ÖĞRENME ALANI : FİZİKSEL OLAYLAR ÜNİTE 2 : KUVVET VE HAREKET. E GAZLARIN BASINCI 1 Açık Hava (Atmosfer) Basıncı 2 Kapalı Kaplardaki Gaz Basıncı

Transkript

1 ÖĞRENME ALANI : FİZİKSEL OLAYLAR ÜNİTE 2 : KUVVET VE HAREKET E LARIN BASINCI 1 Açık Hava (Atmosfer) Basıncı 2 Kapalı Kaplardaki Gaz Basıncı 1

2 E LARIN BASINCI : 1 Açık Hava (Atmosfer) Basıncı : Dünya nın etrafını saran ve Dünya ile birlikte dönen ava tabakasına atmosfer veya ava küre denir. Atmosferi oluşturan ava tabakasında % 78 oranında N gazı, % 21 oranında O gazı ve %1 oranında da diğer gazlar (CO, CO 2, su buarı, He, Ne, Ar) bulunur. Atmosferde bulunan gaz moleküllerinin ağırlıkları ve areketleri nedeniyle em kendi içerisinde em de yeryüzünde bulunan cisimlerin birim yüzeylerine uyguladıkları dik kuvvete açık ava (atmosfer) basıncı denir. Atmosfer basıncı yeryüzüne yaklaştıkça artar, yeryüzünden uzaklaşıldıkça azalır. Açık ava basıncı ile gösterilir. Açık ava basıncını ölçmek için kullanılan araçlara barometre denir. a) Açık Hava Basıncının Ölçülmesi : Açık ava basıncını ölçmek için kullanılan araçlara barometre denir. Barometreler cıvalı ve metal barometreler olarak iki çeşittir. lı barometreler, çanaklı ve sifonlu barometre olarak iki çeşittir. lı barometreler, düşük basınçları ölçer ve daa assastır. Metal barometreler, basınç etkisiyle maddelerin esnekliğinin değişmesi prensibine göre yapılmıştır. Metal barometreler yüksek basınçları ölçmek için kullanılır ve cıvalı barometreler kadar assas ölçüm yapamaz. Açık ava basıncı ilk defa 1643 yılında İtalyan bilim adamı Toriçelli tarafından ölçülmüştür. Açık ava basıncı, bu basıncı dengeleyen başka bir basınç yardımıyla ölçülür. b) Toriçelli Deneyi : Toriçelli deneyi 0 0 C sıcaklıkta kuru, nemsiz avada ve deniz seviyesinde yapılmıştır. Toriçelli deneyinde, uzunluğu yaklaşık 1 m olan bir ucu açık cam boru cıva ile doldurulmuş, borunun ağzı kapatılarak ters çevrilip cıva çanağına daldırılmıştır. Cam borudaki cıva seviyesi bir miktar azalmış, daa sonra denge sağlandığı için azalma durmuştur. Cam boruda denge sağlandığında cıva yüksekliği 76 cm olarak ölçülmüştür. Toriçelli deneyinde cam borudaki cıvanın tamamen boşalmamasının nedeni, cıvanın ağırlığı nedeniyle bulunduğu cam borunun tabanına uyguladığı basıncın açık ava basıncı ile dengelenmesidir. Açık ava, cıva çanağındaki cıvaya basınç uygular ve bu basınç Pascal prensibine göre cam borunun alt ucundaki cıvaya iletilir. Açık ava basıncı, 76 cm yüksekliğindeki cıvanın uyguladığı basınca eşit olarak kabul edilir. Açık Hava Basıncı P C Cam Borudaki Basıncı cıva Cam Borudaki Yüksekliği d cıva nın Öz Kütlesi g Yer Çekim İvmesi cıva = 76 cm = 0,76 m d cıva = 13,6 gr/cm 3 = kg/m 3 g = 980 dyn/gr = 9,8 N/kg 2

3 Boşluk Boşluk Boşluk =76 cm =76 cm =76 cm P P 0 P C 0 P cıva = cıva. d cıva. g P cıva = 0, ,8 = P cıva ise; P cıva = Pa ( Pa) = 76 cm Hg = 760 mm Hg = Pa = Pa = 1 atm c) Toriçelli Deneyinde Cam Borudaki (Sıvı) Yüksekliğini Etkilemeyen Faktörler : 1 Borunun uzunluğuna bağlı değildir. 2 Borunun kalınlığına bağlı değildir. 3 Borunun şekline bağlı değildir. 4 Borunun konumuna (duruşuna) bağlı değildir. 5 Boruya ilk konan cıva (sıvı) miktarına bağlı değildir. 6 çanağına konan cıva miktarına bağlı değildir. 7 çanağına konan sıvının cinsine bağlı değildir. c) Toriçelli Deneyinde Cam Borudaki (Sıvı) Yüksekliğini Etkileyen Faktörler : 1 Deneyin yapıldığı ortamın (yerin) sıcaklığına bağlıdır. Sıcaklık arttıkça maddelerin acmi artar ve öz kütlesi azalır. Öz kütle azaldığı için cıva yüksekliği artar. 2 Deneyin yapıldığı yerin deniz kenarından yüksekliğine bağlıdır. Deniz kenarından yüksekte yapılırsa açık ava basıncı azalacağı için cıva yüksekliği azalır. 3 Borunun üst kısmında ava olup olmamasına bağlıdır. Borunun üst kısmında ava varsa borudaki cıvaya basınç uygular ve cıva yüksekliği azalır. 4 Kullanılan sıvının cinsine bağlıdır. Öz kütlesi cıvadan daa küçük olan sıvı kullanılırsa borudaki sıvı yüksekliği artar. 5 Deneyin yapıldığı yerin nem miktarına bağlıdır. Deney nemli ortam yapılırsa ava moleküllerinin ağırlığı artacağı için açık ava basıncı artacağından cıva yüksekliği artar. 3

4 d) Açık Hava Basıncına Örnekler (Uygulamalar) : 1 İçi boş kutunun içindeki ava boşaltılırsa, kutu açık ava basıncı etkisiyle içe doğru çöker. 2 İki ucu açık cam boru suya daldırılıp bir ucu kapatılarak sudan çıkartılırsa, cam boruda kalan su dökülmez. Bunun nedeni, cam borudaki suyun ağırlığının, borunun alt kısmından uygulanan açık ava basıncı ile dengelenmesidir. 3 İçi su dolu bardağın ağzına kağıt kapatılarak ters çevrilirse bardaktaki su dökülmez. Bunun nedeni, bardaktaki suyun ağırlığı nedeniyle kağıda uyguladığı basıncın, açık ava basıncı tarafından dengelenmesidir. 4 Lavabo pompası düz bir zemin üzerine konup üzerine kuvvet uygulanarak içindeki ava boşaltılırsa, uygulanan açık ava basıncını dengeleyen ava dışarı çıkartıldığı için açık ava basıncı daa az dengelenir ve pompa olduğu yere yapışır. 5 Çay bardağı çay tabağına konduğunda aradaki ava boşaltılır ve tabağın alt kısmından etki eden açık ava basıncı nedeniyle tabak, bardakla birlikte kalkar. 6 Tek taraftan küçük bir delik açılan yağ tenekesindeki yağ dökülmez. Bunun nedeni deliğe uygulanan açık ava basıncının yağın dökülmesini engellemesidir. İki taraftan delik açılırsa, diğer delikten tenekenin içine ava girer ve yağın itilerek dışarı çıkmasını sağlar. 7 İçi boş iki yarım küre birleştirilip içindeki ava boşaltılırsa birbirlerinden ayrılmazlar. 8 Tulumbalardan suyun çekilmesi, damlalık ve enjektöre sıvı çekilmesi açık ava basıncı sayesinde gerçekleşir. Bu araçların içindeki ava boşaltılır ve suya daldırılırsa açık ava basıncı etkisiyle içlerine sıvı dolar. 9 Pipetle bir şey içilirken, pipete üflendiğinde, sıvının kutusuna doldurulan avanın basıncı açık ava basıncından büyük olur ve pipetin üflenen ucu ağızdan çekilirse ava dışarı çıkarken sıvının da dışarı çıkmasını sağlar. 10 Tüm gazete kağıdı bükülerek masa üstüne konulup gazetenin altında duran cetvele vurulursa cetvel ve gazete düşer. Gazete açılarak yüzey büyültülürse altında duran cetvele vurulduğunda cetvel ve gazete düşmez. Bunun nedeni yüzey büyüdüğünde birim yüzeye etki eden açık ava basıncının azalmasıdır. 11 Hızla yükselen ya da alçalan asansörde, yükseklikten dolayı açık ava basıncı değiştiği için kulaklarda çınlama, tıkanma görülür. 12 Bir ucu cam boruya daldırılmış olan kılcal borunun açık ucuna ızlıca üflendiğinde, borunun ucuna gelen kısımdaki ava molekülleri uzaklaşacağından anlık olarak açık ava basıncı azalır ve cam borudaki su yükselir. 13 Boş tenekedeki avanın tamamı veya bir kısmı ısı etkisiyle dışarıya çıkartılıp tenekenin ağzı kapatılırsa teneke şekil bozukluğuna uğrar. 14 Atmosfer basıncı, Pa (N/m 2 ) dir. Bu basınç etkisiyle 1 m 2 lik yüzeye 10 5 N luk ya da yaklaşık kg lık ya da 10 tonluk kuvvet uygulanır. İnsan vücudunun yüzeyi yaklaşık 1,5 m 2 ise insan vücuduna açık ava tarafından 15 tonluk kuvvet uygulanır. Bu basınç vücudun iç basıncı (em kan basıncı, em lenf basıncı, em de vücut boşluklarındaki avanın basıncı) tarafından dengelendiği için issedilmez. Vücuttaki kan kaybı veya avanın boşalması sonucunda iç basınç ile atmosfer basıncı birbirini dengeleyemez. NOT : 1 Metal barometrelerden yararlanılarak yapılan, uçaklarda yüksekliği veya bir yerin denizden yüksekliğini yani rakımını ölçmek için kullanılan araçlara altimetre denir. Altimetre, yüksekliği deniz seviyesinden itibaren ölçer. 2 Açık ava basıncı yeryüzündeki bütün cisimlere basınç uyguladığı için bu cisimler uçamazlar. 3 Deniz seviyesinden yükseklere çıkıldıkça açık ava basıncı dolayısıyla Toriçelli deneyindeki cam borudaki cıva yüksekliği er 10,5 m de 1 mm Hg azalır. 4

5 ÖRNEKLER : 1 Toriçelli deneyinde cıva yerine öz kütlesi 1 gr/cm 3 olan su kullanılmış olsaydı su yüksekliği kaç m olurdu? (En az kaç m yüksekliğinde cam boru kullanılmalıydı?) m yüksekliğindeki Erciyes Dağı nın tepesinde açık ava basıncı kaç mm Hg olur? 3 Toriçelli deneyi 5166 m yüksekliğindeki Ağrı Dağı nın tepesinde yapılsaydı cam borudaki cıva yüksekliği kaç mm olurdu? 4 Deniz seviyesinden 2100 m yükseklikte açık ava basıncı kaç mm Hg olur? 5 Açık ava basıncının 60 cm Hg olduğu bir yerde Toriçelli deneyinde cıva yerine öz kütlesi 1,5 gr/cm 3 olan başka bir sıvı kullanılsaydı, cam borudaki sıvı yüksekliği kaç cm olurdu? 6 Açık ava basıncının 76 cm Hg olduğu bir yerde öz kütlesi 1 gr/cm 3 olan su yüzeyinden 10 cm aşağıda duran (bulunan) cisme (ava kabarcığına) etki eden toplam basınç; P su =10 cm 7 Şekil 1 de ki cam boruda 20 cm yüksekliğinde ava ve 10 cm yüksekliğinde cıva bulunmaktadır. Kap ters çevrilerek Şekil 2 de ki konuma getirilince avanın yüksekliği kaç cm olur? = 76 cm Hg P 2 2 = 10 cm P 1 1 =? cm P 1 1 = 20 cm P 2 2 = 20 cm = 76 cm Hg Şekil 1 Şekil 2 2 Kapalı Kaplardaki Gaz Basıncı : Kapalı kaplarda bulunan gazlar, sıvılar gibi bulundukları kabın duvarlarına basınç uygularlar. Kapalı kaplarda bulunan gazların, bulunduğu kabın duvarlarına basınç uygulamasının nedeni, em gazın ağırlığı, em de gaz moleküllerinin kabın iç duvarlarına çarparak kuvvet uygulamasıdır. Gazların yoğunluğu çok küçük olduğu için ağırlığı da çok küçüktür. Kapalı kaplarda bulunan gazların ağırlığı çok küçük olduğu için gazların ağırlığından dolayı oluşturacağı basınç ta küçük olur. Dolayısıyla kapalı kaplarda bulunan gazların basınç oluşturmasının esas nedeni gaz moleküllerinin kabın iç duvarlarına çarparak kuvvet uygulamasıdır. Gazlar, konuldukları kabı tamamen doldurarak em birbirlerine em de bulundukları kabın duvarlarına çarparak sıçrarlar. Gaz moleküllerinin sayısı çok fazladır ve moleküller er yöne doğru areket ederler. Bu nedenle kapalı bir kabın birim yüzeyine sürekli gaz molekülü çarparak kuvvet uygular ve kuvvet etkisiyle birim yüzeyde basınç oluşur. Kapalı kaplarda bulunan gazlar, kabın dokundukları er noktasına eşit basınç uygular ve basınç etkisiyle kap içten dışa doğru itilir. 5

6 NOT : 1 İçine ava üflenen balonun şişmesinin nedeni, gaz moleküllerinin balonun iç duvarlarının er noktasına basınç uygulamasıdır. a) Kapalı Kaplardaki Gaz Basıncının Ölçülmesi : Kapalı kaplardaki gaz basıncının ölçmek için kullanılan araçlara manometre denir. Manometreler sıvılı ve metal manometreler olarak iki çeşittir. Metal manometreler (burdon manometresi) yüksek basınçları ölçmek için kullanılır. Metal manometrelerde içi boş bir metal kutunun içine içi boş bir metal boru bağlanır ve boru ay şeklinde kıvrılmıştır. Bu boruya bağlanan ibre, basınç arttığında ay şeklindeki metal borunun düzleşmesiyle areket eder ve basınç ölçülür. Sıvılı manometreler, kapalı ve açık uçlu manometreler olarak iki çeşittir. Sıvılı manometrelerde bir U borusu kullanılır ve U borusuna cıva ya da farklı bir sıvı konur. U borusunun bir ucuna basıncı ölçülecek gazın bulunduğu kap bağlanır, diğer ucu da açık veya kapalı olabilir. Sıvılı manometrelerde U borusunun er iki kolundaki basınçlar birbirine eşit olur. 1 ) Kapalı Uçlu Manometre : Bir U borusunun bir ucunun kapatılıp, diğer ucuna da basıncı ölçülecek gazın bulunduğu kabın bağlanmasıyla yapılan manometredir. U borusunun içinde cıva ya da farklı bir sıvı bulunabilir. U borusunun er iki kolundaki basınçlar birbirine eşittir. U borusunun kollarındaki cıva yüksekliklerinin farkı, gaz basıncının cm Hg cinsinden değerini verir. Gaz basıncı başka bir birim cinsinden ölçülecekse, kollardaki cıva (sıvı) yüksekliğinin basıncı bulunur. P G = Kapalı Kaptaki Gaz Basıncı P X = Herangi Bir Gazın Basıncı = Kollardaki Yüksekliklerinin Farkı Boş X Gazı P G = (cm Hg) P G = P X + (cm Hg) 2 ) Açık Uçlu Manometre : Bir U borusunun bir ucunun açılıp, diğer ucuna da basıncı ölçülecek gazın bulunduğu kabın bağlanmasıyla yapılan manometredir. U borusunun içinde cıva ya da farklı bir sıvı bulunabilir. U borusunun er iki kolundaki basınçlar birbirine eşittir. Kapalı kaptaki gaz basıncına, em açık ava basıncı, em de U borusunun kollarındaki cıva yüksekliklerinin farkı etki eder. P G = Kapalı Kaptaki Gaz Basıncı = Açık Hava Basıncı = Kollardaki Yüksekliklerinin Farkı 6

7 = 76 cm Hg = 76 cm Hg = 76 cm Hg Kollardaki Yükseklikleri Eşit İse; Gaz basıncı açık ava basıncına eşittir. Açık Koldaki Yükselmiş İse; Gaz basıncı açık ava basıncından büyüktür. Kapalı Koldaki Yükselmiş İse; Gaz basıncı açık ava basıncından küçüktür. P G = P G = = 76 cm Hg P G > P G = + (cm Hg) P G < P G = (cm Hg) b) Kapalı Kaplardaki Gaz Basıncının Bağlı Olduğu Faktörler : Kapalı kaplardaki gaz basıncı, birim zamanda kabın duvarlarının birim yüzeyine çarpan molekül sayısı ile doğru orantılıdır. Birim zamanda kabın duvarlarına ne kadar fazla molekül çarparsa gaz basıncı da o kadar fazla olur. Daa fazla çarpma olması için molekül sayısı ve moleküllerin ızı arttırılmalıdır. Kapalı kaplardaki gaz basıncı; gazın sıcaklığına, kabın acmine ve kaptaki molekül sayısına bağlıdır. 1 ) Molekül Sayısı Basınç İlişkisi : Sıcaklık ve acim sabit tutulursa; molekül sayısı ile basınç doğru orantılıdır. Molekül sayısı arttıkça basınç artar, molekül sayısı azaldıkça basınç azalır. 2 ) Hacim Basınç İlişkisi : Molekül sayısı ve sıcaklık sabit tutulursa; kabın acmi ile basınç ters orantılıdır. Kabın acmi arttıkça basınç azalır, kabın acmi azaldıkça basınç artar. 3 ) Sıcaklık Basınç İlişkisi : Molekül sayısı ve acim sabit tutulursa; gazın sıcaklığı ile basınç doğru orantılıdır. Gazın sıcaklığı arttıkça basınç artar, gazın sıcaklığı azaldıkça basınç azalır. c) Kapalı Kaplardaki Gaz Kanunları : Kapalı kaplardaki gaz basıncının sıcaklık, acim ve molekül sayısına nasıl bağlı olduğunu açıklayan kanunlardır. P Kapalı Kaptaki Gazın Basıncı V Kapalı Kabın Hacmi N Kapalı Kaptaki Gazın Molekül Sayısı T Kapalı Kaptaki Gazın Sıcaklığı ( 0 K) (Kelvin Derece) t Kapalı Kaptaki Gazın Sıcaklığı ( 0 C) (Santigrat Derece) T = t veya t = T 273 7

8 1 ) Hacim Basınç İlişkisi (Boyle Mariotte Kanunu) : Kapalı kaptaki gazın sıcaklığı ve molekül sayısı sabit kalmak şartıyla; Kapalı kaptaki gazın basıncı, kabın acmi ile ters orantılıdır. Kabın acmi artarsa basınç azalır, acim azalırsa basınç artar. Kapalı kaptaki gazın basıncı ile acmin çarpımı sabittir. 1.Durum 2.Durum 3.Durum Basınç (P) Hiperbol P 1 V 1 T=Sabit P 2 V 2 T=Sabit P 3 V 3 T=Sabit Hacim (V) P 1. V 1 = P 2. V 2 = P 3. V 3 =.. = Sabit Boyle Mariotte Kanunu (T = Sabit) V 1 > V 2 > V 3 ise P 1 < P 2 < P 3 Hacim Basınç İlişkisi 2 ) Basınç Sıcaklık İlişkisi (Gay Lussac Kanunu) : Kapalı kaptaki gazın molekül sayısı ve kabın acmi sabit kalmak şartıyla; Kapalı kaptaki gazın basıncı, gazın sıcaklığı ile doğru orantılıdır. Gazın sıcaklığı artarsa basınç artar, sıcaklık azalırsa basınç azalır. Kapalı kaptaki gazın basıncı ile sıcaklığının oranı sabittir. 1.Durum 2.Durum 3.Durum Basınç (P) P 1 P 2 P 3 T 1 V=Sabit T 2 V=Sabit T 3 V=Sabit Sıcaklık (T) T = t P1 P 2 P 3 = = =... = Sabit T T T Gay Lussac Kanunu (V= Sabit) T 1 > T 2 > T 3 ise P 1 > P 2 > P 3 Sıcaklık Basınç İlişkisi 3 ) Hacim Sıcaklık İlişkisi (Carles Kanunu) : Kapalı kaptaki gazın molekül sayısı ve gaz basıncı sabit kalmak şartıyla; Kapalı kabın acmi, kaptaki gazın sıcaklığı ile doğru orantılıdır. Gazın sıcaklığı artarsa acim artar, sıcaklık azalırsa acim azalır. Kapalı kabın acminin kaptaki gazın sıcaklığına oranı sabittir. 8

9 1.Durum 2.Durum 3.Durum Hacim (V) V 1 T 1 P=Sabit V 2 T 2 P=Sabit V 3 T 3 P=Sabit Sıcaklık (T) T = t V1 V 2 V 3 = = =... = Sabit T T T Carles Kanunu (P= Sabit) V 1 > V 2 > V 3 ise T 1 > T 2 > T 3 Hacim Sıcaklık İlişkisi 4 ) Hacim Sıcaklık Basınç ( Molekül Sayısı) İlişkisi (Genel Gaz Kanunu) : Kapalı bir kaptaki gazın basıncı, gazın sıcaklığı (ve molekül sayısı) ile doğru orantılı, kabın acmi ile ters orantılıdır. Boyle Mariotte Kanunu :P 1.V 1 =P 2.V 2 = Sabit (T = Sabit) P Gay Lussac Kanunu : 1 P = 2 =.. = Sabit (V = Sabit) T T V Carles Kanunu : T 1 2 V = =.. = Sabit (P = Sabit) T P 1.V1 P 2.V 2 P.V = = T T T GENEL (İDEAL) DENKLEMİ ÖRNEKLER : 1 Şekildeki manometrelerde bulunan gaz basınçlarını cm Hg cinsinden bulun. a) b) = 76 cm Hg = 76 cm Hg = 14 cm c) d) = 76 cm Hg Boş = 20 cm = 10 cm 9

10 e) X Gazı = 15 cm P x =23 cm Hg 2 Şekildeki açık uçlu manometrede kaptaki gaz basıncı kaç Pa dır? = 76 cm Hg = 20 cm 3 Şekildeki manometrede kollardaki cıva yükseklikleri farkı kaç cm dir? = 76 cm Hg 4 Şekildeki manometrede X gazının basıncı 5000 Pa ve kollardaki cıva yükseklikleri farkı 10 cm ise kapalı kaptaki gaz basıncı kaç atm dir? X Gazı = 10 cm P x =5000 Pa 5 Şekildeki sistem dengede olduğuna göre Y kabındaki gazın basıncı kaç cm Hg olur? X G AZI Y I P X P Y = 20 cm P X =80cm Hg 10

11 6 Şekilde X gazı ile dolu kap iki manometreye bağlıdır ve sistem dengededir. Buna göre açık ava basıncının değeri kaç cm Hg dır? =? cm Hg X G AZI 1 P X 2 1. Manometre 2. Manometre 7 Şekildeki barometre sisteminde 2. borudaki gaz basıncı kaç cm Hg dır? Boşluk Gaz 1 =72 cm P C P C 2 =48 cm 8 Şekildeki düzenekte gaz basıncı kaç cm Hg dır? = 76 cm Hg =12cm Gaz 9 Sıcaklık sabit kalmak şartıyla kapalı bir kabın acmi 6 lt olduğunda gaz basıncı 8 atm dir. Kabın acmi 4 lt olduğunda gaz basıncı kaç atm olur? 10 Kapalı bir kapta 27 0 C sıcaklığında 10 atm basınca saip gaz bulunmaktadır. Kabın acmi sabit kalmak şartıyla basıncın 12 atm olması için sıcaklık kaç 0 C olmalıdır? 11 Kapalı bir kapta 27 0 C sıcaklığında 0,6 atm basınca saip gaz bulunmaktadır. Kabın acmi sabit kalmak şartıyla gazın sıcaklığı C ye çıkartılırsa gaz basıncı kaç atm olur? 12 Hacmi 8 lt olan kapalı kaptaki gazın sıcaklığı K dir. Gazın basıncı sabit kalmak şartıyla gazın sıcaklığı 27 0 C ye düşürülürse kabın acmi kaç lt olur? 11

12 13 Kapalı bir kabın acmi 7 lt iken kapta 77 0 C sıcaklığında 6 atm lik basınca saip gaz bulunmaktadır. Kabın acmi 18 lt ye ve gaz sıcaklığı da C ye çıkartılırsa gaz basıncı kaç atm olur? 12