Bir pilden enerji sağlayarak su, diatomik molekülleri olan hidrojen ve oksijene ayrıştırılabilir. Bu işlem dört termodinamik potansiyelin uygulanmasına iyi bir örnektir.
Bir mol suyun elektrolizi bir mol hidrojen gazı ve yarım mol oksijen gazını normal diatomik formlarında üretir. Bu işlemin detaylı analizi ile termodinamik potansiyelleri ve termodinamiğin 1. kanunu kullanılır. Bu işlemin 298 K ve 1 atm basınçta olduğu varsayılır.
İşlem, ayrışmadan üretilen gazların genleşmesi ile enerji sağlamaya dayanır. Bunlardan her ikisi de entalpideki değişime dahildir. 298 K ve 1 atm basınçta sistemin çalışması;
W = PΔV = (101.3 x 103 Pa)(1.5 mol)(22.4 x 10-3 m3/mol)(298K/273K) = 3715 J
Entalpi, H= U+PV olduğundan, iç enerjideki değişim U şöyle ifade edilir:
U = ΔH – PΔV = 285.83 kJ – 3.72 kJ = 282.1 kJ
Bu iç enerjideki değişim üretilen gazların genleşmesi ile ifade edilmelidir. Bu yüzden entalpideki değişim, elektrolizi tamamlamak için gerekli enerjiyi temsil eder. Bununla birlikte elektriksel enerji formunda tüm miktarı koymak gerekli değildir. Ayrışma işleminde entropi arttığından dolayı T sıcaklığı çevreden edinilebilir. Pil tarafından sağlanan miktar aslında Gibbs serbest enerjisindeki değişimdir.
ΔG = ΔH – TΔS = 285.83 kJ – 48.7 kJ = 237.1 kJ
Elektroliz işlemi, entropi artışına neden olduğundan çevre T miktarına katkı sağlayarak işleme yardım eder. Gibbs serbest enerjisinin yararı, işlemin gerçekleşmesi için, diğer formlarda ne kadar enerji miktarı sağlanması gerektiğini bize söylemesidir.
Hidrojen Yakıt Hücreleri
Özellikle içten yanmalı motorlar için büyük önem taşıyan yakıtların bazı özelliklere sahip olması istenir.
- Kolaylıkla ve güvenli olarak her yere taşınabilmeli,
- Her yerde kullanılabilmeli, depolanabilmeli,
- Birim kütle başına yüksek ısıl değerde, temiz, güvenli, hafif olmalı,
- Isı, elektrik ve mekanik enerjiye kolaylıkla dönüşebilmeli,
- Yüksek verimle enerji üretebilmeli ve ekonomik olmalı.
İdeal şartlarda yukarıdaki özellikler istenir. Gerçekte bu özelliklerin tamamına sahip bir yakıt yoktur. Fakat denilebilir ki hidrojen bu kategoriye göre en uygun olan yakıttır. Hidrojen çok hafif bir gaz olması sebebiyle herhangi bir olağanüstü durumda ortamdan uzaklaşır ve tehlike riskini azaltır. Ayrıca kimyasal yapısı nedeniyle karbon ve kükürt içermemesi, zararlı atıklar olan karbondioksit, karbonmonoksit, kükürtdioksit oluşumunu da engellemesi, hidrojenin kullanımını cazip kılar. Kütlesel olarak bakıldığında ısıl değerce rakipsiz denilebilecek hidrojen, hacimsel olarak oldukça düşük ısıl değerdedir.
Tuğba Yaşar
Marmara Üniversitesi Fizik Bölümü
Kuark Bilim Topluluğu Popüler Bilim Yayın Grubu
Kaynaklar:
- http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/electrol.html
- tr.wikipedia.org
Kavramlar:
Entalpi: Entalpi, maddenin yapısında depoladığı her türden enerjilerin toplamıdır. H ile simgelenir. Bir mol maddede depolanmış enerjiye o maddenin molar entalpisi denir. (Wikipedia)
Termodinamik potansiyeller: Kimyasal termodinamik reaksiyonlarında yararlı olan termodinamik potansiyeller olarak adlandırılan nicelikler iç enerji, entalpi, Helmholtz serbest enerjisi ve Gibbs serbest enerjisidir.
