Termodinamik Kanunlar

Termodinamik, ısı enerjisi ve değişimi bilimidir. Güç üniteleri termodinamiği ısı enerjisi ve bunun mekanik veya elektrik işe dönüşümünü kapsar.

Termodinamiğin 0. Kanunu:

Bir ısı deposu (A), farklı iki ısı deposuyla (B ve C) ayrı ayrı termal dengede ise, B ve C de birbiriyle termal dengededir.

TA = TB                           TA = TC ise        TB = TC dir.

Sıfırıncı Yasa, sıcaklık kavramına ve sıcaklık ölçüm aracı olan bir termometrenin kullanımına açıklık getirir. Termodinamik sıcaklık skalasında sıcaklıklar T ile gösterilir ve Kelvin (K) cinsinden verilir:  

Termodinamiğin Birinci Kanunu:

Termodinamiğin birinci kanunu, mekanik enerjinin korunması ilkesinin genişletilmiş bir halidir. Enerjinin bir sistemden diğerine transfer edilmesi iş ve ısı oluşmasıyla sağlanır. İki sistem arasında ısıl temas sonucu bir sıcaklık farkı oluşuyorsa, enerji bir sistemden diğerine ısı şeklinde aktarılmıştır. Açık sistemler arasında da sistemden sisteme madde taşınmasıyla ısı transferi yapılabilir. Ancak “bir sistemin ısısı” veya “işi” yerine “bir sistemin enerjisi”nden bahsedilir.

dU = dq + dw               ∆U = q + w

Eşitlik, bir sistemin iç enerji değişikliğini tanımlar; iç enerji bir hal fonksiyonudur. dU, ∆U = sistemin iç enerji değişimi, dq, q = sistem içinde ısı transferi, dw, w = sistem üzerinde yapılan iş (İş = kuvvet x yol).

Termodinamiğin İkinci Kanunu:

Termodinamiğin İkinci Kanunu, birbiri ile eşdeğer olan çeşitli şekillerde tanımlanır.

Kelvin İlkesi: Bir rezervuarı ısısını absorblayarak tümüyle işe dönüştürebilen bir proses olanaksızdır.

Clausius İlkesi: “Bir çevrimde çalışan” bir makine daha soğuk bir kısımdan daha sıcak bir kısma ısı taşımanın dışında bir şey yapamaz. Entropi, (S ≡ dqtersinir/T) bir hal fonksiyonudur.

Termodinamiğin Üçüncü Kanunu:

“Mutlak sıfır sıcaklığında saf ve hatasız kristallerin mutlak entropileri sıfırdır”,

T ⎯→ 0             S (saf ve hatasız kristaller) = 0

Termodinamiğin Üçüncü Kanununun yeterli tanımı, ilk defa 1923 yılında G.N.Lewis ve M.Randall tarafından yapılmıştır: “Her elementin kristal haldeki entropisinin mutlak sıfır sıcaklığında sıfır kabul edilmesi halinde, her maddenin sonlu sayıda pozitif bir entropisi bulunur; fakat mutlak sıfır noktasında, entropi de sıfır olacağından, maddeler mükemmel kristal haldedirler”.

Güç Çevrimi:

Güç çevrimi bir grup işlemden oluşur ve kapalı bir devredir; amaç, ısı enerjisinin mekanik veya elektrik enerjisine dönüştürülmesidir.Örneğin, basit buhar çevrimi:

  • suyun kazana pompalanması,
  • suyun buharlaştırılması ve oluşan buharın aşırı ısıtılması (kızgın buhar),
  • kızgın buharın bir türbin veya motorda genişletilmesi,
  • çıkan (eksoz) buharın yoğunlaştırılması,işlemlerini kapsar. Kondensat, besleme pompasına gider ve çevrim tekrarlanır.

Enerji dengesi:

(qgiriş – qçıkış) – (Wtürbin – Wpompa) = 0

Çevrim Verimi:

Bir türbin veya motorda üretilen işin, kazandaki buhara verilen ısıya oranıdır.

Wnet

η = ⎯⎯⎯

qgiren

Buhar:

Gazlar gibi davrandıkları halde bulundukları sıcaklıkta basınçla sıvılaştırılabilen akışkanlardır.

Sıvısı ile dengede olan buhara “doygun buhar”, doygun buhar ile aynı basınçta fakat daha yüksek sıcaklıktaki buhara ”kızgın buhar”, doygun buhar ile doygun sıvı eğrileri arasındaki heterojen karışıma “ıslak buhar” adı verilir.

Buhar Hızı:

Buhar hızı, trotılda (basınç azaltıcı) saatte 1 hp veya 1 kW güç elde edebilmek için gerekli buhar miktarıdır.

1 kW = 3413 Btu/h

3413 Btu/lb

Teorik buhar hızı, lb/kW.sa = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

Wtürbin Btu/lb x 1 kW.sa/lb

1 kW = 3600 kJ/kg

3600 kJ/kg

Teorik buhar hızı, kg/kW.sa = ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

Wtürbin kJ/kg x 1 kW.sa/kg

Enerji: Enerji, iş yapabilme kapasitesidir; çeşitli şekillerde bulunabilir ve bir tipten diğer bir şekle dönüşebilir. Örneğin, yakıt kimyasal enerjiye sahiptir; yandığı zaman ısı açığa çıkar ve ısı enerjisine dönüşür. Bu enerjinin bir kısmı, Termodinamik Kanunlara uygun olarak mekanik işe dönüşebilir. İzole bir sistemde toplam enerji sabittir. SI sistemde enerji birimi joule (J) ile verilir.

Isı: Sistem ile ortam arasındaki sıcaklık farkından doğan enerji akışıdır; veya, sıcaklık farkıyla bir maddeden diğerine taşınabilen bir enerji şeklidir. Bir maddeye ısı verildiğinde maddenin ya sıcaklığı yükselir veya fiziksel hali değişir; suyun buharlaşması gibi. Adyabatik izole bir sistem, başlangıçtaki A halinden basınç uygulandığında B haline geçtiğinde, sistemde yapılan adyabatik iş wad dır. Bu durumda Birinci Kanuna göre, “A halinden B haline geçen bir sistemde yapılan iş, sadece ilk ve son hallere bağlıdır ve bir hal fonksiyonu olan iç enerjideki (U) artışa eşittir”.

∆U = UB – UA = wad

Sistemin yine A halinde olduğunu, fakat “diatermik” bir duvarla çevrildiğini varsayalım. Böyle bir duvar ayrı sistemlerin ısıl dengeye gelmesine olanak verir. Bu durumdaki sistem A halinden, sonsuz sayıdaki yollardan birini izleyerek B haline geçer (adyabatik olmayan yollar). Sistemde yapılan iş w dir. wad– w farkı, A dan B ye geçişte sisteme transfer edilen ısıdır.

q = wad – w ,  veya  q = ∆U – w

Buna göre bir işlemde transfer edilen q ısısı, sistemde A dan B ye giderken yapılan adyabatik iş ile nonadyabatik bir iş arasındaki farka eşittir.

İş: Bir madde üzerine kuvvet uygulandığında iş yapılır ve madde kuvvet yönünde hareket eder. Termodinamik bir sistem yoluyla iş yapıldığında, sistem genellikle bir gazdır, sabit basınçta gazın yaptığı iş,

W = P x ∆V

Basınç sabit olmadığında genel iş eşitliği, aşağıdaki şekildedir.

 

V2

W =  ∫ P ∆V

V1

Sistem tarafından yapılan iş termodinamiğin birinci yasası gereği, sistemin iç enerjisini düşürür,

Enerji, ısı, iş birimleri,

1 J (Joule) = 1 Nm = 2.778 x 10-7 kW.sa = 2.389 x 10-4 kcal

1 Btu = 1055.06 J = 2.931×10-4 kW.sa = 0.252 kcal

1 kcal = 4186.8 J = 1.163 x 10-3 kW.sa = 3.088 ft.lbf = 3.9683 Btu

(Q veya Q = sisteme veya sistemden ısı akış hızı, enerji/zaman;

W veya W = sisteme verilen veya sistemden alınan mekanik güç, enerji/zaman)

Sıcaklık:

Sıcaklık: Sistem ile ortam arasında ısı akışının yönünü belirleyen hal değişkenidir; ısının ölçüm tanımlamasını yapan bir birimdir, enerji değildir. Bir başka deyişle sıcaklık ortamdaki ortalama moleküler hareketin bir ölçüsüdür. Isı ve sıcaklık birbirine bağlı olarak değişen kavramlardır. Yani ısısı fazla olan bir cismin sıcaklığı fazla, ısısı az olan bir cismin sıcaklığı azdır. Isı enerji olması sebebi ile bir büyüklüktür. Sıcaklık ısı değildir, ama sistemdeki moleküllerin her türden kinetik enerjileri toplamının bir fonksiyonudur.

Sıcaklık skalaları, sıcaklık tayininde uygun referanslar olarak kabul edilen keyfi termometrik kalibrasyonlardır. 1 atmosfer basınç altında suyun donma ve kaynama noktasına dayanan iki termometrik skala vardır; Celcius (C) veya santigrat skalası ve Fahrenheit (F) skalası. Ayrıca tüm moleküler hareketlerin teorik olarak durduğu mutlak sıfır Kelvin (K) ve Rankine (R) skalaları vardır; bunlardır. (R = °F + 459.69).

1 0C = 1.8 0F                                         1 0F = 0.555 0C C ve  F skalalarıyla ilişkil

T (0R) = (9/5) T (K)                                 T (0F) = [T (0C)] (9/5) + 32

T (0F) = [T (K) – 273.15] (9/5) + 32           T (oC) = 5/9 [T (0F) – 32]

Basınç (p):

Basınç, birim alana uygulanan kuvvet olarak tanımlanır. Basınç, gösterge (gage) basıncı (g, gage) veya mutlak (a, absolute) basınç terimleriyle kullanılır. Sıradan bir basınç göstergesi atmosfer basıncının üstündeki basınçları ölçer. Mutlak basınç değerini bulmak için gösterge basıncına, barometreyle ölçülen atmosfer basıncı ilave edilir. Atmosfer basıncı çoğunlukla inç civa cinsinden ölçüldüğünden, bu değer, hangi sistem (SI veya US) kullanılıyorsa gerekli dönüşüm faktörü ile çarpılarak gösterge basıncına ilave edilir. Örneğin, bir buhar kazanının basıncı 250 psig ve barometrik basınç 28.5 in civa ise, buharın mutlak basıncı, p = 250 + (28.5 x 0.491) = 264 psia olur. Standart (SI) basınç birimi Paskal (N/m2) dır.

1 atm = 101.325 kN/m2 = 101.325 kPa = 14.7 psia

1 Pa = 10-5 bar = 9.869×10-6 atm = 1.45×10-4 psi

1 psi = 6894.8 Pa

1 in civa = 3376.8 N/m2= 0.49 lb/in2

Standart Sıcaklık ve Basınç (STP):

STP, İdeal gazların işlemlerinde ve özelliklerinin tanımlanmasında kullanılan standart referans noktalardır. Standart sıcaklık suyun donma noktası, standart basınç 1 atmosferdir.

Standart sıcaklık: 0 0C = 273.15 K

Standart basınç = 1 atmosfer = 760 mm Hg = 101.3 kPa

Güç:

Güç, iş yapma hızı, veya enerji kullanma hızı olarak tanımlanır; örneğin, 1 saniyede 100 J iş yapıldığında (100 J enerji kullanıldığında) elde edilen güç 100 watt tır.

1 W = 1 kg m2/s3 = 1 Nm/s = 1 J/s                     1 kW = 3413 Btu/h

1 metric beygir gücü= 736 W = 75 kg m/s          1 ft lb/s = 1.3558 W

1 Btu/s = 1055.1 W                                           1 W = 3.6 kJ/sa

3600 kJ/sa = kW                                               3 600 000 kJ/sa = MW

Spesifik (Öz) Isı Kapasitesi:

Bir maddenin öz ısısı, birim kütlenin sıcaklığını 1 0C (veya 1 0F) yükseltmek için gerekli olan ısı miktarıdır.

Q = c x m x ∆T

Spesifik ısı kapasitesi birimleri,

1 kJ/(kg K) = 0.2389 kcal/(kg 0C) = 0.2389 Btu/(lbm 0F)

1 Btu/(lbm 0F) = 4,186.8 J/ (kg K) = 1 kcal/(kg 0C)

1 kcal/(kg 0C) = 4,186.8 J/ (kg K) = 1 Btu/(lbm 0F)

Spesifik Hacim (v):

Bir maddenin spesifik hacmi (v), birim kütlenin kapladığı hacimdir. Birimleri,

1 m3/kg = 16.02 ft3/lbm = 27680 in3/lbm = 1000 L/kg

1 L/kg = 0.016 ft3/lbm = 27.7 in3/lbm = 0.001 m3/kg

İç Enerji (U):

İç enerji, sabit hacim altında yürüyen olaylardaki ısı alış verişlerini gösteren bir fonksiyondur. Sistemin sahip olduğu toplam enerji “iç enerji” olarak adlandırılır ve U ile gösterilir.

U = U0 + Utitreşim + Udönme + Uötelenme + Uelektron + Uçekirdek u0 = mc2 sistemin kütlesine karşılık gelen durgun enerjiyi göstermektedir.

∆U = UB – UA = q + w

İç enerji birimleri, enerji birimleriyle aynıdır.

Entalpi (H):

Entalpi, sabit basınç altında yürüyen olaylardaki ısı alış verişlerini gösteren bir fonksiyondur.

Buharlaşma entalpisi, sıvı moleküllerini birbirinden ayırmak, yani moleküller arasındaki çekim kuvvetlerini yenmek ve bunların sabit basınçtaki ortama doğru genleşmesi sırasında yapılan iş için harcanan enerjidir.

h = U + pV

Entalpideki artış, P ∆V işinden başka bir iş yapılmadığı durumda, sabit basınçta absorblanan ısıya eşittir.

∆H  = H2 – H1 = qp

Entalpi birimleri,

1 Btu/lbm = 778.2 ft lbf / lbm

1 Btu/lbm = 5.56 10-4 kcal/g = 2.326 kJ/kg

1 kcal/kg = 1.80 Btu/lbm = 4,187 J/kg

Entropi:

Entropi çeşitli şekillerde tanımlanabilen bir hal değişkenidir; örneğin, işe dönüştürülmesi olanaksız olan enerjinin bir ölçüsüdür; bir sistemin düzensizlik derecesinin bir ölçüsüdür; bir sistemin çeşitliliğinin bir ölçüsüdür.

Entropi önemli, fakat anlaşılması zor bir miktardır. Basit bir şekilde “kullanılmayan veya atılan enerjinin bir ölçüsüdür” denilebilir.Bir motor veya türbinde buharın genişlemesi sırasında entropi değişikliği olmuyorsa, enerji atılmıyor demektir. Entropi artarsa, enerjinin bir kısmı kaybolur ve faydalı işe dönüşemez. Bu nedenle sabit entropide yapılan genişleme en verimli olanıdır ve buna “sabitentropi”prosesi denir.

Entropi birimleri,

1 Btu/lbm = 2,326.1 J/kg = 778.2 ft lbf / lbm

1 Btu/lbm = 5.56 10-4 kcal/g = 2.326 kJ/kg

1 kcal/kg = 1.80 Btu/lbm = 4,187 J/kg

Kaynak : Bayar Üniversitesi

 

CEVAP VER

Lütfen yorumunuzu girin!
Lütfen isminizi giriniz

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.