PowerPoint Sunusu
advertisement
İmal Usulleri DÖKÜM IsıSıcaklık Isı: Isı bir maddenin moleküllerinin hareket enerjileri ile moleküller arasındaki bağlanma enerjilerinin toplamıdır. Isı birimi → kalori veya joule. 1Kalori=1 gram suyun sıcaklığını +4 0C den +5 0C ye çıkarmak için gerekli enerjidir. 1cal = 4,18 joule Sıcaklık: Bir maddenin ortalama hızda bulunan bir molekülünün kinetik enerjisi ile doğru orantılı olan büyüklüğe sıcaklık denir. Buna göre; Isı bir enerji çeşididir. Sıcaklık ise bir ölçümdür. Isı kalorimetre ile ölçülür. Sıcaklık ise termometre ile ölçülür. Isı birimi kalori veya joule’dür. Sıcaklık ise derecedir. Isı alışverişi denklemi • Q: verilen veya alınan ısı enerjisi miktarı Q=m.c.Δt • m: kütle • c: özısı • Δt: sıcaklık farkı Örnek : Dış yüzeyi ısıya karşı yalıtılmış ve gücü 2 kW olan elektrikli bir su ısıtıcısın hacmi 40 litredir. Başlangıçta 20ºC olan suyun sıcaklığını 60ºC’ye çıkarmak için geçen zamanı dakika olarak hesaplayın. (δsu1000 kg/m3 , Csu=4175 J/kgK) Cevap≈56 dakika Maddenin katı, sıvı, gaz ve plazma olmak üzere dört hali vardır. MADDENİN HALLERİ KATI SIVI GAZ PLAZMA Termodinamik Kavramları Termodinamik, en yalın ifade şekliyle, enerji ve enerji dönüşümleri üzerine inşa edilmiş bir disiplin. Enerji üzerine kurulu bir konuya giriş yaptığımıza göre, öncelikle uzun uzun enerjinin ne olduğundan bahsedeceğimizi düşünüyor olabilirsiniz. İşin aslı biraz farklı. Termodinamiğin ilgi alanı enerjinin ne olduğu değil. Enerjiyle ne yapıldığı. Hatta biraz daha ileri giderek, enerjinin ne olduğu termodinamiğin pek umrunda değil bile diyebiliriz. Termodinamik, enerjinin ne olduğunu anlamak için pek çaba göstermeden, enerjinin nasıl işlediğini tarif etmeye çalışır. Bu yaklaşımı yerçekimi kanununa benzeterek anlamaya çalışabiliriz. Yerçekimi kanunu bize havaya atılan bir elmanın yere düşeceğini söyler. Bu kadar. Nedenini söylemez. Termodinamik de, yerçekimi kanununa benzeyen kanunlar koyarak, enerjinin nasıl işlediğini tarif eder. Enerjinin nasıl kendi tarif ettiği yollar üzerinden işlediğiyle ise ilgilenmez. 0. Kanun Eğer A ve B sistemleri birbirleri ile ısıl dengede iseler, A sistemi ile ısıl dengede olan bir C sistemi B sistemi ile de ısıl denge durumundadır. 1. Kanun Bu yasa "enerjinin korunumu" olarak da bilinir. Enerji yoktan var edilemez ve varolan bir enerji yok edilemez. Sadece bir şekilden diğerine dönüşür. 2. Kanun İkinci kanun da, eğer bir miktar enerjiyi başka bir forma dönüştürmek istiyorsanız, bunu yüzde yüz verimle yapamazsınız der. Toplam enerji korunsa da, bir miktarının mutlaka istediğimizden farklı formlara dönüşeceğini söyler. 3. Kanun Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça bütün hareketler sıfıra yaklaşır. Termodinamik Durum Bir termodinamik sistemin durumu, sıcaklık, hacim ya da basınç gibi, deneysel yöntemlerle ölçülebilen bir takım termodinamik değişkenler aracılığıyla tanımlanıyor. Örnek olarak, bir kap içerisinde duran bir miktar ideal gazı ele alalım. Kap içindeki gazın sahip olduğu basınç, hacim ve sıcaklık değerlerinin birleşimi, bu sistemin termodinamik durumunu belirtiyor. Örnek olarak, bir kap içerisinde duran bir miktar ideal gazı ele alalım. Kap içindeki gazın sahip olduğu basınç, hacim ve sıcaklık değerlerinin birleşimi, bu sistemin termodinamik durumunu belirtiyor. Örneğin kabın hacimi 1 litre, içindeki gazın basıncı 1 atm, gazın sıcaklığı da 25°C ise, bu değerlerin birleşimini sistemin bir termodinamik durumu olarak kabul ediyoruz. Makro Durum Bir termodinamik sistemin durumunu iki ayrı ölçekte ele alabiliyoruz. Bir sistemin makro durumu denildiğinde, sistemin basıncı, hacmi ya da sıcaklığı gibi, deneysel yöntemlerle ölçebildiğimiz değişkenlere bağlı bir tariften bahsetmiş oluyoruz. Mikro Durum Sistemin mikro durumunda, gaz atomlarının bir an içindeki konumları tanımlanıyor. Bu ifadeden tahmin edebileceğiniz gibi, sistemin mikro durumu sürekli olarak değişim gösteriyor. Makro ve Mikro Durumun Özeti Bu iki durum tarifini yanyana koyduğumuzda ortaya şöyle bir resim çıkıyor: bir sistemin makro durumu (yani basıncı, hacmi ve sıcaklığı) sabit kalsa bile, sistemin mikro durumu (yani gaz atomlarının konumları ve momentumları) sürekli olarak değişiklik gösteriyor. Termodinamik denge, sistemin makro durumu üzerinden tanımlanıyor.. Enerjinin Korunumu (1. kanun) Enerji, bir sistemin iş ya da ısı üretebilme kapasitesi olarak tanımlanır U: Sistemin sahip olduğu bütün enerji, yani sistemin iç enerjisi Q: Sisteme verilen ısıyı W: Sistemin yaptığı işi İkinci kanunun kökeni Birinci kanun enerji kavramı çevresinde şekillendiği için, bu kanunun iskeletini oluşturan durum fonksiyonunun iç enerji (U) olduğunu söyleyebiliriz. İkinci kanun ise enerji kaybıyla ilgili. Dolayısıyla, enerji kaybıyla ilişkilendirebileceğimiz farklı bir değişken, farklı bir durum fonksiyonu bulmamız gerekiyor. Entropi Çoğu kaynakta entropiden “düzensizliğin ölçüsü” olarak bahsedildiğini muhtemelen görmüşsünüzdür. Örneğin, zaman zaman dağınık bir odadan “entropisi artmış” şeklinde bahsedildiğini belki duymuşsunuzdur. Bir odanın içindeki eşyaların düzenli bir şekilde değil de, bizim gözümüze düzensiz görünen bir şekilde konumlanmış olmaları, odanın entropisinin arttığı anlamına gelmiyor; aksine bu durumdaki doğru bakış açısı entropinin değişmediği yönünde olmalı. Dağınık oda örneğine geri dönelim ve odayı sistem, odadaki eşyaları da sistemin yapı taşları olarak düşünelim. Bu tarif çerçevesinde odanın makro durumunu odanın hacmiyle, odanın mikro durumunu ise odadaki eşyaların konumlarıyla ilişkilendirebiliriz. Entropi bir durum fonksiyonudur, dolayısıyla da sadece sistemin makro durumundan etkilenir. Bu açıdan değerlendirdiğimizde, bir sistemin mikro durumundaki değişimin, yani odadaki eşyaların konumlarındaki değişimin, sistemin entropisiyle bir ilgisi olmadığını, sadece sistemin bir mikro durumdan diğerine geçtiğini ifade ettiğini görebiliriz. Entropinin artması için odadaki eşyaları daha fazla sayıda düzenleyebileceğimiz şekilde bir değişim oluşturmamız gerekiyor: odanın hacmini arttırmak, ya da odaya daha fazla sayıda eşya koymak gibi. Entalpi sisteme eklenen ısıyla ilgili bir durum fonksiyonu Entalpi, temel olarak bir sistemin toplam enerjisini temsil ediyor. Sistemin toplam enerjisi ifadesiyle, sisteme evrende yer açmak için harcamamız gereken enerjiye ek olarak, sistemi oluşturmak için harcamamız gereken enerjinin toplamını kastediyoruz Gibbs Serbest Enerjisi Bir termodinamik sistem durum değiştirdiğinde, sistemde, çevrede ya da evrende meydana gelen değişimleri açıklamak için durum fonksiyonlarını (P, V, T, U, S, H gibi) kullanmayı tercih ediyoruz. Örneğin sistemin iç enerjisini (U) ele alalım. İç enerji, bir durum fonksiyonu olması nedeniyle, belli bir basınç, hacim ve sıcaklık değerine gelindiğinde daima aynı değere ulaşıyor. Bu termodinamik duruma hangi yollardan gelirsek gelelim, sistem denge koşullarına ulaştığında sistemin iç enerjisi daima aynı değeri alıyor. Benzer şekilde, sistemin iş üretmesini sağlayacak bir çevrim yaptığımızda, sisteme eklediğimiz ısıyı entalpi (H) adını verdiğimiz bir durum değişkeni ile; her çevrimde kaybolan enerjiyi ise entropi (S) adını verdiğimiz bir başka durum değişkeni ile ilişkilendirdiğimizi daha önce görmüştük. Peki ya sistemin yaptığı iş? Gibbs serbest enerjisi, bir sistemin sabit basınç ve sıcaklık altında üretebildiği kullanılabilir iş miktarını temsil ediyor. Standard koşullarda bir tepkimenin kendiliğinden gerçekleşebilmesinin tahmini ΔG ΔG < 0 ΔG = 0 ΔG > 0 Kendiliğinden gerçekleşmesi Reaksiyon kendiliğinden gerçekleşir (standard koşullarda) Reaksiyon dengededir (standard koşullarda) Reaksiyon kendiliğinden gerçekleşmez (standard koşullarda) Katılaşma Döküm yoluyla üretimde metal malzemelerin kullanım özellikleri, katılaşma aşamasında oluşan iç yap ile belirlenir. Dolaysıyla malzeme özelliklerinin kontrol edilebilmesi için katılaşma olayının iyi bilinmesi gerekir. Katılaşma olayı ergimiş sıvı malzemenin katı hale geçişi olarak tanımlanır. Sıvı/katı geçişi birincil kristalleşme (katılaşma) ve bu sırada oluşan katılaşma iç yapısı (döküm iç yapısı) birincil içyapı olarak adlandırılır. Isıl ve termomekanik işlemler sonrasında ortaya çıkan yapı ikincil yapı olarak adlandırılır. Gaz Gaz Yoğuşma Gizli Buharlaşma Isısı Potansiyel Enerji Sıvı Sıvı Kristalleşme Gizli Ergime Isısı Katı Katı Sıcaklık Atomlar Arası Mesafe Katılaşma olayı: Sıvı halde saf bir metal veya alaşım soğutulmaya bırakılsın. Serbest enerji =G ise, sıvının serbest enerjisi=G1 ve katının serbest enerjisi=G2 olsun Kristal Serbest Enerji (G) ΔG Sıvı Aşırı Soğuma Sıcaklık T>T0 için G2> G1sıvı faz hakim T=T0 sıcaklığında ilk katılaşma ΔG= sıvı ve katı faz arasındaki serbest enerji farkı ΔG=G2-G1< 0 ise katılaşma kendiliğinden oluşur. ΔG=G2-G1> 0 ise katı faz oluşmaz. ΔG=0 ise katılaşma sonsuz zamanda tamamlanır. T0-T1 aşırı soğumayı göstermektedir. T1 T0 Sıcaklık Katılaşma iki safhadan oluşur: 1. Çekirdeklenme 2. Çekirdeklerin büyümesi ve tanelerin oluşumu Çekirdekler; çok küçük katı parçacıklar olup, karalılıkları, yani tekrar erimeden büyümeye devam etmeleri, ancak yeterli bir büyüklüğe sahip olmalarına bağlıdır. Bu durum serbest enerji yardımıyla açıklanabilir. Herhangi bir olayın kendiliğinden devam edebilmesi için, bu olayla ilgili serbest enerjinin azalması gerekir. Faz dönüşümünün sebebi, sistemin serbest enerjisini azaltma eğiliminden kaynaklanmaktadır. Katılaşmada Serbest enerji iki bileşenden meydana gelir: 1. Hacimsel Serbest Enerji Değişimi (Fv) Sistemin serbest enerjisini azaltan terimdir. Yani dönüşümün gerçekleşmesine katkıda bulunur. 2. Arayüzey enerjisi () Sistemin serbest enerjisini artıran terimdir. =Katı çekirdeğin oluşumunda birim hacim için dışarıya verilen, yani sistemden salınan enerjidir, o halde değeri negatiftir. =Katı-sıvı birim arayüzeyinin oluşturulması için harcanması gereken enerjidir, o halde değeri pozitiftir. Homojen Çekirdeklenme Oluşan çekirdekler tekrar erimeden, kristallerin tekrar büyüyebilmesi için en az rkr yarıçapına sahip olması, veya diğer bir deyişle söz konusu yarıçapa ulaşabilmesi için gerekli aktivasyon enerjisinin dışardan sağlanmış olması zorunludur. İçinde çekirdek görevi yapabilecek parçacıklar (nitrür, oksit, v.b katı bileşikler) bulunmayan ideal ve homojen bir eriyikte kararlı çekirdeklenmeye ilişkin aktivasyon enerjisi, eriyiğin kendi enerji içeriğinden karşılanmalıdır. Bu durum homojen çekirdek (öz çekirdeklenme)oluşumunu ifade etmektedir ve bunun için bir ısıl aşırı soğuma gereklidir. Yani eriyik katılaşmaya Te erime sıcaklığında değil, daha düşük bir T=Te-ΔT sıcaklığında başlar. Burada; ΔHf metalin gizli ergime ısısı, Tm ise denge katılaşma sıcaklığı ve sıvının sıcaklığı T olduğunda ΔT=Tm-T ise alt soğumadır. Bir yaklaşım olarak, homojen çekirdeklenme T= 0.2 Tm (K) olduğunda meydana gelir. Örnek
