Bilim Nedir Son Makaleler

GAZ YASALARI

Tarafından yazılmıştır admin

Gaz yasaları, birkaç yüzyıl boyunca gazların fiziksel özellikleri üzerine gerçekleştirilen sayısız deneylerin sonucudur. Gazların makroskopik davranışı ile ilgili genellemelerin her biri, bilim tarihinde bir kilometre taşını belirtmektedir. Gaz yasalarının hepsinin bir araya getirilmesiyle pek çok kavram geliştirilmiştir.

Basınç-Hacim İlişkisi: Boyle Yasası

On yedinci yüzyılda, İngiliz kimyacı Robert Boyle gazların davranışını sistematik ola­rak ve nicel yönleriyle incelemiştir. Gaz  basıncı ile hacim ilişkisini n incelenmesi için şekildekine (solda) benzer bir düzenek kullanarak incelemiştir. İlk aşamada, tüpe eklenen civa tarafından gaza uygulanan basınç atmosfer basıncına eşittir. Tüpe daha fazla civa ilavesiyle basınçtaki artış, gazın hacminde bir azalmaya ve civa seviyelerinin farklı olmasına neden olur. Boyle, sıcaklık sabit tutulduğunda uygulanan toplam basıncın (P) atmosfer basıncı ve cıva basıncı artması ile belirli bir miktardaki gazın hacminin (V) azaldığını gözlemiştir. Basınç ve hacim arasındaki bu ilişki eğer uygulanan basınç azaltılırsa, gazın hacmi artar şeklinde yorumlanır.

Basınç ve hacim arasındaki bu ters ilişkiyi gösteren matematiksel ifade ise şöyledir:

P ∝ 1/V

simgesi orantılı anlamına gelir. simgesini eşittir işaretine değiştirmek için,

P= k1 x 1/V 

yazılır. Burada k1 orantı sabiti olarak adlandırılan bir sabittir. Eşitlik , Boyle yasasını ifade eder. Bu yasaya göre sabit sıcaklıkta belirli miktardaki bir gazın basıncı, gazın hacmi ile ters orantılıdır. Eşitlik yeniden düzenlenirse,

PV= k1   

Böyle Yasası’nın bu şekli, sabit sıcaklıkta, belirli miktarda bir gazın hacim ve basın­cının çarpımının sabit olduğunu ifade eder. Boyle yasası şematik olarak gösterilmiştir. n, gazın mol sayısı ve R bir sabittir. Buna göre, Eşitlikteki orantı sabiti k1 , nRT ye eşittir.

Bir niceliğin diğerine orantılı olması ve orantı sabiti kullanımı, şöyle açıklanabilir. Bir sinemanın günlük geliri, hem biletlerin fiyatına (bilet başına TL olarak) hem de satılan bilet sayısına bağlıdır. Sinemanın tüm biletleri için elde edilen gelir:

Gelir = (Lira/bilet) X satılan bilet sayısı

Satılan bilet sayısı günden güne değiştiğinden belli bir gündeki iyin gelirin, satılan bilet sayısı ile orantılı olduğu söylenebilir:

gelir satılan bilet sayısı

= C X satılan bilet sayısı

burada C, orantı sabiti, bilet başına fiyattır.

Verilen bir gaz örneği için, sıcaklık sabit tutulduğu ve gazın miktarı değişmediği sürece, basınç ve hacim değişmesine rağmen, P ile V nin çarpımı her zaman sabit bir değere eşittir. Böylece, verilen bir gaz örneği için, sabit sıcaklıkta iki farklı koşul için,

P1V1 = k1 = P2V2

veya

P1V1 = P2V2

yazılabilir. V1 ve V2 değerleri P1 ve P2 basınçlarındaki hacimlerdir.

Sıcaklık-Hacim İlişkisi: Charles ve Gay-Lussac Yasaları

Boyle yasası sistemin sıcaklığının sabit kalmasına dayanır. Fakat sıcaklığın değiştiği düşünülürse, sıcaklıktaki değişim basınç ve hacme nasıl etki eder? Önce sıcaklığın hacme etkisini inceleyelim: Sıcaklık-hacim ilişkisini ilk olarak Fransız bilim adam­ları Jacques Charles ve Joseph Gay-Lussac incelemiştir. Yaptıkları çalışmalar, sabit basınçtaki gazların, ısıtıldıkça hacminin arttığını ve soğutuldukça azaldığını göstermiştir . 

Gaz sıcaklığı ile hacimdeki değişmeler beklentilere de uygundur. Örneğin, değişik sabit basınçlarda, sıcaklık-hacim ilişkisi incelendiğinde hacme karşı sıcaklık grafiği bir doğru verir. Doğruyu sıfır hacime uzatarak, sıcaklık eksen kesim noktasının -273,15C olduğunu buluruz. Farklı bir basınçta, hacim-sıcaklık grafiğinden farklı bir doğru elde ederiz, fakat aynı sıfır-hacim sıcaklık kesim noktası, -273,15°C elde edilir (Pratikte, bir gazın hacmini sadece belli bir sıcaklığın üzerinde ölçebiliriz, çünkü bütün gazlar düşük sıcaklıklarda sıvılarını oluşturmak üzere yoğunlaşırlar.).

1848 yılında İskoç fizikçi Lord Kelvin bu olayın öneminin farkına varmıştır. Kuramsal alarak ulaşılabilecek en düşük sıcaklık -273,15°C yi mutlak sıfır olarak tanımlamıştır. Başlangıç noktası mutlak sıfır olan ve şimdi Kelvin sıcaklık eşeli olarak adlandırılan mutlak sıcaklık eşeliııi kurmuştur. Kelvin eşelinde, bir kelvin (K) bir derece Celcius’a eşittir. Mutlak sıcaklık eşeli ile Celcius eşeli arasındaki tek fark, sıfır konumunun kaymasıdır. İki eşele göre bazı önemli noktalar aşağıda verilmiştir:

Kelvin Eşeli Celcius Eşeli
Mutlak Sıfır 0 K 273,15°C
Suyun Donma Noktası 273,15 K 0°C
Suyun Kaynama Noktası 373,15 K 100°C

°C ile K arasındaki dönüşüm:

?K= (°C + 273,15°C) 1K/1°C

Bundan sonraki K ve °C ile ilgili hesaplamalarda 273,15 yerine yaklaşık 273 kullanacağız. Genel olarak, mutlak (kelvin) sıcaklığı belirtmek için T ve Celcius eşelinde sıcaklığı belirtmek için t kullanır.

Gaz hacminin sıcaklığa bağlılığı şöyledir;

V ∝ T

V =k2T ya da V/T = k2                                                       

Burada k2 orantı sabitidir. Eşitlik, Charles ve Gay-Lussac yasası veya Charles yasası olarak bilinir. Bu yasaya göre, sabit basınçta, belirli miktar bir gazın hacmi gazın mutlak sıcaklığı ile doğru orantılıdır. Orantı sabiti k2 nin nR/P ye eşit olduğu görül­mektedir.

Sabit sıcaklıktaki basınç-hacim ilişkisinde olduğu gibi, sabit basınçtaki bir gaz örneğinin de iki farklı hacim-sıcaklık koşullarını karşılaştırabiliriz. Eşitlikten,

V1/T1 = k2 =V2/T2 veya V1/T1 = V2/T2                                                                

yazabiliriz, burada V1 ve V2 değerleri T1 ve T2 sıcaklıklarındaki (kelvin) gazların hacimleridir.

Charles yasasının diğer bir şekli ise “sabit hacimdeki belirli miktar bir gazın basıncı sıcaklıkla doğru orantılıdır.”

P ∝ T

 P =k3T ya da P/T = k3                                                

k3 = nR/V olduğu görülür.

P1/T1 = k3 =P2/T2 veya P1/T1 = P2/T2                                                    

yazabiliriz, burada P1 ve P2 gazın T1 ve T2 sıcaklıklarındaki basınçlarıdır.

Hacim-Miktar İlişkisi: Avogadro Yasası

İtalyan bilim adamı Amedeo Avogadro’nun gazlarla ilgili çalışması, Boyle,  Charles ve Gay-Lussac’ın çalışmalarını tamamlamıştır. Avogadro 1811 de aynı sıcaklık ve basınçta, farklı gazların eşit hacimlerin aynı sayıda molekül (gaz tek atomlu ise atom) içereceğini belirten bir hipotez yayınlamıştır. Buna göre herhangi bir gazın hacmi, mol sayıları ile orantılı olmalıdır, yani

V α n

V = k4n

Burada n mol sayısı ve k4 orantı sabitidir. Avogadro yasası’nın matematiksel ifadesidir. Bu yasaya göre sabit basınç ve sıcaklıkta, bir gazın hacmi gazın mol sayısı ile doğru orantılıdır.

k4 = RT/P dir.

Avogadro yasasına göre, iki gaz tepkimeye girdiğinde, bu gazların hacimleri ara­sında basit bir oran vardır. Eğer ürün bir gaz ise, bu gazın hacmi ile tepkimeye giren gazların hacimleri arasında basit bir oran bulunur (daha önce Gay-Lussac tarafından gösterilmişti). Örneğin, hidrojen ve azot moleküllerinden amonyak sentezini ele ala­lım:

3H2(g) + N2(g)  →   2NH3(g)

 3 mol     1mol           2 mol

Aynı sıcaklık ve basınçta, gazların hacimleri, mol sayılarıyla doğru orantılı olduğun­dan,

3H2(g) + N2(g)  →  2NH2(g)

3 hacim  1 hacim    2 hacim

yazılabilir. Hidrojen moleküllerinin hacim oranı 3:1 dir ve amonyağın (ürün), hidrojen molekülü ve azot molekülleri (tepkenler), toplamına oranı 2:4 ya da 2:1 dir.

Yazar Hakkında

admin

%d blogcu bunu beğendi: