TERMODİNAMİK TERMODİNAMİĞİN TANIMI VE AMACI: 18.yüzyılın başlarından itibaren tekstil endüstrisinde meydana gelen hızlı gelişmenin sonucu olarak artan güç ihtiyacı ve bunun insan veya hayvan gücüyle karşılanamaması, buhar makinelerinin ortaya çıkmasına yol açmıştır. İngiltere’de, 1697 yılında Thomas Savery ve 1712 yılında Thomas Newcomen tarafından yapılan başarılı ilk buhar makineleri, 1765-1766 yıllarında James Watt’ın bu makineleri geliştirmesi ve buharın o güne kadar bilinmeyen özellikleri üzerine yaptığı araştırmalar, bu alandaki çok önemli adımları oluşturmuştur. diğer bir çok araştırmacının da bu alana yönelmesiyle termodinamik bilimi ortaya çıkmiştir. Termodinamik terimi ilk kez, İngiliz bilim adamı Lord Kelvin tarafından, 1849 yılında yaptığı bir yayında kullanılmıştır. Termodinamik sözcüğü, Latince therme (ısı) ve dynamis (güç) sözcüklerinden türetilmiştir. Termodinamik, fiziğin enerji ve enerjinin şekil değiştirmesi ile uğraşan kolu olarak tanımlanabilir. Hatta termodinamik günümüzde “enerji ve entropi bilimi” olarak da tanımlanmaktadır. Termodinamik, otomobillerden uçaklara ve uzay araçlarına, elektrik güç santrallerinden iklimlendirme sistemlerine ve bilgisayarlara kadar çok geniş uygulama alanlarına sahiptir. TERMODİNAMİK SİSTEM: Herhangi bir değişim incelenmeden önce, değişimin katılımcıları olan kütle ve enerjinin bilinmesi ve analize edilmesi gerekir. Sistem, kütle ve enerji transferlerinin incelendiği bölge olarak tanımlanabilir. İncelenen sistemin dışında kalan ve sistemin üzerinde etkisi olan her şeye de çevre denir. Sistemi çevreden ayıran yüzeye ise, sistem sınırı denir. Bir sistem kapalı ve açık olmak üzere iki biçimde olabilir. Sınırlarından kütle geçişi olmayan sisteme kapalı sistem, kütle geçişi olan sistemlere de açık sistem veya kontrol hacmi denir. Açık sistemi çevreden ayıran yüzeye ise kontrol yüzeyi denmektedir. ISI VE SICAKLIK: Sıcaklık, bir maddeyi oluşturan moleküllerin kinetik enerjileri ile ilgili bir büyüklük olarak tanımlanabilmektedir. Sıcaklık kavramı termodinamiğin sıfırıncı yasası ile ilgidir. Termodinamiğin sıfırıncı yasası ilk defa 1931 yılında R.H.Fawler tarafından tanımlanmıştır. Termodinamiğin birinci ve ikinci yasası ise sıfırıncı yasasından 50 yıl önce verilmiştir. Bu yasa mantıksal olarak diğerlerinden önce gelmesi gerektiğinden, adına sıfırıncı yasa denmiştir. Sıcaklık maddelerin fiziksel özelliklerinden yararlanılarak yapılmış, termometre denilen araçlarla ölçülür. Termometreler genelde suyun donma ve kaynama noktasına göre ölçeklendirilmişlerdir. Bu ölçekler şunlardır: Celsius (C0), Fahrenheit (F0), Reomur (R0) ve Kelvin (K) ölçekleri. C0 F0 R0 K 100 212 80 373 0 32 0 273 Bu sıcaklık ölçekleri arasındaki döşüm formülleri ise; 373 273 273 80 0 0 212 32 32 100 0 0 C F R K şeklindedir. Bir maddenin alabileceği en küçük sıcaklık değerine mutlak sıcaklık denir. Mutlak sıcaklık –273 C0=0 K dir. Bu sıcaklığın altında bir sıcaklık yoktur. ISI MİKTARI VE ÖLÇÜLMESİ: Bir maddeyi oluşturan moleküllerin kinetik enerjilerinin toplamına o maddenin ısısı denir. Bir maddenin sıcaklığını değiştirmek için gerekli ısı; onun kütlesine, cinsine ve sıcaklık farkına bağımlıdır, Q=m.c.T. Isı enerjisi kalorimetre ile ölçülür. Bir maddenin 1kg’lık kütlesinin sıcaklığını 1K artırmak için gerekli ısıya özgül ısı denir , c ile gösterilir, birimi kJ/kgK’dir. Gazların ısıtılması söz konusu olduğunda, özgül ısı için iki farklı durum bulunmaktadır. Bunlar;1)Sabit hacimde ısıtma (Cv), 2)Sabit basınçta ısıtma (Cp) dır. Örneğin ideal kuru hava için; Cv=0,717 kJ/kgK, Cp=1,004 kJ/kgK dir. Örnek: Bir motorun soğutma sistemindeki su, 0,2 litre/saniyelik debi ile devridaim yapmakta, sıcaklık 45 C0den 90 C0’ye yükselmektedir. Suyun sabit basınç özgül ısısı 4,187 kJ/kgK olduğuna göre, soğutma suyu tarafından bir dakikada taşınan ısı kaç kJ’dur? Çözüm: Kütlesel debi, dm/dt=0,2 litre/s=0,2 kg/s Sıcaklık farkı, T=90-45=45 K dQ/dt=(dm/dt).Cp.T dQ/dt=(0,2).(4,187).45=37,61 kJ/s dır. Dakikada taşınan ısı ise; dQ/dt=(37,62).60=2257,2 kJ/dak, olarak bulunur. BASINÇ: Bir akışkanın birim yüzeye uyguladığı dik kuvvete basınç denir, P=F/A. Burada P basınç (N/m2 ya da Pa), F normal (dik) kuvvet (N), A ise yüzey alanı (m2) dır. Bazı basınç birimleri; 1 bar=105 Pa, 1 atm=101,325 kPa=1,033 bar şeklindedir. Basınç, sadece sıvı ve gaz ortamlarda söz konusudur. Katı cisimlerde basınç ifadesinin yerini gerilme almaktadır. Sıvılar için, statik basınç P=P0.g.h şeklinde, dinamik basınç ise Bernoulli denklemiyle belirtilir. SAF MADDENİN FAZ DEĞİŞİMLERİ: Kimyasal yapısı her noktada aynı ve değişmeyen (homojen) maddelere saf madde denir. Su, azot, oksijen...vb birer saf maddedir. Bundan başka her hangi bir homojen karışım da saf madde tanımına uyabilir. Örneğin, çeşitli gazların homojen bir karışımı olan hava da, eğer tek bir faz söz konusu ise, saf maddedir. Termodinamik olarak; sıvı buhar karışımı saf madde, sıvı hava karışımı saf olmayan maddedir. Maddeler; katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç fazda bulunabilir (bunların dışında plazma denilen dördüncü bir faz da vardır). Tüm saf maddeler benzer genel davranışı gösterirler. 20 C0 sıcaklık ve 1atm basınçta içinde su bulunan bir silindir-piston düzeneğini ele alalım. Su, bu koşullarda sıvı fazdadır ve sıkıştırılmış sıvı veya soğutulmuş sıvı diye adlandırılır. Isıtma sürdürülürse, sıcaklık artarken su çok az genişler ve piston biraz yükselir. Bu işlem sırasında suyun basıncı değişmez. Sıcaklık 100 C0’ye geldiğinde, faz değişimi başlar. Buharlaşmanın başlangıcı olan bu duruma doymuş sıvı durumu denir. Buharlaşma başladıktan sonra, sıvının tamamı buhara dönüşünceye kadar, sıcaklıkta herhangi bir artış olmaz. Isıtma sürdürülürse tüm sıvı buhara dönüşür. Bu durumda silindirin içerisi, yoğuşmanın sınırında olan buharla doludur. Yoğuşma sınırında olan buhara doymuş buhar denir. Bundan sonra ısıtma sürdürülürse sıcaklık ve özgül hacmin arttığı görülür. Yoğuşma sınırında olmayan bu buhara da kızgın buhar denir. Bu durumlar için T-v (sıcaklık-özgül hacim) diyagramı şöyledir. T(C0) 150 kızgın buhar sıvı-buhar 100 sıkıştırılmış sıvı 20 v Görüldüğü gibi su, 1atm (101,35 kPa) basınçta 100 C0’de kaynar. Eğer ısıtma kabı kapatılarak basınç yükseltilirse, kaynama sıcaklığı da yükselir. Örneğin, su 200 kPa basınçta 120,23 C0’de, 1100 kPa basınçta ise 179,91 C0’de kaynar. Düdüklü tencerelerin daha kısa sürelerde pişirmelerinin sebebi de budur. Basınç azaldığında ise kaynama sıcaklığı azalmaktadır. Yükseklik arttıkça, atmosfer basıncı ve buna bağlı olarak suyun kaynama sıcaklığı azalır. Örneğin, 1000 m yükseklikte atmosfer basıncı 89,55 kPa ve buna karşılık gelen kaynama sıcaklığı 96,3 C0, 2000 m yükseklikte ise atmosfer basıncı 79,5 kPa ve buna karşılık gelen kaynama sıcaklığı 93,2 C0dir. bu bakımdan, eğer düdüklü tencere kullanılmıyorsa, yüksek yerlerde yemekler daha uzun sürede pişer. Her 1000 m yükseklik için kaynama sıcaklığı yaklaşık 3,3 C0 azalmaktadır. Verilen bir basınçta saf maddenin kaynamaya başladığı sıcaklığa kaynama sıcaklığı ya da doyma sıcaklığı (Ts), bu durumdaki basınca da doyma basıncı (Ps) denir. Su sabit bir basınçta ısıtılırsa sıcaklığı yükselir ve özgül hacmi artar. Sıcaklık Ts gibi bir değere ulaştığında, kaynamaya (buharlaşmaya) başlar. Isıtma sürdürüldüğünde, tüm sıvı buhar haline gelinceye kadar sıcaklık değişmezken özgül hacim yükselir (yükselme V=Vf-Vg kadar olur). Suyu belirli basınçta katı, sıvı ve buhar fazlarında bir arada bulundurmak mümkündür. Diyagramlarda (P-T diyagramında) bu basınçtaki noktaya üçlü nokta denir. T-v diyagramında bu basınçtaki çizgiye de üçlü doğru denmektedir. Suyun üçlü doğrusunun basıncı 0,6113 kPa, ve sıcaklığı 0,01 C0 dir. P Erime kritik nokta SIVI buharlaşma KATI Üçlü nokta Süblimasyon BUHAR T SAF MADDENİN ANA ÖZELLİKLERİ: 1)BUHARLAŞMA ISISI: 1 kg suyu kaynama noktasında buhar haline dönüştürmek için gerekli ısıya buharlaşma ısısı denir ve hfg ile gösterilir. Sıcaklık ve basınç artırıldıkça, hfg’nin değeri küçülerek, kritik noktada sıfıra eşit olmaktadır. Buharlaşma ısısı (hfg), iç potansiyel enerjiyi değiştirmek üzere, parçalama işi ve genişleme işi için harcanan ısıdır. Parçalama işine buharlaşma iç ısısı, genişleme işine de buharlaşma dış ısısı denir. Buharlaşma ısısı hfg=hg-hf bağıntısından hesaplanır. Burada hg, doymuş buharın entalpisi (kJ/kg), hf doymuş sıvının entalpisidir (kJ/kg) 2)KURULUK DERECESİ: Buharlaşma sırasında suyun bir bölümü sıvı fazında, diğer bölümü ise buhar fazındadır. Bu karışım durumunda buhar kütlesinin toplam kütleye oranına kuruluk derecesi denir ve x ile gösterilir. X=mg/mt . Burada mt=mf+mg dir. 1-x ise rutubet derecesi olarak tanımlanır. Islak buhar, P basıncı, ts sıcaklığı ve x kuruluk derecesi ile tanımlanır. Bu durumda ıslak buharın özgül hacmi vx=vf+x(vg-vf), entalpisi ise hx=hf+xhfg şeklindedir. Örnek: 1m3 hacimli bir depoda 200 C0 sıcaklıkta ıslak su buharı bulunmaktadır. Suyun kapladığı hacim kap hacminin %2 si olduğuna göre, kuruluk derecesi nedir? Çözüm: V=1 m3, Vs=0,02 m3 tür. Vg=V-Vs=1-0,02=0,98 m3 bulunur. t=200 C0 için doymuş buhar çizelgesinden vs=0,001157 m3/kg, vg=0,12736 m3/kg alınır. Buna göre sıvı kütlesi; ms=Vs /vs=(0,02)/(0,001157)=17,286 kg, buhar kütlesi ise mg=Vg/vg=(0,98)/(0,12736) =7,6947 kg bulunur. Buradan da kuruluk derecesi x=mg/mt =(0,6947)/(17,286+7,6947) =0,308 olarak bulunur. Örnek: 0 C0 deki sudan, 2400 kJ/kg ısı harcanarak, 15 bar basıncında buhar elde edilmiştir. Buharın durumunu belirleyiniz. Çözüm: 0 C0 deki suyun entalpisi h0=0 kJ/kg kabul edilirse, üretilen buharın entalpisi h=2400 kJ/kg olacaktır. Doymuş buhar basınç çizelgesinden 15 bar basınçtaki kuru doymuş buharın entalpisi hg=2792,2 kJ/kg olarak bulunur. hg>h olduğundan buhar ıslaktır. hx=hf+hfgx bağıntısından x=(hx-hf)/hfg=0,798 bulunur. 3)DİĞER ÖZELLİKLER: Basit sıkıştırılabilir maddenin belirlenmesinde yararlı görülen özelliklerinden ikisi de sabit basınç özgül ısı ve sabit hacim özgül ısı değerleridir. Bunlar p p T h C , v v T u C bağıntılarınla belirlenir. Ayrıca özgül ısılarla sıkıştırılabilirlik değerleri arasında K C C Tv p v 2 bağıntısı vardır. Burada T sıcaklık, v hacim, K sabit sıcaklık ya da izotermal sıkıştırılabilirlik ( T P v v K 1 ), ise sabit basınç ya da izobarik sıkıştırılabilirlik ( P T v v 1 ) dir. Örnek: Basıncı 10 Mpa, sıcaklığı 450 C0 olan H2O nun sabit basınç özgül ısısı ile sabit basınç sıkışabilirlik değerlerini hesaplayınız. Çözüm: Kızgın buhar çizelgesinden 10 Mpa basınçta, 400 C0, 450 C0 ve 500 C0 deki özgül hacim ve entalpiler ; V400=0,02641 m3/kg, V500=0,03279 m3/kg, V450=0,02975 m3/kg, h400=3096,5 kJ/kg, h500=3373,7 kJ/kg bulunur. Bu durumda özgül ısı ; p p T h C = (3373,7-3096,5)/(500-400)=2,772 kJ/kgK, sıkıştırılabilirlik ise P T v v 1 = (1/0,02975)[(0,03279-0,02641)/(500-400)]=0,002145 1/K olarak bulunur. 4)KIZGIN BUHAR: Buhar, verilen bir basınçta doymuş buhar sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklığa ısıtılırsa, kızgın buhar olarak tanımlanır. 1 kg kuru buharı, sabit bir basınçta, gerekli sıcaklığa yükseltmek için verilen ısıya, kızdırma ısısı denir. Kuru buhara sabit basınçtaki kızdırma sırasında verilen ısı qs=Cpm(ts-tg) şeklindedir. Burada Cpm kızgın buharın tg’den ts’ye olan sıcaklık aralığındaki ortalama ısı kapasitesidir. Kızdırma ısısı buhara sabit basınçta verildiğinden, entalpi için; h=hf+hfg+Cpmt bağıntısı yazılabilir. Aşağıda, 2 bar basıncında ve 150 C0’de suyun özelliklerini belirleyen T-v grafiği verilmiştir. T 150 2 bar 120,23 f g kızgın buhar sıvı sıvı+buhar v İDEAL GAZ YASALARI 1)AVOGADRO YASASI: 1811 yılında A.Avogadro, “Aynı basınç ve sıcaklıkta, bütün ideal gazların eşit hacimlerinde eşit sayıda molekül bulunur” hipotezini ortaya atmış ve bu ifade daha sonra Avogadro yasası olarak anılmıştır. Avogadro yasasına göre, standart koşullardaki (0 C0 ve 101,325 kPa) bütün ideal gazların 6,022.1026 tane molekülün kapladığı hacim 22,4 litredir. 6,022.1026 sayısına Avogadro sayısı, 22,4 litreye de mol hacmi denir. Maddenin bir molünün gram olarak kütlesine mol kütlesi denir ve gr/mol ya da kg/kmol birimleriyle ifade edilir. Örneğin CO2 gazının mol kütlesi M=44 gr/mol dür. Mol kütlesi ile özgül hacmin çarpımı M.v=22,4 m3/kmol dur. Aynı koşullarda iki farklı gazın mol sayıları ile hacimleri arasında 1 2 1 2 V V n n bağıntısı vardır. Mol hacmi aynı zamanda yoğunluğa Vm=M/ şeklinde bağlıdır. 2)BOYLE-MARİOTTE YASASI: 1662 yılında R.Boyle ve 1676 yılında E.Mariotte, Boyle’den bağımsız olarak “sabit sıcaklıkta ısıtılan bir gazın basınç ve hacimlerinin çarpımı sabittir” özelliğini belirlemişlerdir. Bu özelliğe Boyle-Mariotte Yasası denmektedir. P.V=sabit (T=sabit iken) 3)CHARLES-GAY LUSSAC YASASI: 1802 yılında J.Charles ve J.L.Gay Lussac, “sabit basıçta ısıtılan bir gazın hacmi sıcaklıkla doğru orantılı olarak değişir “ özelliğini belirlemişlerdir. Bu özelliğe Charles-Gay Lussac Yasası denmektedir. Matematiksel olarak V=V0(1+t) şeklindedir. Burada V: t sıcaklığında gazın hacmi, V0: 0 C0’de gazın hacmi, :gazın hacimsel genleşme katsayısı (=1/273=0,00366 ) dır. Sabit basınç için, V1 ve V2, sırası ile T1 ve T2 sıcaklıklarındaki gaz hacimleri ise, 1 2 1 2 T T V V eşitliği yazılabilir. Örnek: Sıcaklığı 1200 K, hacmi 2 m3 olan bir gaz, sabit basınçta 1800 K sıcaklığa kadar ısıtılmaktadır. Gazın son hacmi kaç m3 olur? Çözüm: 1 2 1 2 T T V V eşitliğinden 3 1 2 2 1 3 1200 2 1800 m T T V V bulunur. 4)DALTON YASASI: “Bir gaz karışımının basıncı, karışımı oluşturan gazların karışım sıcaklığında olmaları ve ayrı ayrı toplam hacmi kaplamaları durumunda sahip olacakları basınçların toplamına Dalton Yasası”denir. n i karıarı i P P 1 (t,V=sabit). 5)AMAGAT YASASI: “Bir gaz karışımının hacmi, karışımı oluşturan gazların karışım sıcaklığı ve basıncında olmaları durumunda, ayrı ayrı kaplayacakları hacimlerin toplamıdır” ifadesi, Amagat Yasası olarak bilinir. n i karıarı i V V 1 ( T,P=sabit). İDEAL GAZ DURUM DENKLEMİ: Bir maddenin basıncı, sıcaklığı ve özgül hacmi arasındaki ilişkiyi veren her hangi bir bağıntıya durum denklemi adı verilir. İdeal bir gaz için durum denklemi Boyle-Mariotte yasası ve Charles-Gay Lussac kanunları kullanılarak bulunur. sabit T P V T PV 2 2 2 1 1 1 , bu sabit değer gaz sabiti olarak adlandırılır ve R ile gösterilir. P.v=R.T eşitliği Clapeyron eşitliği veya ideal gaz durum denklemi olarak bilinir. v=V/m olduğundan ideal gaz denklemi P.V=m.R.T olarak da yazılabilir. Buradaki R değeri R=Ru/M=(8,3143)/M şeklindedir. Burada M, gazın moleküler kütlesi (kg/kmol). Ru=8,3143 kJ/kmolK değerine ise üniversal gaz sabiti denir ve bütün gazlar için aynıdır. Her hangi bir gazın kütlesi mol kütlesi ile mol sayısının çarpımına eşittir, m=n.M. Bu durumda mol sayısına bağlı olarak ideal gaz denklemi; P.V=n.Ru.T şeklinde yazılabilmektedir. Örnek: Çapı 30 cm olan bir borudan CO2 gazı geçmektedir. Boru içerisindeki gazın basıncı 275 kPa, sıcaklığı 500 K, hızı 60 m/s olduğuna göre, kütlesel debisini; a)kg/s olarak, b)kmol/s olarak hesaplayınız. (=3,14, M=44 kg/kmol) Çözüm: a) .. . P.V m.R.T , V A.C . =.(0,15)2.60=4,241 m/s, R=Ru/M=(8,3143)/44=0,189 kJ/kgK, kg s RT m P V 12,344 / (0,189).500 275.(4,241) . . . . b) kmol s M n m 0,28056 / 36,14 7,75 . . olarak bulunurlar. TERMODİNAMİĞİN YASALARI TERMODİNAMİĞİN SIFIRINCI YASASI: “iki cisim üçüncü bir cisimle sıcaklıkça eşdeğerde ise, bu iki cisim birbirleriyle de sıcaklıkça eşdeğerdedir”. Buna termodinamiğin sıfırıncı yasası denmektedir. 1931 yılında R.H.Fowler tarafından temel bir fizik ilkesi olarak ortaya konmuştur. TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ YASASI: A) İŞ: İş, bir kuvvetin bir sisteme belirli bir yol boyunca etki etmesi sırasında aktarılan enerjidir. W= F.dx şeklinde formulize edilir. Termodinamik açıdan iş ise, sistemle çevresi arasında bir enerji alışverişidir. Eğer sistemin çevresindeki yegane etki, bir ağırlığın kaldırılması şeklinde olabilirse, sitem iş yapmış olur. ısı makinelerinde sitem tarafından yapılan iş pozitif, sisteme verilen iş ise negatif olarak alınır. İş depo edilemez, ancak geçiş halinde ve sistem sınırında görülür. İşin birimi Joule, N.m ya da kg.m2/s2 dir. Birim zamanda yapılan işe ise güç denir. B) BASİT SIKIŞTIRILABİLİR BİR SİSTEMİN SINIRINDAKİ İŞ: P 1 2 PdV V P1 P2 Şekilde bir silindir ve bir pistondan oluşan gaz için, piston çekildiği durumda P-V grafiği görülmektedir. Bu durumda yapılan iş W=PdV bağıntısından bulunur. T=sabit için P1V1=P2V2 dir. Pistonu 1.durumdan 2.duruma getirmek için yapılan iş 1 2 2 1 1 1 1 ln V V PV V W PV dV olur. PVn=sabit, yani PV n P V n 1 1 2 2 olan politropik durum değiştirme için yapılan iş; n P V PV W 1 2 2 1 1 2 olarak bulunur. C) ISI: Isı, belirli sıcaklıktaki bir sistemin sınırlarından, daha düşük sıcaklıktaki bir sisteme, sıcaklık farkı nedeniyle transfer edilen enerjidir. Isı ve iş sistemde geçiş halindeki enerjilerdir. İşin tersine ısı makinelerinde sisteme verilen ısı pozitif, sistemden atılan ısılar ise negatif olarak değerlendirilir. Isı birimi de Joule’dur. Eski bir alışkanlık olarak kalori de ısı birimi olarak kullanılır. 1 kalori, 1 gr suyun sıcaklığını 14,5 C0den 15,5 C0 ye çıkarmak için gerekli ısı miktarıdır. 1 kalori= 4,187 Joule dür. D) ENERJİNİN KORUNUMU: 1)POTANSİYEL ENERJİ: Herhangi bir kütlenin, bulunduğu konum itibarıyla sahip olduğu enerjiye, potansiyel enerji denmektedir. Burada enerjinin kaynağı, yer çekiminin kütle üzerindeki etkisidir. Potansiyel enerji Ep=m.g.h ya da dEp =m.g.dz formülünden hesaplanabilir. Örnek: Kütlesi 30 kg olan bir bavulu 50 cm yükseğe çıkarmak için harcanan enerji kaç J dur? (g=10 m/s2 alınız) Çözüm: Ep=m.g.h=30.10.(0,5)=150 J 2)KİNETİK ENERJİ: Hareket halindeki bir kütle kinetik enerjiye sahiptir. Yani kinetik enerji cismin hareket enerjisidir. 2 2 E 1mC k ya da dEk =mC.dC bağıntısından bulunur. Burada m, kütle, C ise hızdır. Örnek: Durmakta olan 1000 kg lık bir otomobili 90 km/sa hıza ulaştırmak için kaç J enerji gereklidir? (sürtünmeler önemsiz) Çözüm: Ek=(1/2)mC2=(1/2).1000.(90000/3600)2=500.(25)2 =500.625=312,5 kJ 3)İÇ ENERJİ: Bir sistemin moleküler yapısı ve moleküler hareketliliği ile ilgili enerjilerinin tümüne iç enerji denir. İç enerji U ile gösterilir ve sitemin dış referans noktalarından bağımsızdır. Bütün maddeler kimyasal ve moleküler biçimde iç enerji içermektedir. İdeal gazlar için iç enerji sadece sıcaklığa bağlı olarak değişmektedir. Birim kütle için iç enerji değişimi; du=Cv.dT ve iki durum arasıdaki işlem sırasında u2-u1=Cv(T2-T1) olur. 4) TERMODİNAMİĞİN I.YASASININ ANLAM VE ÖNEMİ: Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasını ifade etmekte ve enerjinin termodinamikle ilgili bir özellik olduğunu vurgulamaktadır. Enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasına göre, enerji yok edilemez veya yokken var edilemez, ancak değişik fiziksel ve kimyasal işlemlerle bir enerji biçiminden diğer enerji biçimine dönüşür. Termodinamiğin birinci yasası, şöyle ifade edilebilir:”Kapalı bir sistemin belirli bir durumu arasında gerçekleşebilecek tüm adyabatik durum değişimleri sırasında yapılan net iş, sisteme veya durum değişimlerine bağlı olmaksızın aynıdır.” Bir çevrimde iş ve ısı değerleri arasındaki fark Q-W=dE diferansiyeli ile ifade edilir. Burada ilk iki terim eğri fonksiyonu, üçüncü terim nokta fonksiyonudur. Kapalı bir sistemde Termodinemiğin Birinci Yasası; Q=dU+d(Ek)+d(Ep)+W şeklinde yazılabilmektedir. Bu, şu anlama gelir: 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. Örnek: Bir depoda bulunan sıvı, elektrik motoruyla döndürülen bir palet yardımıyla karıştırılmıştır. Paleti çevirmek için 4500 kJ luk bir iş harcanmış ve bu sırada depodan çevreye 2000 kJ luk ısı transfer edilmiştir. Sıvı ve depoyu sistem olarak düşünerek, sistemin iç enerji değişimini bulunuz. Çözüm: Potansiyel ve kinetik enerjilerde değişme olmadığından, Q2=U2-U1+W olur. –2000=U2- U1-4500 , burada da U2-U1=2500 kJ bulunur. 5)ENTALPİ, İÇ ENERJİ VE ÖZGÜL ISILAR: İç enerji, özgül ısılar ve entalpi “kalografik durum” özellikleridir. Bir sistemin iç enerjisiyle, basınç ile hacmin çarpımının toplamına “entalpi” denmektedir. H=U+P.V bağıntısıyla ifade edilir. Birim kütle için h=u+P.v olarak yazılabilmektedir. Termodinamiğin birinci yasasına göre dq=dh-v.dP yazılıp, sabit basınç için (izobarik) dP=0 olduğundan, dq=dh olur. Yani, sabit basınçta sisteme verilen ısı, sitemin entalpi değişimine eşittir. İdeal gazlar için entalpi sadece sıcaklığa bağımlıdır. Aynı zamanda iç enerji de sadece sıcaklığın bir fonksiyonudur, u=f(T). İdeal gazlarda entalpi ile sabit basınçtaki özgül ısı arasında dh=Cp.dT bağıntısı vardır. sabit basınçtaki özgül ısı ile sabit hacimdeki özgül ısı arasındaki önemli bağıntı, entalpinin tanımı yardımıyla geliştirilmiştir. Bu bağıntıya Mayer Bağıntısı denir ve Cp- Cv=R olarak ifade edilir. Örnek: Bir piston ve silindir düzeninde ilk hacim 0,1 m3 olup, içerisinde 150 kPa basınç ve 25 C0 sıcaklıkta azot (nitrojen) bulunmaktadır. Piston, azotun basıncı 1 Mpa ve sıcaklığı 150 C0 oluncaya kadar hareket ettirilmiş ve bu sırada 30 kJ’lük iş yapılmıştır. Bu işlem sırasındaki ısı transferini hesaplayınız.(Cp=1,0416 kJ/kgK, Cv=0,7448 kJ/kgK) Çözüm: Azot ideal gaz olarak varsayılır , potansiyel ve enerjideki değişimler ihmal edilirse, ısı enerjisi Q2=m.Cv(T2-T1)+W2 dır. R=Cp-Cv=1,0416-0,7448=0,2968 kJ/kgK, T=25+273,15=298,15 K, PV=mRT den m=(150.0,1)/(0,2968.298,15)=0,1695 kg şeklinde kütle bulunur. Buradan da ısı transferi; Q2=0,1695.0,7448(150-25)+30=-14,2 kJ bulunur. Örnek: Bir aşırı kızdırma ünitesinde, P1080 bar, X1=0,95 başlangıç koşullarındaki 1 kg buhar, P2=80 bar, t=500 C0 koşullarına kızdırılmıştır. Buhar için harcanan ısıyı bulunuz. (80 bar’da doymuş buhar için hf=1316,64 kJ/kg, hfg=1441,3 kJ/kg, 500 C0de kızgın buharın entalpisi h=3398,3 kJ/kg) Çözüm: Başlangıç koşullarında ıslak buharın entalpisi; hx=hf+x.hfg=1316,64+(1441,3.0,95)= 2685,88 kJ/kg dır. Kızdırıcı da harcanan ısı ise; q=h-hx=3398,3-2685,88=712,43 kJ/kg olarak bulunur. Örnek: Bir gaz türbininin santrifüj kompresörüne giren atmosferik havanın basıncı 1 bar, sıcaklık 480 K ve hava hızı 100 m/s dir. Kompresörün bastığı havanın debisi 5 kg/s dir. Kompresörden dışarıya ısı transferi olmadığına göre, kompresörü çevirmek için gerekli olan gücü hesaplayınız. (Hava için Cp=1,0035 kJ/kgK) Çözüm: Kontrol yüzeyi kompresöre girişin açığından geçirilerek, havanın giriş hızı çıkış hızına göre ihmal edilebilir. Bu durumda enerjinin korunumundan 1 2 1 2 2 2 h h 1 C w bağıntısı yazılabilir. Entalpi değişimi; h2-h1=Cp(T2-T1)=1,0035(480-300)=180,63 kJ/kg , kinetik enerji ise (1/2)C2 2=1002/2=5000 J/kg=5kJ/kg dır. Buradan da yapılan iş; -dw/dt = (180,63)+5 =185,63 kJ/kg olarak olarak bulunur. Gerekli hava gücü ise; -dW/dt=5. (185,63)=928,15 kWatt olarak bulunur. TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASI “Termodinamiğin ikinci yasası, işlemlerin belirli bir yönde gerçekleşebileceğini, ters yönde olamayacağını ifade eder.” Bir durum değişimi ancak, termodinamiğin hem birinci ve hem de ikinci yasasını sağlıyorsa gerçekleşebilir. Örneğin yakıt tüketerek bir yokuşu çıkan bir otomobil düşünelim. Otomobilde depodan eksilen benzin, otomobilin yokuş aşağıya kendiliğinden inmesiyle tekrar depoya dolamaz. Yani durum değişimi tek yönlüdür. Termodinamiğin birinci yasası durum değişiminin yönü üzerine bir kısıtlama koymamaktadır. Birinci yasaya göre bir çevrimde ısı tamamen işe dönüştürülebilir, Qçevrim=Wçevrim. Yani birinci yasaya göre, sitemden çevreye ısı vermeksizin iş yapabilen bir ısı motoru, yani %100 verimli bir motor, yapmak mümkündür. İşte İkinci Yasa buna kısıtlama getirmektedir. Termodinamiğin ikinci yasasının Kelvin-Planck ifadesi bu durumu açıklar:”periyodik olarak çalışan bir tek ısı kaynağı ile ısı alış verişi yaparak sürekli olarak iş üreten bir makinenin yapılması mümkün değildir.” Isıtma ve soğutma makinelerinin (klima, buzdolabı...) termodinamiğin ikinci yasasıyla ilişkisini ise Clausius şöyle açıklamıştır:”çevrede hiçbir etki bırakmaksızın ısıyı soğuk ısı kaynağından sıcak ısı kaynağına ileten bir ısı pompası (veya soğutma makinesi) yapmak mümkün değildir.”ya da başka bir deyişle “ ısı enerjisi kendiliğinden soğuk ortamdan sıcak ortama doğru akamaz”. Termodinamiğin ikinci yasası, doğada bulunmayan tersinir işlemler için sakınım yasasıdır. Bu yasa, sitemin termodinamik özelliklerinden biri olan ve entropi olarak adlandırılan yeni bir ifadenin tanımlanmasına yol açmıştır. ENTROPİ: “Entropi, sistemdeki düzensizliğin bir ölçüsü olarak tanımlanabilmektedir”. Sistemde düzensizlik arttıkça entropi de artar. Örneğin bir gaz ısıtıldığında moleküllerinin hareketleri hızlandığından ve düzensizleştiğinden, entropisi artar. Eğer bir sistem tam olarak düzenli ise, entropisi sıfır olabilir. Enerjinin aksine, entropi korunan bir özellik değildir ve gerçek tüm işlemlerde sistemin ve çevrenin entropi değişimlerinin toplamı daima pozitiftir. Entropi, T dS dQ bağıntısından hesaplanabilir. Bir sitem için entropi değişimi ise ter T Q S S 2 1 integrali alınarak bulunabilir. Bunun için T ile Q arasındaki ilişkinin bilinmesi gerekir. Sistemde toplam entropi değişimi Stoplam= Ssistem+ Sçevre0 dır. Burada eşitlik durumu tersinir durumlar, eşitsizlik durumu ise tersinmez durumlar için geçerlidir. Gerçek işlemler tersinmez işlemlerdir. Bu sonuca göre termodinamiğin yasaları şöyle özetlenebilir:”Evrenin enerjisi sabit kaldığı halde, evrendeki entropi sürekli olarak artmaktadır.” Örnek: Bir durum değişimi sırasında 300 K sabit sıcaklıktaki çevre havaya, 100 kJ ısı geçişi olmaktadır. Bu durum değişimi sırasında çevresin entropi değişimini hesaplayınız. Çözüm: Çevre hava, ısı alış verişi yaparken sıcaklığı değişmemektedir. O halde entropi değişimi: kJ K T Q S çevre çevre çevre 0,333 / 300 100 dır. Örnek: Piston Buhar Su Çözüm: kJ K T Q S su su su 1,340 / 100 273 500 şeklinde suyun entropisi azalır. Şekilde gösterildiği gibi, bir silindir-piston düzeneğinde 100 C0 sıcaklıkta su-buhar karışımı bulunmaktadır. Daha sonra 300 K sabit sıcaklıktaki çevre havaya, sabit basınçtaki bir durum değişimiyle 500 kJ ısı geçişi olmaktadır. Bu durum değişimi sırasında suyun ve çevre havanın entropi değişimleri ile toplam entropi değişimini hesaplayınız. kJ K T Q S çevre çevre çevre 1,667 / 300 500 şeklinde çevrenin entropisi artar. Toplam entropi değişimi ise; Stoplam=Ssu+Sçevre=-1,340+1,667=+0,327 olur. İDEAL GAZLAR İÇİN ENTROPİ DEĞİŞİMİ: Termodinamiğin birinci yasasına göre; Q=dU+W ve tersinir işlem için Q=T.dS ve W=P.dV yazılabilir. P yerine RT/v, dU yerine CvdT alınarak denklemler birleştirilirse; v R dv T ds C dT v diferansiyel denklemi elde edilir. Cv sıcaklığa göre sabit kabul edilir, her iki tarafın integrali alınarak çözüm yapılırsa, ideal gaz için entropi değişimi 1 2 1 2 2 1 ln ln v v R T T s s Cv olarak bulunur. Bu değişim sıcaklık sabit ise s2-s1=Rln(v2/v1) ya da s2-s1=-Rln(P2/P1) , hacim sabit ise s2-s1=Cvln(T2/T1) olur. Gazlarda sabit basınçtaki özgül ısının sabit hacimdeki özgül ısıya oranı “izentropik (veya adyabatik) üs” olarak adlandırılmakta ve k ile gösterilmektedir. Bu durumda k=(Cp/Cv) olup Cp-Cv=R ‘de yarine konulursa, Cv=R/(k-1) ve Cp=kR/(k-1) bağıntıları bulunur. T.ds=Cv.dT+P.dv diferansiyel denklemi ds=0 koşulu için çözülürse k v v P P 2 1 1 2 eşitliği elde edilir. Bu eşitliğe Poisson eşitliği denir. Poisson eşitliği sıcaklık ve hacme bağlı olarak da, 1 2 1 1 2 k v v T T şeklinde yazılabilir. Bu durumda sistemi 1 durumundan 2 durumuna götürmek için yapınan iş k R T T W 1 ( ) 2 1 2 dır. Örnek: Sızdırmaz ve sürtünmesiz bir silindir-piston düzeninde bulunan, 100 kPa basınç ve 27 C0 sıcaklıktaki 1kg azot (nitrojen), PV1,4=sabit olacak biçimde 587 C0 sıcaklığa kadar sıkıştırılmaktadır. Bu işlem sırasında yapılan iş ne kadardır? (R=0,2968 kJ/kgK) Çözüm: 281,96 0,4 112,784 1 (1,4) 0,2968(860 300) 1 ( ) 2 1 2 k R T T W kJ/kg dır. ÇEVRİMLER A)CARNOT ÇEVRİMİ: Bu çevrim 1824 yılında Fransız bilim adamı Nicolas Leonard Sadi Carnot tarafından ortaya atılan çevrimdir. Isı makinelerinin ideal çevrimi olarak kabul edilmektedir. Carnot çevriminin P-v ve T-s diyagramı şekildeki gibidir. P 3 TH=c QH T s=c 4 3 4 W 2 s=c Qnet QL TL=c 1 2 1 V s Şekilde görüldüğü gibi çevrim, iki izentropik ve iki izotermik işlemden meydana gelmektedir. Çalışma maddesine dışarıdan iş verilerek 1-2 noktaları arasında izotermik (TL=sabit) ve 2-3 noktaları arasında izentropik olarak sıkıştırılmakta; sıcaklığı ve basıncı artan çalışma maddesi, 3-4 noktaları arasında izotermik (TH=sabit) ve 4-1 noktaları arasında da izentropik olarak genişleyerek iş yapmaktadır. Bilindiği gibi, sıkıştırılan bir gazın basıncı ve sıcaklığı artmakta, bunun aksine, genişleyen bir gazın da basınç ve sıcaklığı azalmaktadır. 1-2 noktaları arasında sıkıştırmaya bağlı olarak artma eğiliminde olan sıcaklığın (TL) sabit kalabilmesi için, sistemin soğutulması yani sistemden ısı atılması, 3-4 noktaları arsında ise, genişlemeye bağlı olarak azalma eğiliminde olan sıcaklığın (TH) sabit kalmasını sağlamak için de sisteme ısı verilmesi gerekmektedir. Carnot çevrimi, teorik olarak, kapalı veya sürekli akışlı açık bir sistemde gerçekleştirilebilir. Sitemden atılan ısı miktarı 2 1 2 ln v Q Q mRT v L L , siteme verilen ısı miktarı da 3 4 4 ln v Q Q mRT v H H eşitlikleriyle hesaplanabilir. Çevrimin ısıl verimi de H L t Q Q n 1 bağıntısından bulunur. Buradan da izentropik durum için Carnot çevriminin ısıl verimi H L carnot T T n 1 bağıntısı elde edilir. Örnek: Şekilde şematik olarak gösterilen Carnot ısı makinesi, 627 C0 sıcaklıktaki bir sıcak kaynaktan 500 kJ ısı almakta ve 27 C0sıcaklıktaki soğuk kaynağa ısı vermektedir. Bu makinenin ısıl verimini ve soğuk kaynağa verilen ısı miktarını hesaplayınız. Wnet QH=500 kJ QL Çözüm: 0,667 627 273 1 1 27 273 H L carnot T T n veya %66,7 bulunur. Buradan da ısı miktarı QL=QH(TL/TH)=500(300/900)=166,67 kJ olur. B)PİSTONLU MOTORLARIN TEORİK ÇEVRİMLERİ: 1)SABİT HACİM (OTTO) ÇEVRİMİ: Sabit hacim çevrimi, ilk defa 1862 yılında Beau de Rochas tarafından açıklanmış olmakla birlikte, çevrimin uygulaması ilk olarak1876 yılında Nikolaus August Otto tarafından yapılmıştır. Otto, aynı yılda, sıkıştırmalı, dört zamanlı, pistonlu içten yanmalı ilk motoru piyasaya sürmüştür. Otto çevriminin P-v ve T-s grafiği şekildeki gibidir. P 3 T 3 V=c 2 2 Wnet 4 qnet 4 1 1 V=c V S Sıcak Isı Kaynağı TH=627C0 Carnot ısı makinesi Soğuk ısı kaynağı TL=27 C0 Otto motorunun ısıl (termik) verimi ( ) ( ) 1 3 2 4 1 T T T T nt bağıntısından bulunabilir. Verim sıkışma oranına () bağlı olarak 1 1 1 t k n şeklinde de belirtilebilmektedir. Burada v1/v2= dur. Buna göre sıkışma oranı arttığında verim artmaktadır. 2)SABİT BASINÇ (DİESEL) ÇEVRİMİ: Rudolf Deisel 1892 yılında kendi adıyla anılan bir motor üretmiş ve patent almıştır. Bu motorun çevrimine Deisel çevrimi denmektedir. Otto motorunda hava ve yakıtın birlikte sıkıştırılması verimi düşürmekte idi. Dizel motorunda hava ve yakıt ayrı ayrı sıkıştırılarak verim artışı sağlanmaktadır. Bu motor =24/1 sıkıştırma oranına kadar olanak sağlamaktadır. Bu çevrim, bir sabit basınç, bir sabit hacim ve iki izentropik işlemden meydana gelmektedir. Çevrimin P-v ve T-s diyagramı aşağıdadır. P T 3 2 3 P=c 2 qnet Wnet 4 4 1 1 V=c V S Diesel çevriminde hacimsel sıkışma oranı =v1/v2, sabit basınçta genişleme oranı (ön genişleme oranı) =(v3/v2)=(T3/T2) şeklindedir. Diesel çevriminin ısıl verimi ise ( 1) 1 1 1 1 k n k t k bağıntısıyla bulunur. 3)KARMA ÇEVRİM: günümüz modern dizel motorlarında yanmanın ilk aşaması sabit hacime yakın olurken, son aşaması yaklaşık olarak sabit basınçta gerçekleşmektedir. Siteme ısının bir kısmının sabit hacimde, geri kalanının da sabit basınçta verildiği çevrime karma çevrim denir. Bu çevrimin P-V ve T-S diyagramları aşağıdaki gibidir. P T 3 4 3 P=c 4 v=c qnet 2 5 2 5 1 V 1 v=c S Karma çevrimde hacimsel sıkıştırma oranı =v1/v2, sabit hacimde basınç artış oranı = (P3/P2)=(T3/T2) ve sabit basınçta genişleme (ön genişleme) oranı =(v4/v3)=(T4/T3) dür. Bu durumda ısıl verim ( 1) ( 1) 1 1 1 1 k n k t k şeklindedir. 4)STİRLİNG ÇEVRİMİ: R.Stirling (1816) tarafından tasarlanan, dıştan ısı vermeli stirling motorunun teorik çevrimine ait P-v ve T-s diyagramları , şekildeki gibidir. P T 3 3 4 T=c 4 v=c qnet v=c 2 wnet 2 1 T=c V S Çevrim, iki izoterm ve iki sabit hacim işleminden oluşmaktadır. Kapalı bir silindir içerisinde bulunun çalışma maddesine ısı, özel bir ısı eşanjörü-ısıtıcı tarafından verilir. Isının dışarıya atılması ise diğer bir ısı eşanjöründen-soğutucudan olmaktadır. Motor için gerekli olan ısı, silindirin dışındaki özel bir yanma odasından sağlanmakta ve burada kesintisiz bir yanma sürdürülmektedir. Bu siteme verilen toplam ısı qs=Cv(TH-TL) +RTa.ln(P2/P1), sitemde işe çevrilen net ısı ise qnet=(TH-TL)R.ln(P2/P1) dir. Bu durumda basit (regeneratörsüz) Stirling çevriminin ısıl verimi de nt=qnet/qs oranından bulunur. Regeneratörlü Stirling çevriminde ise dışarıya atılan ısı, regeneratör yardımıyla tekrar sisteme kazandırılır. Bu çevrimde siteme verilen toplam ısı qs=Cv(TH-TL)+RTa.ln(P2/P1), işe çevrilen net ısı ise, qnet=(TH-TL)R.ln(P2/P1) dır. 5)ERİCSSON ÇEVRİMİ: Ericsson çevrimi, izohorların yerini izobarların alması dışında, Stirling çevriminden farksızdır. Bu çevrim günümüz gaz türbinlerinin ideal çevrimi olarak değerlendirilmektedir. Ericsson çevriminin P-V ve T-s diyagramı aşağıdaki gibidir. P 2 3 T 3 4 T=c wnet T=c P=c qnet P=c 1 4 2 1 s Ericsson çevrimine regereratör eklenirse, bu regeneratör 4-1 izobarı boyunca dışarıya atılan ısıyı bünyesinde depolayarak, 2-3 izobarı boyunca tekrar sisteme verir. İsveçli John Ericsson’un yaptığı motorlar, 19. Yüzyılda, dikkate değer sayıda imal edilmiş ve kullanılmıştır. Bu motorlarda, her çevrim için taze hava alınıyor ve dolaylı yoldan ısıtılıyordu (dıştan yanmalı). Başka bir değimle sistem açık sistemdi. Ericsson, 1853 yılında, yaptığı motorlardan dört tanesini 2200 tonluk bir gemiye dizayn ederek, bu konuda bir ilki başarmıştır. TERMODİNAMİĞİN ÜÇÜNCÜ YASASI VE MUTLAK ENTROPİ: Değişik maddelerin entropisi için, başlangış oluşturma konusu, Termodinamiğin 3.Ysasası’nı ortaya çıkarmıştır. Bu yasayla ilgili ilk çalışmalar W.H Nernst (1864- 1941) ve Max Planck (1858-1947) tarafından yapılmıştır. Termodinamiğin üçüncü yasası mutlak sıfır sıcaklığındaki maddelerin entropisi ile ilgilidir. Buna göre termodinamiğin üçüncü yasası: “mükemmel bir kristalin, mutlak sıfır sıcaklığındaki entropisi sıfırdır” şeklindedir. Bu durum istatiksel olarak, kristal yapının en yüksek derecede olduğunu belirtir ve burada ısıl enerji minumumdur. KAYNAK: 1)“Termodinamik”, Dç Dr Selim Çetinkaya, Ankara,1999, Nobel Yayın dağ. 2)”Termodinamik”cilt-2, Prf.Dr A.Rasim Büyüktür, Bursa,1991, Uludağ Üniversitesi. 3)”Physics” part-1, Prf Dr D.Halliday-Prf Dr R.Resnick, Pittsburgh Unv- Rensselaer Polytechnic Inst, New York-London-Sydney, Toppan Company Ltd.-Tokyo, Japan. Mehmet TAŞKAN
Advertisement