Konu Başlıkları 1. Gerçek Gazlar 2. ideal Gaz Varsayımından Sapmalar 3. Moleküller Arası Bağlar ve Gerçek Gazlann Sıvılaşması 4. Joule- Thomson Olayı 5. Gaz, Buhar ve Kritik Sıcaklik

4.4.1 Gerçek Gazlar İdeal 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 Yüksek sıcaklıktaki gazlarlar idealliğe yaklaşırlar. Yüksek basınç ve düşük sıcaklıkta, gaz molekülleri arasındaki etkileşimler artacağı için gazlar ideal gaz varsayımından sapar.

İdeal gaz davranışına uymayan gazlara Gerçek Gaz denir. 4.4.1 Gerçek Gazlar Bir gazın sabit sıcaklıktaki basıncı 2 atm'den 4 atm'e yükseltilirse hacmi ilk hacminin yarısına düşer (Boyle Kanunu). Aynı gazın basıncı 2000 atm'den 4000 atm'e yükseltildiği zaman, hacmi ilk hacminin arısından farklı olur. Düşük ve sabit basınç altında bulunan bir gaz, 400 K sıcaklıktan 200 K sıcaklığa kadar soğutulursa hacmi ilk hacminin yarısına iner (Charles Kanunu). Fakat aynı gaz, 40 K'den 20 K gibi çok düşük sıcaklığa kadar soğutulduğunda, son hacmi ilk hacminin yarısına eşit olmaz. Örnek: İdeal gaz davranışına uymayan gazlara Gerçek Gaz denir. Hacimlerin nasıl değişe bileceğini tartışınız???

Endüstriyel Gelişimde Bazların Önemi Gazların özelliklerinin bilinmesi, endüstriyel gelişimde oldukça önemlidir. Çünkü gazlar endüstride pek çok alanda kullanılmaktadır. Örnek: Azot (N2): Elektroniksanayi, metallerin işlenmesi, besinlerin dondurulmasında; Oksijen(O2); Çelik üretimi ve diğer metalürji işlemlerinde, kimyasal madde üretiminde, tıpta kullanılır. Amonyak (NH3); gübre, plastik, lif üretimi ve patlayıcı yapımında; Klor(CI2); farklı organik maddelerin sentezinde, plastik üretimi, kağıt hamuru ve kağıt yapımında; Etilen(C2H4); plastik üretimi, antifriz ve lif yapımında kullanılır.

4.4.2 ideal Gaz Varsayımından Sapmalar İdeal gaz denklemi PV = nRT olduğuna göre 1 mol gaz için PV/nRT=1 dir. ideal gazlar farklı sıcaklık ve basınç koşullarında da bu eşitliği doğrular. Ancak gerçek gazlar her koşulda bu eşitliği sağlamaz. Grafikte değişik sıcaklıklarda CH4 (metan) gazının PV/nRT oranının basınçla değişimini görmektesiniz. Grafikte, CH4 (metan) gazının değişik sıcaklıklarda PV/nRT oranının basınçla değişimi ve ideal gaz denkleminde hesaplanan değerden sapması verilmiştir. 600 atm’de 100 K de idealliğe daha fazla yaklaşılmaktadır.

4.4.2 ideal Gaz Varsayımından Sapmalar Grafikte verilen farklı gazların PV/nRT değerlerinden ideal gaz denkleminde hesaplanan sonuç esas alındığında en çok sapan gazın CO2 olduğu görülür.

Gaz moleküllerinin öz hacmi, toplam hacim yanında ihmal edilebilir mi? Kinetik teoriye göre gaz moleküllerinin öz hacmi, toplam hacim yanında ihmal edilebilir. 2He gazı 36Kr gazı Şekil a-I ve b-I'de görüldüğü gibi düşük basınçta birbirinden oldukça uzakta bulunan gaz moleküllerinin bulundukları hacmin yanında öz hacimlerini ihmal etmek büyük bir hataya neden olmaz. Ancak mutlak sıfır sıcaklığında gaz üzerindeki basınç arttırıldığı zaman hacmin sıfıra yaklaşması gerekir. Bu durumun mümkün olamayacağı Şekil a-Il ve b-Il'de de görülmektedir. Çünkü, gerçek gaz moleküllerinin öz hacmi sıfır değildir. Bu durumda helyumun öz hacminden kaynaklanan hacim artması, kriptonun öz hacminden kaynaklanan hacim artmasına göre daha azdır. Kısacası molekül hacmi kriptona göre daha küçük olan helyum idealliğe daha yakındır.

Gazlarda Moleküller Arasındaki Etkileşimler ihmal edilebilir mi? İdeal gazlarda, moleküller arasındaki etkileşimler de ihmal edilir. Oysa bütün gazlar sıcaklıkları düşürüldüğünde sıvılaşır. Yaşadığımız koşullarda bazı gaz molekülleri arasındaki çekme kuvvetleri ihmal edilebilecek kadar az olduğu için bu gazların ideal gaz gibi davrandığı söylenebilir. Yüksek sıcaklıklarda gaz molekülleri çok hızlı hareket ettiklerinden moleküller arasındaki çekme kuvvetleri moleküllerin kinetik enerjileri yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür. Düşük sıcaklıklarda ise çekme kuvvetleri molekülleri birbirine yaklaştırır. Bu durumda gerçek bir gazın ölçülen basıncı, ideal gaz denkleminden hesaplanan basınçtan daha küçüktür.

Düşük sıcaklıklarda aynı mol sayısında ve hacimde SO2 ve CO2 gazlarının basınçlarının karşılaştırılması Molekülleri arasındaki etkileşimleri yüksek olan gazların ölçülen basıncı, ideal gaz denkleminde hesaplanan basınçtan daha düşüktür. Örneğin, SO2 molekülü polar olduğu için molekülleri arasında dipol-dipol etkileşimleri; apolar olan CO2 molekülleri arasında ise daha zayıf olan London kuvvetleri görülür. Bu nedenle SO2 gazının CO2 gazına göre ölçülen basıncı ideal gaz denklemiyle hesaplanan basıncından daha düşüktür. Buna göre moleküller arası etkileşimi daha küçük olan CO2 gazının SO2 gazına göre idealliğe daha yakın olduğunu söyleyebiliriz.

ÖZET: Öz hacmi “0” kabul edilen ve bir birinden etkilenmediği var sayılan gazlara ideal gaz diyoruz. Bu sebeple tabiatta gerçek manada ideal gaza rastlanmaz. Ancak gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınçlı ortamlarda idealliğe yaklaşır. Moleküller arası etkileşimlerin zayıf olduğu gazlar daha idealdir. Molekül ağırlığı küçük ve yoğunlaşma noktası düşük olan gazlar diğer gazlara göre daha idealdirler.

ÖRNEK Verilen molekül çiftlerinden hangisinin ölçülen basıncının, ideal gaz denkleminde hesaplanan basıncından daha düşük olmasını ya da daha yüksek olmasını beklersiniz? Neden? (9F, 35Br, 100Ne, 54Xe) ÇÖZÜM PV/nRT >1 ise itme kuvvetleri etkin PV/nRT <1 ise çekme kuvvetleri etkin Çekme kuvvetleri etkinse basınç, ideal gaz denkleminde hesaplanandan dha düşük olur.

Müfredat Dışı Brada; n=Mol sayısı a= Sabit (Her gaz için farklı) b= Sabit (Her gaz için farklı)

ÖRNEK 25 °C’de 1 mol Argon gazı 1 L’lik kaba konuyor. Kaptaki gazın basıncını ideal gaz ve van der Wals denklemlerini kullanarak hesaplayınız? ÇÖZÜM İtme kuvveti hakim Müfredat Dışı Sonuçları Yorumlayınız?

25 °C’de 10 L’lik hacim kaplayan 2 mol klorbenzen buharının basıncını ideal gaz ve van der wals denklemlerini kullanarak hesaplayınız? ÖRNEK ÇÖZÜM Müfredat Dışı Sonuçları Yorumlayınız?

4.4.3 Moleküller Arası Bağlar ve Gerçek Gazların Sıvılaşması 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 şiddeti ne kadar az ise gaz idealliğe o kadar yakındır. Gaz molekülleri arasındaki etkileşimin şiddeti arttıkça madde gaz halden sıvı hale geçeceği için ideallikten uzaklaşır.

4.4.4 Joule-Thomson Olayı Bir maddeyi soğutmanın yollarından birisi kendisinden daha soğuk başka bir maddenin içine koymaktır. Buzdolabının ve derin dondurucuların olmadığı dönemlerde insanlar yaşadıkları yerleşim bölgelerinin yakınında bulunan dağların zirvelerinden kar getirerek soğutucuya olan gereksinimlerini karşılıyorlardı. Bu amaçla kullanılan soğutucu maddeler; buz, sıvı hava, kuru buz (katı CO2), aseton-alkol veya aseton-eter karışımıdır. Sıvı hava bulunduğu ortamı -180 °C'a kadar, sıvı hidrojen ise -250 °C’ a kadar soğutabilir. Normal şartlar altında hava ve hidrojen sıvı halde bulunamayacağına göre gazlar bulundukları ortamın sıcaklığından daha düşük sıcaklıklara kadar nasıl bir yöntemle soğutulabilir?

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 P1 basıncının P2 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 T2 sıcaklığı ölçülerek T1 sıcaklığı ile karşılaştırıldığında T2 < T1; T2 > 1 veya T2 = T1 olduğu görülmüştür. Joule ve Thomson yaptıkları deneyin sonucunda hızla genleştirilen bazı gazların sıcaklığında değişiklik olmadığını, bazı gazların ısındığını, bazı gazların ise soğuduğunu gözlemlemişlerdir. Gazların ani genleşmesi ile soğumasının nedeni ne olabilir? Bu konu hakkında ilk defa çalışan bilim insanları James Joule ve William Thomson'dır.

Bir gazın kinetik enerjisinin sıcaklığa bağlılığını gösteren kinetik teorinin formülü E= 3/kT dir. (Formülde k sabit T ise mutlaksıcaklıktır.). Buna göre gazın sıcaklığı arttırıldığında kinetik enerjisi artar. Sıcaklığı azaltıldığında ise kinetik enerjisi azalır. Gazların kinetik enerjisini düşürebilmek için gaz moleküllerine bir iş yaptırmak gerekir. Gaz molekülleri düşük sıcaklıkta düşük ortalama hıza sahip olduklarına göre molekülleri yavaşlatmak, gazı soğutmak anlamına gelir. Gazlar genleştirildiğinde moleküller birbirinden uzaklaşır ve ortalama hızları düşer. Genleşen gazın molekülleri arasındaki çekim kuvvetlerinin yenilmesi için gereken enerji dış sistem ısıca yalıtılmış olduğundan ortamdan alınamaz. Bu durumda moleküller enerjiyi kendi öz ısılarını kullanarak karşıladıklarından hızla genleştirilen gazlar soğur. Soğuyan gaz bulunduğu ortamı da soğutur. James Joule ve William Thomson'ın anısına bu gözleme Joule- Thomson oiayı veya Joule-Thomson genleşmesi denir. Joule-Thomson olayı sonucunda genişleme sırasındaki sıcaklık değişimi ne kadar küçük ise gaz ideale o kadar yakındır.

Joule-Thomson olayından yararlanarak 1877 yılında Cailletet oksijen ve azotu soğutulmuş havayı hızla genleştirerek elde etmiştir. Geniş ölçüde sıvı hava üretimi 1902 yılında Claude tarafından gerçekleştirilmiştir. Joule-Thomson genleşmesi ile sıvılaştırılan hava içindeki azot ve oksijen, damıtma yapılarak birbirinden ayrılır. Joule-Thomson olayıyla gündelik hayatta ısıca yalıtılmamış ortamlarda da karşılaşırız. Örneğin bisiklet pompası ile bisikletinizin tekerini şişirmek istediğinizde pompanın gaz çıkış vanasının ısındığını, bisikletinizin sibobunda ise soğuma olduğunu hissedebilirsiniz. Çünkü sıkıştırılan gazlar ısınır, genişleyen gazlar ise bulundukları ortamı soğutur. Soğutucularda da Joule-Thomson olayından yararlanılarak amonyak, metil klorür, propan gibi kolay buharlaşabilen akıcı maddeler kullanılır. Sıvı hale getirilen madde borularla dolabın iç yüzeyine verilir. Madde borular içinde gaza dönüşürken dolabın içini soğutur. Aynı gaz kompresör tarafından basınç altında yeniden sıvı duruma getirilir. Ayrıca araçlarda ve evlerde kullanılan klimalardaki gaz bir kompresör aracılığıyla emilip sıkıştırılarak sıvılaştırılır. Sıkıştırma sırasında açığa çıkan ısı fan vasıtası ile atmosferik çevreye (dış ortama) atılır. Bu sıvı daha sonra üzerindeki basıncın düşürülmesi ile bulunduğu ortam dan ısı çekerek gaz hale dönüşür. Bu esnada bulunduğu ortamdan ısı çektiği için ortam sıcaklığını da düşürmüş olur.

4.4.5 Gaz, Buhar ve Kritik Sıcaklık Bulunduğu sıcaklıkta, hiçbir basınç altında sıvılaştırılamayan, sıkıştırılabilir akışkanlar gaz olarak tanımlanır. 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. Her bir gaz için farklı değerde olan öyle bir sıcaklık vardır ki bu sıcaklığın üzerinde bulunan gaz hiçbir basınç altında sıvılaştırılamaz. Her gaz için ayrı olan bu sıcaklığa kritik sıcaklık denir. Kritik sıcaklık; bir gazın basınç uygulanarak sıvılaştırılabileceği en yüksek sıcaklıktır ve TK ile gösterilir.

Gazlar gibi davrandıkları halde, bulundukları sıcaklıkta basınçla sıvılaştırılabilen akışkanlara buhar adı verilir. Kritik sıcaklık değeri; kaynama ve donma noktası, öz kütle, iletkenlik gibi maddenin kimlik özelliklerinden biridir. Erime sıcaklığında geri dönüşümlü olarak katı sıvıya, kaynama sıcaklığında ise geri dönüşümlü olarak sıvı buhara dönüşür. Buhar ile gaz arasında ise bir dönüşüm yoktur. Buhar özelliğinin ortadan kalkarak gaz özelliğinin başladığı sıcaklık, kritik sıcaklıktır.

Kritik sıcaklık maddeler için kimlik özelliği olup madde kritik sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda buhar, kritik sıcaklığın üstündeki sıcaklıklarda gaz halde bulunur. Ancak maddenin sıvı halde olup olmadığını anlamak için kaynama noktasına da dikkat edilmelidir.????

Soğutucu akışkanlar. Madde Kritik Sıcaklık (°C) Kaynama Noktası (°C) He -267,8 -268,6 Ne -222,8 -245,9 Cl2 144 -34,6 CO2 31,2 -78 H2O 374,3 100 Br2 311 58,3 Tabloya göre oda şartlarında, He, Ne, Ar, H2, O2, F2, ve CH4 gaz halde, Br2 ve H2O sıvı halde, Cl2, CO2, NH2 ve CCI2F2 (Freon 12) buhar halinde bulunur. Buharlaşırken ortamdan ısı alarak ortam sıcaklığının düşmesine neden olan maddelere soğutucu akışkanlar denir. Bu maddelerden hangileri soğutucu akışkan olarak kullanılabilir? Helyumun kaynama noktası ve kritik sıcaklık değerleri oldukça düşüktür. Ayrıca Joule-Thomson genişlemesi ile soğumaz. Çünkü oda koşullarında He ideal gaza en yakın gazdır.

Soğutucu akışkanlar. Madde Kritik Sıcaklık (°C) Kaynama Noktası (°C) H2O 374,3 100 H2O'yun kritik sıcaklık değeri oldukça yüksektir ancak kaynama noktasının da yüksek olması oda koşullarında sıvı halde bulunmasına neden olur. Soğutucu akışkan olarak kullanılacak maddenin basınçla sıvılaştırılabilmesi ve üzerindeki basınç kaldırıldığında genleşerek buhar hale geçmesi gerekmektedir. H2O oda koşullarında sıvı halde bulunduğu için bu koşulları sağlayamaz ve soğutucu akışkan olarak kullanılamaz.

Madde Kritik Sıcaklık (°C) Kaynama Noktası (°C) NH3 132,4 -33,34 CCl2F2 (feron-12) 420 -29,8 NH 3 ün kaynama noktası düşük ve kritik sıcaklığı yüksek olduğu için oda koşullarında buhar halde bulunur. Basınçla sıvılaştırılabilir ve üzerindeki basınç kaldırıldığı zaman Joule-Thomson genişlemesiyle soğur. Bu nedenle soğutucu akışkan olarak kullanılabilir. Tabloda da görüldüğü gibi, soğutucu akışkan olarak kullanılabilecek en uygun madde freon 12'dir. Çünkü soğutucu akışkanların kritik sıcaklığının yüksek olması ve düşük kaynama noktasına sahip olması çok düşük sıcaklıklarda uygulama imkanı sağlar.

Soğutucularda daha önceleri NH3 (amonyak) gibi maddeler kullanılmaktaydı. Bu maddelerin zehirli etkisi nedeniyle daha sonraki yıllarda keşfedilen CCI2F2 (Freon-12) soğutucularda kullanılmıştır. Ancak CCI2F2 (Freon-12)’ nin ozon tabakasına zarar verdiği son yıllarda saptandığı için kullanımı bazı ülkelerde yasaklanmıştır. Onun yerine puron adı verilen soğutucu akışkanın kullanımı yaygınlaştırılmaya çalışılmaktadır. Puron kütlece % 50 oranlarında iki hidroflorokarbon (diflorometan, pentafloro etan) karıştırılarak elde edilir. Kaynama noktası -53 °C, kritik sıcaklığı 73 °C'tur.

Soğutucu akışkanların sahip olması gereken bazı özellikler aşağıda verilmiştir. Uygulanabilir basınç altında buharlaşmalı ve sıvılaşmalıdır. Kritik sıcaklığı yüksek olmalıdır. 1 atm'de mümkün olduğunca düşük kaynama noktasına sahip olmalıdır. Kimyasal olarak zehirli ve yanıcı olmamalı, metallerle tepkimeye girmemelidir. Çevreye zarar vermemelidir. Kolay temin edilebilir ve üretim maliyeti düşük olmalıdır. Daha az enerji tüketmelidir.

Buzdolabı ve Kriyojenik Teknoloji Düşük sıcaklıklarda gerçekleşen olayları oluşturmaya ve bunların uygulamalarını inceleyen bilim dalına kriyojeni denir. Maddeleri soğutmak için kullanılan sıvılara da kriyojen adı verilir. 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. Kompresör: Buharlaştırıcıdan çıkan gazı yoğunlaşma 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.

Buzdolabı ve Kriyojenik Teknoloji Kompresör, emme vanası açıldığında buharlaştırıcıdan gelen buhar halindeki 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 hale 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 hale geçer. Dönüş borusu ile kompresöre gelerek sıkıştırılır ve çevrim bu şekilde devam eder. Kriyojenik teknoloji sanayi ve tıpta geniş uygulama alanı bulmuştur. Örneğin, doğal gazın depolanması ve taşınmasında, gıda sanayinde besin maddelerinin saklanmasında kullanılır. Tıpta dokuların dondurularak tedavi edilmesinde, sinir ve göz cerrahisinde, bazı kanser türlerinin tedavisinde kriyojenik teknolojiden yararlanılır. Kriyojenik teknoloji uzayaraçlarında da uygulama alanı bulmuştur. Ayrıca bu teknoloji sayesinde çok düşük sıcaklıklara kadar soğutulan çoğu metalden daha yüksek şiddette akım geçirilmesi mümkün olmuştur. Buzdolabı ve Kriyojenik Teknoloji

Örnek: Şekil I de bir miktar CO2 gazı vardır. Şekil II haline getirildiğinde; I. Sıcaklığı artar. II. Kinetik enerjisi artar. III. Gaz basıncı artar. verilen ifadelerden hangileri doğrudur.