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:
-
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/
