Ana Sayfa | 9.Sınıf Kimya | 10.Sınıf Kimya | 12.Sınıf Kimya | Periyodik Tablo | Birim Tablosu

| Sözlükler | Kişisel Gelişim | Gıda Güvenliği | Dergiler  | Biyografi | E-Mail •

 PayPal'a kaydolun ve kredi kartı ödemelerini kabul etmeye anında başlayın.

I.BÖLÜM:

Sistemler ve Enerji Türleri

1.1 Sistem ve Ortam

 

Hazırlık Çalışmaları

1. Enerj ne demektir? Enerjinin kütlesi ve hacmi var mıdır?Araştırınız.

2. Dünyadaki başlıca enerji kaynaklarının neler olduğunu araştırınız.

3. Ülkemizde elektrik enerjisinin hangi kaynaklardan elde edildiğini araştırınız.

4. Çalışan bir buz dolabında hangi enerjilerin birbirine dönüştüğünü araştırınız.

5. Isı ile sıcaklık arasındaki farkı ve bunların ilişkisini açıklayınız.

6. Enerji yayan (ekzotermik) ve enerji alan (endotermik) fiziksel ve kimyasal değişmelere ikişer örnek veriniz.

 

Termodinamik, maddenin kimyasal ve fiziksel değişimleri sırasında oluşan enerji değişmelerini inceleyen bilim dalıdır. Kimyasal termodinamiğin kanunları sayesinde, verilen şartlar altında o kimyasal reaksiyonun gerçekleşip  Gerçekleşmeyeceğini veya yönünü tahmin edebiliriz. Fakat bize reaksiyonu hızı hakkında bilgi vermez.

Termo=ısı, dinamik= haraket anlamına gelmektedir.

Fiziksel ve kimyasal değişmelerde meydana gelen ısı değişimini inceleyen bilim dalına Termo Kimya diyoruz. Termodinamiğin temeli ısıdan hareketle iş elde etmek için yapılan çalışmalara dayanmaktadır.

Termodinamik kanunlarından yararlanılarak bulunan buluşların ilki endüstri alanında yapılan buluşlardır. Bunların en önemlisi buhar makinesinin icadıdır. Buhar makineleriyle çalışan tren, hareket etmek için gerekli enerji yanan odun ve kömürden sağlamaktadır Üretilen enerji, suyu buhar hâline çevirerek lokomotife güç sağlar. Modern lokomotifler odun veya kömür yerine dizel yakıt kullanırlar. Lokomotifler ısı enerjisini yanan bir yakıttan alıp bir kısmını mekanik enerjiye çevirirler.

Bu bilim kolu 19. yüzyıldaki Endüstri Devrimine bağlı olarak doğmuş, ısı makinalarının verimini arttırmak için yapılan çalışmalar, ısı, iş ve yakıtların ısı içeriği kavramlarını öne çıkarmıştır.  1920 li yıllarda geliştirilen yeni kuantum kuramı ışığında  bazı değişmelere uğramış, istatistiksel termodinamik doğmuştur. Bugün bir çok kimyasal olay, termodinamiğin prensipleri yardımı ile  yorumlanmaktadır.


İnsanın doğaya egemenlik mücadelesindeki en büyük çabalardan birisi, enerjiyi yararlı bir şekilde kullanmak ve  işe çevirmek olmuştur.

Termodinamikte bir organizma, bir hücre veya birbiri ile reaksiyona giren iki madde, sistem olarak tanımlanır Sistem, bir ortam  (çevre) içinde yer alır. Sistem ve  ortam  birlikte  evreni oluştururlar.

Çevre ile enerji ve madde alışverişlerindeki ilişkilere göre yalıtılmış (izole), kapalı ve açık olmak üzere üç farklı sistem türü tanımlanır.

Açık sistemlerde çevre ile hem enerji hem madde alışverişi olur.Ağzı açık bardaktaki su

Kapalı sistemlerde çevre ile enerji alışverişi olur, fakat madde alışverişi olmaz.Ağzı kapalı bir kap içindeki su buna örnektir.

İzole sistemlerde çevre ile enerji ve madde alışverişi olmaz.Termoslar buna örnek verilebilir.

İzokorik sistemlerde hacim sabit tutulur, hacim değişimi olmadığından sistem ortamla iş alışverişi yapamaz ancak enerji alışverişi olur.  Kalorifer kazanı buna örnektir.

İzotermal sistemlerde sıcaklık sabit tutulur.Bu sistemler her türlü enerji ve madde alışverişi yaparlar.Canlı vücutları buna örnektir.

İzobarik sistemlerde basınç sabit tutulur.Bu tür sistemler ortamla he iş hem ısı alışverişi yaparlar .Açık hava basıncı altındaki hareketli pistonlar buna örnek verilebilir

Aşağıdaki sistem-ortam ilişkilerini inceleyiniz

 

  

Termodinamik, fiziksel ve kimyasal değişimleri her zaman bir sistem içinde inceler. Termodinamikte evren, sistem ve ortamdan oluşur.

Sistem, kütle ve enerji transferlerinin incelendiği bölge olarak tanımlanabilir. Yada kimyasal tepkimenin olduğu bölgedir.

İncelenen sistemin dışında kalan ve sistemin üzerinde etkisi olan her şeye de çevre ya da ortam denir. Sistemi çevreden ayıran yüzeye ise, sistem sınırı denir. 

Termodinamikte evren, sistem ve ortamdan oluşur. Sistem ve çevre ikisi birlikte evreni oluşturur.

 

1.2 İç Enerji

Her sistemin yada maddenin bir iç enerjisi vardır.  Bu enerji sistemin sahip olduğu Kinetik ve potansiyel enerjileri toplamına eşittir.

Bir sistemdeki tüm taneciklerin kinetik enerjileri ile taneciklerin birbirleriyle etkileşimlerinden doğan potansiyel enerjilerinin toplamı sistemin iç enerjisidir.

Kimyasal reaksiyonlar sırasında da reaksiyona giren maddeler (reaktantların) ve reaksiyon sonunda oluşan maddelerin (ürünlerin) enerjilerinde, entalpilerinde  (iç enerjilerinde ), entropilerinde (düzensizliklerinde) ve serbest enerjilerinde değişimler olmaktadır. 

     Reaksiyona girenler                            Ürünler  

Buzun erimesi bir hal değişimidir.Hal değişimi,sistemle ortam arasındaki sıcaklık farkından kaynaklanır.Buzun erimesinde ortamdan sisteme ısı aktarılması gerçekleşir.Buzu oluşturan su molekülleri birbirine yakın oldukları için potansiyel enerjileri yüksektir.Sisteme aktarılan ısı, moleküllerin kinetik enerjilerini arttırırken taneciklerin birbiri ile etkileşimi ,öteleme ,dönme ve titreşim hareketlerinin de artmasına neden olur dolayısıyla sistemin iç enerjisi azalır.

Elektronların çekirdekle çekimlerinden kaynaklanan ve elektronların bir birlerini itmelerinden kaynaklanan bir potansiyel enerjileri vardır.  Atom ve elektronların titreşim öteleme ve dönmelerinden kaynaklanan bir kinetik enerjileri vardır

Termodinamik iç enerjinin mutlak değeriyle değil değişen değerleriyle ilgilenir. İç enerji, sabit hacim altında yürüyen olaylardaki ısı alış verişlerini gösteren bir fonksiyondur. Sistemin sahip olduğu toplam enerji “iç enerji” olarak adlandırılır ve U ile gösterilir

Buna göre;

Bir sistemin iç enerjisi tek başına ölçülemez

Bir sistemin iç enerjisini ölçebilmek için iki farklı duruma ihtiyacımız vardır ve iki farklı durum karşılaştırıldığında iç enerjileri arasındaki fark ölçülebilir,

SONUÇ

Sistem elemanlarının sahip olduğu kinetik ve potansiyel  enerjinin toplamı  iç enerji diye isimlendirilir ve kısaca

 U = U potansiyel en.+ Utitreşim  + U dönme + U öteleme +  U elektrostatik çekim

ile ifade edilebilir.

 

Örnek;

0oC deki bir miktar buz 0oC de durduğu sürece sistemin iç enerjisini hesaplama ihtimali yoktur.

Ancak 0oC deki  buzu 10 oC ye kadar ısıttığımızda iki durum arasındaki İç enerjiler arasındaki fark ölçülebilir.Aradaki enerji farkı,maddelerin  iç enerjileri arasındaki farktır.Bu fark, ortamdan sisteme verilen ısı miktarı kadardır

 

BİLGİ

Enerji ve Enerji Türleri

Enerji: Enerji, iş yapabilme kapasitesidir; çeşitli türleri vardır ve bir türünden diğer bir türüne  dönüşebilir.

Örneğin;benzin  kimyasal enerjiye sahiptir. Yandığı zaman ısı açığa çıkar ve kimyasal enerji , ısı enerjisine dönüşür. Bu enerjinin bir kısmı, Termodinamik Kanunlara uygun olarak mekanik işe dönüştürülebilir. İzole bir sistemde toplam enerji sabittir. SI sistemde enerji birimi joule (J) ile verilir.

1 cal = 4.184 joule

Kinetik Enerji; cismin hareket enerjisidir ve hareket halindeki bütün cisimler kinetik enerjiye sahiptir.

  bağıntısından bulunur.

 m=kütle, v ise hızdır.

Kinetik enerji sıcaklığa bağlıdır. Mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır.

Potansiyel Enerji

Herhangi bir kütlenin, bulunduğu konum itibarıyla sahip olduğu enerjiye, potansiyel enerji denir.  Çekme ve itme durumlarında da  potansiyel enerjiden bahsedilir.

Örneğin, havaya atılan topun potansiyel enerjisi artar.  yerden yükselen topun  enerji kaynağı, yerin topun kütlesi üzerindeki çekim etkisidir. 

 Potansiyel enerji Ep=m.g.h formülüyle hesaplanabilir.

Diğer bir örnek ise ,çekirdeğinden uzaklaşan bir elektronun potansiyel enerjisi de artmasıdır. bu olayda  enerjinin kaynağı ise çekirdeğin çekim gücüdür. 

Sıkıştırılmış yay örneğinde olduğu gibi , bir birini iten maddeler bir kuvvetle birbirine yaklaştırılırsa potansiyel enerjileri  artar. 

Ancak bu olaydaki  Toplam Enerji= Potansiyel Enerji+Kinetik Enerji+ Isı olarak açığa çıkar ki bu üç enerjinin toplamı sabittir.

 

1.3 ISI ve İŞ 

 

Mekanik işin ısıya, ısının da mekanik işe dönüşebileceğini ilk defa Benjamin Thomson (Benjamin Tamsın) ileri sürdü. B. Thomson o ana kadar madde olarak tanımlanan ısının artık bir madde olamayacağı sonucuna vardı. Isının, sürtünmeden ileri gelen kuvvetlerin ortaya çıkardığı bir iş olduğunu düşündü. Isı ve işin birbirine eşit olduğu ise ancak 1843 yılında James Joule (Ceyms Jul) tarafından doğrulandı.

Bunun için Joule Şekilde görülen düzeneği kurdu.

 Yalıtılmış olan bu düzenekte, çark silindirine  bağlı olan ağırlıklar düşerken çarkı  harekete geçirir. Çarkın hareketi suya batırılmış pervanenin dönmesini sağlar.  Çarkın dönmesiyle hareket eden pervane suyun ısınmasına sebep olur.

Bu olayda Mekanik enerji ısı enerjisine  dönüşmüştür. Joule  yaptığı deneyler sonucunda  aynı miktardaki işin her zaman  aynı miktarda ısıya dönüştüğünü bulmuştur

 

 

 

 

 

 

 

Joule'un, ısının mekanik eşdeğerini ölçmek için geliştirdiği cihazın şematik ve orjinal resmi.

SI sisteminde  

 Yaygın olarak kullanılan enerji birimleri aşağıdadır.

Joule

Calori

 kg.(m/s)2,

erg=g.(cm/s)2

Birimleri çevirmek için Birim Çeviriciyi kullanabilirsiniz

Sistemle ortam birbirine Isı ve iş  yardımı ile  enerji aktarır . Isı, belirli sıcaklıktaki bir sistemin sınırlarından, daha düşük sıcaklıktaki bir sisteme, sıcaklık farkı nedeniyle transfer edilen enerjidir. Isı da iş gibi bir enerji transfer biçimidir. Isı ve iş hiçbir cisimde depo edilemez, ancak sistem sınırlarında ve geçiş halinde iken belirlenebilir.

. Sıcaklık iki durum arasındaki potansiyel enerji farkının bir sonucudur.

İş ; bir cisme uygulanan kuvvetin, o cismin konumunda yaptığı değişiklik etkisine denir. İş sadece kinetik enerji ile olur. Başka bir deyişle, bir güç tarafından dönüştürülen enerji toplamı, fizikte Mekanik İş olarak tanımlanır. İş yapmak için enerji dönüşümü gerekir.

Enerjinin iş olarak aktarılmasına, sistemin çevresine yada çevrenin sisteme uyguladığı  kuvvetlerin yaptığı mekanik işler örnek verilebilir.Sabit basınç altında genleşen gazın pistonu yukarı doğru itmesi veya pistona uygulanan bir kuvvetin gazı sıkıştırmasında olduğu gibi. Bu mekanik iş "w" sembolü ile gösterilir.

Mekanik iş, bir kuvvetin belirli bir yol alırken yaptığı iştir.

İş = kuvvet x yol bağıntısı ile gösterilir.

Gazların genleşmesiyle yapılan iş, mekanik işe örnektir. Kapalı bir silindir içindeki ideal bir gazın ısıtılarak genleşmesi sırasında serbest hareketli pistonu iterek ötelemesi sonucu yaptığı iş gösterilmiştir

Sabit sabit basınçlı sistemlerde iç enerji değişimi

PİLK=PSON

Sabit basınç altında  içinde belli miktar gaz bulunan silindir ısıtılıyor. Isıtılan gazın sabit basınca karşı genleşirken yaptığı iş (w), o andaki hacim değişikliğine sebep olan gazın  basıncındaki değişimin bir sonucudur.

Verilen ısı gazın iç enerjisinin artmasının yanı sıra pistonunda kaldırılmasını da sağlar. Pistonun kaldırılması sırasında  P.ΔV kadar iş yapılmış olur. Bu ilişki aşağıda gösterilmiştir.

aynı zamanda

W=PΔV alınırsa

 şeklinde de hesaplanabilir

 

Qp = Sabit basınç altındaki gazın aldığı ısı

U= İç enerji

ΔU= İç Enerji değişimi

İç enerji ,bir hal fonksiyonu olduğu için ölçülemez.Sistemin ilk ve son halleri arasındaki i. enerji değişimi ΔU ölçülebilir ve

ΔU=USON-UİLKşeklinde gösterilir.

 Eğer verilen enerji sistemin iş yapmasına neden olmuyorsa bu durumda yapılan iş yaklaşık “0” a eşittir.

Sabit hacimli  sistemlerde iç enerji değişimi

VİLK=VSON

TİLK<TSON

  TİLK   VİLK                                       TSON   VSON

   Şekildeki gibi sabit hacimde tutulan bir gaz  ısı verildiğinde gazın  iç enerjisinin, U artmasına neden olur ancak hacmi sabit kaldığı için yaptığı iş W=0 olur. Bu durumda sisteme verilen ısı sadece iç enerji (U) artışında kullanılmıştır. sabit hacim altında gerçekleşen  tepkimelerde mekanik iş yapılmaz. W=0 olur.

Bu durumu formülle göstermek istersek;

Qv = Sabit hacim altındaki gazın aldığı ısı

W=0 olduğu için olacaktır

Aynı zamanda şeklinde de hesaplanabilir

 

Yani, sabit basınçta sisteme verilen ısı, sitemin iç enerji değişimine eşittir.

 

Bu durumda ;olur.

 

 BİLGİ

Termodinamik yasaları  Sıfırıncı Yasası

Termodinamiğin en basit yasasıdır. Eğer iki sistem birbirleriyle etkileşim içerisindeyken aralarında ısı veya madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler termodinamik dengededirler. Sıfırıncı yasa şöyle der:
 

Eğer A ve B sistemleri termodinamik dengedeyseler, ve B ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindeyseler, A ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindedirler.

Daha basit bir ifadeyle farklı sıcaklıklarda iki cisim ısıl bakımdan temas ederse sıcak olan cisim soğur, soğuk olan cisim ısınır. İşin temelinde, iki farklı sıcaklığa sahip iki cisim arasında gerçekleşen ısı akışının sıcak cisimden soğuk cisme gerçekleştiği gerçeği yatar, bazı soğuk cisimlerin sıcak, ya da bazı sıcak cisimlerin soğuk algılanması mümkündür. –30 derece soğuk olarak düşünülebilirse de –50 dereceye göre daha sıcaktır. Isı akışının soğuktan sıcağa doğru olmayışının temeli şudur: sıcaklık, malzeme atomlarının, daha doğrusu elektronlarının kinetik enerjisine etki eden bir faktördür. Elektronlar her zaman temel enerji seviyesinde olacak şekilde davranış gösterirler. Fazla kinetik enerjilerini aktarmak ve temel enerji seviyesine dönmek isterler. Sıcaklık, malzeme içinde atomların titreşmesi ile iletilir. Bu nedenledir ki, ısı akışı sıcak cisimden soğuk cisme doğru gerçekleşir.

 

1.4 TERMODİNAMİĞİN  I. KANUNU

Termodinamik yasaları çok genel bir geçerliliğe sahiptirler ve karşılıklı etkileşimlerin ayrıntılarına veya incelenen sistemin özelliklerine bağlı olarak değişmezler. Yani bir sistemin sadece madde veya enerji giriş-çıkışı bilinse dahi bu sisteme uygulanabilirler.

Herhangi fiziksel veya kimyasal değişimde enerjinin biçimi değişebilir, fakat evrendeki toplam enerji miktarı sabit kalır.

Tipik bir termodinamik sistemde  ısı sıcaktan soğuğa doğru hareket eder ve bu sayede bir iş ortaya çıkar.Bir sistemin iç enerjisindeki artış ise sisteme verilen ısı ile, sistemin çevresine uyguladığı iş arasındaki farktır.Bir sistemin iç enerjisi vardır ve korunur. İş ve ısı , enerji alışverişleri sırasında şekil olarak ortaya çıkar

U2 – U1 = Q – W ya da

ΔU = Q – Wşeklinde hesaplanır.

Bu yasa "enerjinin korunumu" olarak da bilinir.Enerji yoktan var edilemez ve yok edilemez sadece bir şekilden diğerine dönüşür. Evrenin toplam enerjisi sabittir.

Bir sistem termodinamik durum değişikliğine uğradığında enerji, ısı veya iş olarak sistem sınırlarını geçebilir, ısı ve iş pozitif veya negatif olabilir, sitemin sahip olduğu enerjideki net değişme tam olarak sistemin sınırlarını geçen net enerjiye eşittir.

ÖZET

Hal fonksiyonu ; sistemdeki toplam enerji miktarı hesaplanamaz ancak sistemdeki iki durum arasındaki enerji değişimi hesaplanabilir.Bu yüzden iç enerji bir hal fonksiyonudur.

Sistemle ortam arasındaki iş ve ısı alışverişinin daha iyi anlaşılabilmesi için sisteme girişlerde(+) ,sistemden çıkışlarda ise (-) işaretleri kullanılır.

Ortamdan sisteme giren enerji (+Q) Endotermik değişim

Ortamdan sisteme yapılan iş    (+W)

Sistemden ortama çıkan ısı       (–Q) Ekzotermik değişim

Sistemin ortama  yaptığı iş        (–W )

ÖRNEK UYGULAMALAR

ÖRNEK 1.Bir miktar gaz 30 J lük ısı alıp genleştirilerek,  dışarı 250 J lük bir iş yapıyor. Sistemin iç enerji değişimi nedir?

ÇÖZÜM 1

 

Sistem dışarı iş yaptığından W=+

 

ÖRNEK 2.

Bir sistemin iç enerjisi 150 J azalırken, çevreden 62 J ısı alıyor. Yapılan iş kaç j dür?

ÇÖZÜM 2.

W=- 232 olduğundan, sistem çevreye doğru 232 J lük iş yapmıştır.

 

BİLGİ

Ekzotermik Endotermik Reaksiyonlar

Reaksiyon sırasında ısı açığa çıkaran (dışarıya ısı veren) reaksiyonlara "ekzotermik reaksiyonlar“, ısı absorbe eden  (dışarıdan ısı alan) reaksiyonlara "endotermik reaksiyonlar" denir.

Ekzotermik reaksiyonlarda, ürünlerin iç enerjileri (veya entalpileri) toplamları, reaktantların iç enerjilerinin (veya entalpilerinin) toplamından daha azdır. Endotermik reaksiyonlar için ise bu durumun tersi doğrudur.

Ekzotermik reaksiyon: Çevreye ısı verir, ΔH < 0 ve  ΔE < 0

Endotermik Reaksiyon: Çevreden ısı alır, ΔH > 0 ve ΔE > 0

ÖRNEK 3.

Sabit basınçta hareketli bir pistona sahip silindir içindeki gaz  24 J‘ lük bir ısı almakta ve dışarıya 145 J'lük bir iş yapmaktadır. Isı ve işin işaretini belirleyerek, iç enerji değişimini (ΔU) hesaplayarak sonucu yorumlayınız?

ÇÖZÜM 3.

İrdeleme;

Sabit basınçta  sisteme verilen 24 J'lük enerji  gazın genleşmesini sağlamış sistemin iç enerjisi artırılmış böylece  sistemin ortama iş yapmasını sağlamıştır. Hacim artışı ile ortama iş yapılırken  sistemin iç enerjisi azalmıştır. Dolayısıyla  sistem ortama iş yapmıştır.

ÖRNEK 4.

Sabit basınçlı bir sisteme 152 J'lük iş yapılırken sistem 28 J'lük ısı veriyor. Bu durumda sistemin iç enerji değişimini hesaplayarak irdeleyiniz?

ÇÖZÜM 4.

Sistem ortama ısı verdiğinden  Q'nun işareti (-), sisteme iş yapıldığı  için W’in işareti (+)'dir. Bu durumda iç enerji değişimi;

 İrdeleme;

Sistem ortama ısı verirken soğuyan gaz büzülür ve  kabın hacmi küçülür böylece  ortam( dış basınç) sisteme iş yapmıştır. Sonuç olarak sistemin iç enerjisini artırmıştır.

1. BÖLÜM BİTMİŞTİR KONU İLE İLGİLİ SORULARI ÇÖZÜNÜZ.

2. BÖLÜME GEÇİNİZ

Sayfa Başına Dön

 

 

Ana Sayfa | 9.Sınıf Kimya | 10.Sınıf Kimya | 12.Sınıf Kimya | Periyodik Tablo | Birim Tablosu

| Sözlükler | Gıda Güvenliği | Katalizör Dergisi | Biyografi | E-Mail •

Kimya Hocasi © 2009 Esat Mehmet Goceri