BÖLÜM_3_Saf_Maddenin_Özellikleri PDF

9/25/2014 Bölüm 3 SAF MADDENİN ÖZELLİKLERİ 1 Doç.Dr. Birgül Prof. Dr.Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri Amaçlar Saf madde kavramının tanıtılması Faz değişimi iş...

9/25/2014 Bölüm 3 SAF MADDENİN ÖZELLİKLERİ 1 Doç.Dr. Birgül Prof. Dr.Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri Amaçlar Saf madde kavramının tanıtılması Faz değişimi işleminin fizik ilkelerinin incelenmesi Saf maddenin P-v-T yüzeylerinin ve P-v, T-v ve P-T özelik diyagramlarının gösterimi Özelik veri tablolarından saf maddenin termodinamik özeliklerin belirlenmesi için izlenecek yolun gösterimi. Sanal bir madde olarak mükemmel gaz ve mükemmel gaz hal denkleminin tanımını yapmak Özgün problemlerin mükemmel gaz hal denklemi ile çözümünün uygulanması Gerçek gazların mükemmel gaz davranışından farklılığının bir ölçüsü olan sıkıştırabilme çarpanı tanımlanması Yaygın olarak bilinen diğer hal denklemlerinin verilmesi. 2 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 1  9/25/2014 SAF MADDE Saf madde: Her noktasında aynı ve değişmeyen bir kimyasal bileşime sahip olan maddeye denir. Hava değişik gazlardan oluşan bir karışımdır, kimyasal bileşiminin her noktada aynı ve değişmez olmasından dolayı saf maddedir. Sıvı-buhar karışımı su saf bir maddedir, ama sıvı ve gaz Azot ve gaz halindeki hava saf havanın karışımı saf bir madde maddelerdir değildir 3 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri SAF MADDENİN FAZLARI Katı bir cismi oluşturan moleküller, yay benzeri moleküller arası kuvvetlerle yerlerinde tutulurlar Bir katıda, moleküller arasındaki itici ve çekici güçler, molekülleri nispeten birbirinden aynı uzaklıklarda tutma eğilimindedirler. Atomların farklı fazlardaki düzenleri: (a) bir katıdaki moleküller nispeten sabittir, (b) sıvı fazda molekül grupları birbirleri etrafında hareket ederler ve (c) gaz fazında moleküller rastgele hareket ederler. 4 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 2  9/25/2014 SAF MADDELERİN FAZ DEĞİŞİM İŞLEMLERİ Sıkıştırılmış sıvı (soğutulmuş sıvı): Henüz buharlaşma aşamasına gelmediği bir durumdur. Doymuş sıvı: Buharlaşma başlangıcı olan hale denir. 1 atm basınçta ve 20 oC sıcaklıkta su sıvı fazındadır (sıkıştırılmış sıvı) 1 atm basınçta ve 100 oC sıcaklıkta su buharlaşma başlangıcındadır (Doymuş sıvı) 5 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 6 Doç.Dr. Birgül Prof. Dr.Benli Yrd.Doç.Dr. Ali PINARBAŞI Birgül Benli Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 3  9/25/2014 7 Doç.Dr. Birgül Prof. Dr.Benli Yrd.Doç.Dr. Ali PINARBAŞI Birgül Benli Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri Doymuş buhar: Yoğuşmanın sınırında olan buhara. Doymuş sıvı-buhar karışımı: Bu durumda sıvı ve buhar fazları bir arada ve dengede bulunur. Kızgın buhar: Yoğuşma sınırında olmayan (yani doymuş buhar gibi değil) buhara denir. Daha fazla ısı transfer 1 atm basınçta sıvının son Daha fazla ısı transfer edildiğinde doymuş sıvının bir damlası da buharlaşıncaya edildiğinde buharın bölümü buharlaşır. (doymuş kadar sıcaklık 100oC’de sabit sıcaklığı artmaya sıvı-buhar karışımı) kalır. (doymuş buhar) başlar. (kızgın buhar) 8 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 4  9/25/2014 Burada izah edilen hal değişiminin tamamı 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 açığa çıkan ısının miktarı, ısıtma işlemi sırasında eklenen ısının miktarına tamamen eşit olacaktır. Sabit basınçta suyun ısıtılmasının T-v diyagramında gösterimi 9 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri Doyma Sıcaklığı ve Doyma Basıncı Suyun kaynamaya başladığı sıcaklık basınca bağlıdır, bu nedenle sabitlenmiş bir basınçta kaynama sıcaklığı da belirli bir değere sahiptir. Su 1 atm basınçta 100 °C de kaynar Doyma sıcaklığı Tdoyma: Verilen bir basınçta saf maddenin faz değişimlerine başladığı sıcaklıktır. Doyma basıncı Pdoyma: Verilen bir sıcaklıkta, saf maddenin faz değişimlerine başladığı basınçtır Saf bir maddenin sıvı-buhar doyma eğrisi (sayısal değerler su için verilmiştir). 10 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 5  9/25/2014 Gizli ısı: Faz değişimi süreci boyunca alınan veya verilen enerjinin miktarı. Gizli füzyon ısısı: erime süresince emilen enerjinin miktarına denir ve donma süresince ortama verilen enerjiye eşittir. Gizli buharlaşma ısısı: Buharlaşma süresince çekilen enerjiye gizli buharlaşma ısısı denir ve yoğunlaşma sırasında açığa çıkan enerjiye eşittir. Gizli ısının büyüklüğü faz değişimlerinin oluştuğu sıcaklığa veya basınca bağlıdır. 1 atm basınçta suyun gizli füzyon ısısı 333.7 kJ/kg ve gizli buharlaşmanın ısısı 2256.5 kJ/kg dır. Atmosfer basıncı ve dolayısıyla suyun kaynama sıcaklığı yükseklikle azalır. 11 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri Tdoyma ve Pdoyma Bağımlılığının Bazı Sonuçları 25 oC’den 0 oC’ye vakumlu 1775 yılında Sun soğutma tankındaki hava süresince sebze boşluğu boşaltılarak ve meyvelerin buz elde edildi. basınçla sıcaklık değişimleri Atmosfere maruz kalan sıvı azotun sıcaklığı -196 oC’ de sabit kalır ve böylece test odasının sıcaklığı da -196 oC olarak kalır. 12 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 6  9/25/2014 FAZ DEĞİŞİMİ İŞLEMLERİ İÇİN ÖZELİK DİYAGRAMALARI Özelik diyagramlarının kullanılması faz değişiminin gerçekleştiği hal değişimleri sırasında, özeliklerin nasıl değiştiğini anlamak ve izlemek bakımından çok yararlıdır. Bir sonraki kısımda saf madde için T-v, P-v, ve P-T diyagramları geliştirilmiş ve açıklanmıştır Değişik basınçlarda, saf bir maddenin sabit basınçta faz değişim eğrilerinin T-v diyagramında gösterimi (Sayısal değerler su içindir). 13 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri Doymuş sıvı çizgisi Doymuş buhar çizgisi Sıkıştırılmış sıvı çizgisi Kızgın buhar bölgesi Sıkıştırılmış sıvı-buhar karşım bölgesi (ıslak buhar) Kritik noktanın Saf bir maddenin T-v diyagramı üzerindeki basınçlarda (P > Pcr), Kritik nokta: Doymuş farklı bir faz değişim sıvıyla doymuş buhar (kaynama ) süreci hallerinin aynı olduğu hal. yoktur. 14 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 7  9/25/2014 Bir piston silindir düzeneğindeki Saf bir maddenin P-v diyagramı basınç, pistonun ağırlığı azaltılarak düşürülebilir. 15 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri Diyagramların Katı Fazıyla Beraber Genişletilmesi Bir madde üçlü nokta basınç ve sıcaklığında Su için, üç fazı denge Ttp = 0.01°C durumunda bulunur. Ptp = 0.6117 kPa Donarken hacmi küçülen bir Donarken genişleyen (su gibi) bir madenin P-v diyagramı maddenin P-v diyagramı 16 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 8  9/25/2014 Süblimasyon: Katı Faz Diyagramı fazından doğrudan buhar fazına geçiş Düşük basınçlarda (üçlü nokta basıncının altında) katılar sıvı fazından geçmeden buharlaşır Saf maddelerin P-T diyagramı (süblimasyon) 17 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri P-v-T yüzeyleri bir bakışta büyük miktarda bilgi sağlar, fakat termodinamik analizlerde P-v ve T-v diyagramlarıyla çalışmak çok daha uygundur. Donarken hacmi küçülen bir Donarken genişleyen (su gibi) bir maddenin P-v-T yüzeyi maddenin P-v-T yüzeyi 18 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 9  9/25/2014 ÖZELİK TABLOLARI Birçok madde için termodinamik özelikler arasındaki ilişkiler basit denklemlerle ifade edilemeyecek kadar karmaşıktır. Bu nedenle özelikler genellikle tablolar aracılığıyla verilir. Bazı termodinamik özelikler kolaylıkla ölçülebilir, fakat bazıları da doğrudan ölçülemez. Bu özelikler, ölçülebilen özeliklerle aralarındaki ilişkiyi veren bağıntılardan hesaplanır. Ölçümler ve daha sonra bunlara dayanarak yapılan hesaplar kolaylıkla kullanılabilecek tablolarla sunulur. Entalpi- Bir Karma Özellik u + Pv’nin kombinasyonuna kontrol hacimlerinin çözümlemesinde Basınç x Hacim çarpımı sıklıkla karşılaşılır. enerji birimini verir. 19 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri Doymuş Sıvı ve Doymuş Buhar Halleri Tablo A–4: Suyun doymuş sıvı ve doymuş buhar özelikleri doyma sıcaklığına göre. Tablo A–5: Suyun doymuş sıvı ve doymuş buhar özelikleri doyma basıncına göre. Tablo A-4’ün bir bölümü Buharlaşma entalpisi, hfg (Buharlaşma gizli ısısı): verilen bir basınç veya sıcaklıkta doymuş sıvının birim kütlesini buharlaştırmak için gereken enerjidir. 20 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 10  9/25/2014 Örnekler: Genel çizimler ve T-v ve P-v diyagramları 21 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri Doymuş Sıvı-Buhar Karışımı Kuruluk derecesi, x : karışımdaki sıvı ve buhar fazlarının oranı. Değeri her zaman 0 ile 1 arasındadır. Doymuş sıvı halinde 0. Doymuş buhar halinde 1’ dir. Doymuş sıvının özeliklerinin, tek başına da olsa, doymuş buharla bir karışım içinde de olsa değişmediği vurgulanmalıdır. Sıcaklık ve Basınç, karışımın özelliğine bağlıdır. Doymuş bir karışımdaki sıvı ve buhar miktarları, kuruluk derecesiyle, İki fazlı bir sistem uygunluk için x, gösterilir homojen bir karışım gibi davranabilir 22 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 11  9/25/2014 y v, u, or h. Kuruluk derecesi P- v ve T- v diyagramlarında yatay uzunluklarla orantılıdır. Belirli bir T veya P noktası için doymuş sıvı-buhar karışımının v değeri vf ve vg değerleri arasında bulunur. 23 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri Örnekler: Doymuş sıvı-buhar karışımları genel çizimler ve T-v ve P-v diyagramları. 24 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 12  9/25/2014 Kızgın Buhar Doymuş buhar eğrisinin sağındaki Belirli bir P bölgede ve kritik noktasal sıcaklığın noktası için üzerindeki sıcaklıkta madde kızgın kızgın buharın buhardır. entalpisi, Kızgın buhar bölgesi tek fazlı (sadece doymuş buhar fazı) bir bölge olduğundan sıcaklık buharınkinden ve basınç artık birbirlerine bağlı değildir. daha yüksektir Kızgın buhar ile doymuş buharın karşılaştırılması Tablo A-6’nın bir bölümü 25 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri Sıkıştırılmış Sıvı Sıkıştırılmış sıvıya ilişkin Sıkıştırılmış sıvı bölgesinde özelikler bilgilerin yokluğunda, sıkıştırılmış sıvı özeliklerini doymuş sıvı özeliklerine eşit almak, genellikle benimsenen bir uygulamadır y v, u, or h Hassas olarak “h” ilişkisini hesaplamak için; Verilen bir Verilen bir basınç sıcaklıkta ve sıcaklıkta, saf sıkıştırılmış bir madde, T