojen bir katı cismin hacmi 40 cm³ olduğuna göre bu maddenin özkütlesi kaç g/cm³’tür? Bu değer SI birim sisteminde kaça eşittir?

• Özkütle bağıntısı: d = m / V.
• d = 160 g / 40 cm³ = 4 g/cm³ bulunur.
• SI birimi kg/m³’tür. 1 g/cm³ = 1000 kg/m³ olduğundan: 4 × 1000 = 4000 kg/m³ elde edilir.

Cevapd = 4 g/cm³ = 4000 kg/m³

Sabit sıcaklık ve basınç altında saf bir maddenin kütlesi arttıkça hacmi de aynı oranda artar; dolayısıyla özkütle sabit kalır. Kütle-hacim grafiğinin eğimi özkütleyi verir.

Karışımların özkütlesi

Birbiri içinde türdeş (homojen) karışabilen sıvıların oluşturduğu karışımın özkütlesi, toplam kütlenin toplam hacme bölünmesiyle bulunur.

Karışım özkütlesid_karışım = (m₁ + m₂ + …) / (V₁ + V₂ + …) = (d₁·V₁ + d₂·V₂ + …) / (V₁ + V₂ + …)

• Karışımın özkütlesi, karıştırılan sıvıların özkütleleri arasında bir değer alır: d₁ < d_karışım < d₂.
• Eşit hacimde karıştırılırlarsa (V₁ = V₂): d_karışım = (d₁ + d₂) / 2 (aritmetik ortalama).
• Eşit kütlede karıştırılırlarsa (m₁ = m₂): d_karışım = 2·d₁·d₂ / (d₁ + d₂) (harmonik ortalama).

Örnek. Özkütlesi 2 g/cm³ olan X sıvısından 60 cm³ ile özkütlesi 5 g/cm³ olan Y sıvısından 40 cm³ homojen karıştırılıyor. Hacim kaybı olmadığına göre karışımın özkütlesi kaç g/cm³ olur?

• X sıvısının kütlesi: m_X = d_X · V_X = 2 · 60 = 120 g.
• Y sıvısının kütlesi: m_Y = d_Y · V_Y = 5 · 40 = 200 g.
• Toplam kütle: m_toplam = 120 + 200 = 320 g.
• Toplam hacim: V_toplam = 60 + 40 = 100 cm³.
• d_karışım = 320 / 100 = 3,2 g/cm³ bulunur.

Cevapd_karışım = 3,2 g/cm³

Katıların dayanıklılığı

Katı cisimlerin üzerlerine uygulanan kuvvetlere ve kendi ağırlıklarına karşı gösterdiği dirence dayanıklılık denir. Bir cismin kendi ağırlığına karşı dayanıklılığı kesit alanının hacmine oranına bağlıdır.

Dayanıklılık kuralıDayanıklılık ∝ Kesit Alanı / Hacim. Düzgün geometrik cisimlerde (küp, silindir, prizma) Dayanıklılık ∝ 1 / h (yüksekliğin tersi).

Bir cismin tüm boyutları aynı oranda (n kat) büyütülürse kesit alanı n² katına, hacmi ve dolayısıyla ağırlığı n³ katına çıkar. Ağırlık kesit alanından daha hızlı büyüdüğü için cismin kendi ağırlığına karşı dayanıklılığı 1/n oranında azalır (Galileo kare-küp yasası).

Örnek. Kenar uzunluğu 2 cm olan homojen bir küpün dayanıklılığı D₁’dir. Aynı maddeden kenar uzunluğu 6 cm olan yeni bir küp yapıldığında dayanıklılığı D₂ olduğuna göre D₁ / D₂ oranı kaçtır?

• Düzgün katı cisimlerde dayanıklılık 1 / h veya 1 / a ile orantılıdır.
• D₁ ∝ 1 / 2.
• D₂ ∝ 1 / 6.
• D₁ / D₂ = (1/2) / (1/6) = 6 / 2 = 3 bulunur.

CevapD₁ / D₂ = 3

Karıncanın kendi ağırlığının katlarca fazlasını taşıyabilmesi, filin ise yüksekten düşüşte kemiklerinin kolay kırılması boyut küçüldükçe bağıl dayanıklılığın artmasıyla açıklanır.

Adezyon, kohezyon, yüzey gerilimi ve kılcallık

Farklı cins moleküller arasındaki çekim kuvvetine adezyon (yapışma), aynı cins moleküllerin birbirini çekmesine ise kohezyon (tutunma) denir.

Sıvı yüzeyindeki molekülleri içeriye doğru çeken net kohezyon kuvveti sıvı yüzeyini gergin bir zar gibi yapar; buna yüzey gerilimi denir. Sıcaklık arttıkça yüzey gerilimi azalır; sabun veya deterjan eklenmesi yüzey gerilimini düşürür; tuz eklenmesi genellikle artırır.

Sıvıların çok ince borularda (kılcal boru) kendiliğinden yükselmesi veya alçalması olayına kılcallık denir. Adezyon > kohezyon ise sıvı boruda yükselir ve yüzeyi çukur olur (örnek: cam boruda su). Kohezyon > adezyon ise sıvı boruda alçalır ve yüzeyi tümsek olur (örnek: cam boruda cıva).

KısayolKılcal boru ne kadar ince olursa sıvının yükselme ya da alçalma miktarı o kadar fazla olur.