BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR

Transkript

1 Sistem ve Hal Değişkenleri Üzerinde araştırma yapmak üzere sınırladığımız bir evren parçasına sistem, bu sistemi çevreleyen yere is ortam adı verilir. İzole sistem; Madde ve her türden enerji akışına karşı yalıtılmış Kapalı sistem; Madde akışına yalıtılmış, her tür enerji akışına açık Açık sistem; Madde ve her türden enerji akışına karşı yalıtılmamış Bir sistemi tanımlayabilmek için gerekli olan kütle (m), molar miktar (n), hacim (v), basınç (p), sıcaklık (T) ve derişim (x) gibi mutlak değeri ölçülebilen niceliklere hal değişkeni adı verilir. Madde miktarına bağlı olan n ve v gibi nicelikler kapasite özelliği taşıyan, p, T ve x gibi nicelikler şiddet özelliği taşıyan hal değişkenleridir. Kapasite özelliği taşıyan iki niceliğin birbirine oranı daima şiddet özelliği taşıyan bir nicelik vermektedir. v/n=v ve m/v= 1

2 Sistem ve Hal Değişkenleri Aralarında bir eşitlik yazılabilen niceliklere bağımlı değişkenler, yazılamayanlara ise bağımsız değişkenler denir. Bir sistemi tanımlayabilmek için yeterli olan ve şiddet özelliği taşıyan bağımsız değişkenlerin sayısına o sistemin serbestlik derecesi denir. Faz; bir sistem içinde tüm şiddet özelliklerinin aynı olduğu bölge. Homojen sistem bir fazlı, heterojen sistem çok fazlı olandır. Bir sistem içinde bulunan maddelerden saf olarak elde edilebilen ve bir kimyasal formül ile simgelenebilenlere bileşen adı verilir. Derişim; bir bileşenin bir faz içindeki miktarını tüm bileşenlerin miktarına bağımlı, fakat fazın toplam madde miktarından bağımsız olarak verecek şekilde tanımlanan sistem değişkenleri. Kütle kesri, mol kesri, molalite, molarite ve normalite birer derişim değişkenidir. 2

3 Sistem ve Hal Değişkenleri Faz analizi; bir sistemdeki fazların mutlak ya da bağıl miktarlarını bulmak için yapılan işlemdir. Bileşen analizi, tüm sistem veya bir faz içindeki bileşenlerin mutlak ya da bağıl miktarlarını bulmak için yapılan işlemdir. Fiziksel veya kimyasal olayların yürüdüğü gerek kapalı ve gerekse açık sistemlerde hal değişkenlerinden bazıları sabit tutulur. Sıcaklık sabit tutulduğunda izotermik sistem, basınç sabit tutulduğunda izobarik sistem, ısı akışı önlendiğinde adyabatik sistem ve hiçbir kısıtlama yapılmadığında politropik sistem ortaya çıkar. Olayların her an geriye dönülebilecek şekilde yürümesi için tasarlanan tersinir sistem, tersine ise tersinmez sistem denir. 3

4 Madde miktarı Kütle ya da mol alınabilir. Kütle birimi kg, sistemdeki bileşenlerden her birinin kütlesi molar kütlesine bölünüp mol olarak madde miktarı bulunur. Karbon-12 izotopunun 0,012 kg ı içinde bulunan atom sayısına eşit tanecik içeren madde miktarı bir mol olarak tanımlanmıştır. Bu tanecikler elektron, iyon, atom, molekül ya da belirli özdeş tanecikler olabilir. İlk kez Loschimidt ( ) tarafından L=6,02X10 23 mol -1 olarak ölçülmüştür. Taneciklerin özellikleri mikroskopik, bir molün özellikleri makroskopiktir. Hacim Bir madenin boşlukta kapladığı yerdir (m 3 ve az katları). Katı, sıvı ve gazların hacimleri farklı yöntemlerle kolayca ölçülür. Katı ve sıvıların hacimleri T ve P ile ihmal edilecek derecede değişirken gazlarınki büyük ölçüde değişir. Birim kütlenin hacmi özgül hacim, bir mol maddeninki molar hacimdir ve şiddet özelliğindeki değişkenlerdir. Bir bileşenin bir karışım içindeki hacmine kısmi hacim, molar hacmine ise kısmi molar hacim denir. 4

5 Basınç Birim yüzeye etkiyen kuvvet olup, sistem ile ortam arasındaki iş akışının yönünü belirleyen şiddet özelliğindeki bir hal değişkenidir. SI basınç birimi (Pa=N m -2 ) olarak adlandırılmıştır. 1 atm; yüksekliği atmosfer kalınlığına eşit olan bir hava sütununun deniz düzeyindeki 1 cm 2 lik yüzeye uyguladığı kuvvettir. Torricelli (1643), deniz yüzeyindeki atmosfer basıncının 760 mm yüksekliğindeki Hg sütununun hidrostatik basıncına eşit olduğunu göstermiştir ve 1 mm Hg basıncına torr adı verilmiştir. 1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = Pa = 1,01325 bar 1 bar = 750 mm Hg dır, basıncın 1 atm lik veya 1 bar lık değeri standart basınç olup p 0 şeklinde simgelenir. Bir sistemdeki gazın basıncı manometre ile ölçülür. U şeklindeki basit manometreler yanında düşük ve yüksek basınçları ölçmek için daha duyarlı manometreler geliştirilmiştir. 5

6 Sıcaklık Sistem ile ortam arasındaki ısı akışının yönünü belirleyen şiddet özelliğindeki bir hal değişkenidir. Sıcaklık ısı değildir ama sistemdeki moleküllerin her türden kinetik enerjileri toplamının bir fonksiyonudur. Termodinamiğin sıfırıncı yasası termal denge kavramını getirmektedir ve sistem ve ortam sıcaklıklarının eşit olması ve net ısı akışının ortadan kalkması ile kurulur. T A = T B ve T A = T C ise T B = T C Sıfırıncı yasanın matematiksel tanımı A sistemi termometre, B sistemi sıcaklığı referans olarak alınacak bir ısı deposu, C sistemi ise sıcaklığı ölçülecek bir ısı deposu ise, A, sırasıyla B ve C ile termal dengeye geldiğinde özellikleri değişmediğinde C nin sıcaklığı B ninkine eşit olur. 6

7 Sıcaklık v, p ve R gibi bazı özellikleri t ile doğrusal olarak değişebilen maddelere termometrik madde denir. Herhangi bir termometrik maddenin bir y özelliği t ye doğrusal olarak bağlıysa (y=f(t)), t=f(y) ters fonksiyonunun grafiği de doğrusaldır. Termometrik maddenin y özelliğindeki değişmelere karşılık gelen sıcaklıkların işaretlenmesiyle termometre yapılır. Örneğin cıvalı termometrede gözlenen sütun yüksekliği okunan ise sıcaklıktır. İlk termometreyi R mer ( ) yapmıştır. Suyun normal donma ve kaynama sıcaklıklarını referans almıştır. Celsius ( ) 1 atm de suyun dn ve kn için 0ºC ve 100ºC referans alarak bir termometre yapmıştır. 1ºC = (y 100 -y 0 )/100 t/ºc = y y 0 y 100 y

8 Sıcaklık Fahrenheit ( ) 1 atm de suyun dn ve kn için 32ºF ve 212ºF kabul edip izlenen özelliği 180 eşit parçaya bölerek 1ºF sıcaklık birimini tanımladı. Bu 3 termometre keyfidir ve aynı ısı deposunun sıcaklığını farklı gösterir. Doğanın koyduğu bir de mutlak sıcaklık vardır. Termodinamiğin ikinci yasasından ortaya çıktığı için buna termodinamik sıcaklık da denir. William Thomson (Lord Kelvin ) tarafından 1848 de tanımlanmış ve kelvin sıcaklığı adı verilmiştir. Birim olarak ºC ye eşit olan K suyun üçlü noktasındaki mutlak sıcaklığın 1/273,16 sına eşit kabul edilmiştir. Suyun 1 atm deki dn üçlü noktasından 0,01 K daha düşük olduğundan 0ºC keyfi sıcaklığa karşılık gelen kelvin sıcaklığı 273,15 K, 100ºC a karşılık gelen is 373,15 K olur T/K = t/ºc + 273,15 Termodinamik hesaplamalarda K kullanılması zorunludur. 8

9 Örnek: Basınç denkliği Hacimleri 50 dm 3 ve 10 dm 3 olan iki gaz tüpü içinde aynı sıcaklıklardaki basınçları 150 atm ve 1,2 atm olan O 2 gazı bulunmaktadır. İki tüp bir boru ile birleştirildiğinde son basınç ne olur? Basınç denkliği kurulana kadar yüksek basınçlı tüpten diğerine gaz akar. p(v 1 +v 2 ) = (n 1 +n 2 )RT =p 1 v 1 +p 2 v 2 p(50+10)= 150 x ,2 x 10 ; p=125,2 atm Örnek: Sıcaklık denkliği Sıcaklıkları 99ºC ve 25ºC olan birer kg kütleli iki demir blok birbirine değdiriliyor. Demirin ısınma ısısı 444 J kg -1 K -1 olduğuna göre son sıcaklığı ve akan ısıyı hesaplayınız. Termodinamiğin sıfırıncı yasasına göre termal denge kuruluncaya dek ısı akar, son sıcaklık ve akan ısı aşağıdaki gibi hesaplanır. mc p (t 2 +t) = mc p (t-t 1 ); t=(t 1 +t 2 )/2 = (25+99)/2= 62ºC q 2 = - q 1 = 1 x 444 x (62-99) = - 16,4 kj 9

10 Örnek: Termodinamik hesaplamalar Etanol için genleşme katsayısının santigrat sıcaklığa bağlılığı = 1,0414 x ,5672 x 10-6 t + 5,148 x 10-8 t 2 şeklinde verilmektedir. Üzerinde kılcal boru bulunan bir balona etanol doldurulduktan sonra 0ºC ve 50ºC sıcaklıklardaki etanol düzeyleri kılcal boru üzerinde işaretlenmiştir. İki işaret arası 50 eşit parçaya bölünerek hazırlanan termometreden 30ºC olan sıcaklık kaç derece olarak okunur? Katı, sıvı ve gazlar için hacim sıcaklıkla v = v 0 +v 0 t şeklinde değişmektedir. Buradaki v ve v 0 sırayla t ve 0ºC sıcaklıklarındaki hacimleri göstermektedir. Termometre için türetilen bağıntı göz önüne alınarak hesaplama yapıldığında; 30 t = v 30 v 0 x 50 = v 0 0 dt 50 v 50 v 0 v 0 0 dt x 50 t = 1,0414 x 10 3 x 30+ 1,5672 x 10 6 /2 x (30) 2 + 5,148 x10 8 /3 x (30) 3 1,0414 x 10 3 x 50+ 1,5672 x 10 6 /2 x (50) 2 + 5,148 x 10 8 /3 x (50) 3 x 50 t = 28,86 ºC bulunur. Buna göre etanol iyi bir termometrik madde değildir. Sonuç tam 30ºC çıkmalıydı. 10