Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Genel Enerji Çözümlemesi PDF

9/25/2014 Bölüm 2 ENERJİ DÖNÜŞÜMLERİ VE GENEL ENERJİ ÇÖZÜMLEMESİ 1 Doç.Dr. Birgül Prof. Dr.Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Amaçlar...

9/25/2014 Bölüm 2 ENERJİ DÖNÜŞÜMLERİ VE GENEL ENERJİ ÇÖZÜMLEMESİ 1 Doç.Dr. Birgül Prof. Dr.Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Amaçlar Enerji kavramının ve değişik biçimlerinin tanımlanması İç enerjinin tanımlanması Isı kavramının ve ısı yoluyla enerji geçişinin tanımlanması Üç farklı ısı geçişinin gerçekleşme yolunun tanımlanması: ‹letim, taşınım ve ışınım İş kavramının ve elektrik işi ile beraber mekanik iş biçimlerinin tanımlanması Termodinamiğin birinci yasası, enerji dengeleri ve bir sisteme veya bir sistemden enerji geçişinin gerçekleşme yollarının tanımlanması Kontrol yüzeyinden ısı ve iş biçimindeki enerji geçişine ek olarak, kontrol hacminde kontrol yüzeyini geçen akışkanın taşıdığı enerjinin belirlenmesi Enerji dönüşüm verimlerinin tanımlanması. Çevrede enerji dönüşümünün anlamının ele alınması. 2 Yrd.Doç.Dr. Prof.Birgül Dr.Benli Doç.Dr. Birgül Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 1  9/25/2014 GİRİŞ İçindeki hava ve buzdolabı ile tüm oda sistem olarak ele alınırsa; sistem sınırlarını geçerek odaya giren elektrik enerjisi etkileşimi vardır. Odanın her yeri kapalı ve iyi yalıtılmış olduğundan adyabatik kapalı sistemdir. Enerjinin korunum ilkesine göre odada artış gösteren enerji, buzdolabı tarafından kullanılan ve kolayca bir elektrik sayacı tarafından ölçülebilecek olan elektrik enerjisine eşittir. Buzdolabı veya motoru bu enerjiyi depolamaz. Bunun için bu enerji odadaki havaya verilmiş olmalıdır ve kendini odadaki sıcaklık artışı ile gösterir. İyice kapatılmış ve yalıtımı İyice yapılmış kapatılmış ve bir odada yalıtılmış bir çalıştırılan bir fan odada kapısı odadaki açık bir havanın buzdolabının sıcaklığını çalıştırılması arttıracaktır. 3 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi ENERJİNİN BİÇİMLERİ Enerji ısıl, mekanik, kinetik, potansiyel, elektrik, manyetik, kimyasal, nükleer gibi değişik biçimler alabilir. Bunların tümünün toplamı, sistemin toplam enerjisini (E) oluşturur. Termodinamik sadece, mühendislik açısından önem taşıyan bir husus olan toplam enerjideki değişimlerle ilgilenir. Enerjinin makroskobik formu: sistemin tümünün bir dış referans noktasına göre sahip olduğu enerjidir, kinetik ve potansiyel enerji gibi Enerjinin mikroskobik formu : sistemin moleküler yapısı ve moleküler hareketliliğiyle ilgilidir ve dış referans noktalarından bağımsızdır. İç enerji, U: Mikroskopik enerjilerin tümünün toplamı Kinetik enerji, KE: Sistemini, bir referans noktasına göre hareketinden dolayı sahip olduğu enerjiye denir. Potansiyel enerji, PE: Sistemin bir yerçekimi alanındaki yüksekliğine bağlı olarak sahip olduğu enerjiye denir. Bir cismin makroskopik enerjisi hız ve yükseklikle değişir. 4 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 2  9/25/2014 Kinetik enerji Kinetik enerji birim kütle için Kütlesel debi Potansiyel enerji Potansiyel enerji Birim zamandaki enerji birim kütle için Sistemin toplam enerjisi Birim kütle için sistemin toplam enerjisi Birim kütle başına toplam enerji (özgül enerji) 5 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi İç Enerji Hakkında Bazı Fiziksel Gözlemler Duyulur enerji: Sistemin iç enerjisinin, moleküllerin kinetik enerjisiyle ilişkili olan bölümüne denir. Gizli enerji: Sistemin, fazıyla ilgili bu iç enerjisine denir. Kimyasal enerji: Bir molekülün atomları arasındaki kuvvetlerle ilgili iç enerjiye denir. Nükleer enerji: Atom çekirdeği içindeki parçacıklar arasında Bir sistemin iç enerjisi, var olan bağlarla ilişkili çok mikroskobik enerjilerin büyük miktarlardaki iç enerjiden bütün formlarının de söz etmek toplamıdır. gerekir Duyulur iç enerjiyi oluşturan moleküler Isı = Duyulur + Gizli enerji biçimleri. İç Enerji = Duyulur + Gizli + Kimyasal + Nükleer 6 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 3  9/25/2014 Sistemin toplam enerjisini oluşturan ve yukarıda açıklanan enerji biçimleri, sistem içinde bulunduğu veya depolandığı için enerjinin statik biçimi diye nitelenebilir. Sistem içinde depolanmayan enerji ise enerjinin dinamik biçimi veya enerji etkileşimi diye adlandırılabilir. Enerjinin dinamik biçimleri sistem sınırlarım geçerken algılanır ve hal değişimi sırasında sistem tarafından Makroskopik kinetik enerji, enerjinin kazanılan veya kaybedilen enerjiyi organize bir biçimidir ve moleküllerin gösterir. sahip olduğu dağınık biçimdeki Kapalı sistemle ilişkili enerji mikroskopik kinetik enerjilerden daha etkileşimleri sadece ısı geçişi ve iş faydalıdır. olabilir. İş ve Isı transferi arasındaki fark: Enerji etkileşimi eğer sıcaklık farkından dolayı oluşıyorsa Isı transferi, yoksa iş’tir. 7 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Nükleer Enerji En çok bilinen fisyon reaksiyonu, nükleer güç santrallerinde (2000 yılında,dünya genelinde bulunan 433 santralle 349000 MW elektrik üretimi gerçekleştirilmiştir) elektrik üretmek, denizaltıları çalıştırmak, hava taşımacılığında, nükleer silah üretiminde ve hatta uzay araçlarında yaygın olarak kullanılan uranyum atomunun (U–235 izotop) diğer elementlere bölünmesidir. İki küçük çekirdeğin füzyon ile daha büyük bir tanesi için birleşmesi sırasında nükleer enerji ortaya çıkar. Kontrolsüz füzyon reaksiyonu ilk olarak 1950 yılının başlarında gerçekleştirilmiştir. Ancak o zamandan beri güçlü lazerler, etkili manyetik alanlar ve elektrik akımları uranyum fisyonu ve hidrojen füzyonu ve ile füzyon reaksiyonlarının kontrol edilmesi açığa çıkan nükleer enerji. başarısızlıkla sonuçlanmıştır. 8 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 4  9/25/2014 9 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Prof.Birgül BirgülDr.Benli Benli Ali PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Mekanik Enerji Mekanik enerji: İdeal türbin gibi mekanik bir cihazla, doğrudan ve tamamen mekanik işe dönüşebilen enerji biçimi olarak tanımlanır. Kinetik ve potansiyel enerji: Mekanik enerjinin bilinen formlarıdır. Akış halindeki bir akışkanın mekanik enerjisi birim kütlede Akış halindeki bir akışkanın mekanik enerjisi Sıkıştırılamaz (r sabit) akışkanlarda mekanik enerji değişimi birim kütlede Sıkıştırılamaz (r sabit) akışkanlarda mekanik enerji değişimi 10 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 5  9/25/2014 11 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi ISI İLE ENERJİ GEÇİŞİ Isı: iki sistem arasında (veya sistemle çevresi arasında) sıcaklık farkından dolayı gerçekleşen enerji geçişi diye tanımlanmıştır. Sıcaklık farkı ısı geçişine neden olur. Enerji bir sistemin sınırlarından Yüksek sıcaklık farkı yüksek ısı ısı veya iş olarak geçebilir. geçişine neden olur. 12 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 6  9/25/2014 Birim kütle için ısı transferi Birim zamanda geçen ısının sabit olması durumunda Isı transfer miktarı Zamanla değişen Isı Transfer oranı Enerji sadece sistem sınırlarını geçerken ısı olarak tanımlanabilir. Adyabatik bir hal değişimi sırasında sistemle çevresi arasında ısı geçişi olmaz. 13 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Tarihsel Gelişim Kinetik teori: Molekülleri, hareket eden ve kinetik enerjisi olan küçük toplar gibi ele alır. Isı: Atomların ve moleküllerin rastgele hareketleriyle ilişkili enerjinin aktarımı diye tanımlanmıştır. Isı transfer mekanizmaları: İletim: bir maddenin, enerjisi daha fazla olan moleküllerinden yakındaki diğer moleküllere, moleküller arasındaki etkileşim sonucunda enerji geçişidir. 19. yüzyılın başlarında ısı, Taşınım: katı bir yüzeyle onun temas ettiği sıcak cisimlerden soğuk akışkan bir ortam arasında gerçekleşen ısı cisimlere akan ve kalorik geçişidir. adı verilen görünmez bir Radiation: Maddenin atom veya akışkan olarak bilinirdi. moleküllerinin elektron düzeninde olan değişmeler sonucunda yayılan elektromanyetik dalgalar veya fotonlar aracılığıyla gerçekleşen enerji aktarımıdır. 14 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 7  9/25/2014 İŞ İLE ENERJİ GEÇİŞİ İş: Sistemle çevresi arasında bir enerji alış verişidir. Hareket halinde bir piston, dönen bir mil, sistem sınırlarını geçen bir elektrik kablosu, sistemle çevre arasında bir iş etkileşiminin olduğunu gösterir. İşaret kuralı: Sisteme olan ısı geçişi ve sistem tarafından yapılan iş pozitif, sistemden olan ısı geçişi ve sisteme gereken iş negatiftir. Diğer bir yol yönleri göstermek için g ve ç indislerini kullanmaktır birim kütle için yapılan iş Güç, birim zamanda yapılan iş Isı ve iş yönlerinin belirtilmesi. 15 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Isı ve iş Her ikisi de sistemin sınırlarını geçerken anlam kazanır. Başka bir deyişle, ısı ve iş sınır olgularıdır. Sistemlerin enerjileri vardır, fakat ısı ve işleri yoktur. Her ikisi de bir hal ile değil, bir hal değişimi ile ilişkilidir Özelikler bir hal için belirlenir, oysa bir haldeki ısı ve işten söz etmenin hiçbir anlamı yoktur. Her ikisi de yola bağımlı fonksiyonlardır. (Başka Özellikler nokta fonksiyonlarıdır, bir deyişle, değerleri sadece ilk ve son hale değil, fakat ısı ve iş yola bağlı aynı zamanda hal değişiminin nasıl fonksiyonlardır (büyüklükleri hal gerçekleştiğine Özelikler, nokta bağlıdır. fonksiyonlarıdır ve (d) ile değişiminin izlediği yola bağlıdır). gösterilen tam diferansiyelleri vardır. dW nin integrali W2 W1 (ikinci haldeki iş eksi ilk haldeki iş) olamaz, 16 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 8  9/25/2014 ÖRNEK İyice yalıtılmış bîr odada bir mum yanmaktadır. Sistem olarak hava ve mumdan oluşan odayı gözönüne alarak, (a) yanma sırasında ısı geçişi olup olmadığını, (b) sistemin iç enerjisinde bir değişiklik olup olmadığını belirleyin. Çözüm (a) Şekilde kesik çizgilerle gösterildiği gibi odanın iç yüzeyleri sistem sınırını oluşturmaktadır. Isı geçişi, sistem sınırları gözönüne alınarak tanımlanır. Burada oda iyice yalıtılmıştır, başka bir deyişle adyabatik bir sistem söz konusudur. Bu nedenle sistem sınırlarından ısı geçişi yoktur ve hal değişimi için Q=0'dır. (b) iç enerjinin duyulur, gizli, kimyasal ve nükleer enerji gibi değişik biçimlerde olabileceği birinci bölümde açıklanmıştı. Burada belirtilen hal değişiminde kimyasal enerjinin bir bölümü duyulur ısıya dönüşmektedir. Başka bir deyişle, iç enerjinin bir bölümü bir biçimden bir başka biçime dönüşmektedir. Sistemin toplam iç enerjisinde bir artış veya azalma olmadığı için bu hal değişimi sırasında U = 0 olur. 17 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi ÖRNEK Başlangıçta sıcaklığı 25 °C olan bir patates, 200 °C sıcaklıkta bir fırında pişirilmektedir. Pişirme işlemi sırasında ısı geçişi olur mu? Çözüm Bu problem açık bir şekilde sorulmamıştır, çünkü sistem belirsizdir. Patatesin sistem olarak seçildiği düşünülsün. Bu durumda patatesin kabuğu sistem sınırı olacaktır. Fırın içindeki enerjinin bir bölümü kabuktan patatese geçecektir. Enerji geçişi sıcaklık farkından kaynaklandığı için, ısı geçişi söz konusudur. 18 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 9  9/25/2014 ÖRNEK iyi yalıtılmış bir elektrik fırını direnç teliyle ısıtılmaktadır. Direnç teli de içinde olmak üzere fırının tamamı sistem olarak seçilirse, burada isi veya iş etkileşiminden hangisi söz konusu olur? Çözüm Bu problemde fırının iç yüzeyleri, görüldüğü gibi sistem sınırını oluşturmaktadır. Fırının enerjisinin ısıtma işlemi sırasında arttığı sıcaklık artışından açıkça görülmektedir. Fakat fırının enerjisindeki bu artış fırınla çevre hava arasındaki bir sıcaklık farkından kaynaklanmamaktadır. Bu artış eksi yük taşıyan elektron adlı parçacıkların sistem sınırını geçmesinden ve böylece iş yapmasından ileri gelmektedir. Bu nedenle söz konusu olan, iş etkileşimidir. 19 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi ÖRNEK Şekildeki soruyu sistem olarak sadece fırının içindeki havayı alarak cevaplayın. Çözüm Bu kez direnç teli, şekilde görüldüğü gibi sistem sınırının dışında kalmaktadır. Bu nedenle sistem sınırını elektronların geçmesi söz konusu değildir. Burada direnç telinin içinde dönüştürülen enerji, direnç teliyle çevresindeki hava arasındaki sıcaklık farkından dolayı havaya geçecektir. Bu nedenle ısı geçişi söz konusudur. Her iki durumda da havaya geçen enerji aynıdır. Bu iki örnek, enerji etkileşiminin seçilen sistem sınırına bağlı olarak, isi veya iş olabileceğini göstermektedir. 20 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 10  9/25/2014 Elektrik İşi Elektrik işi Elektrik gücü bu bakımdan t zaman aralığında yapılan elektrik işi Elektrik gücünün, direnç R, akım I ve V ve I sabit kalıyorsa, bu potansiyel farkı V ile gösterilmesi. bağıntı 21 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi İŞİN MEKANİK BİÇİMLERİ Sistemle çevresi arasında bir iş etkileşiminin olabilmesi için iki koşulun sağlanması gerekir: Sınırda etkiyen bir kuvvet olmalıdır Sınır hareket etmelidir. İş = Kuvvet  Yol Eğer kuvvet sabit değilse Hareket olmazsa iş Yapılan iş, uygulanan kuvvete (F) ve yapılmaz. kuvvetin etkilediği uzunluğa (s) bağlıdır. 22 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 11  9/25/2014 Mil İşi Moment kolu r‘ ye uygulanan F kuvveti, T burulma momentini oluşturur Bu kuvvet s uzunluğu boyunca uygulanmaktadır Mil İşi Mille iletilen güç, birim zamanda yapılan mil işidir Döner mille enerji aktarımına Mil işi, uygulanan burulma momenti ve uygulamalarda sıkça rastlanır. milin devir sayısı ile orantılıdır. 23 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi ÖRNEK 3-12 Bir arabanın krank miline uygulanan burulma momenti 200 Nm ise ve mil dakikada 4000 devir hızla dönüyorsa, krank milinin ilettiği gücü hesaplayın. Çözüm Milin ilettiği güç: Arabanın krank milinden iletilen gücün büyüklüğü yukarıda hesaplanmıştır. Mil İşinin işareti ise seçilen sisteme bağlı olacaktır. 24 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 12  9/25/2014 Yay İşi Bir yaya kuvvet uygulandığı zaman uzunluğunun değiştiği bilinen bir olgudur. Bir F kuvveti uygulandığı zaman yay dx diferansiyel büyüklüğü kadar uzarsa, yapılan iş x1 and x2: yayın başlangıç ve Doğrusal olarak esneyen yaylar için, yer sondaki yerdeğiştirmeleridir. değişimi x, uygulanan kuvvet F ile doğru orantılıdır k: yay katayısı (kN/m) Yayın, bir kuvvet etkisi altında uzaması. Doğrusal bir yayın uzaması, kuvvet iki kat arttırılırsa, iki kat olur. 25 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Esnek Katı Çubuklar Üzerinde Yapılan İş Sıvı Tabakalarının Gerilmesi ile İlgili İş Katı çubuklarda Sıvı bir kuvvetin filminin etkisi altında hareketli yay gibi bir telle davranırlar. gerilmesi. 26 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 13  9/25/2014 Bir Cismi Yükseltmek ve Hızlandırmak için Yapılan İş 1. Bir cisim yerçekimi alanında yükseltildiği zaman, potansiyel enerjisi artmaktadır. 2. Bir cisim hızlandırıldığı zaman kinetik enerjisi artmaktadır. Mekanik Olmayan İş Elektrik İşi: Genelleştirilmiş kuvvet voltaj (elektrik potansiyeli), genelleştirilmiş yer değişiminin elektrik yükü olarak alınır. Manyetik İş: Genelleştirilmiş kuvvet olarak manyetik alan Yükseltilirken gücünün, genelleştirilmiş yerdeğişimi olarak manyetik iki bir cisme kutuplu momentin alındığı. aktarılan Elektrik Polarizasyon İşi: Genelleştirilmiş kuvvet olarak enerji cismin potansiyel elektrik alan gücünün, genelleştirilmiş yerdeğişimi olarak enerjisindeki ortam polarizasyonunun (moleküllerin iki kutuplu elektrik değişime dönme momentlerinin toplamı) alındığı. eşittir. 27 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 28 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 14  9/25/2014 29 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ YASASI Termodinamiğin birinci yasası (enerjinin korunumu ilkesi): Enerjinin değişik biçimleri arasındaki ilişkileri ve genel olarak enerji etkileşimlerini incelemek için sağlam bir temel oluşturur. Termodinamiğin birinci yasası deneysel gözlemlere dayanarak, enerjinin var veya yok edilemeyeceğini, ancak bir biçimden diğerine dönüşebileceğini vurgular. Birinci Yasa: Kapalı bir sistemin belirli iki hali arasında gerçekleşebilecek tüm adyabatik hal değişimleri sırasında yapılan net iş, sisteme veya hal değişimlerine bağlı olmaksızın aynıdır. Enerji var veya yok edilemez, sadece biçim Fırındaki patatesin enerjisindeki değiştirebilir artış, patatese geçen ısıya eşittir. 30 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 15  9/25/2014 Adyabatik bir sistem üzerinde yapılan iş (elektrik) sistemin enerji artışına eşittir. Adyabatik bir İş etkileşiminin sistem üzerinde olmaması durumunda yapılan sistemin enerji iş (mil) sistemin değişimi net ısı enerji artışına geçişine eşittir. eşittir. 31 31 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Enerjinin Korunumu Enerjin korunumu ilkesi bir hal değişimi sırasında kapalı bir sistemin toplam enerjisindeki net değişim (artma veya azalma) sisteme giren toplam enerji ile sistemden çıkan toplam enerjinin farkına eşit. Bir hal değişimi sırasında sistemin enerji değişimi, net iş ve çevreyle ısı alışverişinin toplamına eşittir. Adyabatik bir sistem üzerinde yapılan iş (sınır) sistemin enerji artışına eşittir. 32 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 16  9/25/2014 Bir Sistemdeki Enerji Değişimi , Esistem İç, kinetik ve potansiyel enerji değişimi 33 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Enerji Geçişinin Gerçekleşme Yolları, Egiren ve Eçıkan Isı geçişi İş geçişi (kJ) Kütle transferi Sabit kütle veya kapalı sistemlerde Çevrim sadece ısı için ∆E = geçişi ve iş 0, yani Q vardır = W. Kütle akışı ile birlikte ısı ve iş etkileşimleri sonucu kontrol hacminin enerji içeriğinde değişim olur. 34 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 17  9/25/2014 ÖRNEK Sabit hacimli kapalı bir kapta bulunan sıcak bir sıvı soğutulurken, bir taraftan da karıştırılmaktadır. Başlangıçta sıvının toplam iç enerjisi 800 kJ' dür. Soğutma işlemi sırasında çevreye 500 kJ ısı geçişi olmaktadır, sıvıyı karıştırmak içinse 100 kJ iş yapılmaktadır. Sıvının son haldeki toplam iç enerjisini hesaplayın. Çözüm Sistem olarak kabın içindeki sıvı seçilsin. Sistem sınırları sınırlarında kütle geçişi olmadığı için, kapalı sistem veya kontrolkütlesidir. Sistem ayrıca hareketsizdir, bu nedenle potansiyel ve kinetik enerji değişimleri sıfırdır. Eenerjinin korunum ilkesi uygulanırsa, 35 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 36 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 18  9/25/2014 37 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 38 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 19  9/25/2014 ENERJİ DÖNÜŞÜM VERİMLERİ Verim termodinamikte en çok kullanılan ifadelerden bir tanesi olup, enerji dönüşümünün veya hal değişim geçişinin nasıl iyi bir şekilde başarılacağını gösterir. Su ısıtıcısının verimi: Geleneksel ve yüksek verimli bazı elektrikli ve doğal gazlı su ısıtıcılarının verimleri Verim tanımı termodinamik ile sınırlı değildir. 39 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Yakıt ısıtma değeri: oda sıcaklığında belirtilen yakıt miktarının (genellikle birim kütle) tamamen yanması ile verilen ısı ve yanma ürünlerinin oda sıcaklığında soğutulmasıdır. Düşük ısıtma değeri(LHV): Su buhar fazında ise. Yüksek ısıtma değeri (HHV): Yanma gazlarındaki su tamamı ile yoğuştuğu zaman ısıtma değeri. Ticari binalar ve meskenlerdeki ısıtma sistemlerinin verimi yıllık yakıt kullanım verimi veya AFUE olarak ifade edilir ve ısıtılmayan alanlara olan ısı kaybı ve yakma ve soğuma kayıpları ile beraber yanma verimini tarif eder. (annual Benzinin ısıtma değerinin tanımı. fuel utilization efficiency) 40 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 20  9/25/2014 Jeneratör: Mekanik enerjiyi elektrik enerjine dönüştürür. Jeneratör verimi: Elde edilen elektrik gücünün verilen mekanik güce oranıdır. Güç santralleri için toplam verim: Elde edilen net elektrik gücünün verilen yakıt enerjisine oranıdır. Güç santrallerinde toplam verim Işıklandırma etkinliği: Lümen olarak elde edilen ışık miktarının harcanan elektriğe (W olarak) oranıdır. 15 W gücündeki kompakt şorasan lamba 60 W gücündeki akkor lamba kadar ışık verir. 41 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Verimli enerji cihazları kullanarak enerji korunur. Yakıtların yanması sonucu açığa çıkan ve atmosfere bırakılan kimyasallar azalacağı için çevre için faydalı olacaktır. Yakıtın yanması Karbondioksit (küresel iklim değişikliğine neden olmaktadır) Azot oksit ve hidrokarbon(hava kirliliğine neden Yemek pişirme cihazlarının olmaktadır) verimi cihaza verilen böylece Karbon monoksit (zehirli madde) yemeğe aktarılan enerji Kükürt dioksit (asit yağmurlarına neden olmaktadır) oranını göstermektedir. 42 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 21  9/25/2014 43 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Mekanik ve Elektrikli Cihazların Verimleri Mekanik verim Verilen veya alınan mekanik güç ile akışkanın mekanik enerjisi arasındaki dönüşüm işleminin mükemmellik derecesi pompa verimi veya türbin verimi olarak tanımlanır. Bir fanın mekanik verimi, fan çıkışındaki havanın kinetik enerjisinin, fana verilen mekanik güce oranıdır. 44 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 22  9/25/2014 Motor verimi Jeneratör verimi Pompa-motor verimi Türbin-jeneratör verimi Türbin-jeneratör birleşiminin toplam verimi türbin verimi ile jeneratör veriminin çarpımıdır ve elde edilen elektrik enerjisinin akışkanın mekanik enerjisine oranını gösterir. 45 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 46 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 23  9/25/2014 47 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi ENERJİ VE ÇEVRE Enerjinin bir biçimden diğer biçime dönüşmesi, çevreyi ve farklı yollarla soluduğumuz havayı etkilemektedir. Bu nedenle enerji ile ilgili çalışmalar çevreye olan etkisi incelenmeden bitirilemez. Fosil yakıtlarının yakılması boyunca açığa çıkan kimyasallar hava kirliğine, asit yağmurlarına, küresel ısınmaya ve iklim değişikliklerine neden olmaktadır Çevre kirliliğinin yüksek seviyelere ulaşması, bitki örtüsünü, vahşi yaşamı ve insan sağlığı için tehlikeli duruma gelmiştir Araç motorları hava kirliliğinin önemli nedenlerindendir. Enerji dönüşümleri genellikle çevre kirliliğini beraberinde getirmektedir. 48 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 24  9/25/2014 Ozon ve Dumanlı Sis Dumanlı sis: Dumanlı sis, genellikle yer seviyesindeki ozondan (O3)oluşur, ancak ayrıca, karbon monoksit gibi kimyasallardan, kurum gibi küçük zerrelerden, benzen, bütan ve diğer hidrokarbonlar gibi uçucu organik bileşenlerden (VOCs) oluşur. Dumanlı sis, genellikle yer seviyesindeki ozondan (O3)oluşur, ancak ayrıca, karbon monoksit gibi kimyasallardan, kurum gibi küçük zerrelerden, benzen, bütan ve diğer hidrokarbonlar gibi uçucu organik bileşenlerden (VOCs) oluşur. Ozon: Ozon gözleri ve akciğerlerde oksijen ile karbondioksitin yer değiştiği bronşları tahriş eder ve bu yumuşak süngerimsi dokuların sertleşmesine neden olur. Ayrıca soluma sıklığına, hırıltıya, aşırı yorgunluğa, baş ağrısına, mide bulantısına, astım gibi solunumla ilgili problemlere neden olur Sis içerisindeki diğer ciddi kirletici; renksiz, kokusuz ve zehirli bir gaz olan karbon monoksittir. Genellikle motorlu araçlardan bırakılırlar. Düşük seviyelerde, karbon monoksit beyine giden ve diğer organlar ve kasalardaki oksijen miktarında ve vücut reaksiyonları ile beraber reflekslerde azalmaya ve karar verme gücünde zayıflamaya neden olur. Sis ayrıca araçlar ve sanayilerden bırakılan toz ve kurum gibi küçük parçacıklarda içermektedir. Bu maddeler asit ve metal taşıdıkları için göz ve akciğerler için tahriş edicidir. Kükürt oksit ve nitrik oksidin atmosferdeki gün ışığının fazla olması ile su buharı ve diğer kimyasallarla tepkimeye girmesi ile sülfürik asit ve nitrik asit oluşur. 49 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi Asit yağmuru Hava kirliliğine sebep olan kükürt dioksit (SO2), yakıtların içinde bulunan kükürdün oksijen ile tepkimeye girmesi sonucu oluşur. Yüksek kükürt oranlı kömür yakan güç santralleri kükürt dioksitin temel edenidir. Motorlu araçlarda ayrıca SO2 emisyonları bırakmaktadır. Çünkü benzin ve dizel yakıt az miktarda kükürt içermektedir. Kükürt oksit ve nitrik oksidin atmosferdeki gün ışığının fazla olması ile su buharı ve diğer kimyasallarla tepkimeye girmesi ile sülfürik asit ve nitrik asit oluşur Oluşan asit çözülmeden bulut ve sis içersindeki su damlalarına asılı olarak kalır. Limon suyu gibi asitli olan asit yüklü bu damlalar gökyüzünden yağmur ve kar ile toprağa düşerler. Bu olay asit yağmuru olarak bilinmektedir. Kükürt oksit ve nitrik oksidin atmosferdeki gün ışığının fazla olması ile su buharı ve diğer kimyasallarla tepkimeye girmesi ile sülfürik asit ve nitrik asit oluşur. 50 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 25  9/25/2014 Sera Etkisi Küresel Isınma ve İklim Değişikliği Sera etkisi: Bunun nedeni belli bir kalınlıktaki camın ışınımın yüzde 90’ını görülebilir aralıkta geçirmesi ve pratik olarak uzun dalga boyundaki kızılötesi ışıkları geçirmez olmasıdır. Bu nedenle cam, güneş ışınımı geçişini sağlamakta ancak iç yüzeylerin kızıl ötesi ışınım emmesini engellemektedir. Bunun sonucu olarak enerjinin artması ile iç sıcaklık artmaktadır. Güneş enerjisinin soğrulması ile gün boyunca yeryüzü ısınmakta ve gece boyunca soğrulan enerjinin, kızılötesi ışınım şeklinde derin boşluklara gönderilmesinden dolayı soğuma meydana gelmektedir. Carbon dioxide (CO2), Karbon dioksit (CO2), su buharı, metan ve azot oksit gibi diğer gazların bir kısmı battaniye gibi davranırlar. Böylece yeryüzünden ısı ışınımını engelleyerek gece dünyanın ılık kalmasını sağlarlar. Bunun için temel bileşeni CO2 olan bu gazlar sera gazları olarak adlandırılırlar. CO2 kömür, yağ gibi fosilleşmiş yakıtların ve doğal Yeryüzündeki sera etkisi. gazın yakılması ile üretilir. 51 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 1995 raporu: Dünyadaki iklim bilimcileri geçen yüzyıl boyunca dünyadaki sıcaklık artışının yaklaşık 0.5˚C olduğunu belirtmişler ve 2100 yılına kadar bu artışın 2˚C civarında olacağı tahmin edilmektedir. İklimlerdeki değişikliklerle beraber fırtına ve şiddetli yağmurların, su baskınlarının ve kuraklıkların meydana gelmesi, kutuplardaki buzların erimesi ile denizlerdeki su seviyelerinin yükselmesi, sulak alanların su kaynaklarının azalması, bazı hayvan türlerinin azalması ile ekolojik sistemin değişmesi, salgın hastalıkların artması, insan sağlığını tehdit etmesi ve bazı bölgelerdeki sosyoekonomik koşulların değişmesi gibi korkutucu etkileri örnek olarak verilebilir. Bu nedenle yenilenebilir enerji kaynaklarının dünyanın daha yaşanır bir yer olması için dünya genelinde kullanımı teşvik edilmelidir. Ortalama bir araç her yıl kendi ağırlığının üzerende miktar CO2 üretmektedir (yılda 12000 Rüzgar gibi yenilenebilir enerji sera gazları mil yol giden araç, 600 galan benzin yakmakta ve ve kirletici madde bırakmadığından “yeşil her galon için 20 lbm CO2 üretmektedir). enerji” olarak adlandırılır. 52 Yrd.Doç.Dr. Doç.Dr. Birgül Birgül Prof. Ali Benli Benli Dr. PINARBAŞI Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi 26