#02 Özellikler, Hal ve Süreçler

Aşağıda defterde yazılan bütün satırlar ve bunlara eşlik eden sesli anlatımın tam metni bulunur.

1. 1. Zeytinyağı Neden Hep Üstte?

   

   Bir bardak su, üstünde zeytinyağı

   Karıştırsanız da yağ damlaları yukarı çıkar

   Neden hep yağ üstte?

   Cevap bir özellikte: yoğunluk

   Bugün: özellik · hal · süreç

   Sesli anlatım metni

   Bir bardağa su koyun, üstüne biraz zeytinyağı dökün. Ne kadar karıştırırsanız karıştırın, yağ damlaları sonunda yukarı çıkar ve suyun üstünde bir katman oluşturur. Neden hep yağ üstte? Cevap, bir maddenin en temel özelliklerinden birinde: yoğunluk. Bugün bir sistemi tarif eden sayıları, yani özellikleri; sistemin halini ve bir halden ötekine geçişi, yani süreci konuşacağız.

2. 2. Özellik: Yeğin mi, Yaygın mı?

   

   Özgül özellik = yaygın özellik / kütle (v = V/m, e = E/m)

   Büyük harf toplam (V, E) · küçük harf kilogram başına (v, e)

   Sesli anlatım metni

   Bir sistemin herhangi bir niteliğine özellik denir: basınç, sıcaklık, hacim, kütle; hatta viskozite ya da ısıl iletkenlik. Özellikler iki gruba ayrılır ve hangisinin hangisi olduğunu anlamanın kolay bir yolu var: sistemi hayali bir duvarla tam ortadan ikiye bölmek. 60 metreküplük bir oda düşünün; içindeki hava 20 derecede, 1 atmosfer basınçta ve 72 kilogram. Ortadan bölelim. Her yarının hacmi 30 metreküp, kütlesi 36 kilogram olur; bunlar yarıya indi. Ama sıcaklık yine 20 derece, basınç yine 1 atmosfer. Yarıya inen özelliklere yaygın özellik denir: kütle, hacim, toplam enerji. Değişmeyenlere yeğin özellik denir: sıcaklık, basınç, yoğunluk. Yaygın bir özelliği kütleye bölersek özgül bir özellik elde ederiz. Örneğin özgül hacim, hacim bölü kütle: 60 bölü 72, yaklaşık 0.833 metreküp bölü kilogram. Her yarı için de 30 bölü 36, yine 0.833. Yani özgül özellikler yeğindir. Alışkanlık olarak büyük harf toplamı, küçük harf kilogram başına değeri gösterir: büyük V toplam hacim, küçük v özgül hacim.

3. 3. Süreklilik: Boşluklu Gaz, Tek Bir Sayı

   

   Gazda moleküller arasında büyük boşluklar var

   1 mm³ havada ≈ 2.5 × 10¹⁶ molekül (20 °C, 1 atm)

   Süreklilik yaklaşımı: bu seride hep kullanılır

   Sesli anlatım metni

   Bir soru: gazda moleküller arasında büyük boşluklar var. O zaman yoğunluk gibi tek bir sayıdan nasıl söz edebiliyoruz? Cevap sayıların büyüklüğünde. 20 derece ve 1 atmosferde, 1 milimetreküp havada yaklaşık 25 katrilyon molekül vardır. Bu kadar çok molekül olunca maddeyi boşluksuz, sürekli bir ortam gibi düşünebiliriz. Buna süreklilik yaklaşımı denir; bu seride hep bu yaklaşımı kullanacağız.

4. 4. Yoğunluk, Özgül Hacim, Bağıl Yoğunluk

   

   ρ = m / V [kg/m³]

   v = V / m = 1 / ρ [m³/kg]

   verilen: m = 4.6 kg, V = 5 L

   $\displaystyle 1 L = 0.001 m³$

   $\displaystyle 5 L = 5 \cdot 0.001 = 0.005 m³$

   $\displaystyle \rho =\frac{ 4.6 }{ 0.005}$

   = 920 kg/m³

   $\displaystyle v =\frac{ 1 }{ 920}$

   ≈ 0.00109 m³/kg

   SG = ρ / ρₛᵤ

   ρₛᵤ = 1000 kg/m³

   SG = 920 / 1000 = 0.92

   birimsiz

   1'den küçük → suda yüzer

   γ = ρ · g (birim hacmin ağırlığı)

   $\displaystyle = 920 \cdot 9.81 = 9025.2 N/m³$

   sıvı: ρ ≈ sabit · gaz: ρ, P ve T ile değişir

   Sesli anlatım metni

   Şimdi yoğunluğa geçelim. Yoğunluk, birim hacimdeki kütledir: kütle bölü hacim; birimi kilogram bölü metreküp. Tersine özgül hacim denir: hacim bölü kütle. Bir örnek: 5 litrelik bir teneke zeytinyağının kütlesi 4.6 kilogram. Önce litreyi metreküpe çevirelim: 1 litre 0.001 metreküp, 5 litre 0.005 metreküp. Yoğunluk: 4.6 bölü 0.005, yani 920 kilogram bölü metreküp. Özgül hacim bunun tersi: 1 bölü 920, yaklaşık 0.00109 metreküp bölü kilogram. Bir maddenin yoğunluğunu suyunkine bölersek bağıl yoğunluk elde ederiz. Suyun yoğunluğu 1000 kilogram bölü metreküp; 920 bölü 1000, 0.92. Birimi yok. 1'den küçükse madde suda yüzer; zeytinyağı bu yüzden üstte. Son olarak birim hacmin ağırlığı: yoğunluk çarpı yerçekimi ivmesi. 920 çarpı 9.81, 9025.2 newton bölü metreküp. Sıvıların yoğunluğu basınçla neredeyse değişmez; gazlarınki ise basınç ve sıcaklıkla belirgin şekilde değişir.

5. 5. Hal, Denge ve Hal İlkesi

   

   Hal: bütün özelliklerin o andaki değerleri

   Tek bir özellik değişirse → yeni hal

   Denge: içeride değiştirmeye zorlayan fark yok

   Isıl denge: sıcaklık her yerde aynı

   Mekanik · faz · kimyasal denge

   Hal ilkesi: basit sıkıştırılabilir sistem → 2 bağımsız yeğin özellik

   Kaynarken T ve P bağımlı: ikisi yetmez

   Sesli anlatım metni

   Değişmeyen bir sistemi düşünün. O anda bütün özelliklerini ölçebiliriz; bu özellikler kümesi sistemin halini tarif eder. Tek bir özellik bile değişirse sistem başka bir hale geçmiş olur. Termodinamik denge hallerini inceler: dengede sistemin içinde onu değiştirmeye zorlayan bir fark kalmaz. Örneğin sıcaklık her yerde aynıysa sistem ısıl dengededir. Bu metal bloğun parçaları başta 10 ile 60 derece arasında; ısı sıcaktan soğuğa akar ve bir süre sonra her yer 35 dereceye gelir. Basınç zamanla değişmiyorsa mekanik denge, fazların miktarı sabitse faz dengesi, bileşim değişmiyorsa kimyasal denge vardır. Peki bir hali belirlemek için kaç özellik gerekir? Hal ilkesi der ki: basit sıkıştırılabilir bir sistemin hali, birbirinden bağımsız iki yeğin özellikle tamamen belirlenir. Örneğin azot gazının sıcaklığını ve özgül hacmini verirseniz, basıncı ve diğer bütün özellikleri kendiliğinden belli olur. Dikkat: bağımsız olmaları şart. Su kaynarken sıcaklık ve basınç birbirine bağlıdır; deniz seviyesinde su 100 derecede kaynar, dağda daha düşük sıcaklıkta. Kaynama sırasında bu ikisi yetmez.

6. 6. Süreç, Yol ve Sanki-Dengeli Süreç

   

   Süreç: bir denge halinden diğerine · yol: ara haller

   Hızlı: moleküller pistonun önünde yığılır → dengesiz

   Yavaş: her an dengeye yakın → sanki-dengeli süreç

   İdealleştirme: analizi kolay; makineler en çok işi böyle verir

   P–V diyagramında sürekli bir yol

   izotermal (T) · izobarik (P) · izokorik (V) sabit

   Çevrim: sistem ilk haline döner

   Sesli anlatım metni

   Bir sistemin bir denge halinden diğerine geçmesine süreç, geçtiği ara hallerin dizisine de sürecin yolu denir. Bir pistonla gazı sıkıştıralım. Pistonu çok hızlı itersek, pistonun önündeki moleküllerin kaçmaya vakti olmaz; önde yığılırlar ve orada basınç yükselir. Sistemin her yeri aynı halde değildir; süreç dengede ilerlemez. Pistonu yavaş itersek moleküller her an yeniden dağılır ve basınç her yerde aynı hızla artar. Sistem her an dengeye çok yakındır. Buna sanki-dengeli süreç denir. Bu bir idealleştirmedir ama iki büyük faydası var: analizi kolaydır ve iş üreten makineler en çok işi bu şekilde çalışırken verir. Sanki-dengeli bir süreci basınç-hacim diyagramında sürekli bir çizgi olarak çizebiliriz. Bir özelliği sabit tutan süreçlere izo ön eki verilir: sıcaklık sabitse izotermal, basınç sabitse izobarik, hacim sabitse izokorik. Sistem sürecin sonunda başladığı hale geri dönerse buna çevrim denir.

7. 7. Sürekli Akış

   

   Sürekli: zamanla değişmez · düzgün: konumla değişmez

   Termosifon: 15 °C girer, 60 °C çıkar

   13:00'te de 15:00'te de aynı → sürekli akış

   Sürekli akış: kontrol hacminde kütle ve enerji sabit

   türbin · pompa · kazan · ısı değiştirici

   Sesli anlatım metni

   Mühendislikte iki kelime sık karışır: sürekli ve düzgün. Sürekli, zamanla değişmemek demektir; düzgün ise konumla değişmemek. Önceki dersteki termosifonu hatırlayın: soğuk su 15 derecede giriyor, sıcak su 60 derecede çıkıyor. Saat birde de, üçte de bu sıcaklıklar aynıysa, cihazın içinde noktadan noktaya sıcaklık farklı olsa bile akış süreklidir. Buna sürekli akış süreci denir: kontrol hacmindeki kütle ve toplam enerji sabit kalır. Türbinler, pompalar, kazanlar ve ısı değiştiriciler uzun süre bu şekilde çalışır.

8. 8. Üç Klasik Tuzak

   

   ① V ile v'yi karıştırmak: toplam hacim m³, özgül hacim m³/kg

   ② Bağıl yoğunluğa birim yazmak: iki yoğunluğun oranı, birimsiz

   ③ Kaynayan suyun halini T ve P ile belirlemeye çalışmak: bağımlılar

   Sesli anlatım metni

   Üç klasik tuzak. Bir: büyük V ile küçük v'yi karıştırmak. Büyük V toplam hacimdir, metreküp; küçük v özgül hacimdir, metreküp bölü kilogram. İki: bağıl yoğunluğa birim yazmak. Bağıl yoğunluk iki yoğunluğun oranıdır, birimsizdir. Üç: kaynayan suyun halini sıcaklık ve basınçla belirlemeye çalışmak. Faz değişimi sırasında bu ikisi bağımlıdır; bir bilgi daha gerekir.

9. 9. Bardağa Dönelim

   

   Zeytinyağı SG 0.92 · su SG 1

   Daha az yoğun → yukarı çıkar, üstte kalır

   Buz da suda yüzer: SG ≈ 0.92

   Özellikler yeğin ya da yaygın: ikiye bölme testi

   ρ = m/V · v = 1/ρ · SG birimsiz

   Hal ilkesi: 2 bağımsız yeğin özellik

   Yavaş süreç sanki-dengeli, bir yol olarak çizilir

   Sıradaki: sıcaklık, basınç ve manometre

   Sesli anlatım metni

   Bardağa dönelim. Zeytinyağının bağıl yoğunluğu 0.92, suyunki 1. Yağ daha az yoğun olduğu için yukarı çıkar ve üstte durur. Aynı sebeple buz da suda yüzer; buzun bağıl yoğunluğu da yaklaşık 0.92. Toparlayalım. Özellikler yeğin ya da yaygındır; ikiye bölme testiyle ayırt edilir. Yoğunluk kütle bölü hacimdir, özgül hacim bunun tersi, bağıl yoğunluk ise birimsiz bir orandır. Basit sıkıştırılabilir bir sistemin hali iki bağımsız yeğin özellikle belirlenir. Yavaş ilerleyen süreç sanki-dengelidir ve bir yol olarak çizilir. Bir sonraki derste sıcaklık, basınç ve manometreyle devam ediyoruz. Görüşmek üzere.

Kaynak video: Özellikler, Hal ve Süreçler (7:03)