KONU BAŞLIKLARI

1. Gerçek Gazlar
2. Moleküller Arası Bağlar ve
Gerçek Gazlann Sıvılaşması
3. Joule- Thomson Olayı
4. Gaz, Buhar ve Kritik Sıcaklik

GERÇEK GAZ


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.

1.Düşük basınçta
2.Yüksek sıcaklıktaki gazlarlar idealliğe yaklaşırlar.



Yüksek basınç ve düşük sıcaklıkta, gaz molekülleri arasındaki etkileşimler artacağı için gazlar ideal gaz varsayımından sapar.

ÖRNEK

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.


İdeal gaz davranışına uymayan gazlara Gerçek Gaz denir

Gaz moleküllerinin öz hacmi, toplam hacim yanında ihmal edilebilir mi?


Kinetik teoriye göre gaz moleküllerinin öz hacmi, toplam hacim

yanında ihmal edilebilir.










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.

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.







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.

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.







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.





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.