EE- Enerji Bilim ve Teknoloji Lisansüstü Programı - Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Yazar "Fırat, Coşkun" ile EE- Enerji Bilim ve Teknoloji Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
Sayfa başına sonuç
Sıralama Seçenekleri
-
ÖgeGazların Termod Nam K Davranışlarında Kuantum Ölçek Etkiler(Enerji Enstitüsü, ) Fırat, Coşkun ; Şişman, Altug ; Enerji Bilim Ve Teknoloji ; Energy Sciences and TechnologiesÖzellikle yarı iletken teknolojisindeki ilerlemelere paralel olarak gelişen nano teknoloji bugün mikro ve nano ölçekte mekanik donanımların ve sistemlerin yapımını da olanaklı hale getirmiştir. Nano ölçekte mekanik yapıların üretilebilir hale gelmesi ve mikro/nano ölçekte türbinler, pompalar, karıştırıcılar, ısı değiştiricileri, valfler vb. donanımların gerçekleştirilmeye başlamasıyla birlikte bu ölçekte gazların termodinamik özelliklerinin ne şekilde değiştiği, nasıl modellenebileceği, bu değişimlerden nasıl yararlanabileceği, olası yeni davranışlara dayalı yeni cihazların/teknolojilerin nasıl geliştirilebileceği gibi sorular da gündeme gelmeye başlamıştır. Bu çerçevede gazların termodinamik davranışları üzerinde kuantum ölçek etkilerinin araştırılması da göreceli olarak yeni ve güncel bir konuyu oluşturmaktadır. Bu nedenle mikro/nano ölçekte gazların termodinamiği konusu yarı iletkenlere göre daha yeni bir çalışma alanını oluşturmakta ve enerji teknolojilerinden savunma teknolojilerine kadar birçok alanda uygulama potansiyelini barındırmaktadır. Nano ölçekte gazların termodinamik özellikleri makro ölçektekinden farklılık gösterir. Bu farklılığın nedenlerinden biri olan kuantum ölçek etkisi; sistemin karakteristik boyutu (L=V/A, V:hacim, A:yüzey alanı) yanında, parçacıkların termal de Broglie dalga boyunun ( ) ihmal edilemediği durumlarda önem kazanır. Böyle bir durumda, parçacıkların enerji değerlerine ilişkin süreklilik yaklaşımı da geçerliliğini yitirir ve kesiklilik, sistemin davranışlarında özellikle nano ölçekte belirgin hale gelen kuantum ölçek etkilerinin ortaya çıkmasına yol açar. Kuantum ölçek etkileri, termodinamik hal fonksiyonlarını sistemin geometri (şekil) ve ölçeğine bağımlı hale getirerek, makro ölçekte karşılaşılmayan yeni ve ilginç davranışlara yol açar. Bunların arasında anizotropik gaz basıncı, ölçek ve geometri farkından kaynaklanan gaz difüzyonu, termoelektrik etkilere benzer termoölçek etkilerinin ortaya çıkması ve kütleye bağımlı büyüklüklerin (extensive quantities) toplanabilirlik (additivity) özelliğinin ortadan kalkması sayılabilir. Literatürde gazların termodinamik özelliklerinin tutuklandıkları domenin şekil ve ölçeğine olan bağımlılığı sadece global özelliklerle sınırlı olarak son yıllarda incelenmeye başlanmıştır. Global termodinamik özellikler üzerindeki kuantum ölçek etkileri ise literatürde Schrödinger denkleminin analitik çözümünün mümkün olabildiği dikdörtgen, silindir ve küresel tek bölgeli basit geometriler için incelenmiş olup çalışmalar Maxwell-Boltzmann istatistiğine uyan klasik ideal gazlarla sınırlı bulunmaktadır. Öte yandan gerçek sistemlerde tek bölgeli geometrik yapılar yerine çoğunlukla çok bölgeli geometrik yapılarla karşılaşılmaktadır. Hem global termodinamik özelliklerdeki şekil ve ölçek bağımlılığının fiziksel mekanizmalarının detaylı olarak anlaşılabilmesi için hem de denge dışı termodinamikte yaygın olarak kullanılan yerel denge varsayımına dayalı modeller için yerel termodinamik özelliklerin de incelenmesi ayrıca önem taşımaktadır. Bunun yanı sıra, düşük sıcaklıklarda parçacıkların termal de Broglie dalga boyunun büyümesi nedeniyle kuantum ölçek etkilerinin önemi artmakta ve buna bağlı olarak çalışmaya konu olan geometri ve ölçek bağımlılığı şiddetlenmektedir. Düşük sıcaklık koşullarında önemi daha da artan bu bağımlılığın incelenebilmesi için Maxwell-Boltzmann istatistiği yerine Bose-Einstein ve Fermi-Dirac istatistiklerine dayanan modellerin kullanılması gerekmektedir. Bu tez çalışmasının temel amacı; nano ölçekte tutuklanmış gazların global ve yerel termodinamik büyüklükleri üzerinde kuantum ölçek etkilerinin incelenebileceği bir model geliştirerek, termodinamik davranışlar üzerinde bu etkilerin hangi mekanizmayla ve hangi büyüklükte gerçekleştiğini belirlemektir. Ayrıca bu etkilerin, sıcaklık, ölçek, şekil vb. kontrol parametreleri ile nasıl ve ne kadar değiştiğini incelemek de tezin temel amacıdır. 105T086 no.lu uluslararası bir TÜBİTAK projesi kapsamında gerçekleşen bu tez çalışmasında elde edilen teorik öngörülerin deneysel doğrulaması için, Physikalisch Technische Bundesanstalt-Berlin (PTB-Berlin) ile işbirliği çerçevesinde bir deney planlanmış olup gereken nano ölçekli yapılar üretilmiştir. Bu tez çalışmasında, hal yoğunluğu için Weyl varsayımı kullanılarak keyfi bir domende tutuklanmış klasik ve kuantum gazlarının serbest enerjisi (Helmholtz) üzerinde kuantum ölçek etkileri genelleştirilerek global termodinamik özellikler türetilmiştir. Nano ölçekte, gazlarda klasik olarak gözlenmeyen yanal kuvvetlerin ortaya çıktığı gösterilmiştir. Gazların yerel yoğunluk dağılımı üzerinde kuantum ölçek etkileri öncelikle Schrödinger denkleminin analitik çözümlerinin mümkün olabildiği dikdörtgen, küre ve silindirik geometrilerde ele alınmıştır. Analitik çözümün mümkün olmadığı seçilmiş bazı geometrilerde tutuklanmış Maxwellian ve kuantum gazlarının yerel yoğunluk dağılımları sayısal çözümlemelerle incelenmiştir. Gazların yerel yoğunluğunun termodinamik denge durumunda dahi homojen olmadığı ve gaz yoğunluğunun domen sınırlarında sıfır değerine gittiği bir kuantum sınır tabakasının olduğu gösterilmiştir. Gerek yerel yoğunluk dağılımı ve gerekse bu tabakanın kalınlığı ile ilişkili analitik ifadeler Maxwellian, Fermi ve Bose gazları için ayrı ayrı elde edilmiştir. Maxwellian ve Bose gazlarından farklı olarak Fermi gazının yoğunluk dağılımında Friedel salınımlarının oluştuğu görülmüştür. Kuantum sınır tabakasının kuantum ölçek etkilerinin sebebi olduğu ve tüm domenlerde aynı gaz tipi için aynı kalınlık ifadesine sahip olduğu belirlenmiştir. Ayrıca parçacıklarla sınırlar arasındaki Lennard-Jones (LJ) tipi etkileşmelerin yerel yoğunluk üzerinde yol açtığı değişimler kuantum ölçek etkileri de göz önüne alınarak modellenmiş ve salt LJ etkileşmelerinin sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen teorik sonuçların deneysel doğrulamasının yapılabilmesi amacıyla da bir deney önerisinde bulunulmuştur.