Bu soruyu size çok detaylı olarak anlatmak istiyorum bu yazdımda. Çünkü konunun o kadar fazla detayı ve o kadar fazla deneysel deneyimi var ki aklımda, hepsini bir toparlamak, sizlere aktarmak istiyorum. Ve bunu samimi bir dille yapmayı, kendi adıma daha uygun buluyorum.
Öncelikle “Süperkritik” nedir? ile başlayalım..
Bildiğiniz gibi maddeler, günümüz dünyasında 3 formda bulunuyor: Katı, Sıvı ve Gaz. Biz maddelerin hallerini neden bu şekilde isimlendiriyoruz? Çünkü bu formlar, Dünya yüzeyindeki atmosfer basıncında ve deniz seviyesinde yani 1 atm ya da 1 bar dediğimiz basınçta biz bazı sabitleri belirlemişiz. Yani maddelerin formunu, kaynama ya da buharlaşma noktalarını vs. Basınç faktörünü deniz seviyesini baz alarak sabitlemişiz. Mesela Tibet’in o muazzam yükseklikteki dağlarına çıkmaya başladığımızda, atmosferdeki hava basıncının 0.5 barlara ve hatta 0.3 barlara kadar düştüğüne şahit oluyoruz. Durum böyle olunca, deniz seviyesinde 100 derecede kaynayan bir çay, Tibet’in dağlarında 70 derecelerde kaynayabiliyor. Size bir hayalimden de bahsetmek istiyorum. Bir gün Tibet’in o en yüksek dağlarında, doğanın içinde 70 derecedeki bardakta elimde fokur fokur kaynayan çayı önce görerek, sonrasında da hafif soğutup içerek, doğayı seyretmek istiyorum. Bu çocukluktan beri hayalim diyebilirim.
Aslında atmosfer basıncı dediğimiz şey, Dünya’nın kendi üzerinde bulunan tüm gazların ve su buharının basıncı.. Yani bulunduğunuz konumdan, uzaya doğru böyle dikdörtgen şeklinde bir kesit alın.. Tam olarak burada bulunan gazların omuzlarınızdaki basıncı aslında. Öyle düşünebilirsiniz. O yüzden yukarılara doğru çıktıkça “açık hava basıncı” dediğimiz şey azalıyor. Siz ağır olanlarını aşağıda bırakmış oluyorsunuz. Uzaya çıktığınızda ise böyle bir basınçta bahsedemiyoruz, yani basınç sıfırlanıyor.
Şimdi yine deniz seviyesine gelelim, aklımızı çok karıştırmadan. Deniz seviyesinde biz maddelerin moleküler dizilimlerine göre onlara katı, sıvı ya da gaz demişiz. Katılar, bildiğiniz gibi şekillendirilebilen, farklı gözenekleri olan, farklı dokuları olan formlar.. Sıvılar ise daha çok bir şeyler taşıyabilen, çözebilen formlar.. En basit örneği katı bir şekerin suda çözünmesi şeklinde düşünebilirsiniz. Sıvıların en bilindik özelliği bir şeyleri taşıyabilmeleri (gemi, selde taşınanlar vs.) ve bir şeyleri çözüp, bünyelerinde barındırabilmeleri.. Gazlar ise moleküler form olarak çok dağınık, çoğunu hiç gözle bile göremediğimiz kadar seyreltik ve en önemli özelliği ise “yayılıcı” olmaları. Yani küçücük miktarda gaz, kocaman bir odayı doldurabiliyor. Örneğin koku molekülleri.. Zaten şu çıkarımdan da hemen anlayabilirsiniz, yeryüzünde deniz kenarında kapladığınız dikdörtgen kesitten uzaya kadar olan tüm gazların sizin üzerinizdeki basıncı 1 barlık bir basınç yaratıyor.. O kadar hafifler yani.. Komik gelebilecek ve ilginç bir örnek vereceğim, örneğin el sıkışmak (kimi çok hafifçe tutuyor, kimi insan sıkıca yapıyor bu işi) ortalama 1.3 bar ile 2.7 bar arasında bir basıncın oluşmasını sağlıyormuş ellerde..
Basınç konusunun bir kısmını bu örneklerle biraz hayal edebildik diye düşünüyorum. Bir de sıcaklık konusu var. Sıcaklık, bildiğiniz gibi termometreler ile ölçülen bir değer.. Peki mesela sıcaklığı biz hangi sabite göre belirliyoruz? Yani basıncı, ortalama deniz kenarındayken, atmoferden uzaya kadar olan “havanın” üzerimizde yarattığı baskı olarak tanımladık. Peki ya sıcaklığı neye göre sabitleyeceğiz? Yani sıcaklık konusunda hem referans alabileceğimiz bir şeyler var mıdır? Hem de bu referansı da neye göre belirleriz? Zor sorular biliyorum. Ama kısaca cevap vermek istiyorum. Örneğin, eskiden kırmızı bir çizgi olarak gördüğümüz termometrelerimiz vardı. Bu termometreler örneğin, civanın ısı ile genleşmesini baz alan termometrelerdi. Termometrenin iç inceliği, cıvanın ısı değişimlerinde verdiği tepkiye göre derecelendirilmişti. Sonrasında platin-rhodium ölçerler çıktı. Bu da bir maddenin elektrik direncine göre verdiği tepkiye göre bir sıcaklık standardı belirliyordu (bunu daha çok kullanıyoruz normal hayatımızda).. Son olarak da çok daha hassas sıcaklıklar ölçen sistemler var. Bunlar helyum gazının genleşmesini baz alan helyum ısı ölçerleri gibi gibi.. Konu biraz karmaşık ama anlaşılamayacak düzeyde değil..
Maddelere ısı uygulandığında yani sıcaklıkları arttığında maddeleri oluşturan atomların titreşimlerinin sayısı artıyor, çünkü enerji alıyorlar. Enerji aldıkça da maddeler katıdan sıvıya, sıvıdan gaza geçme eğilimde oluyorlar. Örneğin buzdolabınızın -18 derecesinde bulunan bir buz kalıbını baz alalım.. Bu buz kalıbını oda sıcaklığına getirmeye çalıştığınızda, doğrudan sıvıya, sonrasında bu sıvıyı cezveye koyup ısıttığınızda kaynamaya ve sonrasında da buhar olup havaya karışmaya eğilimi göstermesine hepimiz şahit olmuşuzdur. Bu durum tüm maddeler için geçerlidir. Yani örneğin demiri de siz 1500 derecelerin üzerine çıkardığınızda demiri tamamen sıvı hale getirebilirsiniz. Peki ya demirin buharlaştığını düşünebiliyor musunuz? Normal hayatta göremediğimiz için bunu hayal etmemiz çok zor ama demir bile 3000 derecelerin üzerinde tamamen buhar haline geliyor.. Woow, demir buharı.. Nasıldır kim bilir? Ama bu mümkün.. Hatta tam değerini de söyleyeyim, demir 2862 santigrat derecede tamamen buhar haline geçiyor.
Demek ki maddelerin sıcaklık ve basınçlarını değiştirerek, formlarını da değiştirebiliyormuşuz. Demiri buhara, bulutu yağmura dönüştürebiliyoruz. Bu güzel bir başlangıç.. Burada değişim faktörü olarak “sıcaklığı” ön planda tuttuk. Şimdi bir de basıncı değiştirelim, bakalım maddelere neler oluyor.. Mesela çakmak gazı.. Bana kalırsa en iyi örnek.. Çakmakların içerisinde bizim sıvı olarak gördüğümüz ama aslında deniz seviyesinde sıvı olan gazın ismi Bütan.. Kokusu hemen aklınızda düşmüştür.. Peki biz bütan gazını çakmakların içerisinde sıvı olarak görebiliyoruz.. Bunun tam olarak nedeni de çakmaklara bütan gazını biz bir basınç altında sıkıştırarak veriyoruz. Yani gazlar, sıkıştırıldığında “sıvılaşıyorlar”.. 1 bar basınçta, oda sıcaklığında gaz olan bütan, 3,5 barlık bir basınçta hemen sıvı oluyor. Yani çakmaklarımız da 3,5 bar basınçta.. Demek ki özellikle gazlar, belli basınçlar ve sıcaklıklar altında sıvı hale gelebiliyor. Ama burada kritik konu tam olarak şu.. Sıcaklığın belli bir seviyede olması gerekiyor.
Size çok enteresan bir şey söyleyeceğim. Örneğin bütan gazını biz 130 derecenin üzerine getirdiğimizde, üzerine ne kadar basınç uygularsak uygulayalım, bütan gazını biz sıvı hale getiremiyoruz. Yani bırakın 3,5 barı, 100 bar dahi uygulasak, 130 derecenin üzerindeki bütan sıvılaşamıyor. Buna “kritik sıcaklık” diyorlar fizikte.. Her maddenin bu şekilde bir kritik sıcaklık ve kritik basıncı var. Bu kritik sıcaklık ve basınçlar aşıldığında ise, yazının en önemli yerine geliyoruz.. Kritik sıcaklık ve basınçlar aşıldığında madde katı, sıvı, gazdan çok farklı bir forma yani “süperkritik” forma geliyor. İsmin süperkritik olmasının altında yatan neden de “kritik basınç ve sıcaklığın” aşılmış olmasından ileri geliyor. Buna fizik dilinde “faz diyagramı” deniyor. Bu konuda sizlerle bir faz diyagramı paylaşmak istiyorum.
