TERMODİNAMİK

1. 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

2. ☻Sıcaklığı, bir cisme dokunduğumuzda hissedilen sıcaklık ve soğukluk derecesi olarak belirtebiliriz. cerebrum 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. Isıl Denge ve Sıcaklık

3. diatermal duvar Adyabatik duvar 1 ve 2 ısıl temas halinde 1 ve 2 ısıl dengede ☻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 cisimısıl dengededir denir T T T1 T2 1 2 2 1

4. ☻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. C A A B Termometre

5. 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

6. 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 oCde su+buharkarışımının ise 100 oCde bir arada oluştuğu kabul edilir.

7. 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.

8. PT P ● ● T(oC) 100 0 Yeterince seyreltik (az yoğunluklu) farklı gazlarda yapılan ölçümler sonucunda aşağıdaki P-T eğrisi elde edilmiştir. 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.

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

10. Suyun Hal Diyagramı Basınç artıkça sıcaklık azalır Üçlü nokta: katı+sıvı+gaz • 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. Kritik nokta: dan sonra sıvı ve buhar ayıredilemez 0.0 oC=273.15 K 0.01 oC=273.16 K

11. 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

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

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

15. Katı Gaz Sıvı Soğuk Sıcak Soğuk Sıcak Soğuk Sıcak Kısa mesafeli itici etkileşme uzun mesafeli çekici etkileşme • İki komşu atomun etkileşme potansiyel enerjisi U(r) • Atomlar Öteleme Dönme ve Titreşim kinetik enerjilerine sahip olabilir. T>> 0

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

17. Pdış Pdış=Piç Piç V=sabit Farklı Denge Durumları T1 T2 T T • 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.” A+B↔C N=sabit

18. Enerji Aktarımı • Sıcaklık farkından dolayı cisimler arasında enerji aktarımı olur. Bu olaya ısı iletimidaha doğrusu ısı yoluyla enerji aktarımıdenir. • 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.

19. Sıcak (Çok titreşim) Soğuk (az titreşim) Çubuk boyunca ısı iletimi A • 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) T2 T1 Isı iletim hızı x İletim (conduction) • Isı iletimi bir ortamın iki noktası arasında sıcaklık varsa oluşur.

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

21. Eşdeğer ısıl direnç T2 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 2 1 T1 T3 T1 2 1 T2

22. 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

23. 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/m2K4e-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 hemde diğer cisimlerden (çevre) enerji soğururlar. • Iv=AeT4 • Ia=AeTo4 • I=Ae(T4-To4) To çevre T Ia Iv

24. İdeal bir gazın makroskobik tasviri • Basıncı P, hacmi V, sıcaklığı T ve kütlesi m olan bir gaz gözönüne 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’üNA=6.02 1023tane atom, molekül veya iyon içerir. Buna Avagadro sayısı denir.

25. 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

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

27. 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=NkBT

28. 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. • Düşük basınçlarda veya düşük yoğunluklarda bütün gerçek gazlar ideal gaz gibi davranır.