Temel Bilgiler: Maddenin En Serbest Hali

Maddenin Gaz hali- dünyada yaşamı mümkün kılan atmosfer de bir gaz karışımıdır.

Katı, sıvı ve gaz aynı şeyin üç yüzüdür, uygun koşullarda evrendeki hemen tüm bileşikler bu üçlüden biri olarak gözükürler. Fizikçiler için gaz, moleküllerin rastgele hareket ederek maddenin sınırsızca genleşmesine neden olduğu ve sonuçta maddenin içinde bulunduğu kabın hacmini tümüyle kapladığı madde halidir.

Tarih boyunca, gazlar üzerinde yapılan çalışmalar, kimya ve fiziğin temellerinin anlaşılmasında önemli rol oynamıştır. 1787’de bir Fransız fizikçisi olan Jacques Charles, soğutulma sırasında, gazın her bir derecelik sıcaklık düşüşünde hacminin 1/273’ü kadar büzüldüğünü gördü. Charles, maddenin gaz halindeyken gösterdiği davranışın ana kurallarından birini bulmuştu: gazın basıncı sabit tutulursa, hacmi mutlaka sıcaklık ile orantılı olur. Böylece Charles mutlak sıcaklık ölçeğini tanımlamış ve mutlak sıfır kavramını ortaya koymuş oldu. Kuramsal olarak, Charles yasasına göre gazın büzülmesi devam etse -273°C ta gazın hiç hacmi olmaması gerekir. Bu paradoks, 18.yüzyıl kimyacılarını fazla rahatsız etmedi. Çünkü Charles Yasanının çok düşük derecelerde geçerli olacağına inanmıyorlardı; ama bu yasa, mutlak sıcaklık ölçeği kavramını doğurdu. Bu ölçekte hiçbir durumda altına düşülemeyecek bir alt sınır bulunuyordu.

Atom kuramının gelişimi ile Charles Yasası ve mutlak sıcaklık kavramını aydınlatan açıklamalar ortaya çıktı. Yeni kuramında, gazlar moleküller topluluğu olarak görülüyorlardı. Hacim de molekülerin ortalama hızına bağlıydı. Gazın sıcaklığı yükseldikçe moleküller daha hızlı hareket ediyor ve daha fazla yer kaplıyordu.

1860’larda İngiliz fizikçi Lord Kelvin mutlak sıcaklık ölçeğinin varlığını kanıtlamak için gazların atom kuramını kullandı. Moleküllerin içindeki ortalama enerjinin her bir derecelik soğuma da 1/273 oranında düştüğünü o da kabul ediyordu. Bir gazın hacmi -273°C ta sıfıra inemezdi, ancak moleküllerin enerjisi sıfıra düşebilirdi. Böylece mutlak sıcaklık ölçeğine kendi adını verdi ve -273°C i, 0°K (K,Kelvin) olarak tanımladı.

Charles Yasası gazların hareketini anlamada önemli bir adımdı; 18. yüzyılda yaşamış olan Robert Boyle adındaki kimyacı ise gazların yapısıyla ilgili olarak daha temel bir noktayı keşfetti. Ona göre bir gazın sıcaklığı sabit tutulduğunda gaz kütlesinin hacmi basıncıyla ters orantılıydı. Böyle Yasası da atom kuramıyla kolaylıkla açıklanabilmektedir. Gazı içeren kabın duvarlarındaki basınç, kabın duvarlarına çarpan moleküllerin sonucu olarak görülebilir. Kapı küçülürse çarpmalar daha küçük bir alanda yoğunlaşır, moleküller duvarlara daha sık çarpar ve dolayısıyla basınç artar.

Verili bir gaz kütlesi için Boyle ve Charles Yasaları matematiksel olarak basit bir formülde bir araya getirilebilir. PV=RT. Burada P gazın basıncı, V hacmi T mutlak sıcaklık ve R de gaz sabitesidir.

Ancak Boyle ve Charles Yasaları yalnızca fizikçilerin “ideal” olarak tanımladıkları gaz için geçerlidir. Böyle bir gaz, hacmi olmayan ve birbiriyle çarpışmayan moleküllerden oluşmalıdır.

Hİç bir gaz böyle olmadığından, yüksek ve düşük sıcaklıklarda bu denklem geçerli olmaz. Yüksek basınçta, moleküler birbirine yaklaşır ve birbirini çekerler. Düşük sıcaklıklarda da moleküller çok yavaş hareket eder ve çevrelerindeki diğer moleküllerin çekimine karşı koymazlar.

Solda Grafik, Boyle Yasasını gösteriyor. Hacim küçük olduğu zaman, belli bir süre içinde moleküller daha çok çarpışır ve daha yüksek basınca yol açar

Sağda Gaz yoğunlaşınca, basınç sabit kalır ve hacmi hızla düşer. Basınçtaki büyük değişimler sıvılaşan gazın hacmini çok az değiştirir.

Sıvı Gazlar

Gazın sıcaklığı, basıncı ve hacmi arasında atom kuramıyla açıklanan ilişki, biri gazın basıncı yeterince arttığı taktide gazın sıvı haline dönmeye zorlanacağı düşüncesine götürür. 1820 yılında Michael Faraday bunun, klor, sülfür diyoksit ve amonyak gibi bazı gazlar için doğru olduğunu bulunmuştur. Fakat 1869 yılında İrlandalı fizikçi Thomas Andrews yaptığı araştırmalar sonucu, her gazın belli bir kritik sıcaklığı olduğunu ve bu sıcaklığın üzerine çıkıldığında basınç ne kadar arttırılırsa arttırılsın gazın sıvı hale dönüşmeyeceğini ortaya koymuştur.

Michael Faraday sıvılaşma sürecini çok düşük sıcaklıklar elde etmede kullanılmıştır. Bir kere sıvılaştıkları sonra, bir gaz soğutma aracı olarak kullanılabilir. Sıvı üzerindeki basınç yavaşça azaltılırsa, buharlaşır ve kalan sıvıdan ısıyı soğurur. Düşük sıcaklıklar soğutmada kullanılar “kademeli” yöntemlerle elde edilebilir. Örneğin, karbon diyoksiti sıvı haline dönüştürür, o da kritik sıcaklıklarının altında bulunan daha dirençli gazları sıvılaştırmada kullanılır.

Uzay çağı ile birlikte, sıvı gazlar birdenbire önemli birer yakıt haline gelmiştir. Füzelerde büyük miktarda enerji veren çok hızlı kimyasal tepkimelere gerek duyulur. Modern füzeler, itici güç kaynağı olarak sıvı oksijen ve hidrojen kullanır. Her iki gaz da sıvı haldeyken yüksek derecede tepkindir, bir füze motorunun yaptığı, bu iki gazı kontrollü bir biçimde birleştirmektir. Sonuç, son yıllarda çok sık gördüğümüz gibi, müthiştir!. Gaz, ister bir yaz günü esen meltem biçiminde, isterse uzaktaki galaksilerde dönüp duran büyük bulutlar biçiminde ortaya çıksın, evrenimizin yapı taşlarından biridir.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir