Gazlar
Madde,moleküllerin belli bir haldeki hareketliliği olarak tanımlanan üç halde bulunur. Katılar,her zaman hareketleri kısıtlı olan moleküllerden oluşurlar. Bir katının atomları ve molekülleri ,güçlü, elektriksel ve kimyasal bağlar tarafından, kesinlikle değişmez konumlarda tutulurlar. Bir katının hemen hemen tüm kinetik enerjisi titreşimseldir ; bu nedenle ,katının ısıtılması, titreşimin artmasına yolaçar.
Bir sıvının katıdan farkı, moleküllerinin değişmez konumlarda tutulmayışıdır ; ama bu moleküllerden de, VAN der WAALS kuvvetleri denilen nispeten zayıf çekim kuvvetleri tarafından bir arada tutulurlar. Bir sıvıdaki moleküller, sıvının her yanında dolaşabilirler ; sıvı ısıtıldığında bu rasgele hareketler artar. Bundan dolayı bir sıvı moleküllerin yer değiştiren kinetik enerjisi vardır. Bir sıvı yeteri kadar ısıtılırsa, yer değiştirme hareketi zayıf Van der Waals kuvvetlerini yener ve sıvı buharlaşır.
Bir gazın molekülleri birbirinden ayrıdırlar ve yalnızca gazın içinde bulunduğu kapla sınırlanırlar .Gaz molekülleri sürekli başıboş hareket içindedirler.Bir sıvı yada katıdan farklı olarak ,bir gazın belli bir biçimi ve belli bir hacmi yoktur ; İçinde bulunduğu kaba uymak için genişler.Sınırlanmış bir gazın sıcaklığının artması,moleküllerin hareketlerinin ve aralarındaki çarpışmaları artmasına neden olur.Gaz halindeki maddenin karmaşık yapısı,belli bir gazın modeli için ,kesin bir tanımlamayı gerektirir.Bir gazI tam anlamıyla tanımlayabilmek için,kütlesini,hacmini,sıcaklığını ve basıncını tam olarak bilmek gerekir.
GAZLARIN BASINCI VE ÖLÇÜLMESİ: Moleküllerin birbirleri üzerine çekim uygulamadıkları düşünülen ve kabul edilen gaza ideal gaz denir. İdeal gaz kavramına uyan gazlar pek azdır.(H 2 , He gibi). Gerçek gazlar ideal gaz kavramından az yada çok saparlar. Gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınçta ideal davranırlar.
BAROMETRE: Açık hava basıncını ölçen aletlerdir. Deniz seviyesinde 76 cm Hg sütununun yüksekliğine yada yaptığı basınca 1 atmosfer denir.
h yüksekliği kullanılan sıvının cinsine ve atmosfer basıncına bağlıdır. Borunun çapına bağlı değildir. Civa yerine ( d=13,6 gr/cm 3 ) su kullanılsaydı (d=1gr/cm 3 ) okunacak değer,
h 1 .d 1 =h 2 .d 2
76.13,6 = 1.h 2 den h 2 = 1033 cm yani 10,33 metre olurdu. Bu kadar yüksek bir değerle uğraşmak yerine civa ile daha küçük bir değerle hesap yapmak daha kolaydır. Suyun buharlaşma özelliği bulunduğundan borunun üzerindeki boşluğu doldurarak basıncın yanlış okunmasına sebep olabilir fakat civa ¤¤¤¤ldir ve kolay buharlaşmaz.
MANOMETRE : Kapalı kaplardaki gazların basıncını ölçen aletlerdir. İki çeşittir.
1- Açık uçlu Manometreler : Bu tür manometrelerde sistem atmosfer basıncına açıktır.
a) Gazın basıncı atmosfer basıncından Büyükse : Civa açık kolda yükselir ve gazın basıncı atmosfer basıncıyla h yüksekliğinin toplamına eşittir.
b) Gazın basıncı atmosfer basıncından küçükse :Civa gaza doğru yükselir. Gazın basıncı, Atmosfer basıncından h yüksekliği çıkarılarak bulunur.
c) Gazın basıncı atmosfer basıncına eşitse civa seviyeleri eşit olur.
2-Kapalı uçlu Manometreler : Bu tür manometrelerde sistem atmosfer basıncına kapalıdır. Civa seviyeleri arasındaki fark gazın basıncına eşittir.
P ile V ilişkisi: gazların sabit mol sayıda ve sabit sıcaklıkta basınçlarıyla hacimleri ters orantılıdır.
P 1 V 1 =P 2 V 2 P 1 /T 1 =P 2 /T 2 V 1 /T 1 =V 2 /T 2 P 1 /n 1 =P 2 /n 2 V 1 /n 1 =V 2 /n 2
Sıcaklık : Bir maddenin ortalama kinetik enerjisidir. Gaz hesaplamalarında kesinlikle oC ile hesaplama yada yorum yapılmaz. Verilen CC 0K cinsinden sıcaklığa çevrilmelidir.
T= t 0 C + 273
Farklı iki gazın sıcaklıkları eşitse ortalama kinetik enerjileri de eşittir. Kinetik enerji sadece sıcaklığa bağlıdır.
Gazların yayılma hızları molekül ağırlıklarının kareköküyle ters orantılıdır. (Graham Difüzyon Kanunu)
Yayılma hızı sıcaklığa ve molekül ağırlığına bağlıdır. İki niceliğin eşit olduğu şartlarda moleküllerin
hızları da eşittir. Örneğin sıcaklıkları eşit olan CO 2 (44) ve N 2 O ( 44) gazlarının ortalama hızları birbirine eşittir.
BASINÇ SICAKLIK VE HACİM
Karşılıklı olarak birbirine bağlı olduklarından,gazın özelliklerini birbirinden yalıtmak olası değildir.Bir gazın sıcaklığı,kinetik enerjisinin ölçümüdür.sıcaklıktaki artış,gaz moleküllerinin artmasına neden olur.kinetik enerji artarsa,moleküllerin ortalama hızı da buna uygun olarak artmaktadır.Daha büyük hızlar,gaz moleküllerinin birbiriyle ve kabın çeperleriyle daha sık çarpışmalarını sağlar ve bu çarpışmalar,çeperlere,düşük hızı olan çarpışmalara oranla daha büyük bir kuvvet uygulayabilir.
Bundan dolayı,hacim değişmez tutulduğunda,sıcaklığın artması basınçta da bir artış oluşturur;çünkü bir kabın çeperinde birim alana uygulanan kuvvet,gaz basıncının ölçüsüdür.Gazın içinde bulunduğu kabın hacmi büyültülürse,sıcaklığın artması,basınç artmasına neden olmaz;daha enerjik çarpışmalar daha büyük bir alana yayıldığından,basınç aynı kalır.
CAHARLES YASASI: Basınç değişmez kaldığında,bir gazın sıcaklığıyla hacminin doğru orantılı olduğunu açıklar. Charles yasasının matematik olarak simgesi için ,sıcaklığın sıfır noktası mutlak sıfır – yani kurumsal olarak olabilecek en düşük sıcaklık – olarak tanımlanan bir Kelvin (mutlak sıcaklık) ölçeğinde ölçülmesi gerekir. Rasgele molekül hareketlerinin tümü ,mutlak sıfır sıcaklığında sona erecektir.
Charles yasası matematik olarak şöyle gösterilmiştir ;
t / v = t’/ v’
Burada t Kelvin derecesiyle ölçülen mutlak sıcaklığı , v ise bilinen hacim birimleriyle ölçülen hacmi göstermektedir. Bu gaz yasasının geçerli olması için , yalnız sıcaklık ve hacim değişebilir ; gazın kütlesi ve basıncı ,bu değişme sırasında değişmez kalmaktadır.
Deneyler gazların ısınırken genleştiğini ve soğuturken ise daraldıklarını göstermiştir. Çölde araç kullanan kişiler bunu bilirler. Çünkü sabah erkenden şişirilen lastikler gün ısınırken daha çok şişeceklerdir. Charles yasası bu ilkeyi basit bir formülle göstermiştir. V=k.t.v gaz hamini k bir sabiti ve t ise Kelvin olarak sıcaklığı gösteriri. ( basıç sabit )
Teorik incelemeler kazların -273 , 15 o C (yada -459 , 67 o C ) sıcaklıkta hacimlerinin sıfır olacağını göstermiştir. Bu sıcaklık olabilecek en soğuk sıcaklığı ifade eder. Bu nedenle mutlak sıfır olarak adlandırılır.
GAY- LUSSAC YASASI : Boyle yasası bir gazın sıcaklığının değişmeyip basıncının ve hacminin değiştiği durumdaki davranışlarını açıklar. Doğal bir izleme ,hacim değişmezken sıcaklık değişmesiyle neler olacağını ortaya çıkarır. Bu deneyde kullanılacak araç bir ucu muslukla kapatılmış dereceli bir cam silindirden oluşmuştur;silindirin öndeki ucu lastik bir tüple,başka bir cam silindire bağlanmıştır.Bileşik kaplar ilkesinden dolayı, civa ,her iki silindirde de aynı düzeye ulaşır.İlk silindirin üst bölümü-civa sütunuyla musluk arası-gazla(burada havayla)doludur.sistem bir kez kuruduktan sonra,her kolu çevre sıcaklığına ulaşana kadar öylece bırakılır.
Bu denge noktasına ulaşıldığında,bir manometre veya bir termometre yardımıyla basınç ve sıcaklık kaydedilir.Manometrenin gösterdiği değer P o (ilk basınç) ilk termometrenin gösterdiği değer t o (ilk sıcaklık) ile gösterilir.Daha sonra,dereceli silindir dereceli silindir bir kola kapatılır ve gazın sıcaklığı t o ‘dan t’ye yükseltilir.Bu durumda gaz molekülleri silindirin çeperlerine daha sık ve daha kuvvetli çarparak hareket hızların (kinetik enerji) arttırırlar ve bu nedenle,gazın basıncı artar.ardından sıcaklık 10 o C yükseltir (sözgelimi20 o C tan 30 o C ‘a çıkartır).İkinci silindir,birinci silindirdeki civa aynı düzeye gelene kadar
yükseltilir ve böylece,gazın hacmi değişmez tutulur.(Gerçekte,gaz genişlerken civa yüzeyi düşmeyi sürdürecektir.)Manometreye bir göz atarsak,basıncı 1 atmosferden 1,0365 atmosfere çıktığını gösterecektir. Değişen her sıcaklık derecesindeki basınç artışı 1802’de fransız kimyacısı Joseph Louis Gay-Lussac tarafından bulunan Gay-Lussac yasası,soruyu yanıtlamaktadır.bu yasaya göre son basınç,ilk basınç,artan her sıcaklık derece başına belli bir miktar eklenmesiyle elde edilir.bu miktar,derece başına ilk basıncın1/2732’üdür yasa şöyle gösterilir;
P t = P 0 (1+B (beta) t)
Burada B (beta) 1/273 yada 0,003663 , t de sıcaklık değişimidir. ;gazın kimyasal yapısı yada ilk sıcaklığı hesaba katılmaksızın ,tüm gazlar için B’ – nın değeri aynıdır.
Aynı aygıt kullanılarak başka bir deney yapıldığını düşünelim. Bu kez civa düzeyleri her iki kolda da aynı kalacak biçimde ikinci silindirin yerinin değiştirilmesiyle basınç değişmez tutulsun. Gaz gene ısıtıldı mı genişler ; genişlerken basınç sabit kaldığı sürece civayı aşağı doğru iter.
Daha önce basıncı bulmak için yapılan hesaplar burada da tekrar edilirse ,her tip gaz için ,her sıcaklık derecesindeki hacim artışı bulunabilir. Bu nedenle ,sonuçtaki P t hacmi şöyle gösterilir :
V t = V o (1+a (alfa) t)
Burada a (alfa) pratik olalarak B - eşittir. Bir başka deyişle ,gazların hacim ve basınçları ,her derecede sıcaklık değişmezi için ,aynı katsayıyla (1/273) değişmektedir.
Bu deneyler ,bir gazın basıncının ve hacminin sıcaklığa bağıl olarak nasıl değiştiğini göstermektedir. İkinci adım ,bu ifadelerin anlamını çıkarmak ve bu formüller altında gizlenen gerçeği görmek içindir.
Deney için ,her biri birer ideal gazla doldurulmuş iki silindir gerekmektedir. Deney çok düşük sıcaklıklarda yapıldığından ,ideal gaz kullanılması sıvılaşma sorununu ortadan kaldırır ve tek başına ideal gaz kullanılması uygun olur. Birinci silindirin pistonu sabitleştirilir ;sonra gaz ısıtılır. Sıcaklık artarken artan basınç değerleri ,manometreden kaydedilir. Aynı işlem ikinci silindirle de yapılır ;ama bunun pistonu serbest bırakılır. Bu kez ,sıcaklıktaki artış gazın hacmini artırır. Bu değerlerde kaydedilir. Her iki silindir soğutulduğunda ikinci silindirde piston ,hacmi tümüyle ortan kaldırana kadar silindirin içinde hareket ederken ,birinci silindirde basınç sıfıra düşecektir. Böylece hacim ve sıcaklığın sıfıra düştüğü bir sıcaklık ortaya çıkar. Bu anda yapılacak şey ,bu olay gerçekleştiği anda sıcaklık değerini saptamaktır. Önce ,deneyde kaydedilen basınç hacim ve sıcaklık verileri bir çizim haline getirilir. Tüm veriler _ 273,16 o C sıcaklığında apsisle kesişen bir doğru üstünde olduğu görülecektir. Bu durum ,mutlak olarak ,bu sıcaklık değerinde basınç ve hacim değerlerinin sıfır olduğunu gösterir.
_ 273,16 o C ,elde edilebilecek en düşük sıcaklığı göstermektedir. Gerçekte ,daha düşük sıcaklıklarda basınç ve hacim eksi değerli olacaktır. Bundan dolayı bu sıcaklık değerine mutlak sıfır denir.
Deney geçek bir gazla yapılmış olsaydı ,mutlak sıfır elde edilemeyecekti ;çünkü ,gaz bir yolla mutlak sıfıra düşmeden sıvılaşacaktır. Veriler sıvılaşma noktasına kadar işaretlense gene bir doğru üzerinde olacaklardı ;bu doğrunun apsisi kesene kadar uzatılması ,gene aynı sonucu verecektir. Bu tümüyle yeni bir sıcaklık ölçeği gösterir :Mutlak ölçek yada Kelvin ölçeği denen bu ölçeğin sıfırı _ 273,16 o C ‘ta bulunmaktadır.