Gaz nedir, gazların özellikleri nelerdir? Boyle, Charles ve Avogadro yasaları, ideal gaz denklemi, gazların kinetik teorisi ve gazların sıvılaştırılması hakkında bilgiler.
Gaz; maddenin dört durumundan biridir. Öteki üçü katı, sıvı ve plazma durumlarıdır. Bu dört durum arasındaki ayrım her zaman belirgin olarak görülmeyebilir. İngiliz fizikçisi Thomas Andrews, 1863’te bir dizi deney sonucu, uygun koşullar altında sıkıştırılan bir gazın gaz ve sıvı durumları arasında bir dizi ara aşamadan geçtiğini gözledi. Temelde gazlar, her doğrultuda özgürce hareket eden ve bulundukları hacmi dolduran atom ve moleküllerden oluşmuştur. Doğada birçok madde gaz halinde bulunur. Örneğin hava, oksijen, azot, argon ve öteki gazlardan oluşmuştur. Oksijen, karbondioksit, azot, hidrojen, bütan ve propan sanayide yaygın olarak kullanılır.
Günümüzde gazlar hakkındaki bilgilerin temeli üç ana kaynağa dayanır: Havanın incelenmesi, çeşitli gazların bulunması, ısı olaylarının incelenmesi. Hava üzerindeki deneylerin ilkini İtalyan bilimadamı Evangelista Toricelli gerçekleştirdi. Atmosfer basıncının varlığını bulan Toricelli, bu buluşunu pompaların çalışma ilkesini açıklamada kullandı. Bu çalışmaları daha ileri götüren İtalyan mühendis Vincenzo Viviani ilk cıvalı barometreyi yaptı (1643); yine aynı temel açıklamadan yola çıkan Fransız fizikçisi Blassa Pascal, hava basıncının neden olduğu hava yüksekliğinin bir dağın tepesinde eteklerine oranla daha az olduğunu gözlemledi. (1648). Alman fizikçi Otto van Guerick ise havası boşaltılarak birbirlerine yapışması sağlanan iki yarıkürenin sekizer attan oluşan iki grubun karşıt yönlere çkemesiyle bile ayrılmadığını gözlemledi (1654).
Belirli bir kütleye sahip olan havanın değişen basınç altındaki hareketlerini inceleyen İngiliz fizikçisi Robert Boyle, 1622’de sıcaklığı sabit tutulan bir gazın hacminin uygulanan basınçla ters orantılı olarak değişeceğini kanıtladı. Bu ilişki Boyle Yasası adıyla anılır. Bir başka yasa olan Charles Yasası ise (adını Fransız fizikçisi A. C. Charles’ dan alır) basıncı sabit tutulan bir gazın hacminin sıcaklıkla orantılı olduğunu belirtir. Bu yasayı 1802’de İngiliz fizikçisi John Dalton ile Fransız fizikçisi Joseph Gay-Lussac buldular. Böyle ve Charles yasalarının bileşimi ideal gaz yasasını oluşturur. PV=nRT. Bu yasa ilk kez Sadi Carnot tarafından 1824’te açıklandı. 1808’de Gay-Lussac aynı basınç ve aynı sıcaklıktaki gazların tepkimeye giren hacimleri arasında sabit bir oran olduğunu buldu. Üç yıl sonra İtalyan fizikçisi Amedeo Avogadro, eşit hacimli gazların, aynı sıcaklık ve aynı basınç altında eşit sayıda molekülden oluştuklarını belirten hipotezini açıkladı. İngiliz fizikçi James Joule’ün mekanik hareket ve ısıyı bağdaştıran deneylerinden sonra mekanik ısı kuramı, kalori kuramı üzerinde kesin bir üstünlük kazandı.
Alman fizikçisi Rudolf Clausius, Joule’ün görüşlerini geliştirerek 1857’de gazların kinetik kuramı konusunda ayrıntılı bir inceleme oluşturdu. İskoçyalı fizikçi James Clerk Maxwell, 1860’ta gaz moleküllerinin hız dağılımları konusunda bir yasa tanımladı. Avusturyalı fizikçi Josef Lerschimith, 1865’te gaz moleküllerinin çapları ve Avogadro sayısı için sayısal değerler buldu. Fransız kimyacısı Henri Regnault ve İrlandalı kimyacı Thomas Andrews, ideal gaz yasasındaki sapmaları incelediler. Alman fizikçisi Johannes van der Waals, 1873’te ideal gaz yasasının değiştirilmiş bir biçimini öne sürdü. 20. yüzyılda gazların endüstride yaygın olarak kullanılmaları, gazların analizi, sıvılaştırılması konularında önemli gelişmeler kaydedilmesini sağladı. Ayrıca gazların kinetik kuramı, Avusturyalı fizikçi Ludwing Boltzman ve ABD’li matematiksel fizik uzmanı J. Willard Gibbs’in geliştirdikleri istatistiksel mekanik yöntemleriyle etkin bir biçimde tamamlandı.
Gazlar bulundukları kabın biçimini alırlar; hacimleri sabit değildir. Arşimet prensibi gazlara da uygulanabilir. Buna göre bir gazın içinde bulunan cisim, kapladığı hacimdeki gazın ağırlığı kadar bir kuvvetle itilir. Bir gazın yoğunluğu belirli bir hacimdeki kütlesinin aynı hacme sahip havanın kütlesine oranı olarak tanımlanır. Gazların suda çözünürlükleri cinslerine göre büyük ayrılıklar gösterir. Örneğin 1.000 cm3 suda, oda sıcaklığında 19 cm3 hidrojen çözünebilirken aynı miktar suda 1.000 cm3 karbondioksit gazı çözünebilir. Gazların çözünürlüğü basınçla artar.
Gazların sıvılaştırılması endüstri açısından büyük önem taşır. Gazların sıvılaştırılabilmesi için basınç uygulanmasının yanı sıra belirli bir sıcaklığın üzerinde sıvılaştırılmadıklarından çoğu kez sıcaklığın da düşürülmesi gerekebilir. Buna kritik sıcaklık adı verilir (- 268°C helyum, -240° hidrojen 31° karbondioksit). Kritik sıcaklığı oda sıcaklığının altında olan gazlar için bazen soğutmak gerekebilir. Bu durum özellikle hidrojen ve helyum gazları için söz konusudur. Endüstride havanın sıvılaştırılması işlemi, önce 203 barlık bir basınç uygulayıp daha sonra basıncın 40.5 bara düşürülmesiyle başlar. Böylece soğuyan hava 203 barlık bir basınç uygulayıp daha sonra basıncın 40.5 bara düşürülmesiyle başlar. Böylece soğuyan hava 203 barlık basınç altında gelen havayı soğutmakta kullanılır; gelen hava da yine basınç düşmesi sonucunda soğur. Böylece başlangıç sıcaklığı işlemin birinci bö-lümündekinden daha düşük olduğundan gitgide azalan bir sıcaklık elde edilir.
Gazlar sürekli olarak, her yönde hareket eden molekül ya da atomlardan oluşmuşlardır. İlk kez İngiliz botanikçisi Robert Brown’un (1773-1858) bir sıvıda eriyik halde bulunan taneciklerin mikroskopla incelenmesi sırasında gözlemlediği bu düzensiz hareket türü Brown hareketi adını alır. Bu hareket sırasında moleküller arasında çarpışmalar olur. İki çarpışma arasında molekül, uzunluğu oldukça değişen bir yol katederse de bu uzaklıkların ortalaması hesaplanabilir. Örneğin 1.013 bar basınç ve 0°C sıcaklıktaki oksijen gazı için bu değer 0.005 mikrondur. Basınç azaldığında birim hacimdeki moleküllerin çarpışma olasılıkları da azalır, böylece moleküllerin özgürce katettikleri uzaklık da artar.Örneğin 0.001 mm cıva basıncında uzaklık 4 cm’ye çıkar. Moleküllerin kendilerini çevreleyen kabın iç yüzeyine çarpmaları ise yüzey üzerindeki basıncı oluşturur. V hızı ve m kütlesine sahip bir molekül 1/2 mV^2 değerinde bir kinetik enerjiye sahiptir. Bir gazın içindeki moleküllerin hızı aynı olmasa da ortalama hızları hesaplanabilir. Buna bağlı olarak ortalama kinetik enerjinin eşit sıcaklıktaki gazlarda aynı olacağı sonucu bulunmuştur. Bu olaydan iki sonuç çıkartılabilir: 1) Mutlak sıfır sıcaklıkta (-273°C) moleküller hareket durur; 2) Daha az yoğun gazlar daha hızlı hareket ederler.
1 Yorum
Bence çoooook güzel