... konulu sunumlar: "Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 1 Bölüm 3 SAF MADDENİN ÖZELLİKLERİ."— Sunum transkripti:
1
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 1 Bölüm 3 SAF MADDENİN ÖZELLİKLERİ
2
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 2 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. Azot ve gaz halindeki hava saf maddelerdir Sıvı-buhar karışımı su saf bir maddedir, ama sıvı ve gaz havanın karışımı saf bir madde değildir
3
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 3 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
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 4 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
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 5 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 edildiğinde doymuş sıvının bir bölümü buharlaşır. (doymuş sıvı-buhar karışımı) 1 atm basınçta sıvının son damlası da buharlaşıncaya kadar sıcaklık 100 o C’de sabit kalır. (doymuş buhar) Daha fazla ısı transfer edildiğinde buharın sıcaklığı artmaya başlar. (kızgın buhar)
6
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 6 Sabit basınçta suyun ısıtılmasının T-v diyagramında gösterimi 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.
7
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 7 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 T doyma : Verilen bir basınçta saf maddenin faz değişimlerine başladığı sıcaklıktır. Doyma basıncı P doyma : Verilen bir sıcaklıkta, saf maddenin faz değişimlerine başladığı basınçtır Saf bir maddenin sıvı-buhar doyma eğrisi (sayısal değerler su için verilmiştir).
8
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 88 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 kJ/kg ve gizli buharlaşmanın ısısı kJ/kg dır. Atmosfer basıncı ve dolayısıyla suyun kaynama sıcaklığı yükseklikle azalır.
9
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 9 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).
10
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 10 Doymuş sıvı çizgisi Doymuş buhar çizgisi Sıkıştırılmış sıvı çizgisi Kızgın buhar bölgesi Sıkıştırılmış sıvı-buhar karşım bölgesi (ıslak buhar) Kritik noktanın üzerindeki basınçlarda (P > Pcr), farklı bir faz değişim (kaynama ) süreci yoktur. Saf bir maddenin T-v diyagramı Kritik nokta: Doymuş sıvıyla doymuş buhar hallerinin aynı olduğu hal.
11
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 11 Saf bir maddenin P-v diyagramı Bir piston silindir düzeneğindeki basınç, pistonun ağırlığı azaltılarak düşürülebilir.
12
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 12 Diyagramların Katı Fazıyla Beraber Genişletilmesi Donarken hacmi küçülen bir madenin P-v diyagramı Donarken genişleyen (su gibi) bir maddenin P-v diyagramı Bir madde üçlü nokta basınç ve sıcaklığında üç fazı denge durumunda bulunur. Su için, T tp = 0.01°C P tp = kPa
13
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 13 Süblimasyon: Katı fazından doğrudan buhar fazına geçiş Düşük basınçlarda (üçlü nokta basıncının altında) katılar sıvı fazından geçmeden buharlaşır (süblimasyon) Saf maddelerin P-T diyagramı Faz Diyagramı
14
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 14 Donarken hacmi küçülen bir maddenin P-v-T yüzeyi Donarken genişleyen (su gibi) bir maddenin P-v-T yüzeyi P-v-T yüzeyleri bir bakışta büyük miktarda bilgi sağlar, fakat termodinamik analizlerde P-v ve T-v diyagramlarıyla çalışmak çok daha uygundur.
15
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 15 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 sıklıkla karşılaşılır. Basınç x Hacim çarpımı enerji birimini verir.
16
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 16 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, h fg (Buharlaşma gizli ısısı): verilen bir basınç veya sıcaklıkta doymuş sıvının birim kütlesini buharlaştırmak için gereken enerjidir.
17
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 17 Örnekler: Genel çizimler ve T-v ve P-v diyagramları
18
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 18 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. Doymuş bir karışımdaki sıvı ve buhar miktarları, kuruluk derecesiyle, x, gösterilir İki fazlı bir sistem uygunluk için homojen bir karışım gibi davranabilir Temperature and pressure are dependent properties for a mixture.
19
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 19 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. y v, u, or h.
20
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 20 Örnekler: Doymuş sıvı-buhar karışımları genel çizimler ve T-v ve P-v diyagramları.
21
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 21 Kızgın Buhar Doymuş buhar eğrisinin sağındaki bölgede ve kritik noktasal sıcaklığın üzerindeki sıcaklıkta madde kızgın buhardır. Kızgın buhar bölgesi tek fazlı (sadece buhar fazı) bir bölge olduğundan, sıcaklık ve basınç artık birbirlerine bağlı değildir. Tablo A-6’nın bir bölümü Belirli bir P noktası için kızgın buharın entalpisi, doymuş buharınkinden daha yüksektir Kızgın buhar ile doymuş buharın karşılaştırılması
22
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 22 Sıkıştırılmış Sıvı Sıkıştırılmış sıvı bölgesinde özelikler y v, u, or h Hassas olarak “h” ilişkisini hesaplamak için; Verilen bir sıcaklıkta sıkıştırılmış sıvının özelikleri doymuş sıvı özeliklerine yaklaşık olarak eşit alınabilir. Verilen bir basınç ve sıcaklıkta, saf bir madde, P olduğu zaman sıkıştırılmış sıvı olacaktır. Sıkıştırılmış sıvıya ilişkin bilgilerin yokluğunda, sıkıştırılmış sıvı özeliklerini doymuş sıvı özeliklerine eşit almak, genellikle benimsenen bir uygulamadır
23
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 23 Referans Hali ve Referans Değerleri u, h ve s 'nin değerleri doğrudan ölçülemez ve bu nedenle bunlar, termodinamik bağıntılar kullanılarak ölçülebilen özeliklerden hesaplanır. Söz konusu termodinamik bağıntılar özeliklerin bir haldeki değerlerini değil, özeliklerin değişimlerini verir. Bu nedenle, uygun bir referans halinin seçilmesi ve uygun özelik veya özeliklere bu noktada sıfır değerinin atanması gerekir. Su için referans hali 0.01 °C ve soğutucu akışkan-134a için referans hali -40 °C Bazı özeliklerin seçilen referans halinden dolayı eksi değerler alacağı not edilmelidir. Tabloların hazırlanması sırasında bazen aynı madde ve hal için değişik tablolarda farklı değerler bulmanın olasıdır. Fakat termodinamik hesaplarında özeliklerin mutlak değerlerinden çok, özeliklerde olan değişimler önem taşır.
24
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 24 MÜKEMMEL GAZ HAL DENKLEMİ Hal denklemi: Bir maddenin basıncı, sıcaklığı ve özgül hacmi arasındaki ilişkiyi veren herhangi bir bağıntıya denir. Bu denklemlerin en basit ve en çok bilineni mükemmel gaz hal denklemidir. Bu denklem belirli sınırlar içinde gazların P-v-T ilişkisini oldukça hassas bir biçimde verir. R: gaz sabiti M: mol kütlesi (kg/kmol) R u : üniversal gaz sabiti Mükemmel gaz hal denklemi Değişik maddelerin farklı gaz sabitleri vardır.
25
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 25 Birim mol için verilen özelikler üstte bir çizgi belirtilir. Mükemmel gaz bağıntısı çoğu zaman gerçek gazlar için uygulanabilir değildir, bu nedenle bağıntının kullanılacağı durum iyi etüt edilmelidir. Kütle = Mol kütlesi Mol sayısı Mükemmel gaz hal denklemi birkaç değişik biçimde yazılabilir mükemmel gazın iki değişik haldeki özelikleri arasında bir bağ kurabiliriz Düşük basınç ve yüksek sıcaklıklarda bir gazın yoğunluğu azalır ve mükemmel gaz gibi davranır.
26
Bölüm 3: Saf Maddenin Özellikleri 26 Su Buharı Mükemmel bir Gaz mıdır ? 10 kPa basıncın altındaki basınçlar için su buharı sıcaklık ne olursa olsun (yüzde 0.1'den daha az bir hatayla) mükemmel gaz kabul edilebilir. Fakat daha yüksek basınçlarda mükemmel gaz varsayımı özellikle kritik nokta ve doymuş buhar eğrisi yakınlarında kabul edilemeyecek hatalara yol açar. ısıtma – havalandırma –iklimlendirme uygulamalarında, havadaki su buharının kısmi basıncı çok düşük olduğundan, su buharı neredeyse sıfır hatayla mükemmel gaz sayılabilir. Fakat buharlı güç santrallerinde uygulama basınçları çok yüksektir, bu nedenle mükemmel gaz bağıntıları kullanılmamalıdır. Su buharının mükemmel gaz olarak kabul edilmesinden kaynaklanan hata yüzdesi ( [| vtablo _ vmükemmel| / vtablo]x100) ve su buharının %1’den az hatayla mükemmel gaz olarak davranabileceği bölge