termodinamik 2.yasa analizi, Lecture notes of Thermodynamics

Download termodinamik 2.yasa analizi and more Lecture notes Thermodynamics in PDF only on Docsity!

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

Bölüm 6

TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ

YASASI

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

Amaçlar

Termodinamiğin ikinci yasasına giriş yapmak..

Termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarını birlikte sağlayan geçerli hal

değişimlerini belirlemek.

Isıl enerji depoları, tersinir ve tersinmez hal değişimleri, ısı makineleri,

soğutma makineleri ve ısı pompaları kavramlarını tanımak.

Termodinamiğin ikinci yasasının Kelvin-Planck ve Clausius ifadelerini

tanımlamak.

Devridaim makineleri kavramlarını tartışmak.

Termodinamiğin ikinci yasasını çevrimlere ve bir çevrim gerçekleştirerek

çalışan makinelere uygulamak.

Mutlak termodinamik sıcaklık ölçeğini belirlemek için ikinci yasanın

uygulanması.

Carnot çevriminin tanımlanması.

Carnot ilkelerinin, ideal Carnot ısı makinelerinin, soğutma makinelerinin

ve ısı pompalarının incelenmesi.

Tersinir ısı makineleri, ısı pompaları ve soğutma makineleri için ısıl

verimler ve etkinlik katsayıları ifadelerinin belirlenmesi.

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

Hal değişimleri belirli bir yönde

gerçekleşir. Ters yönde gerçekleşmez.

Bir hal değişiminin gerçekleşebilmesi için

termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının

sağlanması zorunludur.

İKİNCİ YASANIN ESAS KULLANIMI

1. İkinci yasa hal değişimlerinin yönünü açıklayabilir.
2. İkinci yasa aynı zamanda enerjinin niceliği kadar niteliğinin de olduğunu öne

sürer. Birinci yasa, niteliğiyle ilgilenmeksizin, enerjinin niceliğiyle ve bir biçimden

diğerine dönüşümüyle ilgilidir. İkinci yasa, enerjinin niteliğinin ve bir hal değişimi

sırasında bu niteliğin nasıl azaldığının belirlenmesinin gerekli vasıtalarını sağlar.

3. Termodinamiğin ikinci yasası, yaygın olarak kullanılan ısı makineleri ve soğutma

makineleri gibi mühendislik sistemlerinin verimlerinin kuramsal sınırlarının ve

kimyasal reaksiyonların hangi oranda tamamlanacaklarının belirlenmesinde de

kullanılır.

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

ISIL ENERJİ DEPOLARI

Isıl enerji sığaları büyük kütleler, ısıl

enerji deposu olarak tanımlanabilir.

Isıl kaynak

ısıl enerji

sağlar, ısıl

kuyuya ısıl

enerji verilir.

Sıcaklığında bir değişim olmaksızın, sonlu miktarda ısıyı verebilecek ya da

alabilecek büyüklükte ısıl enerji sığasına (kütle x özgül ısı) sahip cisimler ısıl enerji

deposu veya yalnızca depo olarak adlandırılır.

Uygulamada atmosferik hava kadar, okyanuslar, göller ve akarsular gibi büyük su

kütleleri de büyük enerji depolama yetenekleri veya ısıl kütleleri nedeniyle, birer ısıl

enerji deposu olarak düşünülebilirler

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

Bir buharlı güç santrali

Isı makinesinin yaptığı işin bir

bölümü, sürekli çalışmayı

sağlamak için çevrim içinde

kullanılır.

Q

giren

= Yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağından (kazandan) suya

geçen ısı miktarı.

Q

çıkan

= Yoğuşturucuda buhardan düşük sıcaklıktaki kuyuya

(atmosfer, akarsular vb.) geçen ısı miktarı.

W

çıkan

= Türbinde genişlerken buhar tarafından üretilen iş miktarı.

W

giren

= Suyu kazan basıncına sıkıştırmak için gereken iş miktarı.

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

Isıl verim

Bazı ısı makinelerinin verimi daha

yüksektir (aldıkları ısının daha

büyük kısmını işe dönüştürürler).

Isı

makinesinin

genel çizimi

Verimi en yüksek ısı

makineleri bile, aldıkları

ısının neredeyse yarısını

atık ısı olarak çevreye

verirler.

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

Termodinamiğin İkinci Yasası:

Kelvin-Planck İfadesi

İkinci yasanın Kelvin-Planck

ifadesine aykırı bir ısı makinesi.

Termodinamik bir çevrim

gerçekleştirerek çalışan bir

makinenin, yalnızca bir

kaynaktan ısı alıp net iş

üretmesi olanaksızdır.

Hiçbir ısı makinesinin ısıl verimi yüzde

100 olamaz veya bir güç santralinin

sürekli çalışabilmesi için iş akışkanının

hem kazanla, hem de çevreyle ısı

alışverişinde bulunması gerekir.

Bir ısı makinesinin yüzde 100 ısıl verime

sahip olamamasının, sürtünmeler veya

diğer kayıplardan kaynaklanmadığı

vurgulanmalıdır. Çünkü bu sınırlama

gerçek ısı makineleri kadar, ideal ısı

makineleri için de geçerlidir..

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

SOĞUTMA MAKİNELERİ VE ISI POMPALARI

Düşük sıcaklıklı bir ortamdan yüksek

sıcaklıklı bir ortama ısı geçişi kendiliğinden

oluşmaz ve soğutma makineleri adı verilen

özel makinelerin kullanımını gerektirir.

Isı makineleri gibi soğutma makineleri de

bir çevrim gerçekleştirerek çalışan

makinelerdir.

Soğutma çevriminde kullanılan iş akışkanı

soğutucu akışkan olarak adlandırılır.

En yaygın kullanılan soğutma çevrimi,

buhar- sıkıştırmalı soğutma çevrimidir.

Bir soğutma sisteminin ana

elemanları ve tipik çalışma

koşulları.

Evlerde kullanılan bir buzdolabında, soğutucu akışkan

tarafından ısının alındığı dondurucu bölüm,

buharlaştırıcı işlevini görür. Buzdolabının arkasında

bulunan ve ısının soğutucu akışkandan mutfak

havasına geçmesine yarayan borular ise yoğuşturucu

olarak görev yapar.

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

Isı Pompaları

Bir ısı

pompasının

amacı, ılık

ortama Q

H

ısısını

vermektir.

Bir ısı

pompasına

giren iş, soğuk

dış ortamdan

alınan ısıl

enerjinin, ılık iç

ortama

verilmesini

sağlar.

Q

L

ve Q

H

‘ın sabit değerleri için

COP

IP

‘in değeri birden

daha küçük olabilir mi?

COP

IP

=1 neyi gösterir?

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

Ters yönde yerleştirildiğinde, bir iklimlendirme cihazı, ısı pompası gibi çalışır.

• Günümüzde kullanılan ısı pompalarının mevsimlik ortalama COP

değerleri 2 ile 3 arasında değişir.

• Mevcut ısı pompalarının çoğu kışın soğuk dış havayı ısı kaynağı

olarak kullanırlar (hava-kaynaklı ısı pompaları).

• Sıcaklık donma noktasının altına düştüğünde verimleri önemli

ölçüde azalır.

• Böyle durumlarda ısı kaynağı olarak toprağı kullanan, jeotermal

(veya toprak-kaynaklı) ısı pompaları kullanılabilir.

• Kurulumları daha masraflı olmasına karşın, bu tür ısı pompalarının

verimleri daha yüksektir.

• İklimlendirme cihazları -klimalar esas olarak buzdolabından farklı

değildir. Soğuttukları ortam yiyecek bölümü yerine bir binanın bir

odasıdır.

• COP değeri, soğutma sıcaklığının düşüşüyle azalmaktadır.
• Bu nedenle gerek duyulan sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklara

soğutma işlemi ekonomik değildir.

Enerji Etkinlik Oranı (EER): Tüketilen 1 Wh (watt-saat) elektrik enerjisi için, soğutulan

ortamdan çekilen ısının Btu cinsinden değeri olarak tanımlanır.

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

İki İfadenin Eşanlamlılığı

Kelvin-Planck

ifadesine aykırı

bir durumun

Clausius

ifadesine de

aykırı olacağının

kanıtı.

Kelvin-Planck ve Clausius ifadeleri sonuçları bakımından birbirinin eşdeğeri

olup, her ikisi de termodinamiğin ikinci yasasının ifadesi olarak kullanılırlar.

İfadelerden birine aykırı olan herhangi bir makine veya çevrim, diğerine de

aykırıdır.

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

DEVİRDAİM MAKİNELERİ

Termodinamiğin birinci yasasına aykırı

bir devridaim makinesi (DDM1).

Termodinamiğin ikinci yasasına aykırı

bir devridaim makinesi (DDM2).

Devridaim makinesi : Birinci ve ikinci yasalardan herhangi birine aykırı olan

makinelerdir.

Birinci yasaya aykırı olan (yani yoktan enerji var eden) makinelere (DDM1), ikinci

yasaya aykırı makinelere de (DDM2) denir.

Devridaim makinesi yapmaya yönelik sayısız girişim olmasına karşın, bunlardan hiçbiri

başarılı olamamıştır.

Eğer bir şey gerçek olamayacak kadar iyi ise, büyük olasılıkla öyledir.

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

Tersinmezlikler

Sürtünme, bir

hal değişimini

tersinmez yapar.

Tersinmez

sıkıştırma ve

genişleme işlemleri.

(a) Sonlu

sıcaklık

farkında ısı

geçişi

tersinmezdir

(b) soğuk

ortamdan

sıcak ortama

kendiliğinden

ısı geçişi

olanaksızdır.

Bir hal değişiminin

tersinmez olmasına neden

olan etkenlere

tersinmezlikler adı verilir.

Sürtünme, dengesiz

genişleme, iki sıvının

karışması, sonlu bir sıcaklık

farkında ısı geçişi, elektrik

direnci, katıların elastik

olmayan şekil değişimleri ve

kimyasal tepkimeler bu

etkenler arasındadır.

Bu etkenlerden herhangi

birinin varlığı, hal değişimini

tersinmez yapar.

Bölüm 6 : Termodinamiğin İkinci Yasası

İçten ve Dıştan Tersinir Hal Değişimleri

Tersinir bir hal değişiminde

sistem sınırları içinde ve dışında

tersinmezlikler yoktur.

• İçten tersinir hal değişimi : Hal değişimi sırasında sistemin sınırları içinde tersinmezlikler

meydana gelmiyorsa.

• Dıştan tersinir hal değişimi : Sistemin sınırları dışında tersinmezlikler meydana gelmiyorsa
• Tümden tersinir hal değişimi : Sistemin sınırları içinde ve ilişkide olduğu çevrede

tersinmezlikler meydana gelmiyorsa

• Tümden tersinir bir hal değişiminde sonlu sıcaklık farkında ısı geçişi, sanki-dengeli olmayan

değişimler, sürtünme ve benzer olgular yoktur.

Tümden ve içten tersinir ısı geçişi.