30 Bin Üyemize Katılın
E-Bülten yayınlarımız için abone olun.


Termodinamik Nedir?

Termodinamik Nedir?

Latince therme (ısı) ve dynamis (güç) kelimelerinin bir araya getirilmesi ile oluşan termodinamik, “ısı gücü” şeklinde dilimizde kullanılmaktadır.

İsminde yer aldığı gibi ısıyı, ısının meydana getirdiği enerjiyi ve ısı enerjisi ile yapılabilecek işleri inceleyen bilim dalına “Termodinamik/ Isı Bilimi/ Enerji Bilimi” denilmektedir.

Buhar Makinaları
Şekil 1: Fosil Yakıtlarla Enerji Üreten Makinalara Örnek

Termodinamik, enerjiyi ve çeşitli enerji şekilleri arasındaki ilişkiyi inceleyen temel bir bilim dalıdır. Termodinamik bilim dalı, genel olarak iş ya da ısı uygulanan maddelerin davranışlarını inceler, belirli durum (hal) değiştirmelerini sağlamak için eklenmesi veya çıkarılması gereken iş veya ısı miktarlarını hesaplama yollarını öğretir.

Termodinamiğin uygulama alanları olarak otomobil motorları, uçaklar, roket ve jet motorları, uzay araçları, buhar türbinleri, gaz türbinleri, iklimlendirme sistemleri ve bilgisayarların tasarımları sayılabilir. Hatta insan vücudu da termodinamiğin önemli bir uygulama alanı olarak gösterilebilir. Kısacası, ısı gücünden yararlanılmak istenilen her alanda Termodinamik kaideler devreye girmektedir.

İş yerlerimizde ve evlerimizin içinde de termodinamiğin birçok alanını görebiliriz. Örneğin; bilgisayar, televizyon, su ısıtıcısı, ütü, tencere, gazlı ve elektrikli fırınlar ya da ısıtıcılar, klima ve benzerlerinin tasarımları termodinamik ilkelerinden yararlanılarak gerçekleştirilmiştir.

Her bir parçacığın davranışın bilinmesine gerek duyulmadan, termodinamik ile ilgili çalışmaların böyle makroskopik olarak ele alınması yaklaşımına “Klasik Termodinamik”, tek tek parçacıkların oluşturdukları büyük kümelerin ortak davranışlarını göz önüne alan yaklaşıma “İstatiksel Termodinamik” denir.

Termodinamik Yasaları Hakkında Detaylı Bilgi Almak İçin enerjiportali.com/termodinamik-yasalari-nelerdir/ Bağlantısını Ziyaret Edebilirsiniz.

Termodinamiğin Tarihçesi:

1697’de Thomas Savery ve 1712’de Thomas Newcomen’in İngiltere’de ilk başarılı buhar makinalarını yapmaları ile Termodinamik bilimi çalışmaları başlamıştır. 1850’lerde William Rankine, Rudolph Clausius ve Lord Kelvin (William Thomson) tarafından yapılan çalışmalar ile Termodinamik bilimi daha da geliştirilmiştir.

first steam turbine ile ilgili görsel sonucu
Şekil 2: Geçmiş Dönemlerdeki Buhar Türbinleri
steam turbine ile ilgili görsel sonucu
Şekil 3: Günümüz Buhar Türbinleri

18.yüzyılın başlarında tekstil endüstrisi hızlı bir gelişme gösterir. Artan güç ihtiyacı insan ve hayvan gücüyle karşılanamaz hâle gelir. 1600’lü yılların sonu, 1700’lü yılların başında ilk buhar makineleri icat edilir. 1765-1766 yıllarında James Watt bu makineleri geliştirerek Termodinamik bilimine önemli katkılarda bulunmuştur.

Termodinamik terimini ilk kez İngiliz bilim adamı olan Lord Kelvin 1849 yılında yaptığı bir yayında kullanmıştır. İlk termodinamik kitabı ise 1859’da Glasgov Üniversitesi öğretim üyelerinden William Rankine tarafından yazılmıştır.

Enerji terimi 1807’de Thomas Young tarafından bulunmuştur. 20. yüzyılın başlarında Albert Einstein tarafından enerji denklemi şu şekilde ifade edilmiştir:

Enerji (Jolue,J)= Kütle (Kilogram,kg) x Işığın boşluktaki hızı (m/sn)

Termodinamik Kavramları Nelerdir?

Sistem, Çevre ve Sistem Sınırı: Termodinamik bir inceleme yapılırken ilk yapılması gereken incelenecek olan alan, bir sistem olarak düşünülür. Bu sistem düdüklü tencere, araba motoru, soba gibi içerisinde ısı barındıran herhangi bir şey olabilir.

Sistem dışında kalana alan ise sistemin çevresi denir. Sistem ile çevreyi ayıran hat ise sistem sınırı olarak isimlendirilir. Sistem sınırı, sistem ile çevrenin temas ettiği ortak yüzeydir. Sistemin sınırları sabit veya hareketli olabilir. Matematiksel açıdan sınırın kalınlığı sıfırdır, bu nedenle de kütlesi ve hacmi yoktur.

Kapalı Sistem: Kapalı bir sistemde kütle sabittir. Enerji ise sistem sınırını ısı veya iş olarak terk eder. Enerji geçişi sıcaklık farkından dolayı gerçekleşiyorsa sistem sınırından geçen enerji ısıdır, eğer sıcaklık farkı söz konusu değilse veya sistem adyabatik ise (Q=O ise) sistem sınırından geçen enerji iştir.

Açık sistem (Kontrol Hacmi):Termodinamiksel problemin çözümüne uygun bir şekilde seçilmiş uzayda bir bölgedir. Genellikle kompresör, türbin, lüle gibi içinden kütle akışının olduğu bir makineyi içine alır. Hem kütle hem de enerji kontrol hacmi sınırlarını geçebilir. Açık sistemin (kontrol hacmi) sınırlarından kütle giriş ve çıkışı vardır. Açık sisteme kütle girdiği zaman sistemin enerjisi artar, kütle çıktığı zaman sistemin enerjisi azalır. Çünkü çıkan kütle kendisiyle birlikte bir miktar enerjiyi de dışarı taşır.

Kontrol Yüzeyi: Kontrol hacminin sınırlarına kontrol yüzeyi adı verilir ve gerçek ya da hayali olabilirler.

Özellik: Herhangi bir sistemin karakteristiğidir. Bazı özellikler basınç P, sıcaklık T, hacim V ve kütle m’dir. Özelikler ya yeğin ya da yaygın olarak dikkate alınırlar:

  • Yeğin Özellikler: Sıcaklık, basınç, yoğunluk gibi sistemin kütlesinden bağımsızdırlar. Yaygın özellikler: Sistemin kütlesiyle (büyüklüğü) orantılıdırlar.
  • Özgül Özellikler: Birim kütle için yaygın özelikler özgül ön eki ile ifade edilir. Termodinamik denge halleri ile ilgilenir.

Denge: Bir uzlaşı halini tanımlar. Denge halinde bulunan bir sistem içinde, değişimi zorlayan eşitlenmemiş bir potansiyel (ya da itici kuvvet) yoktur.

  • Isıl denge: Sistemin her noktasında sıcaklık aynı ise,
  • Mekanik denge: Sistemin herhangi bir noktasında basıncın zamana göre değişmediği anlamına gelir.
  • Faz dengesi: Eğer bir sistemde iki faz bulunup, her fazın kütlesi bir denge düzeyine eriştiğinde orada kalıyorsa ,
  • Kimyasal denge: sistemin kimyasal bileşiminin zamanla değişmemesi, başka bir deyişle sistemde kimyasal reaksiyon olmaması anlamına gelir. Bazı hal değişimlerinde özeliklerden biri sabit kalabilir ve izo- öneki hal değişimi ile birlikte kullanılır.
    • İzotermal hal değişimi: Bir hal değişimi sırasında T sıcaklığı sabit kalır.
    • İzobarik hal değişimi: Bir hal değişimi sırasında P basıncı sabit kalır.
    • İzokorik (veya izometrik) hal değişimi: Bir hal değişimi sırasında özgül hacminin sabit kalır.

Çevrim: Bir sistem geçirdiği bir dizi hal değişimi sonunda yeniden ilk haline dönmesine denir.

İç Enerji (U, kJ): Bir sistemi oluşturan atom, iyon ve molekül gibi en küçük yapı taşlarının sahip olduğu tüm enerjilerin toplamına iç enerji adı verilir. Durgun halde bir maddenin iç enerjisi bilinemez, iç enerji ancak fiziksel ve kimyasal olaylar sırasında meydana gelen enerji değişimleri ile kesin olarak ölçülebilir.

İç enerji, kütle giriş çıkışı olmayan sistemlerin enerjisi hesaplamak için kullanılmaktadır.

U= Kinetik Enerji + Potansiyel Enerji

İç enerji, bir durum fonksiyonu olması nedeniyle, belli bir basınç, hacim ve sıcaklık değerine gelindiğinde daima aynı değere ulaşır. Bu termodinamik duruma hangi yollardan gidilirse gidilsin, sistem denge koşullarına ulaştığında sistemin iç enerjisi daima aynı değeri alır.

termodinamik
Şekil 4: Buharlı Santrallerde Gerçekleşen Termodinamik Çevrim

Entalpi (H, kJ): Entalpi, bir sistemin sahip olduğu her türden enerjilerin toplamıdır. Bir şeyin kesin olarak entalpisinin hesaplanması çok zordur. Entalpi hesaplamaları daha teorik hesaplamalarla yaklaşık olarak tespit edilebilmektedir.

Entalpi, kütle giriş ve çıkışının gerçekleştiği açık sistemlerin enerji hesaplamalarından kullanılmaktadır.

H= İç Enerji + Akış Enerjisi

Entropi: Enerji içeren bir sistemin iç düzenindeki rassallığı (randomness) ve düzensizliği (disorder) ifade eden bir terimdir. Başka bir deyişle entropi, bir sistemdeki enerji ve maddenin rassallığının ve düzensizliğinin bir ölçüsüdür. Termodinamik açıdan bir sistemin entropisi, o sistemin yararlı bir iş yapabilmesi için sahip olduğu serbest enerji miktarını belirler. Bir sistemin toplam enerjisinin (entalpi) bir bölümü iç düzenin (entropi) kurulması/korunması için kullanılır. Kalan bölümle sistem iş yapabilir.

Enerji içeren bir sistemin iç düzenindeki rassallığı (randomness) ve düzensizliği (disorder) ifade eden bir terimdir. Başka bir deyişle entropi, bir sistemdeki enerji ve maddenin rassallığının ve düzensizliğinin bir ölçüsüdür. Termodinamik açıdan bir sistemin entropisi, o sistemin yararlı bir iş yapabilmesi için sahip olduğu serbest enerji miktarını belirler. Bir sistemin toplam enerjisinin (entalpi) bir bölümü iç düzenin (entropi) kurulması/korunması için kullanılır. Kalan bölümle sistem iş yapabilir.

termodinamik
Şekil 5: Buhar Türbini Görüntüsü
entropi
Şekil 6: Bir Santraldeki Ekipmanların Yerleşimi

Benzer şekilde, sistemin iş üretmesini sağlayacak bir çevrim yaptığımızda, sisteme eklediğimiz ısıyı entalpi (H) adını verdiğimiz bir durum değişkeni ile; her çevrimde kaybolan enerjiyi ise entropi (S) adını verdiğimiz bir başka durum değişkeni ile ilişkilenidirilmektedir.

Gibbs Serbest Enerji Fonksiyonu:

Gibbs serbest enerjisi, bir sistemin sabit basınç ve sıcaklık altında üretebildiği kullanılabilir iş miktarını ifade eder. Amerikalı bilim adamı J. Willard Gibbs’e ithafen G ile gösterilen bu durum fonksiyonunu aşağıdaki eşitlikle hesaplanır:

G= H + TS

Gibbs serbest enerjisinin entalpi (H), sıcaklık (T) ve entropinin (S), yani üç farklı durum fonksiyonunun birleşimiyle hesaplanması nedeniyle, durum fonksiyonu olarak karşımıza çıkmaktadır.

Bir sistemin belli bir durumdaki serbest enerjisini direkt olarak ölçebilmek mümkün değildir. Bu nedenle Gibbs serbest enerjisini de diğer durum fonksiyonları gibi, değerindeki değişimler üzerinden (ΔG) değerlendirilir:

ΔG= ΔH + ΔTS

Sistemin iş yapmada kullandığı enerjisi serbest enerji (free energy) olarak da anılır. Bir sistemin entropisi arttıkça, serbest bırakabileceği enerji miktarı azalır.

Daha Fazla Benzer Teknik Makaleler İncelemek İçin enerjiportali.com/teknik-terimler Bağlantısını Ziyaret Edebilirsiniz.

Kaynaklar:

1)Yunus A. Çengel ve Michael A. Boles, “Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik”
2)http://yunus.hacettepe.edu.tr/~serdar

/Web_Termo_ilkeleri_ders%20notu.pdf
4) http://blog.aku.edu.tr/ceyhunyilmaz

/files/2018/10/Termodinamik-I-Yard%C4%B1mc%C4%B1-Ders-Notlar%C4%B1.pdf

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.