GERÇEK GAZLAR 1.GERÇEK GAZLAR: Gaz moleküllerinin kendi hacimleri ( öz hacim ) toplam hacim yanında ihmal edilebilecek kadar küçük olan ve molekülleri arasında etkileşme bulunmayan gazlar ideal gaz varsayımına uyar. Düşük basınçta ve yüksek sıcaklıktaki gazlar ideal gaz yasasını büyük bir oranda doğrular. Ancak yüksek basınç ve düşük sıcaklıkta moleküller arasındaki etkileşimler artacağı için gazlar ideal gaz varsayımından sapar. Gaz yasaları, kinetik teori varsayımları ile uyumludur. Ancak gazlarla ilgili deneysel sonuçlar gerçek gazlara aittir. Bir gaz için ideal gaz denkleminden elde edilen sonuçlar yaklaşık değerlerdir. 2.İDEAL GAZ VARSAYIMINDAN SAPMALAR: İdeal gaz denklemine göre P.V/R.T değeri 1 e eşittir ( 1 mol gaz için ). Gazlar için bu sadece oldukça düşük basınçta doğrudur. Basınç arttıkça önemli sapmalar meydana gelir. Grafikte değişik sıcaklıklarda CH 4 (metan) gazının PV/nRT oranının basınçla değişimini görmektesiniz. 600 atm de 1000 K de idealliğe daha fazla yaklaşılmaktadır. Grafikte, CH 4 (metan) gazının değişik sıcaklıklarda PV/nRT oranının basınçla değişimi ve ideal gaz denkleminde hesaplanan değerden sapması verilmiştir. Grafikte verilen farklı gazların PV/nRT değerlerinden ideal gaz denkleminde hesaplanan sonuç esas alındığında en çok sapan gazın CO 2 olduğu görülür. artar. Sonuç olarak; gerçek gazların ideallikten sapma eğilimleri sıcaklık düştükçe ve basınç arttıkça Kinetik teoriye göre; gaz moleküllerinin öz hacmi, toplam hacim yanında ihmal edilebilir. Yüksek basınçta moleküller birbirine oldukça yaklaşır ve moleküller aralarındaki mesafenin yanında moleküllerin öz hacimleri, ihmal edilemez bir düzeye gelir. Bu nedenle gerçek bir gazın ölçülen hacmi ideal gaz denklemiyle hesaplanan hacminden daha büyüktür. İdeal gazlarda, moleküller arasındaki etkileşimler de ihmal edilir. Oysa bütün gazlar sıcaklıkları düşürüldüğünde sıvılaşır. Düşük sıcaklıklarda çekme kuvvetleri molekülleri birbirine yaklaştırır. Bu durumda gerçek bir gazın ölçülen basıncı; ideal gaz denkleminden hesaplanan basınçtan daha küçüktür. Molekülleri arasındaki etkileşimleri yüksek olan gazların ölçülen basıncı, ideal gaz denkleminde hesaplanan basınçtan daha düşüktür. SONUÇ: 1)Basıncın yüksekliği, sıcaklığın düşüklüğü oranında gazlar ideal davranıştan uzaklaşır. 2)Farklı apolar molekülleri arasındaki etkileşimin şiddeti de farklıdır. Apolar moleküllerde elektron sayısı arttıkça çekim kuvveti arttığından, ideallikten sapma gözlenir. 3) Molekülleri arasında etkileşimi küçük olan gazların, idealliğe daha yakın olduğunu söyleyebiliriz. Güçlü moleküller arası bağlara sahip gazlar ideallikten daha fazla saparlar. 4)Molekül ağırlığı küçük ve yoğunlaşma noktası düşük olan gazlar diğer gazlara göre daha idealdirler.
3.MOLEKÜLLER ARASI BAĞLAR VE GERÇEK GAZLARIN SIVILAŞMASI: Moleküller arasındaki etkileşimin şiddeti arttıkça gaz daha yüksek sıcaklıklarda sıvılaşabilir. Tabloda yukarıdan aşağıya doğru inildikçe moleküller arasındaki etkileşimin şiddeti azalırken kaynama sıcaklığının da azaldığı görülür. Bu durumda gaz molekülleri arasındaki etkileşimin şiddetine kadar az ise gaz idealliğe o kadar yakındır. Gaz molekülleri arasındaki etkileşimin şiddeti arttıkça madde gaz halden sıvı hale geçeceği için İdeallikten uzaklaşır. Yandaki değerlere bakarak kaynama sıcaklığı en yüksek olan H 2 O dur. Moleküller arası çekim kuvveti en fazla ve buna bağlı olarak ideallikten sapma da en fazla H 2 O dadır. ÖRNEK: C 3 H 8 C 2 H 6 CH 4 sırasında ; Kaynama noktası azalır. Moleküller arası çekim kuvveti azalır. İdeallikten sapma miktarı azalır. 5.GAZ, BUHAR VE KRİTİK SICAKLIK: Gaz molekülleri birbirine yaklaştığında etkin olan çekme kuvvetleri, moleküllerin hareketini kısıtlar. Ancak sıcaklık düşürüldüğünde moleküllerin kinetik enerjileri azalır ve moleküller arası çekim kuvvetleri daha etkin bir hale gelerek sıvılaşma sağlanır. Yüksek basınç ve düşük sıcaklıktaki gazlar, ideal gaz davranışından çok büyük oranda saparak sıvı hale geçer. Bir gazın sıcaklığı ne kadar yüksek ise sıvılaşması o kadar zordur ve gazı sıvılaştırmak için gereken basınç da o kadar yüksektir. KRİTİK SICAKLIK: Bir gazın basınç uygulanarak sıvılaştırılabileceği en yüksek sıcaklıktır. T K ile gösterilir. Kritik sıcaklık, maddelerin kimlik özelliği olup her madde için farklı bir değerdir. BUHAR: Gazlar gibi davrandıkları halde, bulundukları sıcaklıkta basınçla sıvılaştırılabilen akışkanlara denir. Buhar özelliğinin ortadan kalkarak gaz özelliğinin başladığı sıcaklık, kritik sıcaklıktır. *Kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda BUHAR *Kritik sıcaklığın üstündeki sıcaklıklarda GAZ
FAZ DİYAGRAMLARI Bir faz diyagramı, farklı basınç ve sıcaklık değerlerinde hangi fazın daha kararlı olduğunu gösteren bir haritadır. Grafikte suyun faz diyagramı katı, sıvı, buhar ve gaz olmak üzere dört bölgeye ayrılmıştır. Herhangi iki fazı ayıran çizgi, fazların denge halinde bulunduğu koşulları gösterir. Örneğin sıvı faz ile buhar fazı arasındaki eğri buhar basıncının sıcaklıkla değişimini göstermektedir. Katı-sıvı eğrisinin negatif eğime sahip olması önemlidir. Bu bize sabit sıcaklıkta buzun üzerine etki eden basıncın artırılması durumunda buzun erime noktasının düştüğünü gösterir. D noktasından E noktasına sabit sıcaklıkta gelinirse basınç artırılarak buzun erimesi sağlanır. Faz diyagramındaki üç eğrinin birleştiği noktaya üçlü nokta denir. Su için üçlü nokta 0,01 C ve 0,006 atm basıncı değerlerindedir. A noktası üç fazında dengede bulunduğu tek basınç ve sıcaklık değerini verir. Diyagrama göre suyun normal donma noktası (1 atm basınçtaki) 0 C ve normal kaynama noktası (1 atm basınçtaki) 100 C tur. Dış basıncın artırılması kaynama noktasını artırırken erime noktasını düşürür. C noktasında sıvı-buhar faz sınırı sona ermektedir. Sıcaklık 374,3 C a geldiğinde basınç 218 atm e ulaşır. Bu aşamada buharın yoğunluğu o kadar yüksektir ki buharlaşmadan kalan sıvının yoğunluğuna eşittir. Sıvıyı buharından ayıran yüzey kaybolur ve tekdüze bir faz deney kabını doldurur. Bu fazdan henüz buhar olarak bahsetmek mümkündür. Ancak sıcaklık 374,3 C un üzerine çıktığı sürece hangi basınç uygulanırsa uygulansın sıvı-gaz ara yüzeyi değişmez. Bu nedenle 374,3 C suyun kritik sıcaklığı olup bu sıcaklığın üzerinde gazdan sıvıya geçiş olmaz. CO2 maddesinin faz diyagramı H2O faz diyagramına çok benzer. Ancak CO2 faz diyagramında katı-sıvıyı ayıran eğrinin eğimi pozitiftir. Bu pozitif eğim su dışındaki bütün maddeler için geçerlidir. Karbondioksidin üçlü noktasındaki basınç 5,1 atm, sıcaklık 56 C tur. CO2 nin faz diyagramında en ilginç durum sıvı fazın tümünün normal atmosfer basıncının (katı) üstünde olmasıdır. Bunun için katı CO2 nin 1 atm basınçta erimesi mümkün değildir. Katı CO2 ye kuru buz denir. 1 atm deki katı CO2, 78 C un üstündeki sıcaklıklara doğru ısıtılırsa hemen süblimleşir. Katı CO2 erimeden buhar hâline geçer. CO2 için kritik sıcaklık 31 C olup bu sıcaklık üzerindeki maddeden gaz olarak bahsedilir ve hangi basınca getirilirse getirilsin sıvılaşmaz. Sıvı buhar faz sınırının sona erdiği basınç ise maddenin kritik basıncıdır. Suyun kritik basıncı 218 atm, CO2 nin kiritik basıncı ise 73 atm dir. Kritik sıcaklık ve kritik basınç birlikte maddenin kritik noktasını oluşturur. CO2 gazının sıcaklığı 31 C ve altında ise ancak basınç uygulanarak sıvılaştırılabilir. 31 C üzerindeki CO2 basınçla sıvılaştırılamaz.
SOĞUTMA SİSTEMLERİ Bir maddenin veya ortamın sıcaklığını onu çevreleyen ortam sıcaklığının altına indirmek ve o sıcaklıkta tutmak üzere ısı enerjisi çekilmesi işlemine soğutma denir. Bu işlem için tasarlanan sistemlerede soğutma sistemleri denir. Buharlaşırken ortamdan ısı alarak ortam sıcaklığının düşmesine neden olan maddelere SOĞUTUCU AKIŞKANLAR denir. Soğutucu akışkanların kritik sıcaklığının yüksek olması ve düşük kaynama noktasına sahip olması çok düşük sıcaklıklarda uygulama imkanı sağlar. Soğutucu olarak CCl 2 F 2 (freon-12) kullanılmaktadır. Son zamanlarda Puron adı verilen soğutucu akışkan kullanılmaya başlamıştır. JOULE-THOMSON OLAYI: Isıca yalıtılmış bir silindir, üzerinde çok küçük bir delik bulunan engelle iki bölüme ayrılmıştır. A bölmesinde yüksek basınçta bulunan gaz sıkıştırılarak B bölmesine geçirilmiştir (Gazı A bölmesinden B bölmesine geçirebilmek için P 1 basıncının P 2 basıncından daha büyük olması gerekir. Bu basıncın etkisi ile A bölmesindeki gazın tümü geri dönüşümsüz olarak B bölmesine geçmektedir). Gaz A bölmesinden B bölmesine geçirildikten sonra T 2 sıcaklığı ölçülerek T 1 sıcaklığı ile karşılaştırıldığında T 2 <T 1 ; T 2 >T 1 veya T 2 =T 1 olduğu görülmüştür. Joule ve Thomson yaptıkları deneyin sonucunda hızla genleştirilen bazı gazların sıcaklığında değişiklik olmadığını, bazı gazların ısındığını, bazı gazların ise soğuduğunu gözlemlemişlerdir. Joule-Thomson olayı sonucunda genleşme sırasındaki sıcaklık değişimi ne kadar küçükse gaz ideale o kadar yakındır.soğutucularda gazları sıvılaştırmak için Joule-Thomson olayından yararlanılır. Düşük sıcaklıklarda gerçekleşen olayları oluşturan ve bunların uygulamalarını inceleyen bilim dalına kriyojeni denir. Maddeleri soğutmak için kullanılan sıvılara da kriyojen adı verilir. İlk olarak 1877 yılında oksijen 90 K (-183 oc) e kadar soğutularak sıvılaştırılmıştır. 1895 yılında hava 40 K e kadar soğutularak sıvılaştırılmış ve ana bileşenlerine ayrılmıştır. Daha sonraki yıllarda helyum sıvılaştırılmış (4,2 K) ve 1930 larda mutlak sıfır sıcaklığının yakınlarına ulaşılmıştır. Gıdaların soğutularak uzun süre saklanmasını sağlayan, buhar sıkıştırma yöntemi ile çalışan soğutma makinalarının evlerde kullanılan tipine buzdolabı denir. Soğutma makinalarının çalışma prensiplerini anlayabilmek için buzdolaplarında kullanılan bazı mekanik parçaları tanımak gerekir. Kompresör: Buharlaştırıcıdan çıkan gazı yoğuşma basıncına kadar sıkıştırır. Yoğuşturucu: Kompresörden çıkan buharın soğuyup yoğuşmasını sağlayarak açığa çıkan ısıyı dışarıya verir. Kılcal boru: Soğutucu akışkanın basıncını ve buharlaşma sıcaklığını düşüren bölümdür. Buzdolapları bunlardan başka buharlaştırıcı, filtre, termostat gibi mekanik parçaların sistemli olarak çalışmasıyla soğutma işlemini yapar. Kompresör, emme vanası açıldığında buharlaştırıcıdan gelen buhar hâlindeki soğutucu akışkanı emer. Soğutucu akışkan, kompresör içinde basınç kaybına uğrar ve piston vasıtasıyla sıkıştırılır. Böylece soğutucu akışkan, basma vanasının açılmasıyla yüksek basınç ve sıcaklıkta pompalanır. Yoğuşturucuya gelen soğutucu akışkan, önce ortama ısı vererek yoğuşur, sonra yüksek basınçta sıvı hâle geçer. Yoğuşturucuda basınç kaybına uğrayan soğutucu akışkan, kılcal borudan geçtiğinde basıncı ve buharlaşma sıcaklığı düşer. Buzdolabı içindeki havadan ve hava aracılığı ile yiyeceklerden aldığı ısı sayesinde tekrar gaz hâle geçer. Dönüş borusu ile kompresöre gelerek sıkıştırılır ve çevrim bu şekilde devam eder.