Termodinamik ve Temelleri

TERMODİNAMİK

      

Bu yazımda termodinamik ve temellerini anlatacağım.

İnsanoğlu ilkel çağlardan beri her işini kendi kas gücüyle veya hayvanların kas gücüyle yapmıştır. Sanayi devriminin ardından makineleşme yüksek bir ivmeyle günümüze kadar sürmüştür. İlk olarak gelişen sektör, taşımacılık ve özellikle de gemicilik alanıdır. James Watt’ın buharlı motoruyla başlayan bu serüven, günümüzde yüksek teknolojiye sahip içten yanmalı motorlar olarak karşımıza çıkmaktadır.

Isıda bir enerji formudur. Bu enerjiyi bir mekanik sistemle iletebilirseniz güç elde etmiş olursunuz. Öncelikle termodinamiğin ve terimlerin tanımlarını yapmalıyız.

• Termodinamik Nedir?

Termodinamik, ısının ve bu ısıdan gücün üretimini inceleyen bilim dalıdır.

Isı, bir enerji formudur. Elektrik, kimyasal, nükleer, mekanik, fiziksel olarak açığa çıkabilir veya depolanabilir. Genellikle tersinmez davranıştadır.

Sıcaklık, maddenin tuttuğu ısıdan dolayı gözlenen bir özelliğidir. Diğer bir deyişle, moleküllerin ortalama kinetik enerjisi yani bir ısı yoğunluğudur.

Termodinamikte kabaca iki tür sistem incelenir. Bunlar açık ve kapalı sistem olarak tanımlanır.

Açık sistem, kütle ve enerji transferinin aynı anda gözlemlendiği sistemlerdir. Yani bir ısı tesisatı örnek verilebilir.

Kapalı sistem ise, kütle transferine izin verilmeyen, sadece enerjinin aktarıldığı sistemdir. Kapalı bir piston-silindir düzeneği örnek verilebilir. (Bkz : Stirling Engines)

• Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası

Traji-komik bir şekilde sıfır denmesinin sebebi, 1. yasanın yayımından sonra yasalaşmasıdır. Fiziksel yorumu ise, “Eğer iki sistem arasında ısı,enerji akışı olmuyorsa, o iki sistem termodinamiksel dengededir denir.” şeklindedir. Çok temel bir fiziki bilgidir. Nicelik veya nitelik yönünden bir açıklama getirmez.

• Termodinamiğin Birinci Yasası

Termodinamiğin yayımlanan ve yasalaşan ilk yasasıdır. Nicelik yönünden bir açıklama getirir. Fiziksel yorumu “Bir sisteme aktarılan enerji, farklı formlara dönüşebilir. Katiyen yok olmaz veya yoktan var olmaz.” şeklindedir. Matematiksel gösterimde ise,

Q-W = m(u2-u1) = m.Cv.dT veya Q-W = m(h2-h1) = m.Cp.dT olarak gösterilir.

Bu eşitlikle, Q sistem içerisine transfer edilen veya sistemden atılan ısıdır. W ise, sisteme verilen veya sistemden alınan iştir. Tüm bu enerji akışının toplamı kapalı sistemlerde iç enerji değişimine, açık sistemlerde ise entalpi değişimine eşittir,eşit olmak zorundadır. İşte bu eşitlik zorunluluğunun temeli birinci yasadır.

• Termodinamiğin İkinci Yasası

Birinci yasanın açıklamış olduğu enerji eşitliği mecburiyeti, ideal şartlarda, harcanan tüm enerjinin işe gitmesidir. Fakat gerçekte böyle bir durum söz konusu değildir. Bir sistemin harcadığı tüm enerji işe gitmemektedir. Gerçekteki entropi kavramı ve işin kalitesi yani niteliği ikinci yasa ile açıklanmaktadır. Fiziksel yorumunda, “Hiçbir ısı makinesi, tek bir kaynaktan ısı çekerek veya tek bir kaynağa ısı atarak çalışamaz. Mutlaka iki ısı deposu arasında çalışmalıdır” denmektedir.

Aslında burada, bir piston-silindir düzeneğinin sadece ısı alarak bu ısının tamamını işe dönüştüremeyeceğini anlatılmaktadır. Bu sistem mutlaka aldığı ısının bir kısmını tekrar dışarı atacak veya entropisini arttırmakta kullanacaktır. Entropi artışı ne kadar fazla olursa, işin kalitesi –niteliği- düşer. İşte ikinci yasa bunu anlatmaktadır. Matematiksel olarak iki adet gösterimi mevcuttur.

Açık sistemlerde Gibbs Serbest enerjisi bir sistemden alınabilecek maksimum enerji olarak tanımlanır ve şu şekilde gösterilir, “dG = dH – T.dS”  Bu ifadeden de anlaşılacağı gibi üretilen entropinin ilgili sıcaklıkla çarpımı, entalpiden çıkarılır –enerji kaybı- ve geriye kalan net enerjidir. Bir sistemden maksimum dG kadar enerji çekilebilir.

Kapalı sistemlerde ise, Helmholtz enerjisi o sistemden alınabilecek maksimum enerji olarak tanımlanır ve şu şekilde ifade edilir, “dA = dU – T.dS” Kapalı bir sistemin verebileceği maksimum enerji, Helmholtz kadardır.

• Termodinamiğin Üçüncü Yasası

Üçüncü yasa ise, mutlak sıfıra (0 K ) yaklaşıldığında entropinin bir sabite gittiğini belirtir. Entropinin sabite yaklaşması matematiksel “S = W . lnK” olarak ifade edilebilir. Mükemmel kristal olmayan malzemelerde, tüm hareketler sıfıra inmiş olsa dahi, kristalite olmadığından hala bir düzensizlik mevcuttur. Bu yüzden entropi bir sabite gitmektedir.

• Entropi Nedir?

Entropi, düzensizlik derecesi olarak tanımlanabilir. Termodinamiğin 2. yasası ile sistemlerin nitelik bakımından incelenmesine olanak verilmiştir. Kimyasal dengenin sağlanması için, tepkimenin reaktifler veya ürünler taraflarında -karşılıklı olarak-  mutlaka minimum enerji ve maksimum düzensizlik eğilimi olmalıdır. Eğer bu iki durumdan birisi sağlanmaz ise, sistem bu durumu sağlayana kadar bir yöne kayacaktır ve sonuçta dengeye gelecektir. Bu kurala Le’ Chatelier prensibi denir.

Entropinin tanımını yapmak gerekir ise, kafamda kurguladığım bir modeli aksettirmem gerektiğini düşünüyorum.

Farz edin ki, bir depo benzininiz var ve bunun tamamı 100 MJ enerji içermekte. Belirli bir hız ile belirli bir süre gittiğinizde bu enerjiyi kinetik enerjinize ve sürtünme işine transfer edeceksiniz. Bir süre sonra benzininiz bittiğinde ve aracınız durduğunda, ne kinetik enerjiniz vardır ne de benzininiz. Benzin, çoğunlukla oktandan oluşur. Oktan molekülünün içerisindeki kimyasal bağlarda depolanan enerji,motorun içinde açığa çıkar ve bir kısmı ısıya bir kısmıda mekanik işe dönüşür. Bu esnada oktana göre daha küçük olan karbondioksit ve su açığa çıkar. Yani hem daha kararlı olan –enerji bakımından düşük enerjiye sahip- hem de daha düzensiz olan –bir oktan molekülünden sekiz karbondioksit molekülü oluşur- karbondioksit ve su oluşur. Hem minimum enerji, hem de maksimum düzensizlik sağlanmış olur ve entropi artar. Artık elinizde ne yakıtınız vardır ne de enerjiniz. Tüm enerjiniz ısı olarak atmosfere karışmıştır. Ayrıca, moleküllerinin arasında enerji depolamış oktanda çok daha küçük moleküllere yıkılmış ve oda atmosfere karışmıştır. Kütle ve enerji korunumu gerçekleşmişken, elinizde elde edilebilir iş veya enerji kalmamıştır. İşte bu durum entropinin tanımlanmasını kolaylaştıracak bir model olabilir.

Elinizden düşen bir yumurtanın, yüksekliğinden ötürü kazanmış olduğu bir potansiyel enerjisi vardır. Bu enerjinin neredeyse tamamı yumurtanın dağılmasına aktarılır. Varsayınız ki, elinizden düşen bir yumurtanın, hemen düşmeden önce 100 J enerjisi olsun. Yumurta kırıldıktan sonrada yerde ne yumurtanın düzenli hali vardır ne de o potansiyel enerjisi vardır. Yani hem maksimum düzensizlik hem de minimum enerji şartı sağlanmış olur. Evrenin dengesi bu iki prensip üzerine kurulur. Genellikle entropinin artmasıyla tüm enerjiler ısıya dönüşür ve evrende serbest hale geçer. Siz tekrar 100 J enerji verseniz dahi o yumurta eski haline gelmeyecektir. İşte bu geri kazanılamayan enerjiye tersinmez durum denebilir.

Yine varsayınız ki, elinizde içerisinde hava bulunan mükemmel bir piston-silindir düzeneği olsun. Sürtünmelerin olmadığı ve gazında ideal olduğu kabul edilsin. Bu düzeneğe uygulanan bir kuvvetle, gaza bir iş verilir ve gaz bir enerji depolar. Kuvveti kaldırdığınızda bu enerjiyi size iş olarak tekrar verecektir. Eğer verdiğiniz işin tamamı alabiliyorsanız –ancak sistem ideal olduğunda bu olay mümkündür- bu sisteme tersinirdir denir. Carnot, keşfettiği çevriminde de adyabatik tersinir genleşme kullanmıştır. Carnot çevrimi,  ideal bir çevrimdir ve bir sistemden alınabilecek maksimum verimi tanımlar. İzo-entropik –eş entropili, entropi oluşturmadan- olarak gerçekleştirilen sistemlerde kayıp olmayacağından verim maksimumdur.

• Kapalı Sistem Analizi

Kapalı sistemlerde, sistemin iç enerji değişimi üzerinden hesap yapılır. Herhangi bir sınır veya akış işi yapılmadığında iç enerji önemlidir. “U” ile sembolize edilir. Termodinamiğin birinci kanununda “ Q-W = m (u2-u1) “ şeklinde tanımlanır. Bu tip bir çözümlemede sistem, mükemmel sistem olarak düşünülür. Verilen işin veya ısının tamamının iç enerji değişimine gittiği veya iç enerji değişiminin tamamının iş olarak alındığı düşünülür. Enerji korunumuna uygun bir enerji dönüşümü görülürken, termodinamiğin ikinci kanununca bu sistem mümkün değildir. Yani nitelik bakımından incelediğinde, gerçek sistemlerde iç enerji değişiminin tamamından iş elde edilemeyeceği çok barizdir.

Kapalı sistemlere örnek olarak, kapalı piston-silindir düzenekleri verilebilir.

• Açık Sistem Analizi

Açık sistemlerde, sistemin entalpi değişimi üzerinden hesap yapılır. İç enerji değişiminin üzerine, bir akışkan tarafından yapılan sınır işi (P.dV) de ilave edilir.  “H” ile sembolize edilir. Termodinamiğin birinci kanununda “ Q-W = m (h2-h1) “ şeklinde tanımlanır.

Kapalı sistem analizinde açıkladığım gibi,yine bu tip bir çözümlemede sistem, mükemmel sistem olarak kabul edilir. Yine enerji korunumu mevcuttur fakat nitelik bakımından olay gerçekçi olarak ele alınmamıştır. Yani çözümde entropi gerçeği göz ardı edilmiş ve alınan işten çıkarılmamıştır. Yani verim maksimum kabul edilmiştir.

            Açık sistemlere örnek olarak, akış işi olan bir tesisat veya genleşen bir balon verilebilir.

Sizleri sıkmamak için, Carnot çevrimini bir sonraki yazımda anlatacağım. Takipte kalın, kendinize iyi bakın.

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi