Mühendislik Termodinamiği · 10. Ünite: Termodinamik Bağıntılar, Gaz Karışımları ve İklimlendirme (İsteğe Bağlı)

Clapeyron Denklemi ve Özellik Bağıntıları (dh, du, ds)

Faz değişimi sırasındaki gizli ısı $h_{fg}$ doğrudan ölçülemese bile doyma basıncının sıcaklıkla değişiminden hesaplanabilir; bu Clapeyron denkleminin sonucudur. Aynı Maxwell bağıntıları $du$, $dh$ ve $ds$ için genel ifadeler ve $c_p - c_v$ farkı için kesin bir formül verir. Konunun sonunda Clapeyron ile $h_{fg}$ hesaplayacak, Clausius–Clapeyron yaklaşımını doğru koşullarda kullanacak ve $c_p - c_v$ ile Joule–Thomson katsayısını $P$–$v$–$T$ verisinden bulacaksın.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Gizli Isıyı Ölçmeden Hesaplamak

  2. Clapeyron Denklemi

  3. Clausius–Clapeyron Yaklaşımı

  4. du, dh ve ds için Genel Bağıntılar

  5. $c_p - c_v$ Bağıntısı

  6. Joule–Thomson Katsayısı

  7. Çözümlü Örnekler

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Clapeyron denklemi
Faz değişiminde $dP/dT = h_{12}/(T v_{12})$; eğim, gizli ısıyı hacim farkıyla ilişkilendirir.
Clausius–Clapeyron denklemi
$v_g \gg v_f$ ve ideal gaz buhar varsayımıyla $\ln(P_2/P_1) = (h_{fg}/R)(1/T_1 - 1/T_2)$.
Gizli ısı (latent heat)
Sabit $T$ ve $P$'de faz değişimi için gereken $h_{fg}$ (ya da $h_{if}$).
Doyma eğrisi eğimi
$(dP/dT)_{sat}$; $P$–$T$ düzleminde iki fazın birlikte bulunduğu eğrinin eğimi.
Joule yasası
İdeal gazın $u$ ve $h$ değerinin yalnızca sıcaklığa bağlı olması.
Özgül ısı farkı
$c_p - c_v = Tv\beta^2/\kappa_T \geq 0$.
Joule–Thomson katsayısı
$\mu_{JT} = (\partial T/\partial P)_h$; sabit entalpili boğulmada sıcaklık değişimi.
Ters dönüşüm noktası
$\mu_{JT} = 0$ olduğu hal; $T\beta = 1$.
Boğulma (throttling)
Isı ve iş etkileşimi olmayan, entalpi sabit kalan akış süreci.

Örnek soru

Doymuş sıvı–buhar için Clapeyron denklemi aşağıdakilerden hangisidir?

  1. $\left(\dfrac{dP}{dT}\right)_{sat} = \dfrac{h_{fg}}{v_{fg}}$
  2. $\left(\dfrac{dP}{dT}\right)_{sat} = \dfrac{T\,v_{fg}}{h_{fg}}$
  3. $\left(\dfrac{dP}{dT}\right)_{sat} = \dfrac{h_{fg}}{T\,v_{fg}}$
  4. $\left(\dfrac{dP}{dT}\right)_{sat} = \dfrac{u_{fg}}{T\,v_{fg}}$
  5. $\left(\dfrac{dP}{dT}\right)_{sat} = \dfrac{h_{fg}\,T}{v_{fg}}$

Doğru cevap: C

Çözüm

1. Maxwell 3: $(\partial s/\partial v)_T = (\partial P/\partial T)_v$; faz değişiminde $(\partial P/\partial T)_v = (dP/dT)_{sat}$.
2. İntegre edince $s_{fg}/v_{fg} = (dP/dT)_{sat}$ ve $s_{fg} = h_{fg}/T$.
3. Sonuç: $(dP/dT)_{sat} = \dfrac{h_{fg}}{T\,v_{fg}}$.
$u_{fg}$ yerine $h_{fg}$ gelir çünkü sabit basınçta faz değişimi ısısı entalpi farkıdır. $T$'yi paydada unutmak ya da çarpmak boyut analizi ile elenir: $h_{fg}/v_{fg}$ [kJ/m³] = kPa'dır, kPa/K değildir.

Mühendislik Termodinamiği: tüm konular