Donma, bir maddenin sıvı halden katı duruma geçişini gösteren büyüleyici bir fiziksel süreçtir. Bu dönüşüm, sıvının sıcaklığı donma noktasının altına düştüğünde gerçekleşir. Donma noktası, parçacıkların kinetik enerjisinin, onları bir araya getiren çekici kuvvetlerin üstesinden gelmek için yeterli olmadığı ve katı hal olarak bilinen daha yapılandırılmış bir düzenlemeye yol açtığı sıcaklıktır.
Moleküler düzeyde madde, sürekli hareket halinde olan atomlardan ve moleküllerden oluşur. Sıvı halde bu parçacıklar serbestçe hareket eder ancak moleküller arası kuvvetler nedeniyle birbirine yakın kalır. Sıcaklık düştükçe bu parçacıkların kinetik enerjisi de azalır. Sıvı donma noktasına ulaştığında parçacıklar artık birbirlerini geçmeye yetecek enerjiye sahip olmazlar ve bu da katı oluşturan bir kafes yapısının oluşmasına neden olur.
Farklı maddelerin farklı donma noktaları vardır. Örneğin su, standart atmosferik basınç altında 0°C'de (32°F) donar. Ancak donma noktası, basıncın değiştirilmesiyle veya sudaki tuz veya şeker gibi yabancı maddelerin varlığıyla değiştirilebilir. Safsızlıkların bir çözeltinin donma noktasını düşürmesi olgusu , donma noktası alçalması olarak bilinir.
Su bağlamında, suya tuz eklenmesi donma noktasını düşürür; bu, kış aylarında yolların buzunun çözülmesinde yaygın olarak kullanılan bir prensiptir. Tuz parçacıkları buz yapısının oluşumuna müdahale ederek suyun donabileceği sıcaklığı düşürür.
Faz diyagramı, bir maddenin çeşitli sıcaklık ve basınçlarda maddenin (katı, sıvı veya gaz) durumunu gösteren grafiksel bir gösterimdir. Faz diyagramında katı ve sıvı bölgeleri ayıran çizgiye erime/donma çizgisi denir. Bu çizginin atmosferik basınçta basınç ekseniyle kesiştiği nokta, maddenin standart donma noktasını gösterir.
Faz diyagramları basınç ile donma noktası arasındaki ilişkiyi vurgular. Çoğu madde için basıncın arttırılması donma noktasını yükseltir. Ancak su, benzersiz özelliklerinden dolayı bu kuralın istisnasıdır. Su sıkıştırıldığında sıvı hale gelme eğilimi gösterir, böylece yüksek basınçlarda donma noktası daha düşük olur. Bu anormal davranış, buzun sıvı sudan daha az yoğun olan yapısından kaynaklanmaktadır.
Dondurma işlemi sırasında, bir maddenin sıcaklığı, sıvının tamamı katıya dönüşene kadar sabit kalır. Bu sabit sıcaklık korunur çünkü moleküller katı yapıya katıldığında açığa çıkan enerji, kinetik enerji kaybını telafi eder. 1 kg'lık bir maddenin donma noktasında sıvı halden katı hale geçmesi için gereken enerji miktarına gizli füzyon ısısı denir. Su için bu değer yaklaşık olarak kilogram başına 334.000 Joule'dür ( \(334 kJ/kg\) ).
Donma, çeşitli doğal ve endüstriyel süreçlerde çok önemli bir rol oynar:
Günlük yaşamda suyun donarak buza dönüşmesi bize bu fiziksel sürecin basit ama etkili örneklerini sunar. Kış aylarında bitkilerde don veya göllerde buz oluşması gibi çevrede buz oluşumu, donmanın manzaraları ve ekosistemleri nasıl değiştirebileceğini göstermektedir. Buna ek olarak, dondurucuda buz küpleri yapma şeklindeki yaygın ev faaliyeti, sıvı suyun dondurucunun daha soğuk ortamına ısı kaybederek yavaş yavaş katı buz oluşturduğu termal enerji aktarımının bir aracı olarak dondurmayı gösterir.
Donma noktası alçalması kavramını gösteren bir deney, tuzun buzla karıştırılmasını içerir. Buza (katı suya) tuz eklendiğinde buzla temas eden suyun donma noktası düşer. Bu fenomen, buz ve tuz karışımını bir kaseye koyarak ve buzun, tuzsuz aynı koşullar altında olduğundan daha hızlı eridiğine dikkat edilerek gözlemlenebilir. Bu deney, safsızlıkların (bu durumda tuz) bir maddenin donma noktasını nasıl etkilediğini vurgulamaktadır.
Donma yalnızca bilimsel ilgiyi çeken bir olgu değil, aynı zamanda önemli çevresel etkileri olan bir süreçtir. Kutuplarda buz oluşumu, güneş ışığını uzaya geri yansıtarak Dünya'nın iklimini düzenler, böylece gezegenin sıcaklığı yaşanabilir aralıklarda tutulur. Ek olarak, daha soğuk bölgelerdeki yer buzunun mevsimsel olarak donması ve çözülmesi, toprak yapısını, su mevcudiyetini ve besin dağılımını etkilediğinden ekosistemlerin korunması açısından hayati öneme sahiptir.
Dondurma teknolojileri, gıda muhafazasından ilaca kadar çeşitli alanlarda uygulama alanı bulacak şekilde önemli ölçüde gelişmiştir. Bununla birlikte, enerji tüketimini azaltmak için dondurma işlemlerinin optimize edilmesi ve kriyoprezervasyon sırasında biyolojik dokuların zarar görmesini önleyecek yöntemlerin geliştirilmesi gibi zorluklar devam etmektedir. Malzeme bilimi ve termodinamikteki ilerlemeler, daha verimli ve etkili dondurma tekniklerine katkıda bulunmaya devam ederek, hem doğal hem de mühendislik sistemlerinde donma sürecinin anlaşılmasının süregelen önemini ve önemini vurgulamaktadır.
Donma, yaşamın ve bilimin farklı alanlarında geniş kapsamlı etkileri olan temel bir fiziksel süreçtir. Donmanın ardındaki ilkeleri (sıcaklığın, basıncın ve safsızlıkların sıvıdan katıya hal değişimi üzerindeki etkileri) anlamak, doğal olaylara, endüstriyel uygulamalara ve günlük yaşamlarımızı ve küresel çevreyi etkileyen teknolojilerin gelişimine dair değerli bilgiler sağlar.
