Yaşamsal aktivitelerde ihtiyaç duyulan işleri yapabilmek için gerekli olan enerji açığa çıkarma ve çıkarılan enerji ile istediğimiz hareketleri yapabilme amacı Termodinamik Bilimi’nin konusunu oluşturmaktadır.
Enerji üretimi ve kullanımı fiziksel ve kimyasal yasalarla meydana gelmektedir. Yani, fizik ve kimya yasalarına uymayan hiçbir şey termodinamik olaylara da uymamaktadır. Fakat, insanoğlu durmaksızın daha fazla enerji ve güç peşinde olduğu için enerji üretimi ve kullanımı sürecinde yasalara aykırı olarak birtakım şeyler denemişlerdir.
Termodinamik Bilimi, insanların bu daha fazla enerji ve güç elde etme çalışmalarında boşa emek, kaynak ve zaman kaybı yaşamamaları için dört temel yasa ortaya koymuştur. Isı ile enerji ve güç elde etmek isteyenler bu yasaları mutlak suretle dikkate almalıdır. Zira, farkında olmasa da olmasa da enerji üretim ve kullanım süreçlerinde bu yasalar olaylara yön vermektedir.
Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası
Bilindiği gibi sayma sayıları birden başlamaktadır. Buna rağmen, termodinamik yasalarının birden değil de sıfırdan başlamasının sebebi, bu yasanın birinci ve ikinci kanunlarının ortaya konmasından yarım yüzyılı aşkın bir süre sonra anlaşılabilmesidir.
Bu kanun ilk olarak 1931 yılında R. H. Fowler tarafından ortaya konmuştur.
Bilindiği gibi, yüksek ısılı yerden düşük ısılı yere doğru daima bir geçiş söz konusudur. Bu olgudan hareketle, Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası, “termal denge” kavramına dayanmaktadır ve şu temel yargı ile ifade edilmektedir:
“İki ayrı cisim bir üçüncü cisimle ısıl dengede ise birbirleriyle de ısıl dengededir.”
Bu ifade, temas halinde olan cisimlerin ısı alış verişinde bulunduklarını ve belirli bir süre sonunda da termal dengeye gelerek aynı sıcaklıklara sahip olacaklarını söylemektedir.
Termodinamiğin Birinci Yasası
Yoktan enerji üretmek ya da var olan enerjiyi yok etmek için yapılan çalışmaların başarısızlıkla sonuçlanmasının ardından birinci yasa ortaya çıkmıştır. Yapılan deneyler sonucunda, kütle gibi enerjinin de korunduğu sonucuna ulaşılmıştır. Termodinamiğin Birinci Yasası, şu temel yargı ile ifade edilmektedir:
“Enerji var iken yok, yok iken de var edilemez, ancak bir halden diğer bir hale dönüştürülebilir.”
Bu yargı ile enerjinin yaratılamayacağı ve yok edilemeyeceği bilinerek tüm fiziksel ve kimyasal olaylar için enerji denklikleri yazılır. Eğer bir sistem ya da obje enerji kazanırsa bu enerji mutlaka dışardan bir yerden gelmek zorundadır.
Giren Enerjilerin Toplamı=Çıkan Enerjilerin Toplamı
Enerji Dönüşümü / Enerji Değişimi= Giren Enerjilerin Toplamı – Çıkan Enerjilerin Toplamı
İşin ısıya dönüşümü Benjamin Thomson (1753-1814) ve James Prescott Joule (1818-1887) tarafından nicel olarak incelenmiştir. Diğer enerji türlerinin tümüyle ısıya dönüştüğünü deneysel olarak gösteren Joule, 1840 yılında 1 cal’lik ısının 4,184 J değerindeki işe eşit olduğunu bulmuştur.
Birinci yasa içinde iç enerji (U) ve entalpi (H) hal fonksiyonları yer alır. Bu değerler ile enerjinin niceliği ortaya koyulur. Birinci yasa ile elde edilen verim değerleri ise sistemin termal verimi ifade etmektedir.
Şekil 1: Soğutma Ünitesi
Birinci kanunu matematiksel olarak kanıtlamak olanaksızdır fakat doğadaki hâl değişimlerinin tümünün birinci kanuna uyduğu bilinir. Bu da yeterli bir kanıt olarak sayılabilir.
Termodinamiğin İkinci Yasası
Birinci yasa, enerjinin miktarı ve korunumunu ortaya koyarken ikinci yasa, enerjinin işe dönüşebildiği kısmı yani kalitesini ele almaktadır.
Termodinamiğin İkinci Yasası, hal değişimlerin herhangi bir yönde değil, belirli bir yönde gerçekleşeceğini söyler. Termodinamiğin Birinci ve İkinci Yasası’nı sağlamayan bir hal değişimi gerçekleşemez.
Enerji, daima kendini yok etme eğilimindedir. Yani, yüksek potansiyellere ulaşan enerji, kendini daha düşük yoğunluğa sahip başka bir enerji formuna dönüştürme eğilimindedir.
Termodinamiğin İkinci Yasası, gerçekleşen olayların entropiyi artıracak yönde (enerji miktarının azalması yönünde) gerçekleştiğini ifade etmektedir. Doğadaki bütün olaylar ikinci yasaya nedeniyle gerçekleşir.
Termodinamiğin İkinci Yasası şu temel yargıyı ortaya koymaktadır:
“Enerjinin tamamı faydalı işe çevrilemez, bir kısmı sistemin içsel bütünlüğünü korumak için kullanılır.”
İkinci yasaya göre, herhangi bir süreçte bir sistem ve çevresindeki entropi değişimi ya “sıfır” yada “pozitiftir”. Yani evrenin entropisi sürekli artma eğilimindedir. Bu durumda, ikinci yasaya göre evrendeki hem enerji hem de madde zaman ilerledikçe daha az faydalı iş yapabilir hale gelmektedir.
Bir sistemin enerjisi ne kadar fazla ise o kadar fazla iş yapılabilir. Bununla birlikte, bir sistemin sahip olduğu enerjinin tümü iş yapmada kullanılamaz; bir kısım enerji sistemin içsel bütünlüğünün korunması için saklanır. Bu durumda iş yapabilmede kullanılan enerji genellikle serbest enerji olarak adlandırılır. Serbest enerji, bazen ekserji (exergy) olarak da adlandırılır.
Isı ve Soğutma Makinaları Nedir?
Termodinamiğin ikinci kanununa göre ısı, ancak sıcak bir kaynaktan daha soğuk bir kaynağa doğru kendiliğinden akar ve akan ısı miktarının bir kısmını işe çevirmek mümkündür. Bir ısı kaynağından iş üretebilen makinalara “Isı Makinaları” denir.
Şekil 2: Termodinamik Yasaların Doğada Gerçekleşmesi
İş verilerek bir ortamdan ısının uzaklaştırılmasını sağlayan makinalara “Soğutma Makinaları” denir. Isı pompaları ve klimalar da birer soğutma makinalarıdır.
Carnot ve Ters Carnot Çevrimi Nedir?
İkisi sabit sıcaklıkta, ikisi adyabatik dört tersinir hald değişiminden oluşan Carnot Çevrimi, ısı makinaları için; Tersinir Carnot Çevirimi ise soğutma makinaları için ideal durumda çalışan ve maksimum verimlilik sağlayan durumu ifade etmektedir.
Şekil 3: Tersinir Çevrim
Şekil 4: Tersinmez Çevrim
Termodinamiğin ikinci kanunu ısı makineleri (motorlar) ve ısı pompaları (soğutma makineleri) gibi sistemlerin ısıl verimleri ve kimyasal reaksiyonların hangi oranda tamamlanacaklarını belirtir.
Termodinamiğin Birinci ve İkinci Yasası’na uymayan makinalara “Devirdaim Makinaları” denir.
Kelvin Planck ve Clausius İfadesi Nedir?
Termodinamiğin ikinci kanunu için en yaygın iki görüş vardır. Bunlar Kelvin-Planck ifadesi ile Clausius ifadesidir.
Kelvin-Planck ifadesine göre, hiçbir ısı makinesi sadece bir ısıl enerji deposuyla ısı alış verişinde bulunup net iş üretemez.
Clausius ifadesine göre soğuk bir cisimden daha sıcak bir cisme çevreden iş almadan ısıl enerji aktaran bir makine yapılamaz.
Şekil 5: Termodinamik Yasalara Göre Tasarlanmış Bir Termik Santralin Yerleşim Planı
Termodinamiğin Üçüncü Yasası
Termodinamiğin üçüncü kanunu, mutlak sıfır sıcaklığındaki maddelerin entropisi ile ilgilidir ve esas olarak mükemmel bir kristal maddenin mutlak sıfır sıcaklığındaki (-273C°) entropisinin sıfır olduğunu ifade eder. Bu kanunla entropi için başlangıç değer şartları belirlenir.
Mutlak sıfır, bir cismin keyfi olarak yakınlaşabileceği, ancak asla erişemeyeceği bir sıcaklıktır. Laboratuarda 2.0 x 10-8 K kadar düşük sıcaklıklar elde edildi, ancak mutlak sıfıra ulaşılamadı.
Termodinamiğin Üçüncü Yasası şu temel yargıyı ifade etmektedir:
“Bir nesnenin sıcaklığını sonlu sayıda aşamada mutlak sıfıra indirmek olanaksızdır.”
Daha Fazla Teknik Makaleler İncelemek İçin enerjiportali.com/category/enerji-rehberi Bağlantısını Ziyaret Edebilirsiniz. 🙂
Kaynaklar:
1)Yunus A. Çengel ve Michael A. Boles, “Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik”
2)http://taner.balikesir.edu.tr/dersler
/fiziksel_kimya_ii/entalpi.htm
Termodinamiğin Birinci KanunuTermodinamiğin İkinci KanunuTermodinamiğin Sıfırıncı YasasıTermodinamiğin Üçüncü Kanunutermodinamiğin yasalarıTermodinamikTermodinamik KanunlarıTermodinamik yasalarıtermodinamik Yasaları nelerdirTermodinamik Yasası