Farkında olsak da olmasak da enerji günlük yaşamımızın önemli bir kısmıdır. Yaşam kalitesi enerjinin kullanılabilirliğine bağlıdır. Bu nedenle enerji kaynaklarını, bir biçimden diğer biçime enerji dönüşümleri gerçekleştirir. Bu dönüşümlerin sonuçlarını da iyi anlamak gerekir.
Enerji, değişikliğe neden kabiliyetidir. Enerjinin her zerresi korunur. Yoktan var edilemez var olan enerji yok edilemez. Enerji sadece şekil değiştirir. Termodinamik bilim dalı bu değişimlerle ilgilidir.
Sistem nedir? Uzayda belirlenen bir hacim veya maddenin belirli bir miktarı olabilen inceleme altındaki bölge sistem olarak adlandırılır.
Enerjinin değişik biçimler (ısıl, mekanik, potansiyel, elektrik, vb.) almasının toplamı, sistemin toplam enerjisini (E) oluşturur.
Termodinamik sistemin toplam enerjisinin mutlak değeri hakkında bilgi vermez. Sadece toplam enerjideki değişim ile ilgilidir. Bu da zaten mühendislik ile ilgili olan kısımdır.
Toplam enerjiyi oluşturan değişik unsurlar mikroskopik ve makroskopik olmak üzere ikiye ayrılır. Sistemin tümünün bir dış referans noktasına göre sahip olduğu enerji makroskopik enerjidir. Sistemin molekülleri ile ilgili olan enerjiye mikroskopik enerji denir. Dış referans noktasından bağımsızdır. Mikroskopik enerjilerin toplamına iç enerji denir ve U ile gösterilir.
Kinetik enerji, sistemin bir referans noktasına göre hareketinden oluşan enerjidir. Potansiyel enerji ise sistemin bir yerçekimi alanındaki yüksekliğe bağlı olarak sahip olduğu enerjidir. Enerji dönüşümleri iç enerji, kinetik enerji ve potansiyel enerji arasında gerçekleşir.
E = KE + PE + U
Toplam Enerji = Kinetik Enerji + Potansiyel Enerji + İç Enerji
KE: Makroskopik Enerji
PE: Makroskopik Enerji
U: Mikroskopik Enerji
Çoğu durumda termodinamik sistemlerde kinetik ve potansiyel enerji ihmal edilir. Aksi belirtilmedikçe toplam enerjideki değişim iç enerjideki değişime eşittir.
ΔE = ΔKE + ΔPE + ΔU Kinetik enerji ve potansiyel enerji ihmal edilirse,
ΔE ≈ ΔU olur.
İç Enerji = Duyulur Enerji + Gizli Enerji + Kimyasal Enerji + Nükleer Enerji
- Duyulur enerji, moleküllerin kinetik enerjisi ile ilgili kısımdır (sıcaklık gibi).
- Gizli enerji, sistemin fazı ile ilgili kısımdır (gaz, sıvı, katı).
- Kimyasal enerji, molekülün atomları arasındaki kuvvetler ile ilgili kısımdır.
- Nükleer enerji, atom çekirdeğindeki parçacıkların sahip olduğu enerjidir.
Bütün bu enerjilerin toplamı enerjinin statik biçimi olarak adlandırılır. Sistem içerisinde depolanmayan enerjiye enerjinin dinamik biçimi denir. Dinamik biçimdeki enerjiler sistem sınırından geçebilirler.
İçindekiler
Mekanik Enerji
Mekanik hareketle enerji aktarımı, sistem sınırından geçen yürütücü bir mil, bir piston veya benzer cihazlarla da meydana gelebilir. Örneğin, bir akışkanın mekanik olarak karıştırılması, önce akışkan hareketine yol açar (akışkanın kinetik enerjisinin artışının bir kanıtıdır), daha sonra bu hareket akışkan vizkozitesinin etkisiyle yavaşlatıldığında akışkan sıcaklığında ( ve iç enerjisinde) bir artışa sebep olur.
Enerji, kapalı bir sistemin sınırlarından birbirinden farklı iki biçimde geçebilir: Isı ve iş. Enerji geçişinin bu iki ayrımını doğru yapmak gerekiyor. Termodinamiğin birinci yasası bize yardımcı olmaktadır.
Isı İle Enerji Geçişi
Isı, sistem ve çevresi arasında sıcaklık farkından kaynaklanan enerji geçişidir. Enerji geçişi sadece sıcaklıkları farklı iki ortamda gerçekleşir. Aynı sıcaklıktaki iki sistem arasında ısı geçişi olmaz.
Hayatımızda, duyulur ve gizli iç enerji hallerine sık sık ısı adı veririz ve cisimlerin ısı miktarını konuşuruz. Termodinamikte enerji hallerinin ısı geçişiyle karıştırılmaması için ısıl enerji denilir.
Çevresi ile ısıl temasta olmama durumu adyabatik olarak adlandırılır. Hal değişimi iki yolla adyabatik hal olabilir.
- Sistem çok iyi yalıtılmıştır yani sınırlardan ancak ihmal edilir ölçüde ısı geçebilir.
- Sistem ve çevre aynı sıcaklıktadır bundan dolayı ısı geçişine etken olacak sıcaklık farkı yoktur.
Isı geçişi 3 farklı şekilde gerçekleşir:
- Kondüksiyon (iletim), maddenin enerjisi yüksek olan moleküllerinden yakınlarındaki moleküllere, moleküller arasındaki etkileşimden olan enerji geçişidir.
- Konveksiyon (taşınım), katı yüzeyin temas ettiği akış ortam ile olan ısı geçişidir.
- Radyasyon (ışınım), elektromanyetik dalgalar veya parçacıklar biçimindeki enerji yayımı ya da aktarımıdır.
İş İle Enerji Geçişi
Sistem sınırlarından geçen ve mekanik enerji içeren herhangi bir mekanizmayla enerji aktarımına iş denir. Kapalı sistemin sınırlarını geçen enerji eğer ısı değilse, iştir.
Bir cisim başka bir cisim üzerinde iş yaparsa enerjisi azalır; iş yaptığı cismin ise enerjisi artar. Yapılan iş ve enerji aktarımının yönü yapılan işin artı ya da eksisi olur. Eğer iş artı işaretli olursa cisim enerji kazanır. İş eksi işaretli olursa cisim enerji kaybeder.
Isı ve İş’in Ortak Yönleri
- Her ikisi de sistem sınırından geçer.
- Sistemlerin enerjileri vardır ve ısı ve işleri yoktur.
- Her ikisi de hal değişikliği ile ilgilidir. Fakat bir hali belirtmek için ısı ve iş kullanılmaz (Sistemin özelliği olmadığı için kullanılmaz).
- Her ikisi de yol fonksiyonudur. Bu nedenle ısı ve iş yola bağlı olduklarından dolayı bunların tam olmayan diferansiyelleri vardır.
Enerji dönüşümleri ısı ve iş olarak da karşımıza çıkmaktadır.
Termodinamiğin Birinci Yasası
Termodinamiğin birinci yasası ya da enerjinin korunumu ilkesi enerjinin değişik biçimleri arasındaki etkileşimleri incelemek için bir temel oluşturur. Birinci yasa deneysel gözleme dayanarak enerjinin var ya da yok edilemeyeceğini ancak biçim değiştirebileceğini vurgular. Enerjinin korunumu ilkesi hal değişimi sırasında bir sistemin toplam enerjisindeki net değişiminin sisteme giren ve sistemden çıkan enerjinin farkına eşit olduğunu vurgular.
(Sisteme Giren Toplam Enerji) – (Sistemden Çıkan Toplam Enerji) = (Sistemdeki Toplam Enerji Değişimi)
Eg – Eç = ΔEsistem
Sisteme enerji girişlerinin gerçekleşme yolları üç çeşittir; ısı, iş ve kütle akışı. Etkileşimler sistem sınırından gerçekleşir. Kütle akışı ile sistemin enerjisi artar. Sistemden kütle çıktığında ise enerjide azalma olur.
Eg – Eç = (Qg – Qç) + (Wg – Wç) + (Ekütle, g – Ekütle, ç) = ΔEsistem formülü ile kütle korunumu gösterilir.
Enerji dönüşümleri Termodinamiğin temel konuları arasında yer almaktadır. Termodinamik biz mühendislerin lisans eğitimlerimizde aldığımız bilim dalıdır. Mühendislik bölümleri ile ilgili daha fazla bilgi almak isterseniz buraya tıklayabilirsiniz.
Referanslar: Termodinamik Enerji Dönüşümleri Görseller
Dünya Yaşamının Değerli Elementi Karbon
