Termodinamik Çevrimler

1. Carnot Çevrimi

Her termodinamik sistem özel bir durum içinde varolmuştur. Sistem, farklı durumları sırası ile takip ediyor ve en sonunda önceki haline geri dönüyorsa termodinamik bir çevrim oluşur. Bu çevrim boyunca proses içinde, sistem çevresine iş yapabilir, bu yolla bir ısı makinesi olarak rol oynayabilir.

Bir ısı makinesi enerjinin sıcak bölgeden, soğuk bölgeye transfer edilmesini sağlar, bu proses içinde enerjinin bir kısmı mekanik işe dönüşür. Çevrim tersinirdir (yani tersine de gerçekleşebilir). Sistem bir dış kuvvet ile çalışabilir ve proses içinde soğuk sistemden, sıcak sisteme ısı transfer edebilir, bu şekilde bir ısı makinesinden çok bir soğutucu olarak çalışır.
Carnot çevrimi, termodinamik çevrimin özel bir tipidir. Özeldir çünkü, verilen ısı enerjisinin işe çevrilme miktarı ya da tersi için (verilen işin soğutma amaçları için kullanımı) mümkün olan en verimli çevrimdir.

Carnot çevrimi ısı makinesi olarak şu adımları takip eder :

1. TH sıcaklığındaki ’’sıcak’’ gazın tersinir izotermal genişlemesi (İzotermal ısı ilavesi):Bu adım esnasında, genişleyen (hacmi artan) gaz pistonun iş yapmasına neden olur. Gaz genişlemesi, yüksek sıcaklıktan ısının absorbe edilmesi ile ilerler. (A-B arası)
2. Gazın tersinir adyabatik genişlemesi:Bu adımda piston ve silindirin ısıl olarak yalıtılmış olduğu kabul edilir, bu nedenle ısı kaybı yoktur. Gaz genişlemeye ve iş yapmaya devam eder. Gaz genişleme nedeni ile TC sıcaklığına soğur. (B-C arası)
3. TC sıcaklığındaki ’’soğuk’’ gazın tersinir izotermal sıkıştırılması (İzotermal ısı atılması):Bu anda çevresine iş vermiş durumdaki gaz, düşük sıcaklığa doğru ısı çıkışına neden olur. (C-D arası)
4. Gazın tersinir adyabatik olarak sıkıştırılması:Yine piston ve silindir ısıl olarak yalıtılmış kabul edilir. Bu adımda yapılan iş gaz üzerinde sıkıştırılmaya ve sıcaklığının TH sıcaklığına yükselmesine sebep olur. Bu noktada gaz ilk basamaktaki başlangıç haline dönmüştür. (D-A arası)

Carnot çevriminin mümkün olan en verimli çevrim olmasının sebebi, tamamen tersinir adımlardan oluşmasıdır. Adımların hiçbirinde, aralarında sıcaklık farkı bulunan iki sistem arasında ısı alış-verişi gerçekleşmez. Dolayısıyla, her adımdaki ve toplamdaki entropi değişimi sıfırdır.



2. Rankine Çevrimi

Rankine çevrimi buhar kullanılan enerji santralleri için ideal çevrimdir. Bu çevrimde yapılan suyun kızgın buhar haline getirilmesi ve tekrar kondenserde doymuş sıvı haline getirilmesi Carnot çevriminde uygulamada karşılaşılan pek çok zorluğuda ortadan kaldırır.
Rankine çevriminin adımları dört aşama ile gösterilir, her adımda çalışma akışkanının hal değişimleri ifade edilir.
Burada çevrimin ideal şartlarda olduğu varsayılır. Ama gerçek şartlarda çevrimin pompa ile sıkıştırma ve türbinde genişleme aşamaları izentropik değildir. Bu aşamalarda izentropide artış meydana gelir. Bundan dolayı gerçekte pompa için gereken güç ihtiyacı artar ve türbinden elde edilen iş azalır.

• 4-1 Önce çalışma akışkanı, düşük basıçtan, yüksek basınca pompalanır. (İdeal şartlarda izentropik olarak ) Pompalama için güç girişine ihtiyaç vardır. (Örneğin mekanik veya elektirik gücü)
• 1-2 Yüksek basınçlı sıvı bir ısıtıcıya girer, bir dış ısı kaynağı ile sabit basınçta kızdırılmış buhar halini alana dek ısıtılır.Genelde ısı kaynağı olarak , kömür, doğal gaz veya nükleer güç kullanılır.
• 2-3 Kızgın buhar, türbin boyunca genişler ve güç çıkışı oluşturur.İdeal şartlarda, bu genişleme izentropiktir. Bu olay buharın basınç ve sıcaklık kaybetmesine sebep olur.
• 3-4 Buhar daha sonra kondensere girer, doymuş sıvı halini alana kadar soğutulur. Bu sıvı daha sonra tekrar pompaya girer ve çevrim tekrar eder.


3.Brayton Çevrimi

Brayton çevrimi, genel olarak gaz türbinlerinde kullanılan, periyodik bir prosesdir. Diğer içten yanmalı güç çevrimleri gibi açık bir sistem olmasına rağmen; termodinamik analiz için egsoz gazlarının içeri alınıp tekrar kullanıldığı farzedilir ve kapalı bir sistem gibi analize uygun hale gelir. İsmini George Brayton’dan almıştır. Aynı zamanda Joule çevrimi olarak da bilinir.

Çalışma Modeli :

Bir Brayton tip makine şu üç elemanı içerir:
• Gaz kompresörü
• Karışım odacığı
• Genleştirici

19. yüzyıldaki orijinal Brayton makinesinde çevre havası , kompresör pistonuna girer, burada basınçlandırılır.(Teorik olarak izentropik bir işlemdir.)Sıkıştırılmış hava daha sonra karışım odacığı boyunca ilerler, yakıt ilave olur.(Bu da sabit basıçta olan bir prosesdir.) Isıtılmış, basınçlandırılmış hava ve yakıt karışımı daha sonra genişleme silindiri içinde alev alır ve enerjisini verir, piston/silindir boyunca genişler.(Teorik olarak yine izentropik bir prosestir.) Piston/silindir ile elde edilen işin bir bölümü kompresöre güç sağlamak için bir mil düzeneği aracılığı ile kullanılır.




Brayton çevrimi günümüzde en çok gaz türbinli makinelerde kullanılır.

Burada da yine üç eleman vardır:

• Gaz kompresörü
• Brülör (Yakıcı) veya yanma odası
• Genleşme türbini

Burada da çevre havası kompresöre girer ve basınçlandırılır.(Teorik olarak izentropik prosestir.) Basıçlı hava yanma odasına girer, yakıtın yanması ile hava ısıtılır. (Sabit basınçta gerçekleşen proses). Hava açık olan yanma odası boyunca akış yapar.(Girer ve çıkar) Basınçlı ve ısıtılmış hava, enerji vererek, türbin veya türbinler boyunca genişler ve iş elde edilir.(İzentropik proses) Türbinden elde edilen işin bir kısmı ile kompresöre güç verilir.
Ne sıkıştırma, ne de genişleme gerçekte izentropik olamaz, kompresör ve genleştirici boyunca kayıplar, verim kaybını kaçınılmaz kılar. Genelde, sıkıştırma oranındaki artış, bir Brayton sisteminin tüm çıkış gücünü arttırmak için en çok kullanılan yoldur.
_________________
4. Otto Çevrimi

Sabit hacim çevrimleri (otto çevrimi) , buji ile ateşlemeli motorlarda kullanılan , ateşlemenin piston üst ölü noktaya geldiği ve sıkıştırma sonu basıncının en üst seviyeye çıktığı anda bujilerden kıvılcım çaktırılarak yapılan bunun sonucunda da pistonu aşağıya iten maksimum basıncın elde edildiği çevrimlerdir. Sabit basınç ya da dizel çevrimlerinden farkı ateşleme sabit bir hacimde yapılması ve buji kullanılmasıdır. Sabit hacim derken , dizel çevrimlerinde olduğu gibi piston aşağıya doğru inerken sisteme ısı girişi yapılmamaktadır.



Sıkıştırma (1-2)

Bu safhada, piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya doğru hareket eder. Bu sırada emme ve egzos valfleri kapalıdır, dolayısıyla içerdeki hava sıkışır ve basıncı grafikte görüldüğü gibi artar.

Sabit Hacimde Yanma (2-3)

Piston üst ölü noktaya ulaştığı sırada bujiden kıvılcım çaktırılarak sıkışarak ısınmış hava – yakıt karışımı yanmaya başlar, bunun sonucunda basınç P2'den P3 değerine sıçrama yapar.

Genleşme (3-4)

Bu safhada piston aşağı doğru hareketine başlar . Bu durum 4 nolu noktaya kadar böyle devam eder. Piston aşağı doğru hareketine devam ettiğinden silindirdeki basınç da düşmeye başlar.

Egzoz (4-1)

Sistem 4 nolu noktaya (AÖN) geldiğinde egzoz valfi açılır. Silindir egzoz sistemi ile dışarıya açıldığından silindirdeki basınç atmosferik basınca düşer. Sistemden ısının atılması bu safhada gösterilmiştir. Gerçekte, dışarıya ısının atılması pistonun egzoz stroğunu yapmasıyla olur (grafikte yatay çizgiyle gösterilen strok), ancak ideal bir çevrimde egzoz stroğunda negatif veya pozitif bir iş yapılmadığından çevrimde incelenmez, ısının atılması da egzoz valfi açıldığında bir anda olmuş gibi gösterilir.
_________________
5. Karma Çevrim



Sıkıştırma (1-2)

Bu safhada, piston alt ölü noktadan üst ölü noktaya doğru hareket eder. Bu sırada emme ve egzos valfleri kapalıdır, dolayısıyla içerdeki hava sıkışır ve basıncı grafikte görüldüğü gibi artar.

Sabit Hacimde Yanma (2-3)

Piston üst ölü noktaya ulaştığı sırada silindire enjektör tarafından yakıt püskürtülmeye başlar. Sıkışarak ısınmış havayla karşılaşan yakıt yanmaya başlar, bunun sonucunda basınç P2'den P3 değerine sıçrama yapar. Sisteme ısı girişinin olduğu ilk safha bu safhadır.

Sabit Basınçta Yanma (3-4)

Bu safhada piston aşağı doğru hareketine başlar fakat yanma devam ettiğinden basınç düşmez. Bu durum 4 nolu noktaya kadar böyle devam eder. Böylece bu safhada da sisteme ısı girişi devam etmiş olur.

Genleşme (4-5)

Artık silindire yakıt püskürtülmemektedir ve yanma durmuştur. Piston aşağı doğru hareketine devam ettiğinden silindirdeki basınç da düşmeye başlar.

Egzoz (5-6)

Sistem 5 nolu noktaya (AÖN) geldiğinde egzoz valfi açılır. Silindir egzoz sisitemi ile dışarıya açıldığından silindirdeki basınç atmosferik basınca düşer. Sistemden ısının atılması bu safhada gösterilmiştir. Gerçekte, dışarıya ısının atılması pistonun egzoz stroğunu yapmasıyla olur (grafikte yatay çizgiyle gösterilen strok), ancak ideal bir çevrimde egzoz stroğunda negatif veya pozitif bir iş yapılmadığından çevrimde incelenmez, ısının atılması da egzoz valfi açıldığında bir anda olmuş gibi gösterilir.
_________________
TERMODİNAMİK KANUNLAR

Evrendeki tüm varlıklar belirli bir yaşam sürerler ve bu yaşamları ise onların enerjisi ölçüsünde olmaktadır. Varlıklar içlerinde bulunan bu enerji ile hayatlarını sürdürürler, enerjileri tükendiğinde ise ölürler. Acaba yaşam İle ölüm arasında akıp giden enerjinin varlıklar arasındaki hareketinin yönünü belirleyen kanunlar nelerdir? Termodinamik biliminin temellerini atan Fransız fizikçi Sadi Cornat, enerji ve hareket ile birlikte ısı dönüşümü olayını da ele alarak incelemelerine başlayınca, bu kanunlar da ortaya çıkmaya başladı.

Daha sonraları Robert Mayer, Hermann Von Helmholtz, W.Thomson, R.Clousius ve J.Joule'ün çalışmalarıyla fiziğin üçüncü, belki de en sağlam sütunu termodinamik doğmuş oldu.

Termodinamik enerjinin korunumundan faydalanarak mekanik ve termal olayları birbirine bağlayan bir bilimdir.

Termodinamik, mekanik ve elektromanyetikten çok farklıdır. Çünkü özel hiç bir durum öne sürmeksizin tüm modellerle uyum içindedir, incelik gerektirse de sonuçları kesin ve sağlamdır. İşte bu nedenledir ki, Planck ve Einstein termodinamiğin üzerine fiziksel bir kuram inşa edilebilecek biricik mutlak, sağlam teme! olduğu hususunda hemfikirdiler.
Anlaşılması güç engellerle karşılaştıklarında, olaya termodinamik açısından yaklaşarak çözüme ulaşmaya çalışırlardı.

Şimdi ise fiziğin yıkılması en zor görünen kalesinin mahiyetine yani termodinamiğin kanunlarına değinelim.

A) Sıfırıncı Kanun

Sıfırına kanun sıcaklık ve termal dengeyle ilgili bir kanundur. Burada şunu belirtelim, ısı ve sıcaklık aynı şeyler değildirler. Isı; sıcaklık farkından dolayı bir cisimden diğerine akan enerji iken, sıcaklık; bir cisimde bulunan enerjinin bir ölçüsüdür. Termal dengeyi ise. ısı alışverişinde bulunabilecek bir durumda bulunan (Termal temas) iki veya daha fazla cismin sıcaktan soğuğa doğru olan enerji akışının kesilmesiyle kurulan bir denge hali olarak tarif edebiliriz.

Bu açıklamalara göre sıfırına kanun, "Birbirleriyle termal temasta bulunan varlıkların oluşturduğu bir sistem, yeterli zaman sonunda termal dengeye ulaşır ve sistem içindeki bütün varlıklar aynı sıcaklığa sahip olurlar" şeklinde ifade edilebilir.

Termometreler bu kanuna göre çalışmaktadır. Termometreler bulundukları sistemin bir parçası olduklarından sistemle termal denge içindedir. Yani sistemin sıcaklığına sahiptir. Bundan sonra sisteme verilen veya çekilen ısıdan termometre direkt olarak etkilenir ve ortamın yeni sıcaklığını gösterir.

B) Birinci Kanun

Termodinamiğin birinci kanunu enerjinin korunumu kanunudur. Bu kanuna göre enerji yoktan var, vardan da yok edilemez, ancak şekil değiştirebilir. Bizde bundan faydalanarak (enerji dönüşümleri) ısınıyor, hareket ediyor ve cisimleri hareket ettiriyoruz. Buhar makineleri, diğer ısı üretim makineleri ve yakıtlı motorlar hepsi bu kanunun öngördüğü şekilde enerjinin işe dönüştürülmesinden faydalanarak çalışmaktadır.

Bu kanun belki de fizik kanunlarının en sağlam olanıdır. Ayrıca bu kanuna göre. yaşam kaynağımız olan güneş de mevcut enerjisini bir gün tüketecek ve insan yaşamı ile birlikte kendiliğinden sönecektir. Bilim adamlarının yaptıkları hesaplamalara göre güneş yaklaşık 4,6 milyar yıl yaşındadır, ancak 5 milyar yıllık enerjisi kalmıştır. Beş milyar yıl çok uzun bir zamandır, ama hiç bir zaman sonsuz anlamına gelmez.

C) İkinci Kanun

19. yüzyıl, atağa kalkan bilim sayesinde sanayi devrimine sahne oldu. Bu devrimin hiç kuşkusuz baş aktörü makinalardı. Makinalar da daha mükemmele ulaşma isteği ile yapılan çalışmalar sırasında bilim adamlarının Önünde bazı sorular belirdi. Hangi tür bir makina en çok verimle çalışır? Kayıplar sıfırlanabilir mi? Kayıpların kaynağı nedir? v.b. Bu soruların cevaplan hiç de beklenildiği gibi olmadı. Çünkü yanıtlar insanoğluna hiç bitmezmiş gibi görünen enerji rezervlerinin hesapsızca kullanılamayacağını gösterecektir.

Yapılan araştırmalar neticesinde yüzde yüzlük verimle çalışan makinalar düşüncesi tarih oldu. Çünkü ne türlü bir makina yapılırsa yapılsın makinaya verilen enerji ile makinadan başka bir şekle dönüştürülmüş olarak elde edilen enerji arasında sıfırlanamaz bir kayıp mevcuttur. Ne yaparsak yapalım verilen enerjinin bir kısmı makina içi sürtünmeler vasıtasıyla ısıya dönüşmektedir. Kaybolan ısı ise hiç bir zaman enerji olarak tekrar elde edilemez. Bu olay enerji kaybı dolayısıyla birinci kanunun ihlali şeklinde anlaşılmasın. Kayıplardan kasıt, vardan yok olma şeklinde olmayıp, enerjinin ısı şekline dönüşüp kullanılabilir olmaktan çıkması, sistemin (makina. ortam, araç vb.) yapısına katılmasıdır.

Kısaca ikinci kanun; bir süreç içinde gerekli toplam enerji sabit kaldığı halde, sürtünme ve benzeri temaslar yüzünden kullanılabilir enerji azalmaktadır ve bunun sonucu olarak yüzde yüzlük verimle çalışan bir makina yapılamaz.

Termodinamiğin ikinci kanunu, fiziğe geri döndürülemez (tersinmez) olaylar düşüncesini getirdi. Bu kanuna göre fiziksel hadiselerde geri döndürülemez belirli bir eğilim vardır. Örneğin, bir bardak sıcak çay etrafına ısı vererek soğur ve hiç bir zaman çayımız verdiği ısıya kendiliğinden toplayıp eski haline gelmez. Yukarıdan serbest bırakılan bir top yerden sekip bırakıldığı yüksekliğe kadar çıkmayı başaramaz. Bir pervaneyi ne kadar hızlı çevirirsek çevirelim, çevirme işlemini bıraktıktan bir müddet sonra durur ve hiç bir zaman da sürtürmeye harcadığı enerjisini toparlayıp tekrar dönmeye başlamaz. Bir odaya sıktığımız parfüm ilk Önce yakın çevresi tarafından hissedilir, bir süre sonra karşı köşedeki arkadaşımız bile kokuyu alır, ama daha sonra koku gittikçe etkisini kaybeder ve parfüm zerrecikleri atmosferde dağılıp gider. Hiç bir zaman odadan çıkmam demez, geri dönüşsüz evrensel eğilimin etkisinde bir harekete mecbur kalır.

Bütün bu saydığımız süreçlerin ortak yanı; belirli bir doğrultuda, düzenden düzensizliğe, bütünden yayılmaya, kullanılır olabilirlikten kullanılmamazlığa doğru, yol almalarıdır.

R.Clausius bu evrensel eğilime entropi ismini verdi ve matematiksel bir ifadesini oluşturmayı başardı. Entropi Yunanca kökenli bir kelime olup "Bir sistemin düzensizlik derecesinin ölçüsü" manasında kullanılır.

İkinci yasa kısaca entropi artışı olarak özetlenebilir. Bütün varlıkların, eninde sonunda entropisi artmaktadır. Kainattaki olayların tümü yukarıda saydığımız gibi geri dönüşümlü olmayan olaylardır. Bizi ısıtan ve aydınlatan güneş bir bardak sıcak çay gibi ısısını tüketmektedir. İçinde bulunduğumuz Samanyolu Galaksisi ve diğer galaksiler bir odaya sıktığımız parfümün zerrecikleri gibi birbirlerinden hızla uzaklaşmaktadırlar. Kısacası evrenin entropisi sürekli olarak artmaktadır.

Sürekli enerji kaybından dolayı eninde sonunda evrenin entropisi maksimum değere ulaşacaktır. Bu andan itibaren evrenin her yeri aynı sıcaklık ve yoğunlukta olacak. Bu maksimum düzensizlik halinde iş yapacak kullanılabilir enerji olmadığından bütün fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçler duracaktır.Bu umutsuz tabloya bilim adamları "Isı ölümü" adını verirler.

Bu konu hakkında Fizikçi Poul Davies "Tanrı ve Yeni Fizik" adlı kitabında şöyle diyor: "Eğer evren sınırlı bir düzen birikimine sahipse ve düzensizliğe doğru tersinmez biçimde sonunda termodinamik dengeye değişiyorsa iki çok derin çıkarımı hemen izlemeye başlar, îlki evren en sonunda ağır ağır yuvarlanarak kendi entropisi içinde ölecektir. Bu fizikçiler arasında evrenin "ısı ölümü" olarak bilinir. İkincisi evren ebediyen varolmuş olamaz, bu yüzden sınırlı bir zaman önce dengesi son durumuna erişmiş olacaktı. Özet olarak evren daima varolmadı."
_________________