Termodinamik 1. kısım: Gazların moleküler teorisi

Akışkanlarla yeterince uğraştıktan sonra şimdi basıncın ne olduğuna bakalım. Basıncın anlamı üzerinde düşünelim özellikle de belli bir hacmin içindeki gazı ele alınca. Bir gaz ile sıvı arasındaki farkı hatırlayalım. İkisi de akışkandır ve ikisi de konulduğu kabın şeklini alır ama bir sıvı sıkıştırılamazken gazlar sıkıştırılabilir. Şimdi gazlara odaklanacağız.Diyelim ki elimizde bir kap olsun ve içinde de gaz olsun.Peki bir gaz neyden oluşur? Gaz kendi gaz moleküllerinden oluşur, Şimdi her molekülü bir nokta ile çizeceğim, içinde bir sürü molekül var. Gösterdiğimden çok daha fazla molekül var, ve hepsi rastgele yönlere gider, bu belki bu yönde hızlanıyordur, bu belki yavaşça bu yöne gidiyordur. Hepsinin yani küçük bir hız vektörü var ve onlar sürekli çarpışıyorlar ve kutunun kenarlarına çarpıyorlar,ve tabiatıyla buraya çarpınca hızları değişiyor. Genel olarak ve özellikle fiziğin bu seviyesinde bunun ideal gaz olduğunu kabul ederiz ve bütün çarpışmalara rağmen enerji kaybı olmadığını farz ederiz.Aslında moleküller arası çarpışmaların hepsini elastik çarpışmadır. Moment kaybı da yok. Bunların hepsini aklınızda tutun,lisede ve LYS sınavında ideal gazlarla uğraşmanız gerekecek. Bu bağlamda şimdi basıncın anlamına bakalım. Basıncı çoğu zaman şöyle düşündük; bir şeyin belli bir alana çarpması. Basıncı bulmak için, şimdi herhangi bir alan seçelim. Mesela, bu kenarı kullanalım.Kutunun bu yüzeyine bakalım ve bu yüzeyde oluşturulan basınç nerede? Şimdi basınç milyonlarca ya da trilyonlarca çarpma sonucu oluşur, Şimdi size yandan nasıl görünüyor çizeyim. Aynı kenarın yandan görünüşünü çiziyorum şimdi. Şimdi bu küçük gaz molekülleri sürekli buralarda dolaşıyor. Belli bir zaman aralığı alırsak, onlar hep bu yüzeye çarparlar değil mi ? Tabi çok küçük bir zaman aralığını ele alacağız. Ve bu zaman aralığında, bu belki burada durur diğeri belki buna çarpar ve sıçradıktan sonra buraya gelir, bunun momentumu değişir ve böyle gider. Belki o da bu yönde gidiyordur, şuraya çarpar falan filan. Yani burada anlatılan şey ; çok fazla molekül olduğu. Herhangi bir anda illa ki bazı moleküller bu kenara çarpacaktır değil mi ? Ve çarpışınca momentumu değişecektir. Net kuvvet şimdi momentumun zamana göre değişimidir. Söylemek istediğim şey şu, herhangi bir zaman aralığında birçok molekülün momentumu duvara çarpınca değişecektir. Bu da kuvveti oluşturacak,sonra ortalama ne kadar olduğunu düşünürsek çünkü her molekülü tek tek düşünmemiz çok zor, kinematik ve diğer işlemleri yaptığımızda hareket eden objeleri takip etmiş olacağız. Makro düzeyde gazlarla uğraşırken, her bir molekülü tek tek izleyemezsiniz, tabi elinizde çok inanılmaz derecede süper bir bilgisayar yoksa. Neyse belli bir zaman içinde birçok molekülün momentumu değişecek. Aynı zamanda tabi ki duvara etki eden kuvvet de değişecek. Alana x diyebiliriz. Eğer bu kuvveti bulursak ve duvarın alanını da biliyorsak,basıncı hesaplayabiliriz çünkü basınç kuvvet bölü alandır. Peki bu ne işimize yarar? Size önce bakış açısını göstermek istedim, şimdi ise size termodinamik için bilmeniz gereken tek bir formül vereceğim. Sonraki videolarda da yapacağımız gibi size bunu nasıl kullanacağımızı göstereceğim ve bu sayede bunları daha iyi anlayacaksınız.Artık bir kabın içindeki gaz basıncının ne olduğunu kavramsal olarak en azından biliyorsunuz. Bu metodun haricinde bir formül vereyim. Bu formülün nasıl işe yaradığını videonun sonunda anlayacaksınız. Genel olarak,elimizde ideal gazla dolu bir kap varsa kabın kenarına yapılan basınç aslında gaz olan her yer çünkü homojen bir dağılım var, ilerideki videolarda entropiden de bahsedeğiz, ama kabın içindeki gaz basıncı çarpı kabın hacmi bir sabite eşittir. Sonraki videolarda bu sabitin etrafta hareket eden moleküllerin ortalama kinetik enerjisiyle bağlantılı olduğunu göreceğiz. Evet umarım anlamışsınızdır.Ama neyse ben yine konuyu çok dağıttım. Eğer hareketli moleküllerin hızları fazlaysa kinetik enerjisi de fazla olur, böylece onlar yüzeyle daha çok etkileşir ve böylece basınç artar. Şimdi basınç çarpı hacmin neden sabit olduğuna bakalım. Elimde aynı kutu var, içinde de bir sürü molekül. Sildiğim yerde size gösterdiğim gibi, bunlar belli bir oranla duvara çarpıyor. Her molekülün kinetik enerjisi tabi ki farklı olabilir, enerji sürekli değişir çünkü onlar devamlı birbirlerine momentum transfer ederler değil mi ? Ama ortalama olarak hepsi verilen kinetik enerjiye sahip ve her zaman belli oranda duvara çarparlar, bu da basıncı oluşturur. Pek kutuyu sıkıştırabilseydim, ve hacmini azaltabilseydim ne olurdu? Kutu yine aynı sayıda molekül içeriyor ama onu küçülttüm. Kutunun hacmini küçültüyorum bakalım ne olacak? İçindeki molekül sayısı aynı, kinetik enerjileri aynı, ortalama olarak aynı hızla hareket ediyorlar. Peki farklı olan ne? Farklı olan şu: Bu sefer bu arkadaşlar kenarlara daha sık çarpacaklar. Bu molekül önce buraya çarpar sonra buraya da çarpar sonra belki şuraya da çarpar. Yani onlar yüzeylere daha sıklıkla çarpacaklar. Yani momentum değişmek zorunda ve her molekül yüzeye daha fazla kuvvet uygular. Çünkü birim zamandaki çarpma sayısı artacak. Yüzeyler daha küçük.Daha küçük yüzeye daha çok kuvvet var, ve bu yüzden küçük yüzeyde basınç daha fazla olur. Umarım basınç hakkında yeterli bilgi edindiniz, ve hacmi küçülttüğümde basıncın neden arttığını gödünüz. Şimdi diğer bir örnek elimizde balon olsun, şimdi balonu şişkin tutan nedir? Helyumun iç basıncı ya da balonun içindeki nefesinizdir. Balonu sıkıştırmak daha küçültmeye uğraşırsanız ve eğer bütün yönlerden sıkıştırırsanız, bu gittikçe zorlaşır, çünkü hacim azalırken balonun içindeki basınç artar. Yani hacim azaldığında basınç artayor. Bundan da şu sonuç çıkar, onları birbiriyle çarptığınızda bir sabit elde ederiz. Şimdi tekrar aynı soruyu hacmi daha büyük alarak çözelim. Diyelim ki bu sefer hacim çok büyük, evet bunu biraz daha orantılı olarak çizmeliydim ama ne yapmaya çalıştığımı anladınız tahminen.Aynı sayıda molekülümüz var ve burada bir molekül varsa bi süre sonra buraya çarpar, sonra duvarlara iki kere de çarpabilir. Ama bu durumda,büyük duvarlar olduğunda,belki buraya çarpar, aynı süre geçtiğinde belki buraya ama duvara çarpamaz. Ortalama olarak, moleküller duvara daha az çarpar . Bu durumda,hacim artarsa ortalama basınç ya da kabın içindeki basınç azalır. Umarım konuyu anlamışsınızdır, ve şunu hiç unutmayın basınç çarpı hacim sabittir. Ama bunun detaylarını ilerideki videolarda yapacağım şimdi konu uzamasın Yakın zaman da görüşmek dileği ile.