İş-Güç-Enerji Tanımı ve Carnot Çevrimi

İş-Güç-Enerji Tanımı ve Carnot Çevrimi

Önceki yazılarımı ardı ardına yayınladım. Fakat okulumun yoğunluğu ve kişisel işlerim nedeniyle artık yazılarımı haftalık yazacağım. Bu haftaki yazımda, iş güç enerji tanımlarını, ideal sistemler ve Carnot çevrimini anlatacağım.

            Geçen hafta yayınladığım “Termodinamik ve Temelleri” başlıklı yazımda, genel olarak termodinamiksel kavramları tanımlamış, entropi kavramını kafamızda güzelce modellemiştik. Carnot çevrimi, sistemin ideal olmasının üzerine kurulmuştur. Bu yüzden öncelikle ideal sistemi iyi tanımlamalı, modelini kafamıza iyi yerleştirmeliyiz.

• İş-Güç-Enerji Tanımı

Enerji, İş yapabilme kabiliyeti olarak tanımlanan enerjiyi hemen hemen her ilkokulu bitirmiş kişi bilir. Enerjinin çok genel olarak kullanılan ve öğretilen bu tanımı doğru olmasına karşın, yeterli değildir. Enerji, depolanabilen, birbirine dönüşebilen, vardan yok, yoktan var edilemeyen, bir kuvvete karşı koymakta harcanabilen veya başka bir fiziksel/kimyasal yolla üretilebilen bir niceliktir. Skaler bir niceliktir.

İş, fizikteki tanımında, bir kuvvete karşı harcanan enerjidir. Örneğin, bir çantanın havaya kaldırılması yerçekimine karşı yapılmış iştir.

Güç ise, birim zamanda yapılan iştir. Günlük hayatınızda duyduğunuz, “kaç beygir senin araba?”  sorusuna verdiğiniz cevapta, motorunuzun birim zamanda yaptığı işi söylemektesiniz. Uluslar arası birim sisteminde birimi Watt’tır (W). Fakat İngiliz birim sisteminde birimi beygirdir (hp). İngilizler, 1 beygirlik gücü tanımlarken, 75 kilogram kütleye sahip bir cismi, 1 metre yüksekliğe 1 saniyede kaldırabilecek kapasiteyi kullanmışlardır. 1 beygir yaklaşık olarak 740 Watt’tır.

Termodinamikte yapılan iş, elektrik işi, mekanik iş, kimyasal iş (yanma) vb olabilir.

Fakat çevrimlerde bizi en çok ilgilendireni sınır işidir. Sınır işi ne demektir?

Sınır işi, bir akışkanın (gaz veya sıvı) sabit basınç altında hacmini arttırması durumudur. Yani izobarik genleşmedir.

Örneğin, şişirdiğiniz bir balonun içerisine fazladan hava basmaktasınız. İlk durumda, balonun iç basıncı ile atmosfer basıncı eşittir. Yani atmosfer ile balon mekanik dengededir. Fakat siz içerisine üflediğinizde balonun basıncını bir anlık arttırmış olursunuz.. Gibbs serbest enerjisi ve entropisi genleşmesini gerektireceğinden, balon küçük hacimde, yüksek basınçta kalmak yerine düşük basınç büyük hacme geçmeyi isteyecektir. Yani, P.dV çarpımı kadar verdiğiniz işin bir kısmını genleşmeye bir kısmınıda entropisine transfer edecektir.

Sözün özeti, termodinamikteki en önemli iş tipi, sınır işidir. Carnot çevrimide dahil olmak üzere, her çevrim ve sistemde sınır işi çok büyük önem arz etmektedir.

• İdeal Sistem

İdeal sistem, termodinamik tanımıyla, izentropik demektir. İzentropik ise, entropi yaratılmadan, yani düzensizlik oluşturulmadan enerjinin tamamının işe aktarılması demektir. Sürtünmelerin ve ısı kayıplarının bulunmadığı bir sistem, ideal olarak tanımlanabilir. Yani, Tersinir ve Adyabatik olarak gerçekleşen işlemler izentropiktir002E

•  Carnot Çevrimi

Carnot çevrimi, 1820’li yıllarda Sadi Carnot tarafından, ortaya konmuş ideal bir termodinamik çevrimidir. İlerleyen yıllarda, Emile Clapeyron, Carnot’un bu özel çevrimini geliştirmiştir.

Bir sistem, farklı termodinamik hallerde bulunup, sonunda tekrar ilk haline dönebiliyorsa, bu sistem bir termodinamiksel çevrim gerçekleştiriyor demektir. Bu süreçte, sistem iş yapabilir, iş alabilir, bir ısı deposuna ısı atıp, başka bir ısı deposundan ısı çekebilir. Bu şekilde çalışan bir sisteme, ısı makinesi denir.

Isı makinesinin çalışma prensibi, temel bir termodinamik kanunudur. Isının sıcak ortamdan, soğuk ortama akması esnasında bir iş gerçekleştiren makinelere ısı makinesi denir. Aslıda buu tanımda, termodinamiğin ikinci yasası da sağlanmaktadır. Bir ısı makinesi çalışırken, sıcak ortamdan ısı çeker, mekanik iş verir ve sonra ısının bir kısmını soğuk ortama atar. Yani, bir ısı makinesi ikinci yasanın gerektirdiği şekilde iki ısı deposu arasında çalışır.

Bu şekilde çalışan bir ısı makinesi, tersinirde çalışabilir. Fakat tersinir çalışması demek, soğuk bir ortamdan çekilen ısının sıcak ortama atılması demektir ki bu olay istemli değildir. Çünkü, ısı sıcaktan soğuğa akarken istemlidir. Tersi mümkündür fakat bu işlemin gerçekleşmesi için sisteme iş verilmesi gereklidir. Yani, ısı makinemiz sıcak ortamdan ısı çekip, soğuk ortama atarken, mekanik iş verir. Tam tersi olan durumda ise, soğuk ortamdan ısı çekip, sıcak ortama ısı atabilmesi için, sisteme bizim iş vermemiş gereklidir.

            Carnot çevrimi, termodinamiksel çevrimlerin atası niteliğindedir. Çünkü, “Carnot verimi” olarak bilinen, birazdan açıklayacağımız bir tanımı ortaya koymuştur. Carnot çevrimi, ideal bir sistemi modellemektedir. Yani bir sistemden alınabilecek maksimum verimi tanımlar ve izentropik bir çevrimdir.

• Carnot Çevriminin Basamakları

Carnot çevrimini, bir piston-silindir düzeneği olarak modelleyeceğim.

Çevrim, çevreden ısı çekerek başlar. Tersinir ve İzotermal olarak genleşen bir gaz, sınır işi yaptığından enerji kaybedecektir. Bu esnada sıcaklığı bir miktar düşecektir. Fakat sistem izotermal genleşme yaptığından, sıcaklığı düştüğü anda, çevreden sisteme ısı geçişi olacaktır. Bu evre tamamlandığında sistem hiç enerji kaybetmemiş, aksine kazanmış olacaktır. Çünkü sınır işine harcadığı enerjiyi, çevreden çekmiştir. Çekilen bu ısı, sistemde pistonu üst ölü noktaya itecektir. Yani, piston çevreden çektiği ısı ile sınır işi yapmıştır.

İkinci adımda ise, piston genleşmeye devam eder. Fakat bu evrede sistem adyabatiktir yani yalıtımlıdır. Piston, bu evrede yaptığı sınır işini, kendi iç enerjisinden harcayarak gerçekleştirecektir. Bu sebeple, ikinci evrenin sonunda gaz soğumuş olur.

Üçüncü adımda da, çevresinden daha soğuk hale gelmiş piston-silindir düzeneği, tersinir izotermal şekilde sıkıştırılır. Yani bu kez bizim sisteme verdiğimiz iş, gazı ısıtacaktır. Fakat gaz ısınmayacak, çevresine ısı atacaktır. Çünkü bu sıkıştırma işlemi izotermaldir (eşısılı).

Dördüncü adımda ise, sistem izole edilmiştir ve pistona iş verilmeye devam eder. Verdiğimiz işin gazın içerisinde enerji depolamasından dolayı, gaz ısınacaktır ve ısısını dışarı atamayacaktır. Çünkü sistem yalıtımlıdır.

Bu dört işlem ardı ardına tekrarlanırsa, bir çevrim oluştururlar ve her evrede bir iş verirler. Çevrimin P-V diyagramı aşağıdadır. P.dV çarpımı yapılan işi verdiğinden, 4 hal arasında kalan alan yapılan işi vermektedir.

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi