TERMODİNAMİK ☻ Termodinamik, maddenin sıcaklık, basınç, hacim gibi makroskobik özelliklerini açıklar, aralarında ilişki kurar, bunları atom ve moleküllerin hareketleri (maddenin mikroskobik özellikleri) ile ilişkilendirir. Maddenin farklı halleri (katı, sıvı, gaz) ve birbirine dönüşümleri ile ilgilenir. ☻ Termodinamik enerji bilimidir. Termodinamiğin ilkeleri ile hemen hemen bütün mühendislik işlemlerinde karşılaşılır. ☻ Termodinamik kavramı akla “hareket halindeki ısı enerjisi” tanımını getirse de bu yanlıştır. ● Isı bir enerji türü değil, enerjiyi değiştirmenin yoludur (iş gibi). ● Göreceğimiz termodinamik yöntemler sadece dengedeki bir sistem ile ilgilidir. Makroskobik model Mikroskobik model

Isıl Denge ve Sıcaklık Taste information is coded by specialized sensory cells in taste buds, whereas the nerve endings of the lingual nerve mediate sensations of temperature, touch, irritation and pain. The thermal tastes described by Cruz and Green1 may be mediated by either of these pathways. cerebrum ☻ Sıcaklığı, bir cisme dokunduğumuzda hissedilen sıcaklık ve soğukluk derecesi olarak belirtebiliriz.

☻ Sıcaklık, dolaylı olarak termometreler yardımı ile ölçülür. ☻Sıcaklık, sistemi oluşturan parçacıkların (atom, molekül,...) hareketleriyle ilişkilidir. ☻ Sıcaklık, dolaylı olarak termometreler yardımı ile ölçülür. ☻ Sıcaklıkları farklı iki cisim arasında ısı yolu ile enerji alış-verişi olur ve cisimler ısıl temas halinde denir. ☻ İki cisim sıcaklıkları aynı ise enerji alış-verişi olmaz ve iki cisim ısıl dengededir denir. ☻ Bir cisim tek başına sıcaklığı, yeterince beklendiği zaman değişmiyorsa cisim ısıl dengededir denir 2 T1 T2 1 T Adyabatik duvar diatermal duvar 1 ve 2 ısıl temas halinde 1 ve 2 ısıl dengede

☻ Sıcaklık bir cismin diğer cisimlerle ısıl dengede olup olmadığını belirleyen bir özelliktir. ☻ Bu tanım Termodinamiğin Sıfırıncı Yasasına göre yapılmıştır. A ve B cisimleri üçüncü bir C cismi ile ayrı ayrı ısıl dengede ise, A ve B cisimleri birbirleri ile ısıl dengededir. C A ile C arasında enerji alışverişi olmaz. A C A B Termometre

Termometre Maddenin fiziksel özelliklerinin, sıcaklıkla gözlenebilir olarak değişmesi ilkesine dayanarak sıcaklık ölçen aygıtlardır. hacim, uzunluk, basınç, direnç, renk Termometrede aranılan genel özellikler: Sıcaklıkla çok belirgin ve çabuk değişen özellik Küçük bir ısı kapasitesi Isıl dengeye çabuk ulaşma özelliği Tutarlılığı Geniş bir sıcaklık menzili

En yaygın termometre civalı termometredir. Civanın donma noktası -37 oC. En yaygın iki sıcaklık ölçeği Fahrenheit (oF) ve Celsius (centigrate) ölçeğidir. O oF eşit miktarlarda buz, su ve tuzun bir arada bulunduğu sıcaklık olarak alınmıştır. Celsius sıcaklık ölçeğinde, atmosfer basıncında (760mmHg), ısıl dengede buz+su karışımının 0 oC de su+buhar karışımının ise 100 oC de bir arada oluştuğu kabul edilir.

Neden başka bir sıcaklık ölçeğine ihtiyaç var? Parçacık hareketsiz ise (< K>=0) sıcaklık sıfır olmalıdır. Buna sıfır Kelvin denir. Sabit hacimli gazlı termometre civalı termometrelere göre daha hassas ve geniş bir ölçeğe sahiptir. Sabit hacimde gazın basıncının sıcaklıkla değişiminden faydalanılır. Suyun donma noktası (su+buz) ve buharlaşma noktasına (su+buhar) göre kalibre edilir.

Yeterince seyreltik (az yoğunluklu) farklı gazlarda yapılan ölçümler sonucunda aşağıdaki P-T eğrisi elde edilmiştir. P T(oC) 100 ● PT Sıfır Kelvin Her gazın basıncının sıfır olduğu sıcaklık -273.15 oC dir. Buna sıfır Kelvin (0 K) veya mutlak sıfır denir. Mutlak sıcaklık (Kelvin sıcaklık) ölçeğinin temelini oluştururlar.

TK= TC+273.15 TF= (9/5)TC+32 ∆TC= ∆TK = (5/9)∆TF

Suyun Hal Diyagramı 0.0 oC=273.15 K Basınç artıkça sıcaklık azalır Üçlü nokta: katı+sıvı+gaz Kritik nokta: dan sonra sıvı ve buhar ayıredilemez 0.0 oC=273.15 K 0.01 oC=273.16 K Buz+su sadece 76 cmHg ve 0 oC değil başka basınç ve sıcaklıkta da oluşabilir. Su+buz+buhar sadece 0.01 oC=273.16 K ve 4.58 mmHg basınç altında oluşur. Suyun değişmeyen bu özel noktasına suyun üçlü noktası denir.

Soğudukça hacmi azalan (yaygın olarak) herhangi bir maddenin hal diyagramı deposition: gazkatı sublime: katıgaz melt: katısıvı, erime solidify: sıvıkatı, katılaşma vapourise: sıvıgaz, buharlaşma condense: gazsıvı, yoğuşma solid: katı liquid: sıvı gas: gaz

Isıl Genleşme Maddenin çoğu artan sıcaklıkla genleşir, hacimleri artar, yoğunlukları azalır. Bu olaya ısıl genleşme denir.

α<0 cismin boyu kısalır (plastik) Hacimsel Genleşme Çizgisel (lineer, boyca) genleşme Ti sıcaklığındaki buyu Li ise ortalama çizgisel genleşme katsayısı Lİ Ls ∆L Boydaki kesirsel değişim Sıcaklık değişimi LS-Lİ=αLİ(TS-Tİ) α>0 cismin boyu uzar α<0 cismin boyu kısalır (plastik) Hacimsel Genleşme h x y z l k ∆l ∆h ∆k Ti sıcaklığındaki hacim Vi ise hacimsel genleşme katsayısı Hacimdeki kesirsel değişim Sıcaklık değişim VS-Vİ=βVİ(TS-Tİ) Bir katının ortalama çizgisel genleşme katsayısı her doğrultuda aynı olduğu varsayılırsa β=3α olur. βsıvı βkatı

Atomlar Öteleme Dönme ve Titreşim kinetik enerjilerine sahip olabilir. Katı Sıvı Gaz Soğuk Sıcak Atomlar Öteleme Dönme ve Titreşim kinetik enerjilerine sahip olabilir. İki komşu atomun etkileşme potansiyel enerjisi U(r) Kısa mesafeli itici etkileşme uzun mesafeli çekici etkileşme T>>

Suyun olağandışı davranışı Havuz, göl,.... neden yüzeyden donmaya başlar? Su Herhangi Buz 4C

Farklı Denge Durumları Isıl denge ısı yolu ile enerji alış-verişinin olmadığı ve sıcaklığın değişmediği denge durumu. T=sabit Mekanik denge hacmin (boy, magnetizasyon,...) değişmediği, iç basıncın dış basınca eşit olduğu denge durumudur. V=sabit Kimyasal denge kimyasal tepkime, difüzyon, çözünme gibi olaylar nedeniyle bir sistemi oluşturan bileşenlerin miktarı (sayısı) değişebilir. Kimyasal dengede, parçacık sayısı sabit kalır ve sistemin bileşenlerinin veya temas halinde olduğu diğer sistemlerin kimyasal potansiyelleri aynıdır. N=sabit Termodinamik denge ısıl, mekanik ve kimyasal dengenin üçünün de gerçekleştiği duruma denir. “Bir sistem ancak termodinamik dengede ise tanımlanabilir.” T1 T2 T T Pdış Piç V=sabit Pdış=Piç A+B↔C N=sabit

Enerji Aktarımı Sıcaklık farkından dolayı cisimler arasında enerji aktarımı olur. Bu olaya ısı iletimi daha doğrusu ısı yoluyla enerji aktarımı denir. Enerji, atomik ölçekte moleküller, atomlar ve elektronlar arasındaki enerji değiş-tokuşu ile bir cisimden diğerine veya aynı cisim içinde bir bölgeden diğerine aktarılır. Isı yolu ile enerji aktarımı (ısı iletimi) üç şekilde gerçekleşir. İletim fiziksel temas gerektirir. Taşıma ısınan maddenin yoğunluk farkından dolayı hareketiyle gerçekleşir. Işınım sıcak sistem ışıma yolu ile elektromanyetik dalga yayar ve soğuk sistem emer.

İletim (conduction) Isı iletimi bir ortamın iki noktası arasında sıcaklık varsa oluşur. Sıcak (Çok titreşim) Soğuk (az titreşim) Çubuk boyunca ısı iletimi x kalınlığındaki cismin sıcak yüzeyinden soğuk yüzeyine Q kadar enerji ısı yoluyla t süresinde geçiş yapsın, deneyler ısı iletim hızı (ısı akış hızı) veya ısıl akım I k maddenin ısıl iletkenliği (termal conductivity) Isı iletim hızı x A T1 T2

Burada T(x) skaler bir fonksiyondur. Üç boyutta Sonsuz küçük dx kalınlığına ve dT sıcaklık farkına sahip bir malzeme için Sıcaklık gradienti Eşsıcaklık eğrileri R Isıl direnç Burada T(x) skaler bir fonksiyondur. Üç boyutta Sıcaklık gradienti

T1- T2=I R1 T2- T3=I R2 T1- T3=I (R1+ R2)=IRe Eşdeğer ısıl direnç T2 T3 1 2 T1 A Seri durum Kararlı durumda her iki malzemeden ısı akışı aynı olmalı I1 = I2 = I T1- T2=I R1 T2- T3=I R2 T1- T3=I (R1+ R2)=IRe Re= R1+ R2....... seri Paralel durum T1- T2= I1 R1 T1- T2= I2 R2 I= I1 + I2 T1 1 2 T2

Taşıma (convection) Maddenin aktarımıyla enerjinin aktarılması olayıdır. Büyük okyanus dalgaları ve atmosferin küresel devranı (circulation) bu şekilde oluşur. Basitçe, bir akışkan (gaz veya sıvı) alt bölgeden ısıtıldığında ısınan kısım genleşir yoğunluğu azalır ve daha yukarı hareket eder. Bu olayın matematiksel ifadesi çok karmaşıktır. Bu nedenle burada ele alınmaz advection

Işınım (radiation) Bütün cisimler elektromanyetik dalga şeklinde enerji yayarlar. Stefan kanunu cisimlerin çevreye yaydığı veya çevreden soğurduğu enerjinin hızının (ısıl akım) I=AeT4 =5.67 10-8 W/m2K4 e-yayınlama katsayısı e=Egelen/Esoğrulan İdeal soğurucu tüm enerjiyi soğurur yansıtmaz . e=1 İdeal yansıtıcı tüm enerjiyi yansıtır. Bir cisim sadece ışıma ile enerji yayımlasaydı, enerjisi biterdi ve sıcaklığı mutlak sıfıra ulaşırdı. Ancak tüm cisimler hem enerji yayar hem de diğer cisimlerden (çevre) enerji soğururlar. Iv=AeT4 Ia=AeTo4 I=Ae(T4-To4) T To çevre Iv Ia

İdeal bir gazın makroskobik tasviri Basıncı P, hacmi V, sıcaklığı T ve kütlesi m olan bir gaz göz önüne alalım. P=f(T,V), V=f(P,T),.....Hal (durum) denklemi P, T, V, m,.... Termodinamik veya makroskobik değişkenler Durum denklemi genellikle çok karmaşıktır. Yeterince düşük yoğunluklu bir gaza ideal gaz denir. Bu tür bir gazın durum denklemi kolayca yazılabilir. Moleküller arası mesafe çok büyük olduğu için etkileşmedikleri varsayılır. Sıcaklığı yeterince yüksek, basıncı da sıvılaşmayacak kadar düşüktür. Gerçekte ideal gaz mevcut değildir. Bu bir varsayımdır. Bir gazın miktarı genellikle mol sayısı n ile ifade edilir. Herhangi bir maddenin 1 mol’ü NA=6.02 1023 tane atom, molekül veya iyon içerir. Buna Avagadro sayısı denir.

Bir maddenin molar kütlesi M 1 molünün kütlesidir. 1 mol O2 molekülü 32g’dır. M O2 =32g/mol Mol sayısı M molar kütle NA Avagadro sayısı İdeal gazlar için yapılan deneyler Boyle kanunu: T=sabit P1 V1 T P2 V,2 T P3 V,3 T

p = Sabit (sabit hacim) T Charles kanunu: P=sabit VT Gay Lussac kanunu V=sabit Sabit (sabit hacim) p T =

İdeal gaz kanunu PV=nRT Termodinamik değişkenler (P, V, T) arasındaki hal (durum) denklemi R=8.314J/molK ideal (evrensel gaz sabiti) Bütün seyreltik gazlar için aynıdır. Normal şartlarda: 1 mol ideal gazın, O oC ve 1 atm basınç altında hacmi 22.4 l’dir. 1 atm=76 cmHg=1.01325 105 N/m2 1 N/m2=1 paskal 1litre =10-3 m3 PV=NkB T

Düşük basınçlarda veya düşük yoğunluklarda bütün gerçek gazlar ideal gaz gibi davranır. 1873 J.D. Van der Waals Gerçek gazlar için Van der Waals hal denklemi (a ve b pozitif sabit) Düşük yoğunluklu (çok seyrek) gazlar ideal gaz için olduğundan Van der Waals denklemi ideal gaz hal denklemine dönüşür.