ısıvesıcaklık2

+21

No comments posted yet

Comments

Slide 1

1 BÖLÜM 11 TERMODİNAMİK KANUNLARI Termodinamik enerjinin bilimi olarak tanımlanabilir. Kelime olarak Latince therme (ısı) ve dynamis (güç) sözcüklerinden türemiştir ve eski zamanlardan beri süregelen ısıyı işe dönüştürme çabalarının uygun bir tanımlaması olmaktadır.

Slide 2

2 Termodinamiğin uygulama alanları arasında güç (elektrik) üretimi, soğutma, maddenin özellikleri arasındaki ilişkiler ve benzerleri sayılabilir.

Slide 3

3 SICAKLIK Sıcaklık atomların sahip olduğu kinetik enerjierinin bir ifadesidir. Yavaş hareket eden atomlar düşük sıcaklığa sahiptirler. Hızlı hareket eden atomlar yüksek sıcaklığa sahiptirler.

Slide 4

4 BASINÇ Basınç birim alana uygulanan kuvvettir.

Slide 5

5 YOĞUNLUK Birim hacimdeki kütle miktarıdır. Düşük yoğunluk Yüksek yoğunluk

Slide 6

6 MADDENİN HALLERİ

Slide 7

7 BASINÇ, SICAKLIK ve HAL İLİŞKİSİ

Slide 8

8 GAZ KANUNLARI Boyle kanunu, mükemmel bir gazın sıcaklık ve mol sayısı n sabit kalmak suretiyle, mutlak basıncı P ve hacmi V birbirlerine ters orantılı olduğunu ifade eder.

Slide 9

9 Charles kanunu, basınç P ve mol sayısı n sabit kalmak şartıyla, hacim V ve mutlak sıcaklık T birbirleriyle doğru orantılı olduğunu açıklar.

Slide 10

10 Gay-Lussac kanunu, hacim ve mol sayıları sabit tutulmak şartıyla mutlak basınç ve mutlak sıcaklığın doğru orantılı olduğunu ifade eder.

Slide 11

11 Mol orantı kanunu, basınç ve sıcaklık sabit olmak şartıyla, hacim V ve mol sayısı n birbirleriyle doğru orantılı olduğunu açıklar.

Slide 12

12 Yukarıda belirtilen dört kanun tek bir gaz kanunu olarak ifadelendirilebilir: Burada R evrensel gaz sabitidir.

Slide 13

13 ISI sıcaklık farkından dolayı gerçekleşen bir enerji akışıdır. Sıcaklık ve ısı birbirlerine karıştırılmamalıdır. İkisi farklı şeylerdir.

Slide 14

14 ISI GEÇİŞİ ÜÇ YOLLA GERÇEKLEŞİR: İLETİM (CONDUCTION) TAŞINIM (CONVECTION) IŞINIM (RADIATION)

Slide 15

15 İLETİM, bir maddenin enerjisi daha fazla olan moleküllerinden yakındaki diğer moleküllere, moleküller arasındaki etkileşim sonucundaki enerji geçişidir. İletim katı, sıvı veya gaz ortamlarda gerçekleşebilir. Qiletim = ısı geçişine dik alan ısı iletim katsayısı Sıcaklık gradyanı

Slide 16

16

Slide 17

17 TAŞINIM, katı bir yüzeyle onun temas ettiği akışkan bir ortam arasında gerçekleşen ısı geçişidir. İletimin ve akışkan hareketinin ortak sonucu olarak gerçekleşir. Qtaşınım=hA(Ts-Tf) Isı taşınım katsayısı Isı geçişinin olduğu yüzey alan Yüzey sıcaklığı Akışkanın yüzeyden uzak sıcaklığı

Slide 18

18 IŞINIM, maddenin atom veya moleküllerinin elektron düzeninde olan değişmeler sonucunda yayılan elektromanyetik dalgalar aracılığıyla gerçekleşen enerji aktarımıdır. İletim ve taşınımdan farklı olarak, ışınımla ısı geçişi cisimler arasında boşluk olması durumunda da vardır.

Slide 19

19 Büyük çevre Küçük cisim Qtaşınım

Slide 20

20 İŞ için itici kuvvetler

Slide 21

21 MEKANİK İŞ

Slide 22

22

Slide 23

23 HİDROLİK İŞ

Slide 24

24 ENERJİ BİÇİMLERİ Enerji değişikliklere yol açan bir etken olarak tanımlanabilir. Enerji; ısıl, mekanik, kinetik, potansiyel, elektirik, manyetik, kimyasal, nükleer gibi değişik biçimler alabilir; bunların tümünün toplamı, sistemin toplam enerjisini (E) oluşturur.

Slide 25

25 ENERJİ iş yapma yeteneğidir. İş ise enerjinin bir çeşitidir. Enerji eşdeğerlilikleri: 1 kg kömür 42.000.000 J 1 kg uranyum 82.000.000.000.000 J 1 kg uranyum = 2.000.000 kg kömür

Slide 26

26 Termodinamik çözümlemede, sistemin toplam enerjisini oluşturan değişik enerji biçimlerini makroskopik ve mikroskopik olarak iki gurupta ele almak yararlı olur.

Slide 27

27 Makroskopik enerji, sistemin tümünün bir dış referans noktasına göre sahip olduğu enerjidir, kinetik ve potansiyel enerji gibi. Mikroskopik enerji ise, sistemin molekül yapısı ve molekül hareketliliğiyle ilgilidir ve dış referans noktalarından bağımsızdır.

Slide 28

28 Manyetik, elektrik ve yüzey gerilmesiyle ilişkili enerjiler sadece bazı özel durumlarda önem kazanır. Bu enerjilerin etkisiz olması durumunda, sistemin toplam enerjisi kinetik, potansiyel ve iç enerjilerden oluşur ve, şeklindedir.

Slide 29

29 ISI KAPASİTESİ Isı kapasitesi C birim kütle başına ısı miktarının (Q) sıcaklık değişimi T’ye bölümü olarak adlandırılır. şeklindedir.

Slide 30

30

Slide 31

31 Sabit hacimde tutulan bir malzemeye (katı, sıvı veya gaz) ısı verilmektedir. Bu durumda ısı kapasitesi Cv adını alır. Verilen ısı malzemenin iç enerjisinin, U artmasına neden olur. Bu durumda denklem;

Slide 32

32

Slide 33

33 Sabit basınçta tutulan bir malzemeye (katı, sıvı veya gaz) ısı verilsin. Bu durumda ölçülen ısıl kapasite Cp olarak adlandırılır. Verilen ısı malzemenin iç enerjisinin artmasının yanısıra ağırlığın kaldırılmasını da sağlar. Dolayısıyla PV işi de yapılmış olur. Bu durumda:

Slide 34

34 Termodinamiğin Sıfırıncı Kanunu İki ayrı cismin bir üçüncü cisimle ısıl dengede olması durumunda, kendi aralarında da ısıl dengede olacaklarını belirtir.

Slide 35

35 Termodinamiğin Birinci Kanunu Termodinamiğin birinci kanunu veya diğer adıyla enerjinin korunumu ilkesi enerjinin değişik biçimleri arasındaki ilişkileri ve ve genel olarak enerji etkileşimlerini incelemek için sağlam bir temel oluşturur.

Slide 36

36 Termodinamiğin birinci yasası deneysel gözlemlere dayanarak, enerjinin var veya yok edilemeyeceğini, ancak bir biçimden diğerine dönüşebileceğini vurgular.

Slide 37

37 Kapalı sistem olarak tanımlanan, belirli sınırlar içinde bulunan sabit bir kütle için termodinamiğin birinci yasası veya enerjinin korunumu ilkesi aşağıdaki gibi ifadelendirilebilir: Q, sistem sınırlarından net ısı geçişini; W, değişik biçimleri kapsayan net işi; E, sistemdeki toplam enerji değişimini ifade eder.

Slide 38

38 Kontrol hacmi (kütle akışı olan sistem) için enerjinin korunumu ilkesi aşağıdaki gibi yazılabilir: Eg = Kontrol hacmine giren kütlenin toplam enerjisi Eç = Kontrol hacminden çıkan kütlenin toplam enerjisi EKH = Kontrol hacminin net enerji değişimi

Slide 39

39 Sürekli akışlı açık sistem için (türbin, lüle, yayıcı, kompresör, vb.) termodinamiğin birinci yasası: Q – W = m (h + ke + pe )

Slide 40

40 Termodinamiğin İkinci Kanunu Bir hal değişiminin gerçekleşip gerçekleşmeyeceği ikinci kanunla belirlenir. Termodinamiğin ikinci yasasının kullanımı sadece hal değişimleri yönünü belirlemekle sınırlı değildir. İkinci yasa enerjinin niceliği yanında niteliğini de ön plana çıkarır.

Slide 41

41 Termodinamiğin ikinci yasasının Kelvin-Planck İfadesi: Termodiamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan bir makinenin sadece bir kaynaktan ısı alıp, net iş üretmesi olanaksızdır.

Slide 42

42 Termodinamiğin ikinci yasasının Clausius İfadesi: Termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan bir makinenin, başka hiçbir enerji etkileşiminde bulunmadan, düşük sıcaklıktaki bir cisimden ısı alıp yüksek sıcaklıktaki bir cisme ısı vermesi olanaksızdır.

Slide 43

43 İş kolaylıkla diğer enerji biçimlerine dönüştürlebilir fakat diğer enerji biçimlerini işe dönüştürmek o kadar kolay değildir. İş daima % 100 verimle ısıya dönüştürülebilir. Joule bunu gerçekleştirdiği ünlü deneyi ile göstermiştir

Slide 44

44

Slide 45

45 Isıl enerjinin işe dönüşmesi ısı makineleri aracılığıyla gerçekleşir: 1. Yüksek sıcaklıktaki bir ısıl enerji deposundan ısıl enerji alırlar. Güneş enerjisi, kazan, nükleer reaktör örnek olarak verilebilir. 2. Alınan ısıl enerjinin bir bölümünü genellikle döner mil işine dönüştürürler. 3. Alınan ısıl enerjinin geri kalan bölümünü akarsu, çevre hava gibi düşük sıcaklıktaki bir ısıl enerji deposuna verirler. 4. Isı makinelerinde gerçekleşen hal değişimleri bir çevrim oluşturur.

Slide 46

46

Slide 47

47 ISI MAKİNESİ Isı makinesi tanımına en çok uyan makine, dıştan yanmalı bir motor olan buharlı güç santralidir. Bu makine dıştan yanmalı olarak adlandırılır, çünkü yanma işlemi makinenin dışında olur ve yakıtın ısıl enerjiye dönüşen kimyasal enerjisi aracı akışkan olan suya ısı olarak geçer.

Slide 48

48

Slide 49

49 Isıl verim veya, th = Wnet,çıkan / Qgiren Isıl verim; th = 1 - Qçıkan / Qgiren şeklinde de yazılabilir.

Slide 50

50 Tersinir hal değişimi, bir yönde gerçekleştikten sonra, çevre üzerinde hiçbir iz bırakmadan ters yönde de gerçekleşebilen hal değişimi diye tanımlanır. Tersinir olmayan hal değişimi ise tersinmez hal değişimi diye adlandırılır.

Slide 51

51 Bir hal değişiminin tersinmez olmasına neden olan etkenlere tersinmezlik adı verilir. Sürtünme, Isı geçişi, Dengesiz genleşme, Elektrik direnci, Kimyasal reaksiyonlar, bu etkenlerdendir.

Slide 52

52 Tersinir çevrimlere gerçek uygulamalarda rastlanmaz, çünkü gerçek hal değişimlerinde tersinmezlikler yokedilemez. Fakat tersinir bir çevrimin verimi, gerçek çevrimin ulaşabileceği en yüksek verimi belirler. En çok bilinen tersinir çevrim CARNOT ÇEVRİMİ’dir

Slide 53

53 CARNOT çevrimine göre çalışan kuramsal ısı makinesi ise CARNOT ISI MAKİNESİ diye adlandırılır. CARNOT İLKELERİ Aynı ısıl enerji depoları arasında çalışan tersinmez bir ısı makinesiyle tersinir bir ısı makinesi karşılaştırıldığı zaman, tersinmez ısı makinesinin verimi her zaman tersinir ısı makinesinin veriminden daha az olur. Aynı ısıl enerji depoları arasında çalışan tüm tersinir ısı makinelerinin verimleri eşittir.

Slide 54

54 Tersinir veya tersinmez bir ısı makinesinin ısıl verimi aşağıdaki gibidir: Tersinir makineler için ısı geçişlerinin oranı mutlak sıcaklıkların oranı ile değiştirilebilir.

Slide 55

55 Bu bağıntıya Carnot verimi adı verilir. Bu TH ve TL sıcaklıklarındaki ısıl enerji depoları arasında çalışan bir ısı makinesinin sahip olabileceği en yüksek verimdir.

Slide 56

56 < th,tersinir tersinmez ısı makinesi th = th,tersinir tersinir ısı makinesi > th,tersinir olanaksız Günümüzde kullanılan iş yapan makinelerin (ısı makinelerinin) büyük çoğunluğunun ısıl verimi % 40’ın altındadır.

Slide 57

57 Örnek: Carnot ısı makinesi 652˚C sıcaklıktaki bir ısıl enerji deposundan 500 kJ enerji almakta ve 30˚C sıcaklıktaki bir ısıl enerji deposuna ısı vermektedir. a) Carnot makinesinin ısıl verimini, b) düşük sıcaklıktaki ısıl enerji deposuna verilen ısıyı hesaplayın. a) Carnot ısı makinesi aldığı ısıl enerjinin % 67.2’sini işe dönüştürmektedir.

Slide 58

58 b) QL = 163.8 kJ Böylece Carnot ısı makinesi her çevrimde aldığı 500 kJ enerjinin 163.8 kJ’luk bölümünü düşük sıcaklıktaki ısıl enerji deposuna vermektedir.

Slide 59

59 Örnek: Bir ısı makinesine kazandan 80 MW ısı geçişi olmaktadır. Isı makinesinin yakındaki bir akarsuya atık olarak verdiği ısı ise 50 MW’tır. Isı makinesinin net gücünü ve ısıl verimini hesaplayın.

Slide 60

60 Isı makinesi aldığı ısının % 37.5’ini işe dönüştürmektedir.

Slide 61

61 SOĞUTMA MAKİNESİ Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek sıcaklıktaki bir ortama ısı geçişi ancak soğutma makinelerinin yardımıyla gerçekleşir. Soğutma makineleri de ısı makineleri gibi bir çevrimi esas alarak çalışır.

Slide 62

62 Soğutucu akışkan kompresöre buhar olarak girer ve burada yoğuşturucu basıncına sıkıştırılır. Kompresör çıkışında kızgın buhar halinde olan akışkan, yoğuşturucudan çevre ortama ısı vererek soğur ve yoğuşur. Akışkan yoğuşturucudan sonra kılcal borulara girer ve kısılma etkisiyle basıncı ve sıcaklığı büyük ölçüde azalır. Soğutucu akışkan daha sonra buharlaştırıcıda soğutulan ortamdan ısı alarak buharlaşır. Çevrim akışkanın kompresöre girmesiyle tamamlanır.

Slide 63

63 SOĞUTULAN ORTAM ÇEVRE ORTAM

Slide 64

64 Bir soğutma makinesinin verimi etkinlik katsayısı ile ifade edilir ve COPSM gösterilir. COPSM= Wnet,giren = QH - QL

Slide 65

65 Örnek: Bir buzdolabının iç ortamından dakikada 360 kJ ısı çekilerek iç ortam 4 ˚C sıcaklıkta tutulmaktadır. Buzdolabını çalıştırmak için gerekli güç 2 kW olduğuna göre, a) buzdoabının etkinlik katsayısını, b) buzdolabından mutfağa olan ısı geçişini hesaplayın. a) b)

Slide 66

66 Termodinamiğin Üçüncü Kanunu Katı fazında bile moleküller bir nokta etrafında salınım hareketi içindedirler. Salınımlar sıcaklık düştükçe azalır ve mutlak sıfırda moleküller tümüyle hareketsiz olurlar. Bu hal en üst düzeyde bir molekül düzenini ve en alt düzeyde bir enerjiyi belirler.

Slide 67

67 Bu nedenle, sıfır mutlak sıcaklıkta saf kristal maddenin entropisi sıfırdır, çünkü moleküllerin konumunda herhangi bir belirsizlik yoktur. Bu sonuç termodinamiğin üçüncü kanunu diye bilinir.

URL: