GERÇEK GAZLAR - Kimya Budur - Gerçek Gaz ve İdeal Gaz

GERÇEK GAZLAR

GERÇEK GAZ VE İDEAL GAZ

Kinetik Teori’ye göre gaz taneciklerinin öz hacmi ihmal edilir, tanecikler arası çekim kuvveti yok sayılır ve bu şekilde bir ideal gaz tanımı yapılır. İdeal gazlar gaz yasalarına uyan gazlardır. Doğada bulunan gazlar ise gerçek gazlardır.




Gerçek gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınçta ideale yaklaşırlar, ideal gazlar ise düşük sıcaklık ve yüksek basınçta idealden uzaklaşırlar.

gerçek gazlar
Kap hacmine göre gaz hacmi ihmal edilebilir ya da edilemez.

Yüksek sıcaklıkta tanecikler arası çekim kuvveti zayıflar ve bu çekim kuvvetlerini yok saymak kolaylaşır. Aynı şekilde düşük basınçta gazın öz hacmi kapladığı hacmin yanında ihmal edilebilir büyüklükte olur.

İdeal gaz denkleminde 1 mol gaz için

PV/RT = 1 dir.

Gerçek gazlar her koşulda bu eşitliği sağlamaz.




Aşağıdaki grafikte basınçla birlikte H2, O2 ve CO2 gazlarının idealden sapma eğrileri verilmiştir. Grafiğe göre düşük basınçta gazlar ideale en yakın durumdadır. Basınç arttıkça idealden sapma miktarları artar. Çünkü basıncın artmasıyla birlikte gaz yoğunluğu artar, gaz tanecikleri birbirine yaklaşır ve tanecikler arası çekim kuvveti artar.

Mol kütlesi arttıkça moleküller arası kuvvetler artar ve gazlar idealden uzaklaşırlar.  Grafikte; aynı basınçta gazların idealden sapma miktarları görülmektedir. CO2 mol kütlesi en büyük molekül olduğundan ideale en uzak gazdır.

idealden sapma
Farklı gazların PV/RT oranının basınçla değişimi

 

 

 

 

 

 

Gerçek gazlarda sıcaklık düştüğünde moleküllerin ortalama kinetik enerjileri düşerken molekülün hareketi yavaşlar ve gaz molekülleri birbirine yaklaşır. Moleküller arası çekim kuvvetleri artar ve gazlar sıvılaşır.

ideallikten sapma
Değişik sıcaklıklarda sabit miktardaki CH4 (metan) gazının PV/RT düşük sıcaklıklarda ideallikten sapması

Gazlar yüksek sıcaklıkta idealliğe yaklaşır, düşük sıcaklıkta ideallikten sapar.




Özetle:

  • Tanecikler arası çekim kuvveti yok sayılan, öz hacmi ihmal edilen gazlara ideal gaz denir.
  • Yüksek sıcaklık ve düşük basınçta gazlar ideale yaklaşırlar.
  • Mol kütlesi küçük, polarlığı düşük olan gazlar ideale en yakın gazlardır. ÖR: He ve H2 gazları.

FAZ DİYAGRAMLARI

Maddenin bir hâlden diğer hâle geçmesine faz geçişi denir.
Maddelerin farklı sıcaklık ve basınç koşullarında fiziksel durumlarını gösteren grafiklere faz diyagramı adı verilir. Faz diyagramlarında genellikle x ekseni üzerinde sıcaklık, y ekseni üzerinde basınç değeri yer alır. Faz diyagramında görülen çizgiler ve eğriler faz değişiminin gerçekleştiği sıcaklık-basınç değerlerini gösterir. Çizgilerin tam üstüne gelen sıcaklık ve basınç değerleri ise maddenin iki hâlinin bir arada olduğunu ifade eder.

Faz Diyagramı
Faz Diyagramı

A Noktası: Üçlü nokta. Maddenin üç halde de bulunduğu basınç ve sıcaklık noktası.
B Noktası: Bir gazın basınç uygulanarak sıvılaştırılabileceği en yüksek sıcaklık noktasıdır. Bu sıcaklığa kritik sıcaklık denir.
AB (buharlaşma-yoğuşma eğrisi): Bu eğri üzerinde herhangi bir nokta sıvıdan gaza ya da gazdan sıvıya hal değişiminin olduğu basınç ve sıcaklığı gösterir.
AC (erime-donma) eğrisi: Bu eğri üzerinde herhangi bir nokta katıdan sıvıya ya da sıvıdan katıya hal değişiminin olduğu basınç ve sıcaklığı gösterir.
AD (süblimleşme-kırağılaşma) eğrisi: Bu eğri üzerinde herhangi bir nokta katıdan gaza ya da gazdan katıya hal değişiminin olduğu basınç ve sıcaklığı gösterir.

Suyun ve Karbon Dioksidin Faz Diyagramı

Suyun faz diyagramı
Suyun faz diyagramı
Karbon dioksitin faz diyagramı
Karbon dioksitin faz diyagramı

iki grafiği de okuyalım:




İki grafiğin de AC eğrilerine baktığımızda büyük bir farklılık göze çarpmaktadır. Suyun faz diyagramında AC eğimi basınç yönündeyken, CO2‘ de ise sıcaklık yönündedir. Bu durum buzun basınçla sıvılaşabileceği, CO2 katısının (kuru buzu) ise basınçla süblimleşeceği anlaşılır.

Gaz ve Buhar Arasındaki Fark

Bulunduğu sıcaklıkta hiçbir basınç altında sıvılaştırılamayan akışkanlara gaz denir. Buhar ise bulunduğu  sıcaklıkta sıvılaşabilen akışkanlardır.
Gazlar yüksek sıcaklık ve düşük basınç değerlerinde ideale yaklaştıkları için gazın sıcaklığı ne kadar yüksek ise sıvılaşması için gereken basınç da o kadar yüksek olur.

Bazı sıcaklık değerlerinden sonra ne kadar basınç uygulanırsa uygulansın bir gazı sıvı hâle geçirmek mümkün değildir. Bu sıcaklık noktasına kritik sıcaklık noktası denir. Benzer şekilde bazı basınç değerlerinden sonra sıcaklık ne kadar düşürülürse düşürülsün madde gaz hâle geçirilemez. Bu basınç noktasına da kritik basınç noktası denir.

Suyun kritik sıcaklığı 374,3 oCʼtur ve bu sıcaklık değerinin üstünde basınçla sıvılaştırılamadığı için su, gaz hâlde bulunur. Benzer şekilde CO2ʼin kritik sıcaklığı da 31,2 oCʼtur ve bu sıcaklık değerinin üstünde gaz hâlde bulunabilir. Bu bilgilere göre su ve CO2 standart koşullarda (25 oC ve 1 atm) basınçla sıvılaşabileceği için buhar hâldedir, gaz halde değildir deriz.

Fakat O2ʼin kritik sıcaklığı -118,2 oCʼ- tur ve bu değer standart koşullarda gaz hâlde bulunduğunu gösterir.
Çünkü O2ʼe oda sıcaklığında ne kadar basınç uygulanırsa uygulansın oksijen sıvı hâle getirilemez.

Joule-Thomson Olayı

Gazların ani genleşmesi sonucu soğuması olayına Joule-Thomson Olayı denir. Gazlar genleştiğinde tanecikler arası çekim kuvvetini yenmek için gerekli enerjiyi kendi kinetik enerjisinden karşılar. Bu nedenle gazlar genleşirken öz ısılarını kullandıkları için kinetik enerjisi azalır ve bulundukları ortamı soğutur. Bu olay Joule-Thomson olayı olarak bilinir. Joule-Thomson olayında genleşen gazın sıcaklık değişimi ne kadar az ise gaz ideale o kadar yakındır.

James Joule (Ceyms Cuul) ve William Thomson (Vilyım Tamsın) bu konu hakkında çalışan ilk bilim insanı olduklarından bu olaya daha sonra  iki bilim insanının adı verilmiştir. Joule ve Thomson aşağıdakine benzer bir düzenek kullanmışlardır.

Joule-Thomson Olayı

Bu düzenekte ısıca yalıtılmış bir kap, engelle iki bölmeye ayrılmıştır.
Bölmeler arasında küçük bir delik bulunmaktadır. I. bölmedeki gaz yüksek basınçta sıkıştırılarak II. bölmeye geçirilmektedir. Gazın I. bölmeden II. bölmeye geri dönüşümsüz olarak geçmesi için I. bölmedeki gaz basıncının II. bölmedeki gaz basıncından yüksek olması gerekir. Her iki bölmedeki sıcaklıklar ölçüldüğünde gazın cinsine göre 3 durumla karşılaşılır:
1. II. bölmedeki sıcaklığın I. bölmedeki sıcaklıktan düşük olduğu durum (T2 < T1),
2. II. bölmedeki sıcaklığın I. bölmedeki sıcaklıktan yüksek olduğu durum (T2 > T1),
3. Her iki bölmedeki sıcaklığın eşit olduğu durum (T2 = T1).




Joule-Thomson olayı bisiklet pompası ile lastik şişirirken karşımıza çıkar. Pompa içinde sıkışan gaz ısınır ve pompanın çıkış vanasını ısıtır, pompanın ağzında ise genleşen gaz soğur ve sibobu soğutur. Joule-Thomson olayından havanın sıvılaştırılıp azot ve oksijen gazı elde edilmesinde, klima ve buz dolaplarında yararlanılmaktadır.

Gerçke Gazlar Sunum

İdeal Gaz Denklemi Sunum