Termodinamik ve Termodinamik Yasaları

Enerji ve entropi bilimi olan termodinamik, sanayi devrimiyle beraber makinelerin verimini arttırma çalışmaları sonucunda ortaya çıkmıştır. Genel olarak enerji dönüşümünü ve ısının hareketini inceleyen ve birçok mühendislik dalını ilgilendiren termodinamiğin ayrıntıları yazımızda.

A- A+

15.10.2014 tarihli yazı 242930 kez okunmuştur.

Termodinamik Isı Enerji Sanayi Motorlarda Verimlilik Makinelerde Verimlilik

Termodinamik, kelime anlamı olarak ısı (termo) ve güç (dinamik) anlamı taşımaktadır. Bir sistem içerisindeki enerjinin nasıl hareket ettiğini ve kullanılabilir enerji veya ısıya nasıl dönüştüğünü inceleyen termodinamik, tekstil makinelerinin verimini arttırma çalışmaları sonucunda ortaya çıkmıştır.

Termodinamiğin Kökeni

Endüstri devrimi zamanında mühendisler, ısı enerjisiyle iş yapan etkili ısı makineleri yapmaya çalışıyordu. İşlevsel ve verimli ısı makinelerini üretmek için genel prensiplere dayalı olarak yaptıkları temel araştırmalar fiziğin branşlarından birisi olan Termodinamiği oluşturmuştur. Termodinamik, ısı ve termal enerji üzerine yapılan çalışmalara denir. Termodinamiğin üç yasası mevcuttur ve ek olarak temel yasa olan sıfırıncı yasası vardır.

18. yy başlarında, ısının kalorik adında bir sıvı olduğu ve sıcak nesnelerden soğuk nesnelere aktığı düşünülüyordu. Yani, bir bardak çaydaki kaloriğin çevreye yayılmasıyla çay soğuyor, bardak ve sehpa ısınıyordu. Benjamin Thompson, bir topun delinmesi sırasında oluşan ısının nereden geldiğini incelerken kalorik teoremde bir kusur keşfetti. Topun delinmesi sırasında yapılan iş, bir ısı oluşmasına neden oluyordu. Yani ısı, bir iş yaparak yaratılabiliyordu. Isı ve iş arasındaki ilişkinin bu şekilde anlaşılması ve makineleşmenin başlamasıyla birlikte termodinamik kavramı ve termodinamik yasaları oluşmaya başlamıştır. Günlük kullandığımız eşyalardan, enerji üretim sistemlerine kadar çok geniş bir yelpazeyi kapsayan termodinamiğin, genel geçerliliğini halen devam ettiren 4 yasası vardır.

Tipik bir termodinamik sistem: ısı sıcak kaynatıcıdan soğuk yoğunlaştırıcıya doğru hareket eder ve bu sayede bir iş ortaya çıkar.

►Termodinamiğin 0. Yasası

Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası, temel olarak şunu söyler: Eğer A ve B cisimleri termal olarak dengedeyse (aralarında ısı alışverişi yoksa, yani sıcaklıkları eşitse) ve eğer sıcaklığını bilmediğimiz bir C maddesini, önce A'ya, sonra B'ye (veya tam tersi) değdirdiğimizde, bu 3 cisim arasında da ısı transferi olmuyorsa, C'nin sıcaklığı da A ve B ile aynıdır.

Bu yasanın adının bu şekilde olmasının sebebi, birinci ve ikinci yasadan sonra ileri sürülmesi ve yasalaştırılmasıdır. Ancak bilim literatürüne son derece yer etmiş olan 1. ve 2. yasaların sayılarını kaydırmak istemedikleri için, en başa koyarak Sıfırıncı Yasa adını vermişlerdir.

Sıcaklık kavramının ne olduğunun ifadesinde büyük ilerlemeler yaşanmasını sağlamıştır. '0. yasa' herhangi x,y,z sistemleri arasındaki termal denge ile ilgilidir. Bu yasaya göre; eğer, x ve y sistemleri dengede ise ve z sistemi x-y sistemleri ile temas ettiğinde ısı alışverişi olmuyorsa bu üç sistemin sıcaklığı eşittir.

►Termodinamiğin 1. Yasası

Isı ile iş arasındaki ilişkiyi kapsayan bu yasa, evrendeki toplam madde miktarının ve toplam enerjinin korunumunun bir ifadesidir. Termodinamiğin bulunan ilk yasası olan 1. yasa en genel şekliyle; 'Enerjinin yokken var, varken yok edilemeyeceğini ancak bir biçimden başka bir biçime dönüşebileceğini' açıklamaktadır.

1. yasa, kapalı ve açık sistemler için iki farklı şekilde incelenir. Çevresi ile ilişkisi olmayan bir sistemde (kapalı sistem), toplam enerji hep aynıdır. Çevresi ile arasında iş ve ısı alışverişi olan sistemlerde (açık sistem) enerji değişimi, sistemle çevresi arasındaki net ısı değişimine eşittir.

►İlginizi Çekebilir: Elektrik Motorları | 1.Bölüm

Aslında bu yasa bir iş yapılmadan, maddelerin ve sistemlerin kendi kendilerine ısınamayacağını belirtmekteydi. Einstein'ın özel görelelik ilkesi, bu yasayı aşarak bir iş girdisi olmadan nesnelerin ısınabileceğini göstermiştir. Yıldızların milyarlarca yıldır hiçbir iş girdisi olmadan yanmayı sürdürmesi bu konudaki en iyi örneklerdendir.

►Termodinamiğin 2. Yasası

Termodinamiğin 2. yasası, ısı ve işin birbirine dönüşebildiğini belirten 1. yasaya ek olarak bunun gerçekleşme yollarını sınamaktadır. Örneğin; bir hal değişiminin gerçekleşebilmesi için 1. yasanın sağlanması yani bir enerjinin olması gerekmektedir. Ancak bu durum tek başına hal değişimi için yeterli değildir.

2. yasa, makinelerdeki verimlilik sınırının sadece mühendisler ve tasarımcıların hatalarından değil, doğanın kanunlarından da kaynaklandığını açıklamaktadır. Eğer ısı %100'lük bir başarıyla işe çevirebilseydi, daimi hareket makinesi tasarlanabilirdi. Ancak doğanın kanunlarından dolayı sadece belirli bir miktar ısı faydalı işe dönüşebilmekte, geri kalanı ise sistem içinde kaybolmaktadır. Yani, bir motorun veya bir makinenin her devrinde bir miktar enerjinin kaybedilmesi entropide artışa neden olmaktadır. Bir makinenin verimini maksimum seviyeye çıkarabilmek için entropinin minimum seviyeye düşürülmesi gerekmetedir. Fransız mühendis Carnot'un adını alan Carnot Devresi, devre parçalarının son derece hassas ve sürtünmesiz olduğu olası en verimli motordur. Bu motorda faydasız ısı israfı olmaması olmamakte ve entropi minumum seviyededir.

►İlginizi Çekebilir: 3 Fazlı Asenkron Motorlarda Arızalar ve Verime Etkileri

Entropiyi azaltmak, kritik seviyeye kadar her zaman mümkündür. Örneğin; buzdolabında bekletilen bir su zamanla donarak buz haline gelir ve entropisi azalır. Ancak, suyun donması ile oluşan ısı nedeniyle, sistemin azalan entropisinden daha fazlasının üretilmiş olmasına neden olur.

►Termodinamiğin 3. Yasası

Bu yasa, mutlak sıfır sıcaklığına (0 Kelvin) inildiğinde tüm parçacıklarının entropilerinin bir sabite yaklaşarak eşit olacağını belirtmektedir. Entropinin bir sabite yaklaşması sırasında tüm işlemler giderek yavaşlar ve sabitte durma noktasına gelir.

Arnold Sommerfeld'in termodinamik hakkındaki bir sözüyle yazımıza son verelim; 'İlk defa öğrendiğinizde ne olduğunu bile anlamazsınız. İkinci defa üzerinden geçtiğinizde, 1-2 nokta hariç anladığınızı düşünürsünüz. Üçüncü defa baktığınızda ise anlamadığınızı bilirsiniz ama o zamana kadar konuya alıştığınız için bu sizi o kadar rahatsız etmez.'

Kaynak:

►Kim Korkar Schrödinger'in Kedisinden? Sayfa: 450-456