Bilim Güncel Nedir

DÜŞÜK SICAKLIKTA SIVILAŞABİLEN İKİ GAZ : NİTROJEN VE HELYUM

Tarafından yazılmıştır admin

Evrendeki bolluğu açısından ele­mentler arasında altıncı sırayı alan nitrojen, renksiz, kokusuz, tatsız, ametal özelliğinde kimyasal bir ele­ment. Periyodik tabloda VA grubunda yer alıyor; atom numarası 7, erime noktası -210 °C, kaynama noktası – 195,8 °C’ dir. Yer atmosferi yani hava, ha­cimce %78, ağırlıkça %75 oranlarında nitrojen içerir. Oda sıcaklığında kimyasal etki göstermeyen eylemsiz bir gaz olmasına karşın, organik ya da organik olmayan çok sayıda kimyasal bileşik oluşturabiliyor.

Helyum, hidrojenden sonra evren­de en çok bulunan gazdır. Nitrojen gibi, renksiz, kokusuz, tatsız. Ancak he­men hiç kimyasal tepkime yapmaz, yani bileşik oluşturmaz. Periyodik tabloda 0 grubu elemetler (soy gaz­lar) arasında yer alır; atom numara­sı 2, erime noktası yok, kaynama nok­tası -268,6 °C’ dir. Yıldızlarda yoğunlaş­mış olarak bulunan helyum, ne yazık ki dünyamızda çok ender bulunmamaktadır; havanın milyonda birini oluşturur. Bu nedenle de yeryüzünde bazı rad­yoaktif minerallerin bozunmasıyla or­taya çıkabilir, mineral yataklarında ya da doğal gazda çok az miktarda bulunabilir. Soğutulduğunda, gazı oluşturan par­çacıklar daha yavaş hareket eder. Ya­ni kinetik enerjileri azalır. Hareketi sağlayan kinetik enerjinin azalmasıy­la, birbirine komşu parçacıklar, arala­rındaki çekim kuvvetine yenilerek bir­birlerine yapışırlar. Bu, gazın sıvılaş­ması ya da maddenin gaz halinden sı­vı haline dönüşmesi anlamına gelir.

Nitrojen ve helyum gazları, üzerle­rine uygulanan basınç ne kadar artırı­lırsa artırılsın, belirli bir sıcaklık değe­rine ya da daha altına inilmedikçe as­la sıvılaşmazlar. Her gaz için ayrı bir değeri olan bu sıcaklığa kritik sıcaklık denir. İrlandalı fiziksel kimyacı Tho­mas Andrews, 1869’da yaptığı çalış­malarla, belirli bir gazı, sabit sıcaklık­ta sıkıştırarak sıvılaştırmak için gerek­li olan koşulları belirlemiş ve bir kritik sıcaklık eğrisi oluşturmuş. Bu eğri üzerinde gaz ve sıvı haller arasındaki görünür ayrımı tanımlayan noktaya da kritik nokta adını vermiştir. Sıkıştırı­lan gazın sıcaklığı, bu kritik noktaya karşılık gelen kritik sıcaklıktan yük­sekse, sıkıştırma işlemi gazı sıvılaştıramaz; ancak, kritik noktanın altındaki sabit bir sıcaklıkta sıkıştırılan gaz her zaman sıvılaşır. Ek olarak, gaz sıkıştı­rılırken, sıcaklığı kritik noktanın he­men altında tutulursa, sıvılaşma sıra­sındaki hacim değişikliği küçük olur­ken, tam kritik sıcaklıkta sıkıştırılması durumunda, gaz hacim değişikli­ğine uğramadan sıvı hale geçer.

Nitrojen gazı için kritik sıcaklık de­ğeri -196 °C, helyum gazı içinse -268 °C. Bu şaşırtıcı sıcaklıkları algılamak çok güç. Ama sıvılaştırılmış bu gazla­rın, özellikle de sıvı nitrojenin, yüksek soğutma gerektiren bilimsel, teknolojik ya da endüstriyel pek çok alanda, örne­ğin, dondurma yapımından, güdümlü füzelere, bilimsel deneylere kadar; sıvı helyumunsa daha çok MRI gibi tıbbi cihazlarda ya da bilimsel deneylerde yay­gın olarak kullanıldığı, her ikisinin de birer ticari ürüne dönüştüğü dikkate alınırsa, gereken sıcaklık değerlerinin elde edilmesi için bazı mekanizmaların geliştirilmiş olması şaşırtıcı değildir.

Sıvılaştırma Mekanizmaları

Gazların sıvılaştırılmasında, genel olarak iki yöntem uygulanmaktadır.

Eşentropi soğutma yöntemi: Aynı sıcaklık de­ğerinde basınç bir değerden diğerine değiştirildiğinde entropi (bir sistemin düzensizlik derecesi) azalır. Bu yöntemin temel işleyiş mantığı bu şekildedir. Entropi sabit tutularak, basınç değiştirilirse, sıcaklık bir değerden bir başka değere düşürülmüş olur. Sabit ısılı (adiyabatik) bu entropi süreci aynı zamanda tersinir özellik gösterir. Bu haliyle de termodinamiğin 2. yasasına göre en kazançlı soğutma yöntemi olarak bili­nir. Ancak unutmamak gerekir ki, termodinamiğin 3. yasası, “mutlak sıfırda (-273 °C) entropi değişimi sıfır olur” der. Bu nedenle sıcaklık hiç bir zaman -273°C’ ye kadar düşemez; ancak eşsıcaklık süreçleriyle, sabit ısılı genleşme süreçlerinin uygulandığı işlemlerle, mutlak sıfıra yakın değerlere kadar sı­caklığı düşürmek olası. Bu işlemlerle mekanik iş ısıya, ısıdan da mekanik işe dönüştürülür. Bu temele dayanan basit bir sıvılaştırma makinesinin işle­yişi aşağıdaki gibidir.

Sıvı nitrojenin elde edilmesinde kullanılan yöntem de buna benzer. Ancak, hava kullanılarak sıvılaştırma yapılacaksa, bir tür damıtma işlemiyle öncelikle saf nitrojen elde edilir.

 

Eşentropi soğutma yöntemi bazı sakıncaları içerir. Bir yanda yapısın­daki hareketli pistonlar yağlama, sarsıntı ve gürültü gibi sorunlar yaratır­ken, bir yanda da gaz soğudukça, basınca karşı sıcaklık düşme hızı azala­biliyor. Bu sorunlardan kurtulan ikin­ci yöntem Şekil 2’de anlatılan Joule­ Kelvin olayına dayanır. Bu olaya daya­nan basit bir sıvılaştırma makinesinin işleyişi de şekil 3’de veriliyor. Bu yönteme dayanarak yapılan ve çok düşük sıcaklıklar elde edilebilen işleyiş, Helyum gazının sıvılaştırılma­sında kullanılır.

 

Nitrojen Nasıl Sıvılaştırılır?

Öncelikle hava, bir motor aracılığıyla emilir. Emilen hava, sıkıştırıcıya iletilir. Hem yağlamalı hem de su soğutmalı bir sistem olan sıkıştırıcı, ha­vayı yaklaşık 200 atmosfer basınca kadar sıkıştırı­yor. Basınçlı hava soğurucu adını alan kolona ak­tarılıyor. Soğurucu kolonunda kimyasal bir yapı içinden geçen hava, nitrojen ve oksijen dışındaki tüm maddelerden arıtılır; havayı oluşturan diğer gazlar, kimyasal yapı tarafından soğuruluyorken, sadece gaz halinde nitrojen ve oksijen kalı­r. Karbon monoksit, karbondioksit, su buharı gi­bi gazların sıvılaştırma sistemine sızması, sıvılaşmayı engeller. Bu nedenle, sadece oksijen ve nitrojenden oluşan basınçlı hava ana kuleye iletilir; ana kulede, bir buzdolabı sistemindeki gibi freon gazının oluşturduğu bir ön soğutmayla, sistem sı­caklığı yaklaşık -40 °C’ ye kadar düşürülür. Bu soğutma sırasında doğal olarak, basınç da oluşacağı için, önce sıvılaşma noktası ya da kaynama nokta­sı daha düşük olan oksijen yaklaşık -160 °C’ de sıvılaşıyor. Sıvılaşan oksijen ortamı daha da soğutu­r; nitrojen gazı bu soğutulmuş oksijen etrafında gezdirilir. Oksijen nitrojenin ısısını alarak yeni­den gaz haline geçerken, bu arada iyice soğuyan nitrojen yaklaşık -196 °C’ de sıvı hale dönüşür. Sıvılaşmış nitrojen, bir çıkış ünitesi yardımıyla tanklara doldurulur ve deneylerde kullanılmak üzere “dewar” denen, ısı yalıtımı oldukça yüksek kaplarda depolanır.

Deneylerde kullanılmak üzere alınan örne­ğin, bir litre sıvı nitrojenin ya da helyumun 1 atm basınç ve oda sıcaklığında buharlaşması ne kadar sürer?

Sıvı nitrojenin gaza dönüşme süresi ortamın sı­caklığına bağlı olarak değişiyor. Bir litre sıvı nitrojen 20 °C’ de 15-20 saatte gaza dönüşebilir. Buharlaşma çok hızlı değil. Basınç ortadan kalktı­ğı için, sadece sıcaklığa bağlı bir buharlaşma söz konusu. Bu süre, sıvı nitrojen ısı iletimi düşük, kö­pükten yapılmış bir kap içindeyse söz konusu. Ama, herhangi bir metal kaba koyulan sıvı nitrojen, 1-2 saat içinde tümüyle buharlaşabilir. Buharlaşmada, ısı iletimi kadar yüzey genişliği, yü­zey sıcaklığı gibi unsurlar da belirleyici. Sıvı hel­yumda bu süreler çok daha kısa.

Helyum sıvılaştırılması nasıl yapılır?

Sıvılaştırma üç aşamada yapılıyor. Kullandığı­mız sistemde, çok genel anlamıyla, tüplerdeki sı­kışmış gaz genleştiriliyor. Genleşen gaz bir miktar soğuyor. Genleşen gaz gelen gazı da ısı değiştirici sistemiyle bir miktar soğutuyor. Gazlar pistonların üzerinde iş yaparken yeniden enerji kaybediyor ve biraz daha soğuyor. Son aşamada da Joule/ Kelvin olayıyla soğutarak, helyumu sıvılaştırabiliyor. Hel­yum sıvılaştırmada kullandığımız bu sistem yeni sayılmaz ama bölümümüzde daha yeni teknolojiyle üretilmiş, yeni kapalı devre helyum soğutma sis­temleri de var. Deney sırasında, örneğin konduğu hacmin soğutulacağı yer de kapalı bir sistem. Bu yeni sistemle yaklaşık -271 °C’ye kadar soğutma yapılabiliyor.

Aslında, helyum gazını sıvılaştırmak, nitrojen gazını sıvılaştırmak kadar kolay değil. Bunun iki farklı nedeni var. Birincisi helyumun sıvılaşma sı­caklığının çok düşük olması, ikincisi de helyumun havada çok az miktarda bulunması. Bu azlık nede­niyle, helyum gazı satılan bir ürün. 10 metreküp­lük bir helyum tüpünü yaklaşık 200 USD karşılı­ğında edinmek olası. Bir tüp gaz sıvılaştırdığında, 10 litreyi aşan miktarda sıvı helyum, yani kabaca bir metreküpten bir litre sıvılaşmış helyum elde ediliyor. Elektrik giderleri, işçilik vb. üretim gider­leri dahil edilmezse 200 USD harcayarak 10 lt sı­vı helyum elde etmiş oluyorsunuz. Sıvılaştırılmış helyumun kendisini almak aslında daha ucuz; 10 lt sıvı helyum için 100 USD ödeyebilirsiniz.

Canlı dokuyu nasıl etkiler?

Bir canlı dokuya örneğin, elinize nitrojen dö­küldüğü zaman, kaynar su ya da yağın yakmasındaki gibi bir yakma etkisi yapıyor ve yanma hissi verir. Yanan doku kabarır ve su toplar. Yan­makla, bu şekilde bir soğuğa maruz kalmak arasın­da bir fark yok. Canlı dokunun geri kazanımıysa yanma derecesine çok bağlı. Üçüncü derece bir ya­nıkta nasıl doku kazanılıyorsa, burada da durum aynı ama daha yüksek derece yanıklarda geri dö­nüş oldukça zor.

Sıvı helyum ya da sıvı nitrojen nerelerde kullanılır?

Fizikçiler, malzemelerin fiziksel özelliklerini ve tanımlanmalarını yapabilmek için, sıcaklığa bağlı fiziksel özelliklerin değişimini irdelemekte kullanı­lır. Hangi malzemenin, hangi sıcaklıkta ne tür davranışlar gösterdiğini anlamak önemli; örneğin üstün iletkenler soğutularak elde edilen malzeme­ler; belli bir kritik sıcaklığın altına düştüğü zaman bu malzemenin elektriksel direnci sıfıra inerek mü­kemmel bir iletken özelliği gösterir hale geliyorlar. Sanayide örneğin, teleskop, CCD ya da benzeri malzemelerin soğutulmasında; tıpta aşı ilaç gibi malzemelerin korunmasında ve MRI cihazlarının üstün iletken yapılarının soğutulmasında, askeri ve uzay çalışmalarında roket ya da güdümlü füzelerin ısı yalıtımında ve daha pek çok alanda kullanılıyor.

 

KAYNAK:
  1. Fırat, “Gazların Sollaştırılması ve Alçak Sıcaklıkların Elde Edilme­si” konusunda sözel kaynak http://www.ukc.ac.uk/physical-sciences/ http://www.irreversiblesystems.com/ http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/kinth.html http://www-ehs.ucsd.edu/lab/1902.htm http://learn.chem.vt.edu/tutorials/lsproperties/critpressure.html http://www.users.qwest.net/~csconductor/Experiment_Guide/Re- sistance%20vs%20Temp.htm http://members.iinet.net.au/~jacob/worldtp.html http://www.meteor.gov.tr/

 

Yazar Hakkında

admin

%d blogcu bunu beğendi: