temel kavramlar - Hitit Üniversitesi

BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR
• Sistem ve Hal Değişkenleri
Üzerinde araştırma yapmak üzere sınırladığımız bir evren parçasına
sistem, bu sistemi çevreleyen yere is ortam adı verilir.
İzole sistem; Madde ve her türden enerji akışına karşı yalıtılmış
Kapalı sistem; Madde akışına yalıtılmış, her tür enerji akışına açık
Açık sistem; Madde ve her türden enerji akışına karşı yalıtılmamış
Bir sistemi tanımlayabilmek için gerekli olan kütle (m), molar miktar
(n), hacim (v), basınç (p), sıcaklık (T) ve derişim (x) gibi mutlak değeri
ölçülebilen niceliklere hal değişkeni adı verilir.
Madde miktarına bağlı olan n ve v gibi nicelikler kapasite özelliği
taşıyan, p, T ve x gibi nicelikler şiddet özelliği taşıyan hal
değişkenleridir.
Kapasite özelliği taşıyan iki niceliğin birbirine oranı daima şiddet
özelliği taşıyan bir nicelik vermektedir. v/n=V ve m/v=
•
Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE | Kimya Bölümü | Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
1
BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR
• Sistem ve Hal Değişkenleri
Aralarında bir eşitlik yazılabilen niceliklere bağımlı değişkenler,
yazılamayanlara ise bağımsız değişkenler denir.
Bir sistemi tanımlayabilmek için yeterli olan ve şiddet özelliği taşıyan
bağımsız değişkenlerin sayısına o sistemin serbestlik derecesi denir.
Faz; bir sistem içinde tüm şiddet özelliklerinin aynı olduğu bölge.
Homojen sistem bir fazlı, heterojen sistem çok fazlı olandır.
Bir sistem içinde bulunan maddelerden saf olarak elde edilebilen ve
bir kimyasal formül ile simgelenebilenlere bileşen adı verilir.
Derişim; bir bileşenin bir faz içindeki miktarını tüm bileşenlerin
miktarına bağımlı, fakat fazın toplam madde miktarından bağımsız
olarak verecek şekilde tanımlanan sistem değişkenleri. Kütle kesri,
mol kesri, molalite, molarite ve normalite birer derişim değişkenidir.
•
Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE | Kimya Bölümü | Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
2
BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR
• Sistem ve Hal Değişkenleri
Faz analizi; bir sistemdeki fazların mutlak ya da bağıl miktarlarını
bulmak için yapılan işlemdir.
Bileşen analizi, tüm sistem veya bir faz içindeki bileşenlerin mutlak
ya da bağıl miktarlarını bulmak için yapılan işlemdir.
Fiziksel veya kimyasal olayların yürüdüğü gerek kapalı ve gerekse
açık sistemlerde hal değişkenlerinden bazıları sabit tutulur.
Sıcaklık sabit tutulduğunda izotermik sistem, basınç sabit
tutulduğunda izobarik sistem, ısı akışı önlendiğinde adyabatik
sistem ve hiçbir kısıtlama yapılmadığında politropik sistem ortaya
çıkar.
Olayların her an geriye dönülebilecek şekilde yürümesi için
tasarlanan tersinir sistem, tersine ise tersinmez sistem denir.
•
Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE | Kimya Bölümü | Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
3
BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR
 Madde miktarı
Kütle ya da mol alınabilir. Kütle birimi kg, sistemdeki bileşenlerden her birinin
kütlesi molar kütlesine bölünüp mol olarak madde miktarı bulunur.
Karbon-12 izotopunun 0,012 kg’ı içinde bulunan atom sayısına eşit tanecik içeren
madde miktarı bir mol olarak tanımlanmıştır.
Bu tanecikler elektron, iyon, atom, molekül ya da belirli özdeş tanecikler olabilir.
İlk kez Loschimidt (1821-95) tarafından L=6,02X1023 mol-1 olarak ölçülmüştür.
Taneciklerin özellikleri mikroskopik, bir molün özellikleri makroskopiktir.
 Hacim
Bir madenin boşlukta kapladığı yerdir (m3 ve az katları). Katı, sıvı ve gazların
hacimleri farklı yöntemlerle kolayca ölçülür.
Katı ve sıvıların hacimleri T ve P ile ihmal edilecek derecede değişirken gazlarınki
büyük ölçüde değişir.
Birim kütlenin hacmi özgül hacim, bir mol maddeninki molar hacimdir ve şiddet
özelliğindeki değişkenlerdir.
Bir bileşenin bir karışım içindeki hacmine kısmi hacim, molar hacmine ise kısmi
molar hacim denir.
•
Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE | Kimya Bölümü | Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
4
BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR
 Basınç
Birim yüzeye etkiyen kuvvet olup, sistem ile ortam arasındaki iş akışının
yönünü belirleyen şiddet özelliğindeki bir hal değişkenidir.
SI basınç birimi (Pa=N m-2) olarak adlandırılmıştır.
1 atm; yüksekliği atmosfer kalınlığına eşit olan bir hava sütununun deniz
düzeyindeki 1 cm2’lik yüzeye uyguladığı kuvvettir.
Torricelli (1643), deniz yüzeyindeki atmosfer basıncının 760 mm
yüksekliğindeki Hg sütununun hidrostatik basıncına eşit olduğunu
göstermiştir ve 1 mm Hg basıncına torr adı verilmiştir.
1 atm = 760 mm Hg = 760 torr = 101 325 Pa = 1,01325 bar
1 bar = 750 mm Hg’dır, basıncın 1 atm’lik veya 1 bar’lık değeri standart
basınç olup p0 şeklinde simgelenir.
Bir sistemdeki gazın basıncı manometre ile ölçülür.
U şeklindeki basit manometreler yanında düşük ve yüksek basınçları
ölçmek için daha duyarlı manometreler geliştirilmiştir.
•
Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE | Kimya Bölümü | Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
5
BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR
 Sıcaklık
Sistem ile ortam arasındaki ısı akışının yönünü belirleyen şiddet özelliğindeki bir
hal değişkenidir.
Sıcaklık ısı değildir ama sistemdeki moleküllerin her türden kinetik enerjileri
toplamının bir fonksiyonudur.
Termodinamiğin sıfırıncı yasası termal denge kavramını getirmektedir ve sistem
ve ortam sıcaklıklarının eşit olması ve net ısı akışının ortadan kalkması ile
kurulur.
TA = TB ve TA = TC ise TB = TC Sıfırıncı yasanın matematiksel tanımı
A sistemi termometre, B sistemi sıcaklığı referans olarak alınacak bir ısı deposu, C
sistemi ise sıcaklığı ölçülecek bir ısı deposu ise, A, sırasıyla B ve C ile termal dengeye
geldiğinde özellikleri değişmediğinde C’nin sıcaklığı B’ninkine eşit olur.
•
Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE | Kimya Bölümü | Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
6
BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR
 Sıcaklık
v, p ve R gibi bazı özellikleri t ile doğrusal olarak değişebilen
maddelere termometrik madde denir. Herhangi bir termometrik
maddenin bir y özelliği t ye doğrusal olarak bağlıysa (y=f(t)), t=f(y)
ters fonksiyonunun grafiği de doğrusaldır. Termometrik maddenin y
özelliğindeki değişmelere karşılık gelen sıcaklıkların işaretlenmesiyle
termometre yapılır. Örneğin cıvalı termometrede gözlenen sütun
yüksekliği okunan ise sıcaklıktır.
İlk termometreyi Rmer (1644-1710) yapmıştır. Suyun normal donma
ve kaynama sıcaklıklarını referans almıştır.
Celsius (1701-1744) 1 atm de suyun dn ve kn için 0ºC ve 100ºC
referans alarak bir termometre yapmıştır.
1ºC = (y100-y0)/100
•
t/ºC =
𝑦−𝑦0
𝑦100 −𝑦0
× 100
Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE | Kimya Bölümü | Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
7
BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR
 Sıcaklık
Fahrenheit (1686-1736) 1 atm’de suyun dn ve kn için 32ºF ve 212ºF
kabul edip izlenen özelliği 180 eşit parçaya bölerek 1ºF sıcaklık birimini
tanımladı. Bu 3 termometre keyfidir ve aynı ısı deposunun sıcaklığını
farklı gösterir.
Doğanın koyduğu bir de mutlak sıcaklık vardır. Termodinamiğin ikinci
yasasından ortaya çıktığı için buna termodinamik sıcaklık da denir.
William Thomson (Lord Kelvin 1824-1907) tarafından 1848 de
tanımlanmış ve kelvin sıcaklığı adı verilmiştir. Birim olarak ºC ye eşit
olan K suyun üçlü noktasındaki mutlak sıcaklığın 1/273,16 sına eşit
kabul edilmiştir. Suyun 1 atm’deki dn üçlü noktasından 0,01 K daha
düşük olduğundan 0ºC keyfi sıcaklığa karşılık gelen kelvin sıcaklığı
273,15 K, 100ºC’a karşılık gelen is 373,15 K olur
T/K = t/ºC + 273,15
Termodinamik hesaplamalarda K kullanılması zorunludur.
•
Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE | Kimya Bölümü | Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
8
BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR
Örnek: Basınç denkliği
Hacimleri 50 dm3 ve 10 dm3 olan iki gaz tüpü içinde aynı sıcaklıklardaki
basınçları 150 atm ve 1,2 atm olan O2 gazı bulunmaktadır. İki tüp bir boru ile
birleştirildiğinde son basınç ne olur?
Basınç denkliği kurulana kadar yüksek basınçlı tüpten diğerine gaz akar.
p(v1+v2) = (n1+n2)RT =p1v1+p2v2
p(50+10)= 150 x 50 + 1,2 x 10
;
p=125,2 atm
Örnek: Sıcaklık denkliği
Sıcaklıkları 99ºC ve 25ºC olan birer kg kütleli iki demir blok birbirine değdiriliyor.
Demirin ısınma ısısı 444 J kg-1 K-1 olduğuna göre son sıcaklığı ve akan ısıyı
hesaplayınız.
Termodinamiğin sıfırıncı yasasına göre termal denge kuruluncaya dek ısı akar,
son sıcaklık ve akan ısı aşağıdaki gibi hesaplanır.
mcp(t2+t) = mcp(t-t1);
t=(t1+t2)/2 = (25+99)/2= 62ºC
q2 = - q1 = 1 x 444 x (62-99) = - 16,4 kJ
•
Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE | Kimya Bölümü | Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
9
BÖLÜM 1: TEMEL KAVRAMLAR
Örnek: Termodinamik hesaplamalar
Etanol için genleşme katsayısının santigrat sıcaklığa bağlılığı
 = 1,0414 x 10-3 + 1,5672 x 10-6t + 5,148 x 10-8t2
şeklinde verilmektedir. Üzerinde kılcal boru bulunan bir balona etanol
doldurulduktan sonra 0ºC ve 50ºC sıcaklıklardaki etanol düzeyleri kılcal boru
üzerinde işaretlenmiştir. İki işaret arası 50 eşit parçaya bölünerek hazırlanan
termometreden 30ºC olan sıcaklık kaç derece olarak okunur?
Katı, sıvı ve gazlar için hacim sıcaklıkla v = v0+v0t şeklinde değişmektedir.
Buradaki v ve v0 sırayla t ve 0ºC sıcaklıklarındaki hacimleri göstermektedir.
Termometre için türetilen bağıntı göz önüne alınarak hesaplama yapıldığında;
t=
t=
𝑣30 −𝑣0
𝑣50 −𝑣0
30
𝑥 50 =
𝑣0 0  𝑑𝑡
50
𝑣0 0  𝑑𝑡
𝑥 50
1,0414 𝑥 10−3 𝑥 30+ 1,5672 𝑥 10−6 /2 𝑥 (30)2 + 5,148 𝑥10−8 /3 𝑥 (30)3
1,0414 𝑥 10−3 𝑥 50+ 1,5672 𝑥 10−6 /2 𝑥 (50)2 + 5,148 𝑥 10−8 /3 𝑥 (50)3
𝑥 50
t = 28,86 ºC bulunur. Buna göre etanol iyi bir termometrik madde değildir. Sonuç
tam 30ºC çıkmalıydı.
•
Doç. Dr. Faruk GÖKMEŞE | Kimya Bölümü | Hitit Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi
10