Mühendislik Termodinamiği · 2. Ünite: Saf Maddelerin Özellikleri
Saf Madde, Fazlar ve Faz Değişim Süreçleri
Buhar santrallerinde kazandan türbine, soğutma çevriminde evaporatörden kondansere kadar mühendislik sistemlerinin çoğunda akışkan faz değiştirir. Bu konuda saf madde (pure substance) ve faz (phase) kavramlarını kurar, suyun sabit basınçta ısıtılırken geçtiği beş hâli (sıkıştırılmış sıvı, doymuş sıvı, doymuş karışım, doymuş buhar, kızgın buhar) T–v diyagramında izler, basıncın kaynama sıcaklığını ve gizli ısıyı nasıl değiştirdiğini sayılarla görürsün. Konunun sonunda verilen bir (T, P) çiftinin hangi fazda olduğunu belirleyebilir, kuruluğu (quality) tanımlayabilir ve sabit basınçlı ısıtmada gereken ısıyı hesaplayabilirsin.
Öğrenme hedefleri
- Bir maddenin saf madde olup olmadığını bileşimin homojenliği ve sabitliği ölçütüyle değerlendirir; faz ile saf madde kavramlarını ayırt eder.
- Verilen (T, P) çiftini T_doy(P) ve P_doy(T) ile karşılaştırarak suyun hâlini (sıkıştırılmış sıvı, doymuş, kızgın buhar) belirler.
- Sabit basınçta ısıtılan suyun beş hâlini sırasıyla adlandırır; her aşamada sıcaklığın ve özgül hacmin nasıl değiştiğini açıklar.
- Basıncın artışının kaynama sıcaklığına ve buharlaşma entalpisine (h_fg) etkisini, kritik ve üçlü nokta kavramlarıyla birlikte yorumlar.
- Kuruluk (x) tanımını kullanarak karışımın özgül hacmini ve hâl içeriğini hesaplar; sabit basınçlı ısıtmada gerekli ısıyı q = Δh ile bulur.
Konu anlatımı
Bağlam: Neden Saf Madde ve Faz Değişimi?
Saf Madde ve Fazlar
Sabit Basınçta Isıtma: Beş Hâl
Basıncın Etkisi, Kritik Nokta ve Üçlü Nokta
Kuruluk ve Karışım Özellikleri
Sabit Basınçta Isı ve Entalpi
Çözümlü Örnekler
Simülasyonda Dene
Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları
Anahtar terimler
- Saf madde (pure substance)
- Tüm kütlesi boyunca homojen ve kimyasal bileşimi sabit olan madde; birden çok fazı bir arada bulunsa da bileşim aynıysa saf maddedir.
- Doymuş sıvı / doymuş buhar
- Verilen basınçta kaynama sıcaklığında olup buharlaşmaya hazır (x = 0) sıvı ya da yoğuşmaya hazır (x = 1) buhar.
- Sıkıştırılmış sıvı (compressed liquid)
- T < T_doy(P) olan, yani kaynama sıcaklığının altındaki sıvı; P > P_doy(T) olarak da tanımlanır.
- Kızgın buhar (superheated vapor)
- T > T_doy(P) olan tek fazlı buhar; kolayca yoğuşmaz.
- Kuruluk (quality) x
- Doymuş karışımda buharın kütle oranı, x = m_g/m_toplam; 0 ile 1 arasında değer alır ve yalnızca karışım için tanımlıdır.
- Gizli ısı (h_fg)
- Sabit basınçta 1 kg doymuş sıvının doymuş buhara dönüşmesi için gereken ısı; kritik noktada sıfırdır.
- Kritik nokta (critical point)
- Sıvı ve buhar fazlarının ayırt edilemediği son nokta; su için 373,95 °C ve 22,064 MPa.
- Üçlü nokta (triple point)
- Katı, sıvı ve buharın dengede bir arada bulunduğu tek (T, P) çifti; su için 0,01 °C ve 0,6117 kPa.
- Süperkritik akışkan
- T > T_kr ve P > P_kr olan hâl; faz değişimi olmadan sıvı benzeri hâlden gaz benzeri hâle sürekli geçilir.
Örnek soru
Aşağıdakilerden hangisi saf madde olarak ele alınamaz?
- 0 °C'de buz ve sıvı su karışımı
- Sabit bileşimli, tek fazlı gaz hâlindeki kuru hava
- Sıvı hava ile gaz hâlindeki hava karışımı
- Su ve su buharının birlikte bulunduğu doymuş karışım
- Gaz hâlindeki azot
Doğru cevap: C
Çözüm
1. Saf madde, kütlesi boyunca homojen ve kimyasal bileşimi sabit olan maddedir.
2. Buz–su ve su–buhar karışımında her iki fazda da bileşim H₂O'dur; faz sayısı birden fazla olsa da madde saftır.
3. Gaz hâlindeki hava tek fazlı ve bileşimi her yerde aynıdır; saf madde gibi ele alınır.
4. Havanın bir kısmı sıvılaştığında azot ile oksijen kaynama noktaları farklı olduğundan iki fazda farklı oranlarda bulunur; sıvı fazın bileşimi gaz fazınkinden farklıdır.
Sonuç: sıvı + gaz hava karışımı saf madde değildir (C). "Birden çok faz = saf değil" düşüncesi en güçlü çeldiricidir (A ve D), ancak ölçüt faz sayısı değil, her fazdaki bileşimin aynı olmasıdır.