Successfully reported this slideshow.

Tek bileşenli sistemler

5,167 views

Published on

Tek bileşenli sistemler ve bu sistemlerle ilgili faz diyagramları ve denge halleri örnek problemlerle anlatılmıştır.

Tek bileşenli sistemler

  1. 1. Tek Bileşenli Sistemler Prof.Dr. İbrahim USLU Prof.Dr. İbrahim USLU
  2. 2. Bileşen sayısı• Dengede bulunan bir sistem bileşiminde kimyasal formül ya da denklem şeklinde gösterilebilen, kimyaca bağımsız maddelerin sayısıdır.• Örneğin, dengeli karışım şeklindeki buz, su ve su buharının bileşen sayısı tekdir, çünkü her üç faz "H20" kimyasal formülü ile gösterilebilir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  3. 3. Faz Kuralı• J. Willard Gibbs tarafından ileri sürülen faz kuralı, denge halindeki gaz, sıvı ve katı sistemlere, basınç, sıcaklık ve konsantrasyon gibi serbest değişkenlerin etkisi ile ilgilidir.• Faz kuralı eşitliği, sistemin tanımlanabilmesi için gerekli değişken sayısının belirlenmesinde J. Willard Gibbs kullanılan bir araçtır.• Bu eşitlik,• F = C - P + 2 şeklinde gösterilir. – F: Sistemin serbestlik derecesi (Değişken sayısı). – C: Sistemin bileşen sayısı (Komponent sayısı). – P: Sistemin faz sayısı. Prof.Dr. İbrahim USLU
  4. 4. Serbestlik derecesi, F• F, Sistemin tanımlanması için gerekli olan değişken sayısıdır.• Bu değişkenler, sıcaklık, basınç, konsantrasyon, kırılma indisi ve viskozite gibi özelliklerdir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  5. 5. Karbondioksit – Faz diyagramı Tek bileşenli sistem• C02 faz diyagramı incelendiğinde, 1 atmin altında oda sıcaklığında derhal gaz haline döner.• Normal atmosferik koşullarda (1 Atm ve 25°C) ise, gaz halindeki C02nin katı hale gelebilmesi için sıcaklığın -78°Cnin altına düşürülmesi gerekir.• Bu koşuldaki C02 kuru buz olarak bilinir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  6. 6. Oda sıcaklığında karbondioksit sıvı fazı• Gaz C02i oda sıcaklığında sıvılaştırmak için ise, basıncın 67 atmin üstüne çıkarılması gerekir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  7. 7. Suyun faz diyagramı• XM eğrisi, suyun buz ile sıvı şeklîni bir arada bulunduran erime eğrisi;• MK eğrisi, suyu hem sıvı hem de buhar halinde bulunduran buharlaşma eğrisi;• ML eğrisi ise suyu, hem buz, hem de buhar halinde bulunduran süblimasyon eğrisidir.• Bu eğriler üzerinde F değeri 1’dir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  8. 8. Suyun üçlü noktası• Suyun her üç fazının bir arada dengede bulunduğu koşul (0.006 atm, 0.0098°C), suyun üçlü noktası (triple point) olarak adlandırılır.• Bu, sistemde üç fazın aynı anda dengede kalabilmesi için hiç bir değişkenin değiştirilmemesi gerektiğini gösterir.• Değişkenlerin herhangi birinin değiştirilmesi durumunda sistem iki veya tek fazlı duruma döner.• Normal şartlar altında su 0°Cde donmasına rağmen, hava basıncının 1 atmden 0.006 atme indirilmesi ile donma sıcaklığı yükselerek 0.0098°C olur.• Üçlü noktanın altındaki basınç değerlerinde buz halindeki su, sıcaklığın arttırılması ile sıvılaşmadan buhar fazına geçer (süblimasyon). Prof.Dr. İbrahim USLU
  9. 9. Su ve Karbondioksit farkı• Su ile C02in faz diyagramları arasındaki temel fark, suyun katı ve sıvı bölgeleri arasındaki eğrinin (XM) eğiminin negatif, C02in ise, pozitif olmasıdır.• Su için XM eğrisi basınç arttıkça sola doğru eğilir. Bu, basınç arttıkça buzun daha düşük sıcaklıklarda eriyeceğini ve suyun donma noktasının azalacağını göstermektedir.• C02 için ise, bunun tam tersi geçerlidir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  10. 10. Tek Bileşenli Sistemler, 1 fazlı• Tek bileşenli sistemler saf maddelerden oluşur. Diğer bir deyişle fazlar tek bir bileşenden oluşur• Tek bileşenli (örneğin saf su ) gibi sistemlerde F= 3 – P• şeklinde verilir.• Eğer tek bir faz mevcutsa (P=1) bu durumda F=2 olup P ve T bağımsız olarak değiştirilebilir.• Başka bir deyişle tek bir faz P-T faz diyagramında bir bölge ile gösterilir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  11. 11. Tek Bileşenli Sistemler, 2 fazlı• Eğer iki faz (P=2) birbirleri ile denge halindeyse bu durumda F=1 olur . Bu da sıcaklık belirli ise basıncın artık bağımsız olarak değiştiremeyeceğini gösterir .• İki fazın denge halinde olması durumu P-T faz diyagramında bir çizgi ile gösterilir.• Bunun anlamı belli bir basınçta iki fazın ancak belli bir sıcaklıkta dengeye geleceğidir. Başka bir deyişle belli bir basınçta donma- erime , buharlaşma- yoğunlaşma gibi faz dönüşümleri belirli bir sıcaklıkta olur . Prof.Dr. İbrahim USLU
  12. 12. Tek Bileşenli Sistemler, 3 fazlı• Eğer üç faz denge halinde ise F=0 olur .• Buna göre üç fazın denge halinde olması durumu ancak belirli bir sıcaklıktaki ve basınçtaki bir noktada söz konusudur.• Buna üçlü nokta adı verilir.• F değeri eksi “–” olamayacağından dört farklı fazın dengede olması durumu söz konusu değildir. Prof.Dr. İbrahim USLU
  13. 13. Tek bileşenli sistemlerde serbestlik derecesi• Su ve su buharını üçüncü faz olan buz oluşana kadar soğuttuğumuzu düşünelim.• Bu durumda, faz kuralına göre sistemin serbestlik derecesi sıfırdır, yani sistem tamamen tanımlanmıştır Prof.Dr. İbrahim USLU
  14. 14. Tek bileşenli sistemlerde faz sayısı artışı• faz kuralının tek bileşen içeren bir sisteme uygulanması sonucu hesaplanan serbestlik dereceleri (F) Prof.Dr. İbrahim USLU
  15. 15. Oda sıcaklığında beher içindeki etanol• Sistemin bileşen sayısı (C) sadece etanol molekülünden oluşması nedeniyle tek’dir.• Sistemdeki faz sayısı, sıvı ve buhar durumundaki etanol birlikte aralarında bir sınır oluşturacak şekilde bulunduğu için, iki’dir.• Bu sistemi bu durumda tutabilmek için, yani fazlar arasında molekül geçişi olmaması için, ya sıcaklığın ya da basınç değerinin sabit tutulması gerekir. Nitekim serbestlik derecesi değeri de (F = C - P + 2) bir olarak hesaplanır. Prof.Dr. İbrahim USLU
  16. 16. Faz dönüşümü denge koşulları• Bir α ↔ β faz donuşumu için denge koşulları:• Denge durumunda sistemin içindeki fazların kimyasal potansiyelleri( Molar Gibbs Serbest Enerjileri) birbirlerine eşit olmalıdır. Prof.Dr. İbrahim USLU
  17. 17. Dengede fazların Kimyasal Potansiyelleri eşittir• Denge durumunda sistemin içindeki fazların kimyasal potansiyelleri( Molar Gibbs Serbest Enerjileri) birbirlerine eşit olmalıdır. Prof.Dr. İbrahim USLU
  18. 18. Clausius-Clapeyron Denklemi• Daha önceden biliyoruz ki sabit basınçta, faz dönüşüm sıcaklığında:• Bu ifadeyi için bulduğumuz ifade de kullanırsak,• Clausius-Clapeyron Denklemi. Prof.Dr. İbrahim USLU
  19. 19. Clausius-Clapeyron Denkleminde Entalpi• Dikkat edilmelidir ki faz dönüşümü sırasındaki entalpi değişimi sabit değildir ve sıcaklık ve basınçla beraber değişmektedir.• 10 MPa dan küçük değişimlerde yukaridaki denklemdeki ikinci terim genellikle göz ardı edilir .• Bu denklemde ∆Cp• olarak hesaplanır. Prof.Dr. İbrahim USLU
  20. 20. Clausius-Clapeyron Denkleminde hacim• Kati↔Sıvı faz dönüşümlerinde çok büyük bir hacimsel değişme olmaz.• Ancak Sıvı↔Buhar ve Katı↔Buhar dönüşümlerinde gaz fazının hacmi sıvı fazına kıyasla çok daha büyüktür.• Ayrıca buharın ideal gaz gibi davrandığını farz edersek,• Böylece olur. Prof.Dr. İbrahim USLU
  21. 21. Clausius-Clapeyron Denklemi, Sıvı-Buhar ve Katı-BuharClayperon denkleminde eşitliğini kullanırsak Prof.Dr. İbrahim USLU
  22. 22. Örnek 1• 1 atm. basınç altında kaynama sıcaklığı 58 oC olan sıcaklıktan bağımsız olduğu varsayılan özgül buharlaşma entalpisi 31000 j/mol olan brom için 0.75 atm deki kaynama sıcaklığını bulunuz.• Sıvı-gaz dönüşümü olduğu için ve gazi ideal gaz olarak kabul edersek. Ayrıca entalpi değişiminin(∆Hsb) sıcaklıktan bağımsız olduğunu kabul edersek: Prof.Dr. İbrahim USLU
  23. 23. Örnek 2• Yukarıdaki örnek de verilen bilgileri kullanarak brom için, Sıvı Gaz faz dönüşüm sınırını bulunuz. Prof.Dr. İbrahim USLU
  24. 24. Kaynaklar• Bu sunumda Prof.Dr. Mehmet Levent Aksu’nun sunumundan ve• Ayrıca• http://www.belgeler.com/blg/2rzq/tek-bilesenli-sistemlerde-faz-dengesi8• Adresinde yazarı belli plmayan dökümandan tamamen faydalanılmıştır. Prof.Dr. İbrahim USLU

×