Malzeme Bilimine Giriş

Eveeet, sonunda uzmanlık alanıma geldik. Termodinamiğe olan özel ilgim ve araştırmalarımla edindiğim bilgilerimle yazmış olduğum yazılarım sizler tarafından oldukça ilgi gördü. Öncelikle ilginiz için teşekkür ediyorum. Fakat bir Malzeme Mühendisi olarak, “Malzemelerin Mekanik Özellikleri” isimli yazı dizim uzmanlık alanıma girmektedir. Bu yüzden bu diziyi termodinamik dizisinden daha fazla irdeleyecek, örnekler gösterecek ve daha detaylı anlatacağım.

Her ne kadar diğer mühendislik dallarınca hak ettiği saygıyı ve yeri bulamasada, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği çok önemli bir mühendislik dalıdır. İstediğiniz kadar kuramsal çevrimler, mekanizmalar ortaya koyun, o projelerin başarısı malzemenizin kalitesiyle sınırlıdır. Zaten bu yüzden Boğaz Köprüsünü Japonlara yaptırmak zorunda kaldık. Dünyaca ünlü dev firmaların malzeme geliştirme bölümleri harıl harıl çalışmasaydı, bugün hala ’60 model araçlarla aynı kalitedeki araçlara biniyor olurduk. Kısacası malzemesiz mühendislik olmaz diyebilirim. Peki, bu malzemeler nasıl gruplanır, özellikleri nasıl belirlenir ve nasıl karakterize edilirler? İşte tüm bu soruların cevaplarını her bir yazımda vereceğim. Bu haftaki yazımda, “Malzeme Biliminin” temellerine değineceğim.

Malzeme, etrafınızda gördüğünüz her şeydir. Bilgisayarınızın dış kaplaması, içerisindeki silikon çipleri, televizyonunuzun ekranı, arabanızın tüm parçaları vb.. daha bir çok örnek verilebilir. Fakat tüm bu malzemeler belirli gruplara ayrılarak incelenmesi kolaylaştırılmıştır. “Malzemeler hangi gruplara ayrılırlar ?” sorusuna, çoğu ilkokul öğrencisinin bile kısa süre düşünüp cevap verebilir. Bu sorunun cevabı kabaca, metaller, plastikler ve seramiklerdir. Fakat malzeme bilimi disiplinler arası bir bilim dalı olduğundan, akademik olarak bir cevap verilmesi gerekirse, “metaller, seramikler, polimerler, yarıiletkenler ve nano malzemeler” denebilir.

Metaller, insanlığın ilk çağlarından beri uğraştığı, şekil verdiği, kullandığı malzeme grubudur. Maden halde bulunurlar. İşlenilmeleri gerekir. Isıyla muamele edildiğinde şekil verilebilirlikleri artar. Eski çağlardaki metal malzemeler, topraktan üretilen –seramikler- malzemelere göre çok daha dayanıklılardı. Silahlar, avcı takımları, kap kacaklar hep metallerden üretilmiştir. Bunun sebebi, metaller geleneksel seramiklere göre hem daha sertlerdir hem de daha süneklerdir. Geleneksel seramiklerin çok rahat kırılıp, tuzla buz oldukları düşük seviyedeki düşme, çarpışma, burulma gibi etkiler altında kırılmaz, ya esner ya da çok az şekil değiştirirler.. Ayrıca, şekil bozunumuna uğradıklarında eski haline getirmek için birazcık ısıtmak yeterli oluyordu. Bu yüzden ilkel insan topluluklarınca tercih edildiler.

Ne zaman ki ilkel insan toplulukları yerleşik hayata geçip, tarım ve hayvancılık ile uğraşmaya başladılar, toplu yemek pişirmek, aletleri geliştirmek zorunda kaldılar. Metaller yemek pişirmek için uygun olsada, yemeklere kontamine –bulaşmak-  oluyorlardı. Ayrıca, silahları eritip dökmek içinde kaplar gerekiyordu. Yani sıcaklık karşısında kolay bozunmayacak, şekil değiştirmeyecek malzeme gerekliydi. İnsanlar, toprak ve kili farklı metal oksitler ile karıştırıp su ilave ettikleri yeni malzemelerini fırınlarda pişirince, bu yeni malzeme grubunun ısıya ve yüksek sıcaklığa oldukça dayanıklı olduğunu gördüler. İşte bu malzemeler, toprak temellidir ve bunlara seramik denir. İlk insanların ürettiği seramikler tabi ki, geleneksel, oldukça basit imal edilebilen ilkel seramiklerdi. Fakat, alüminyum, demir, bakır, pirinç gibi metal ve alaşımlarının eritilmesi için gereken sıcaklığa dayanabiliyorlardı. Büyük ve harlı yanan ateşlerde pişirecekleri büyük ölçüdeki yemeklerini de bu kaplara koyup pişirebiliyorlardı. Üstelik yemeklerde lezzetini kaybetmiyordu. Yine bu seramik kaplara içeceklerini koyabiliyordı. Su, süt gibi içeceklere kontamine olmuyordu. İşte tüm bu sebeplerde dolayı, geleneksel seramikler bugünlere kadar bize çok hizmet ettiler ve ilerleyen zamanlarda da edecekler.

1930’lu yıllara kadar insanlar iki malzeme grubuyla hayatlarını idame ettirdiler. Konserve dışında uzun ömürlü hazır yiyecek bulunduramıyorlardı. Çünkü ya metaller kontamine oluyordu ya da seramikler kırılıyordu. Ayrıca yiyecekleri izole ettikleri kapların maliyeti yüksekti. ’30 lu yıllarda polimer endüstrisini ortaya çıkmasıyla, poşetler, ambalajlar, jelâtin filmler bulundu ve hazır gıdacılık adında bir sektörde buna müteakip ortaya çıktı. Polimerler, metal ve seramiklere göre zayıflardı. Fakat hava ve su bariyeri olmaları, yiyeceklere kontamine olmamaları, seri imalat proses edilebilirlikleri yüksek olduğundan ve diğer malzemelere göre çok ucuz olduklarından endüstride hızlı bir şekilde genişçe bir yer tuttular.

Gelişen polimer endüstrisiyle, günümüzde hemen hemen heryerde polimerlere rastlıyoruz. Örneğin, kullandığımız araçların kütlece %30 u plastik ve kauçuk parçalardan oluşuyor. Plastik ve kauçuklar polimerdir. Bir insan ortalama olarak, yılda 2~4 kilogram çelik kullanırken, 15 kilogramdan fazla polimer kullanmaktadır. Şöyle bir etrafınıza bakmanızı rica ediyorum. Polimerlerin hayatımızda ne kadar fazla yer tuttuğunu görüyorsunuz değil mi?

’60 yıllarda transistör yerine ısınması beklenen ampulle üretilen radyolar hiç kullanışlı değillerdi. Silikon ve germanyumun yarı iletken olduğu anlaşılınca, uygulamada kullanmalarıyla ilk çipler, işlemciler ve transistörler üretildi. Böylece devasa radyolar, bir kalem pil büyüklüğüne indi, televizyonlar HD oldu, bilgisayarların verimleri ve sayısal işlem hacimleri neredeyse milyar kat arttı. Silikon ve germanyum hayatımızı öyle değiştirdi ki, Madde bilimciler bu tip malzemeleri ayrı bir grupta inceleme gereksinimi duydular ve bu grubun adınıda “yarı iletkenler” olarak belirlediler.

2000 li yıllara geldiğimizde, milenyum hastalığı hortlamıştı. Kanser! Gerek fast food’a karşı terk ettiğimiz ev yemeklerimizden dolayı, gerekse de GDO’lu, hormonlu yiyeceklerden dolayı kanser vakaları arttı. Bilim insanları kanser hücrelerinin farklı protein şifresine sahip olduğunu fark ettiklerinde, akıllarına ilk gelen şey, nano düzeyde üretilecek partiküllerin, kanserli hücrelerin yaydığı farklı şifreye sahip proteinlere saldırabileceğini ve sadece kanserli hücreyi öldürebileceği idi. Bu çözüm çok mantıklıydı ve uygulamada hastanın sağlıklı hücrelerini de tahrip etmiyordu. Bu buluşla birlikte madde bilimciler yine işe koyuldu ve üzerine kanserli hücreyi teşhis edecek protein reseptörlerini çaktıkları yapay nano elmas partiküllerini sentezlediler. Tabi ki, nano teknolojinin öncesi var. Fakat benim asrın buluşu olarak değerlendirdiğim buluş bu nano elmaslardır. Nano elmasın örneği aşağıdadır.

Bu yazımda, ana malzeme gruplarını tanıttım. Sizleri sıkmamak adına, “kristal yapıları” bir sonraki yazıma bırakıyorum. Takipte kalınız..

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi

Diesel Çevrimi, Uygulamaları ve Geliştirilmesi

Diesel Çevrimi, Uygulamaları ve Geliştirilmesi

Geçmiş yazımın birinde dizel motorların çalışma prensiplerini kısaca anlatmıştım. Geçen haftaki yazımda da Otto çevrimini detaylıca geçmiştik. Bu yazımda ise Diesel motorların çalışma prensiplerini kavrayabilmek adına Diesel çevrimini etraflıca inceleyeceğiz.

Alman makine mühendisi Rudolf Diesel 1892 yılında ilk atmosferik sıkıştırma ateşlemeli motorunu çalışır hale getirdi. Diesel’in amacı, kav parçaları ve kömür tozlarını kendiliğinden tutuşacağı bir sıcaklığa kadar sıkıştırmaktı. Bu buluşla birlikte ülkesi, zengin kömür yatakları sayesinde petrol endüstrisine ve dışa bağımlı olmayacaktı. Fakat yanma sonucu oluşan külün motor dışına atılması sorun yarattığından, Diesel prototipinde fındık yağı kullanmak zorunda kaldı.

·         Dizel Motorlar

Diesel çevriminin kuramsal temellerinin anlatımına geçmeden önce sizlere bir dizel motor ile benzin motoru arasındaki farkları vermemin gerektiğini düşünüyorum. Çünkü dizel motorun çalışma prensipleri, Diesel çevriminin anlaşılmasında hayati rol oynamaktadır.

Yakıt olarak benzin gibi parlayıcı bir hidrokarbon karışımı yerine, oldukça viskoz ve zor parlayan, düşük kaliteli fakat benzinden daha yüksek enerji ihtiva eden yakıt olan motorin kullanılır.

Otto Çevriminin uygulaması olan benzin motorlarının aksine dizel motorlarda buji, karbüratör bulunmaz. Çünkü ateşleme kıvılcım çaktırılarak değil, bir akışkanın sıkıştırılmasıyla gerçekleşir. Diğer bir deyişle dizel motorlar sıkıştırma ateşlemelidir. Atmosferden çekilen taze hava, piston tarafından motorinin tutuşma sıcaklığının üzerine sıkıştırılır. Bu kızmış hava üzerine, enjektörlerden yüksek basınçla motorin püskürtülür. Motorinin tutuşma sıcaklığı çoktan geçildiğinden, yanma başlar. Bu yüzden dizel motorlar sıkıştırma ateşlemeli motorlardır. Sıkıştırma ateşlemeli bir motorda bujiye ve yakıt-hava karışımını ayarlayan karbüratöre ihtiyaç yoktur. Verimin ve üretilen gücün arttırılması için kompresör –turbo besleme- kullanılabilir. Ayrıca, motora giren havayı kısıtlayacak bir mekanizma olmadığından (benzin motorlarında gaz kelebeği olarak bilinen parça) yakıtta kısıtlanmazsa, motor devri sürekli artacaktır. Motor devrinin kontrol dışında artması, aşırı ısınmaya, aşınmalara ve verim düşüşüne sebep olur. Bu yüzden, dizel motorlarda, silindir içerisine püskürtülecek yakıtı sürekli kontrol eden bir elektronik işlemci (ECU) vardır.

Dizel motorlar, benzin motorlarına göre daha düşük ısıl verime sahiptir. Bunun sebebi, kesme oranı olarak tanımlanan bir sayının, verim eşitliğindeki bir terimi sürekli “1”den büyük yapmasıdır. Otto veriminin altında bir ısıl verime sahiptir. Fakat ürettiği güç fazladır. Çünkü sıkıştırma oranı yüksektir (1:12 ~ 1:24) ve termodinamiğin en önemli iş formu olan sınır işide bu yüzden yükselir. Ayrıca, düşük devirlerde çalışmaları, yakıtı daha iyi yakabilmelerine olanak sağlar. Tüm bu kazançlar göz önünde bulundurulduğunda ve hesap edildiğinde, bir dizel motorun veriminin %35 ~ %40 civarında olduğu görülür. Bu sayı, benzin motorlarının verimlerinden yüksektir.

Dizel motorlar, kamyonlar, çekiciler, vinçler, tanklar, denizaltılar vb. gibi düşük devir ve yüksek tork gerektiren mühendislik uygulamalarında kullanılırlar.

Bir dizel motorun, piston-silindir düzeneği aşağıdaki teknik gösterimdeki gibidir.

·         Kuramsal Diesel Çevrimi

Unutmadan hatırlatmak isterim ki, Otto ve Diesel çevrimleri tümden tersinir değillerdir. Bu yüzden Carnot Çevriminin veriminden düşük verime sahiptirler.

Diesel çevriminde de, Otto çevrimine benzer bir termodinamiksel çevrim gerçekleştirilir. Otto çevriminden tek farkı, sisteme ısı geçişinin Otto’daki gibi sabit hacimde –izokorik- değil, sabit basınçta –izobarik- olmasıdır. Geri kalan tüm basamaklar aynıdır.

İlk adımda (4-1), aracı akışkan -uygulamada hava- izentropik olarak motorinin parlama sıcaklığı üzerine sıkıştırılır. Bu esnada, piston üst ölü noktaya dayanır.

İkinci hal değişiminde (1-2), piston üst ölü noktaya yaklaşırken, yakıt enjektörleri motorini yüksek bir basınçla silindir içerisine püskürtürler. Motorinin tutuşma sıcaklığı üzerine sıkıştırılan havadan ötürü, motorin bu kızmış havayla etkileştiği anda parlar. Tutuşma uniform olarak başlamaz ve piston henüz üst ölü noktaya tam oturmamıştır. Piston, tutuşmanın patlamaya dönüşmesiyle, alt ölü noktaya doğru olan salınımına başlamıştır. Tüm bu olayların sabit basınçta gerçekleştiği kabul edilir ve izobarik ısı geçişi olarak adlandırılır.

Üçüncü hal değişiminde (2-3), piston üzerindeki sıcak gazların izobarik ısı geçişinden dolayı genişlemesiyle oluşan güçle alt ölü noktaya kadar salınır. Bu esnada iş elde edilir. Bu hal değişimide izentropik genişleme olarak kabul edilir.

Dördüncü hal değişiminde (3-4) ise, termodinamiğin ikinci kanununun gerektirdiği ısı atımı gerçekleşir. Açılan egzost manifoldundan yanmış gazlar dışarı atılır. Bu hal değişimi esnasında, silindir içerisindeki basınç, atmosfer basıncının biraz üzerinde olduğundan işlem kendiliğinden gerçekleşir ve izokorik kabul edilir.

Aşağıda da Diesel Çevriminin grafikleri vardır.

  

·         Diesel Motorların Geliştirilmesi

Yukarıdaki dizel motorlar bölümünde alt paragraflarda anlattığım üzere, dizel motorların yakıt kısıtlaması olmazsa kontrolsüz devir alması gibi bir problem söz konusudur. Bu sorun mühendislerce ECU ile çözülmüştür.

Ayrıca soğuk havalarda motorinin, jelleşmesiyle ve içerisinde parafin billurlarının oluşmasıyla viskozitesi artar. Artan viskozite, enjektörlerin yakıtı yeterince atomize edemeyeceği anlamına gelmektedir. Bu sorun çözülmezse, motorun zaten düşük olan ısıl verimi daha da düşer. Mühendisler bu sorunu, kızdırma bujileri ve yakıt – enjektör hattını ısıtan rezistanslar ile çözmüşlerdir.

Volkswagen ve Audi’nin başı çektiği, turbo beslemeli dizel teknolojisindeki en önemli nokta motor içerisine giren havadır. Kimyasal olarak bakılacak olursa, motor içerisine çekilen fazladan hava, daha iyi yanma demektir. Dizel motorlarda bu görevi kompresör –turbo besleme- yapar. Motorun egzost manifolduna yerleştirilen bir türbin, hala enerji ihtiva eden sıcak egzost gazlarının basıncıyla döner. Buradan elde ettiği gücü bir mil ile bağlı olduğu motorun hava girişinde bulunan kompresöre –turboşarj- iletir. Kompresör, egzost çıkışındaki türbinden aldığı iş ile emilen havayı sıkıştırır ve motora fazla hava girmesini sağlar. Fakat kompresör tarafından sıkıştırılan hava ısınacaktır. Isınmış havanın yoğunluğu düşer. Amaç motor içerisine fazladan hava çekmek ise, yoğunluğu düşmüş hava işimizi görmeyecektir. Bu yüzden, sıkıştırılan hava bir arasoğutucudan –intercooler- geçirilir. Arasoğutucu aslında bir ısı değiştiricidir ve sıkıştırılan ısınmış havayı soğutur. Böylece tekrar yoğunluğu arttırılmış olur ve silindir içerisine bu şekilde gönderilir. Bu teknolojinin ilk uygulamasını Audi şirketi yapmış ve adını da Turbocharged Direct Injection (TDI) olarak koymuş, patentini almıştır.

Dizel motorlarda enjeksiyon şeklide önemlidir. Direkt ve indirekt olarak püskürtülen yakıt, yanmayı ve verimi doğrudan etkiler.

İndirekt olarak püskürtmede, enjektörlerce yüksek basınca ulaştırılan motorin, silindir içerisine değilde ön oda adı verilen bir alana püskürtülür. Yanma bu ön odada başlar ve tüm silindir içerisine yayılır. Bu tip bir püskürtme mekanizmasına sahip motorlarda titreşim ve gürültü çok azalırken, ısıl verimde düşecektir.

Direkt püskürtmede ise, enjektörler tarafından yüksek basınca ulaştırılmış motorin, silindir içerisinde sıkıştırılmış ve kızdırılmış havanın üzerine direkt olarak püskürtülür. Daha homojen bir yanma elde edilir. Gelişen çelik ve döküm teknolojisiyle birlikte, direkt püskürtmeli dizel motorlardaki titreşim ve gürültü azaltılmıştır.

Verimlerinin geliştirilmesi konusunda ise, sıkıştırma oranının arttırılmasında bir sınırlama bulunmadığından, sıkıştırma oranı günümüzde yeterince yüksektir. Günümüz teknolojisiyle ürettiğimiz araçlarımızdaki sıkıştırma oranı 1:17 veya 1:18 civarındadır. Kuramsal olarak daha fazla sıkıştırmanın önünde bir engel bulunmamasına rağmen uygulamadaki aşırı sıkıştırma sonucu entropi ve ısı kaybı fazlasıyla artar. Ayrıca, havayı yüksek oranda sıkıştırmak için fazlaca iş vermek gereklidir. Mühendisler, sıkıştırma oranının optimum değerini bulup, ona göre motor tasarlamışlar.

Fakat tüm bu gelişmelere rağmen, kesme oranı denen diğer adlarıyla, ön genleşme veya sabit hacimde genleşme olarak bilinen olgu verimi düşürmektedir. Dizel çevriminin termodinamiksel temeli sabit basınçta ısı geçişiyle birlikte izentropik genişleme sonucu güç elde edilmesidir. Eğer bu iki hal değişimi esnasında, sabit hacimde genleşme görülürse, verim düşer. Ki uygulamada da görülmektedir. Bunun sebebi, henüz tam üst ölü noktaya kadar sıkıştırılmamış havanın üzerine püskürtülen yakıttır. Piston yukarı itmek isterken, erken yanma başlar ve piston üzerinde bir basınç oluşturur. Bu esnada sistem sanki-dengeli ve sabit hacimli sayılır. İşte bu evreden sonra ısı geçişi olur ve aşağıya salınım başlar. 2. evredeki hacme V2 ve 3.evredeki hacme V3 dersek. “V3 / V2”  kesme oranını verir. Bu değerin düşük olması istenir. Şimdi aklınıza, bu iki hacmin birbirine yaklaşmasıyla, sabit hacme gidildiği gelecektir.

Aksine, o oran küçüldükçe, ısı geçişi sabit basınçta, izentropik genişlemede daha büyük bir hacimde olacaktır. Böylece üretilen güç ve verim artar.
            Günümüzde birçok araçta TDI veya CRDI teknolojileri kullanılmaktadır. CRDI ise, “Common Rail Direct Injection” olarak tanımlanır. Ortak hatlı direkt enjeksiyon sisteminde, yakıt tüm enjektörlere tek yoldan gelir ve ortak bir odada basıncı arttırılır. Böylece enjektörler arasındaki basınç farkı oluşmaz. Tüm silindirlere aynı basınçta yakıt püskürtülmüş olur.

Oldukça karmaşık olan dizel teknolojisini herkesin anlayabileceği şekilde aksettiremeye çalıştım. Termodinamiğe olan özel ilgimden dolayı, yazı dizilerime termodinamikle başladım. Termodinamik, malzeme mühendisliğinin doğrudan ilgilendiği bir bilim dalı değildir. Fakat mühendislik bilimleri arasındaki en önemli kollardan birisidir. Her mühendis tarafından, belirli bir düzeyde bilinmesi ve irdelenmesi gereklidir. Tekrarlıyorum, yazılarımın termodinamikle ilgili olması tamamen şahsi yönelimim ve çalışmamdır. Kaynakça olarak gösterebileceğim tek şey, Yunus Çengel’in ve Michael A.Boles ‘ un “Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik” kitabıdır. O kitabı incelediğinizde, yazılarımın tamamen bana ait olduğunu göreceksiniz. Grafikler ise “Wikipedia” sitesinden alınmıştır. En büyük kaynağım, araştırmalarım sonucu ve derslerde tuttuğum notlarımdır.

Bu yazımla birlikte, termodinamik konulu yazı dizimi sonlandırmış bulunmaktayım. Bir sonraki yazı dizim “Malzemelerin Mekanik Özellikleri” üzerine olacak. Tabi ki bu, bir daha termodinamik ile ilgili yazmayacağım anlamına gelmiyor. Termodinamikteki bazı özel çevrimleri ve aklımda derlediğim bazı projelerimi de yazmayı düşünüyorum. Malzemelerin Mekanik Özellikleri, en az termodinamik kadar karmaşık ve bir malzeme mühendisi tarafından çok iyi bilinmesi gereken bir konudur. Bu yüzden, araştırmalarım ve çalışmalarıma bir yılı aşkın bir süredir devam etmekteyim. Konunun karmaşıklığı ve detaylarından dolayı, yeni yazı dizimde, yazılarımı ancak haftalık olarak yayınlayabileceğim. Beni takip etmenizi ve geri dönüşlerinizi beklemekteyim..

Okan Gençoğlu

Malzeme Bilimi ve 
Mühendisliği Öğrencisi