TERMODİNAMİK Öğr. Gör. SAKARYA ÜNİVERSİTESİ SAKARYA MESLEK YÜKSEKOKULU
TERMODİNAMİĞİN BİLİM OLARAK YERİ VE TEMEL KAVRAMLARI, TARİF EDİLEN SİSTEMLERİ VE BUNLARA AİT TEMEL ÖZELLİKLER. TERMODİNAMİĞİN TANIMI Termodinamik, ısı ve iş (mekanik enerji) arasındaki dönüşümleri inceleyen bir bilim dalıdır. İncelenmek üzere göz önüne alınan ve sınırları, amaca uygun olarak tarafımızdan belirlenen kontrol hacmine (Kütleye) veya termodinamik durum özellikleri adı verilen sınırlı sayıdaki değişkenlerle tam olarak tanımlanabilen, çevre ile kütle ve enerji alışverişi yapabilen, belli miktar ve herhangi bir bileşimdeki madde miktarına sistem adı verilir. Sistem sınırları dışında kalan bölge, sistemin çevresidir. Sistemle çevresi arasında kütle ve enerji alış verişi söz konusudur. 2
TERMODİNAMİĞİN BİLİM OLARAK YERİ VE TEMEL KAVRAMLARI, TARİF EDİLEN SİSTEMLERİ VE BUNLARA AİT TEMEL ÖZELLİKLER. Çevresi ile kütle alışverişi yapmayan sisteme kapalı sistem denir. Kapalı bir silindir-piston düzeneği içinde bulunan gaz, kapalı sisteme örnektir. Kütle giriş çıkışı olan sistem, açık sistem şeklinde ifade edilir. Çevresi ile ısı alışverişi yapmayan sisteme adyabatik sistem denir. 3
TERMODİNAMİĞİN BİLİM OLARAK YERİ VE TEMEL KAVRAMLARI, TARİF EDİLEN SİSTEMLERİ VE BUNLARA AİT TEMEL ÖZELLİKLER. SİSTEMİN ( MADDENİN ) ÖZELLİKLERİ SAF MADDE Her noktasında aynı ve değişmeyen bir kimyasal bileşime sahip olan maddeye saf madde adı verilir. Su, azot, helyum, karbon dioksit birer saf maddedir. Saf maddenin sadece bir tek kimyasal element veya bileşimden oluşması gerekmez. Değişik kimyasal elementlerden veya bileşimlerden oluşan bir karışım da, düzgün dağılı (homojen) olduğu sürece saf madde tanımına uyar. Örnek olarak hava değişik gazlardan oluşan bir karışımdır, kimyasal bileşimi her noktada aynı ve değişmez olduğu için saf maddedir. Buna karşılık su ve yağ karışımı saf bir madde sayılamaz, çünkü böyle bir karışımda, yağ suda çözülmeyip üstte toplandığından, kimyasal olarak birbirine benzemeyen iki ayrı bölge oluşur. 4
TERMODİNAMİĞİN BİLİM OLARAK YERİ VE TEMEL KAVRAMLARI, TARİF EDİLEN SİSTEMLERİ VE BUNLARA AİT TEMEL ÖZELLİKLER. SİSTEMİN (MADDENİN)ÖZELLİKLERİ SAF MADDE Saf bir maddenin iki veya daha çok fazının bir arada bulunduğu bir karışım da, fazların kimyasal bileşiminde bir farklılık olmadığı sürece saf madde kapsamına girer. Örneğin sıvı su ve buz karışımı saf bir maddedir, çünkü her iki fazın da kimyasal bileşimi aynıdır. Buna karşılık sıvı hava ile gaz havanın oluşturduğu karışım saf bir madde değildir, çünkü sıvı havanın kimyasal bileşimi gaz havanınkinden farklıdır. Bunun nedeni, havayı oluşturan gazların değişik yoğuşma sıcaklıklarına sahip olmalarıdır. 5
TERMODİNAMİĞİN BİLİM OLARAK YERİ VE TEMEL KAVRAMLARI, TARİF EDİLEN SİSTEMLERİ VE BUNLARA AİT TEMEL ÖZELLİKLER. SİSTEMİN (MADDENİN)ÖZELLİKLERİ SAF MADDENİN FAZLARI Deneyimlerimiz bize, maddelerin değişik fazlarda bulunabileceğini göstermiştir. Oda sıcaklığında ve basıncında bakır katıdır, cıva sıvıdır, azot ise gazdır. Değişik koşullarda her biri farklı bir fazda bulunabilir. Temelde katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç faz vardır. Örnek olarak karbon, katı fazı içinde grafit veya elmas fazlarında bulunabilir. Helyumun iki sıvı fazı, demirin üç katı fazı vardır. Yüksek basınçlarda buz yedi değişik fazda bulunabilir. Faz, fiziksel olarak belirgin sınırların içinde her noktada aynı olan belirli bir molekül düzenini simgeler. Buzlu su, suyun iki fazını açıklayan güzel bir örnektir. 6
TERMODİNAMİĞİN BİLİM OLARAK YERİ VE TEMEL KAVRAMLARI, TARİF EDİLEN SİSTEMLERİ VE BUNLARA AİT TEMEL ÖZELLİKLER. SİSTEMİN (MADDENİN)ÖZELLİKLERİ SAF MADDENİN FAZLARI N 2 (Azot) Air (Hava) Vapor (Buhar) Liquid (Sıvı) Vapor (Buhar) Liquid (Sıvı) H 2 O ( Su ) Air ( Hava ) 7
TERMODİNAMİĞİN BİLİM OLARAK YERİ VE TEMEL KAVRAMLARI, TARİF EDİLEN SİSTEMLERİ VE BUNLARA AİT TEMEL ÖZELLİKLER. SAF MADDENİN FAZLARI Moleküller arasındaki en kuvvetli bağların katılarda, en zayıf bağların da gazlarda olduğu sık sık vurgulanır. Bunun bir nedeni katılarda moleküllerin daha sık kümelenmeleri, gazlarda ise aralarında büyük boşlukların olmasıdır. Katı cisim içindeki moleküller birbirlerine yakın olduklarından, onları birbirine çeken kuvvetler güçlüdür ve bu nedenle moleküller yerlerinde sabit kalırlar. Katı cismi oluşturan moleküller yay gibi birbirine tutunurlar. 8
TERMODİNAMİĞİN BİLİM OLARAK YERİ VE TEMEL KAVRAMLARI, TARİF EDİLEN SİSTEMLERİ VE BUNLARA AİT TEMEL ÖZELLİKLER. SAF MADDENİN FAZLARI Molekülleri birbirine çeken kuvvetler moleküller arasındaki uzaklık sıfıra yaklaşınca itici kuvvetlere dönüşürler, bu nedenle moleküllerin birbiri üzerine yığılmaları söz konusu olmaz. Katı bir cisimdeki moleküller her ne kadar yerlerinde kalsalar da, bulundukları yerde sürekli olarak titreşirler. Bu titreşim sırasında moleküllerin hızları sıcaklığa bağlıdır. Katı cismi oluşturan moleküller yay gibi birbirine tutunurlar. 9
SAF MADDENİN FAZLARI Atomların faz değişikliklerindeki düzenleri. (a) Katı (b) Sıvı (c) Gaz 10
SAF MADDELERİN FAZ DEĞİŞTİRDİKLERİ HAL DEĞİŞİMLERİ Saf maddenin iki fazının bir arada bulunduğu durumlarla uygulamada sık sık karşılaşılır. Su bir kazanda veya buharlı güç santralinin yoğuşturucusunda sıvı buhar karışımı olarak bulunur. Buzdolabının dondurucusunda soğutucu akışkan, sıvıdan buhara dönüşür. Birçok ev sahibi borularda suyun donmasını en önemli faz değişimi olayı olarak görse de, bu kitapta ağırlık sıvı ve buhar fazlarıyla bu ikisinin karışımı üzerinde olacaktır. Temel kavram ve ilkeler, en bilinen akışkan olan su üzerinde açıklanacaktır. Tüm saf maddelerin aynı genel davranışı gösterdiğini vurgulamamız yerinde olur. 11
SIKIŞTIRILMIŞ SIVI VE DOYMUŞ SIVI İçinde 20 C sıcaklık ve 1 atm basınçta su bulunan bir piston-silindir düzeneği ele alalım (1 hali). Bu koşullarda su sıvı fazındadır ve sıkıştırılmış sıvı veya soğutulmuş sıvı diye adlandırılır. Bu terimler suyun henüz buharlaşma aşamasına gelmediğini belirtir. Suyu ısıtmayı, sıcaklık 40 C olana dek sürdürelim. Bu işlem sırasında sıcaklık artarken su çok az genleşir ve özgül hacmi artar. Bu genleşme sonucunda piston biraz yükselir. Silindir içindeki basınç bu işlem sırasında 1 atm de sabit kalmaktadır, çünkü atmosfer basıncı ve pistonun ağırlığı değişmemektedir. Bu koşullarda da su sıkıştırılmış sıvı halindedir, çünkü buharlaşma henüz başlamamıştır. 12
SIKIŞTIRILMIŞ SIVI VE DOYMUŞ SIVI Suyun ısıtılması sürdürülürse, sıcaklıktaki artış, sıcaklık 100 C olana kadar sürecektir (1 hali). Bu noktada su hâlâ sıvıdır, fakat bu noktadan sonra en ufak bir ısı geçişi bile bir miktar sıvının buhara dönüşmesine yol açacaktır. Başka bir deyişle bir faz değişimi başlamak üzeredir. Buharlaşma başlangıcı olan bu hal, doymuş sıvı hali diye bilinir. Bu nedenle 2 hali doymuş sıvı halidir. 13
DOYMUŞ BUHAR VE KIZGIN BUHAR Buharlaşma başladıktan sonra, sıvının tümü buhara dönüşene kadar sıcaklıkta bir artış olmayacaktır. Başka bir deyişle, faz değişimini içeren hal değişiminin tamamı süresince sıcaklık sabit kalacaktır. Bu işlemler sırasında basıncın da değişmediğini bir kez daha önemle belirtelim. Yukarıda açıklananlar basit bir deneyle doğrulanabilir.bir çaydanlıkta su ısıtılsın. Sıcaklık su içine yerleştirilen bir termometreyle ölçülürse, sıcaklığın kaynama (hızlı buharlaşma) başlayana kadar arttığı ve daha sonra çaydanlıktaki suyun tümü buharlaşana kadar sabit kaldığı görülecektir. Eğer deney deniz düzeyinde (P=1 atm) yapılıyorsa termometrede okunacak sıcaklık 100 C olacaktır. 14
DOYMUŞ BUHAR VE KIZGIN BUHAR Isıtma işlemi sürdürülürse, tüm sıvı buhara dönüşür, (4 hali). Bu noktada silindirin içi yoğuşmanın sınırında olan buharla doludur. Buhardan çevreye az da olsa ısı geçişi bir miktar buharın yoğuşmasına (buhardan sıvıya dönüşmesine) yol açacaktır. Yoğuşmanın sınırında olan buhara doymuş buhar adı verilir. Bu nedenle 4 hali doymuş buhar halidir. 2 ile 4 halleri arasında bulunan bir madde doymuş sıvı-buhar karışımı diye bilinir, çünkü aradaki hallerde sıvı ve buhar fazları bir arada ve dengede bulunur. 15
DOYMUŞ BUHAR VE KIZGIN BUHAR Faz değişimi tamamlandıktan sonra yeniden, bu kez buhardan oluşan tek fazlı bir bölgeye girilir. Isıtma işlemi sürdürülürse sıcaklık ve özgül hacmin arttığı gözlenecektir. 5 halinde buharın sıcaklığı örneğin 300 C olabilir. Bu halde buhardan biraz ısı çekersek, sıcaklık düşer fakat yoğuşma olmaz (P = 1 atm için). Yoğuşma sınırında olmayan buhara kızgın buhar denir. Bu nedenle 5 hali kızgın buhar halidir. Yukarıda açıklanan sabit basınçta faz değiştirme işlemi T-v diyagramında gösterilmiştir. 16
DOYMUŞ BUHAR VE KIZGIN BUHAR 17
DOYMUŞ BUHAR VE KIZGIN BUHAR Aynı hal değişimi bu kez su sabit basınçta soğutularak tersine çevrilirse, su benzer bir yol izleyerek, başka bir deyişle aynı hallerden geçerek, yeniden 1 haline dönecektir. Bu hal değişimi sırasında çevreye verilen ısı, ısıtma işlemi sırasında çevreden alınan ısıya eşit olacaktır. Günlük yaşamda su sözcüğü sıvı suyu, buhar sözcüğü de su buharını anlatmak için kullanılır. Termodinamikte ise hem su hem de buhar, H 2 O anlamındadır. 18
DOYMUŞ BUHAR VE KIZGIN BUHAR 19
DOYMA SICAKLIĞI VE DOYMA BASINCI Suyun 100 C sıcaklıkta 'kaynamaya' başladığı cümlesinin yadırgandığı söylenemez. Doğru ifadenin 'su 1 atm basınçta 100 C de kaynar' biçiminde olması gerekir. Verilen örnekte suyun 100 C de kaynamasının tek nedeni basıncın 1 atm'de (101.325 kpa) sabit tutulmasıydı. Pistonun üzerine ağırlıklar yerleştirerek silindir içindeki basınç 500 kpa e yükseltilmiş olsaydı su 151.9 C de kaynamaya başlardı. Suyun kaynamaya başladığı sıcaklık basınca bağlıdır. Verilen bir basınçta saf maddenin kaynamaya başladığı sıcaklık doyma sıcaklığı T doyma olarak bilinir. Benzer biçimde, verilen bir sıcaklıkta, saf maddenin kaynamaya başladığı basınç ise doyma basıncı, P doyma olarak tanımlanır. 101.325 kpa basınçta suyun doyma sıcaklığı 100 C dir. Doğal olarak 100 C de suyun doyma basıncı da 101.325 kpa olur. Maddenin deney ve gözlemlerle çıkarılan veya sonradan türetilen fiziksel karakteristiklerine maddenin özellikleri denir. Bunlar basınç, sıcaklık, hacim, iç enerji, Entalpi, entropi, hız, kinetik enerji, yoğunluk, viskozite, ısı iletim katsayısı v.b. gibi. Madde bir sistemdir. Maddenin özellikleri kütlesine bağlı olup olmamasına göre iki çeşide ayrılır. 20
DOYMA SICAKLIĞI VE DOYMA BASINCI Bağımlı özellikler Maddenin kütlesine bağlı olan özelliklerdir. Hacim, kütle, toplam iç enerji, toplam entalpi v.b. Gibi Bağımsız özellikler Maddenin kütlesine bağlı olmayan özelliklerdir. Basınç, sıcaklık, hız, viskozite, yoğunluk, özgül hacim, özgül iç enerji, ısı iletim katsayısı v.b. gibi. Bağımlı özelliklerin kütleye bölünmesiyle elde edilen özellikler de bağımsız özelliklerdir. Özgül ön eki getirilir ve sıcaklık hariç küçük harflerle gösterilir. Bağımlı özellikler ise kütle hariç tamamı büyük harflerle gösterilmektedir. 21
SICAKLIK Isı geçişine neden olan etken veya sistem ya da maddeler arasındaki ısı farkının ifadesidir. Termometreyle ölçülür. Termodinamikte Kelvin cinsinden ifade bulur. 0 0 C =273 K Günümüzde yaygın olarak sıcaklık göstergeleri celsius (selsiyus- 0 C ) bölüntülüdür. Daha önce centigrade (santigrad) olarak kullanılan bu ölçek, 1948 yılından itibaren celcius olarak kullanılmaya başlanmıştır. Celcius skalasında buz halindeki saf suyun erime sıcaklığı sıfır ( 0 ), kaynama sıcaklığı ise yüz ( 100 ) kabul edilmiştir. A.B.D ve İngiltere ve benzeri bazı ülkelerde kullanılmakta olan Fahrenheit (fahrenayt) ( 0 F) ölçeğinde ise, saf suyun buz halinden erime sıcaklığı 32 0 F kaynama sıcaklığı ise 212 0 F kabul edilmiştir. Bu durum Celcius ile Fahrenheit dereceleri arasında bir dönüşüm işlemini gerektirmektedir. Bu dönüşüm 0 F=1,8*t 0 C+32 0 C= şeklinde olmaktadır. 22
MUTLAK SICAKLIK Celcius skalasında buzun erime sıcaklığı sıfır kabul edilmiştir. Ancak bu değerin altında da sıcaklıklar mevcuttur. Daha düşük sıcaklığın mümkün olmadığı en düşük sıcaklık derecesi -273,15 0 C tür. Bu sıcaklığa mutlak sıcaklık derecesi denmektedir. Kelvin skalasında ise bu en düşük sıcaklık derecesi başlangıç olarak kabul edilmiş ve sıcaklık birim aralıkları Celcius skalasının aynısıdır. Diğer skala derecelerinde kullanılmakta olan ( 0 C- 0 F) 0 işareti Kelvin de kullanılmaz. Buna göre ( 1K =1 0 C ) dir. 23
24
SICAKLIK İLE İLGİLİ ÖRNEK SORULAR Normal vücut sıcaklığı 98,6 o F dır. Bu sıcaklığın Celcius skalasında karşılığı nedir? 0 C= =98,6-32/1,8 = 37 0 C İngiltere'de 42 0 C olarak ölçülen hava kayıtlarında nasıl gösterilmektedir? sıcaklığı aynı ülke 0 F=1,8*t 0 C+32 = 75,6+32= 107,6 0 F 25
MUTLAK SICAKLIK İLE İLGİLİ SORULAR Isı göstergesinde 373,15 0 C okunan değerin KELVİN karşılığını bulunuz? 0 0 C = 273,15 K Çözüm: 373,15+273,15=646,3 K Termodinamik hesaplamalarda 372 K olarak bulunan değerin 0 C ısı göstergesindeki karşılığını bulunuz? 0 0 C = 273,15 K Çözüm: 372-273,15 = 98,85 0 C Normal oda sıcaklığı 21 0 C tür. Termodinamik hesaplamalarda bu değer mutlak sıcaklık olarak kullanıldığındaki karşılığını bulunuz? 0 0 C = 273,15 K Mutlak sıcaklık=gösterge değeri + 273,15 Çözüm: 21+273,15 =294,15 K 26
Anlaşılmayanları sormanın tam zamanı? 27