Enerji Analizi Dersi 3. Ünite Sorularla Öğrenelim

Termodinamik Temel Kavramlar

1. Soru

Saf madde nedir? Örnek veriniz

Cevap

Sistem boyunca maddenin kimyasal bilesimi değişmiyor ve homojen kalıyorsa bu maddeye saf madde diyoruz. Su bir saf maddedir. Örneğin; buzlu su yani sıvı ve katı su bir arada iken her yerde H2O ile suyun bildiğimiz kimyasal yapısında bir değişiklik söz konusu değildir. Her fazda aynı kimyasal yapı bulunmaktadır. Kısaca buz ve su karışımı bir saf maddedir. Benzer durum sıvı buhar karışımı içinde geçerlidir. Oysa hava sıvılaştığında gaz haldekinden farklı bir kimyasal yapısı vardır. Bu durumda tek başına gaz fazdaki hava saf madde olabildiği halde havanın sıvı ve gaz fazlarının karışımı bir saf madde olarak ele alınamaz.


2. Soru

Termodinamiğin tanımı nedir?

Cevap

Termodinamik enerji, enerji dönüşümleri ve özellikle ısı ve iş arasındaki etkileşimi inceleyen bilim dalıdır.


3. Soru

Açık sistemlerin özellikleri nelerdir?

Cevap

Açık sistem veya diğer adıyla kontrol hacmi, uzayda belirlenen problemin çözümüne uygun bir şekilde seçilmiş bir hacmi temsil etmektedir. Kontrol hacmi genellikle kompresör, türbin, lüle gibi içinden akışkan akışı olan ekipmanların analizlerinde gereklidir. Bu ekipmanların içindeki akışların termodinamik analizinde, yaygın olarak ekipmanların fiziksel sınırları sistem sınırları olarak ele alınır. Kontrol hacimlerinin sınırlarını oluşturan kontrol yüzeylerinden kütle ve ısı geçişleri gerçekleşir.


4. Soru

Özgül hacmin tanımı nedir?

Cevap

Bir maddenin özgül hacmi birim kütlesinin hacmi olarak tanımlanır, birimi m3 /kg dır. Özgül hacim biriminden anlaşılacağı gibi yoğunluğun (kg/ m3) tersidir. Yoğunluk ve özgül hacim bağımsız (intensif) özeliklerdir.


5. Soru

Termodinamiğin birinci yasasını açıklayınız.

Cevap

Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin niceliği ile ilgilidir. Birinci yasa, enerji miktarının korunduğunu, enerjinin yoktan var olmadığını ve vardan yok olamayacağını ifade eden bir korunum yasasıdır. Enerji kullanılmasında, bir işlem sırasındaki enerji alış verişlerinde, enerji miktarının bulunmasında uyulması gereken doğa prensibinin ifadesidir.


6. Soru

Termodinamikte özellikler hangi gruplara göre sıralanır? Açıklatınız.

Cevap

Termodinamikte özelikler iki ana grupta sınıflandırılmaktadır: • Bağımlı (yaygın, ekstensif) özelikler ve • Bağımsız (yoğun, intensif) özelikler. Eğer bir özelik, sistemi oluşturan bütün parçaların değerlerinin toplamı sonucunda elde ediliyorsa bu bağımlı bir özeliktir. Diğer bir ifade ile sistemi oluşturan madde miktarına bağlı olan özelik bağımlı özeliktir. Örnek olarak hacim ve iç enerji sistemin kütlesine bağlı özeliklerdir. Eğer özelik madde miktarına bağlı değil ise bağımsız özelik olarak anılmaktadır. Örnek olarak sıcaklık, basınç ve yoğunluk verilebilir. Bağımlı bir özelik kütleye bölünerek bağımsız özelik olabilir. Örneğin hacim kütleye bölünerek özgül hacim elde edilir buda bağımsız özeliktir.


7. Soru

Açık sistem nedir? Açıklayınız

Cevap

Açık sistem veya diğer adıyla kontrol hacmi, uzayda belirlenen problemin çözümüne uygun bir şekilde seçilmiş¸ bir hacmi temsil etmektedir. Kontrol hacmi genellikle kompresör, türbin, lüle gibi içinden akışkan akışı olan ekipmanların analizlerinde gereklidir. Bu ekipmanların içindeki akışların termodinamik analizinde, yaygın olarak ekipmanların fiziksel sınırları sistem sınırları olarak ele alınır. Kontrol hacimlerinin sınırlarını oluşturan kontrol yüzeylerinden kütle ve ısı geçişleri gerçekleşir.


8. Soru

Buz noktası ve buhar noktası kavramlarını açıklayınız.

Cevap

Günümüzde farklı sıcaklık ölçekleri ya da skalaları kullanılmakla beraber tümü bir maddenin kaynama ve donma noktaları gibi sıcaklık değerlerine dayanmaktadır. Bu sıcaklıklar buz noktası veya buhar noktası isimleri ile anılmaktadırlar. Buz noktası, 1 atm basınç altında su ve buz karışımının dengede olduğu sıcaklık, buhar noktası ise 1 atm basınç altında su ve buhar karışımının dengede olduğu sıcaklık olarak kabul edilmektedir.


9. Soru

Kapalı sistemlerin özellikleri nelerdir?

Cevap

Kapalı sistem veya diğer adıyla kontrol kütlesi, sınırlarından kütle geçişi olmayan sistemdir. Kapalı sisteme kütle girişi veya çıkışı olamaz. Sabit bir kütle incelenmek isteniyorsa kapalı sistem seçimi uygundur. Kapalı sistem kısaca sistem yada kontrol kütlesi olarak adlandırılır. Seçilmiş sistemi belirmek için sınırın çizilmesi gerekir. Kapalı sistem sınırlarından enerji, iş veya ısı biçiminde geçebilir.


10. Soru

Sanki denge hal değişimi kavramını açıklayınız

Cevap

Daha önce de söz edildiği gibi sistemin özeliklerinden birisinin değişmesi durumunda sistem hal değiştirir Bu durumda ‘denge’ yeni değerler sistem boyunca geçerli oluncaya kadar bozulmuş olacaktır. Bir hal değişimini tümüyle tanımlayabilmek için, sistemin ilk ve son halleri ile hal değişimi sırasında izlediği yolu ve çevreyle etkileşimlerini bilmek gerekir. Termodinamik denge halleri için geçerli olduğundan hal değişimleri sanki dengeli hal değişimleri olarak dikkate alınmalıdır. Sanki dengeli hal değişimi, sistemin hal değişimi esnasında denge halinde uzaklaşmasının sonsuz küçüklükte gerçekleştiği anlamındadır. Bu durumda bütün sistemin denge şartlarını koruduğu varsayılır. Sanki dengeli hal değişimi sırasında sıcaklık ve basınç dalgalanmaları olmamalıdır. Dolayısıyla hal değişimi, sistem dengeleri sağlanacak biçimde yavaş gerçekleşmelidir. Hal değişiminin hızlı bir biçimde gerçekleşmesi durumunda sistem içerisindeki moleküllerin tamamında beklenen hal değişimi gözlemlenemez ve sistem içerisinde denge hali sağlanamaz.


11. Soru

Termodinamiğin ikinci yasasını açıklayınız.

Cevap

Sistem ya da kontrol hacmi için bir işlem tanımlarken bu işlem gerçekten meydana geliyor mu diye hiç düşünmedik. İş yapıldı ya da iş tüketildi dediğimizde de bu işlemlerin daha iyisi olabilir miydi diye bir düşüncemiz olmadı. Günlük deneyimlerimizle aşina olduğumuz birkaç işlemin olup olmayacağını belki baştan söyleyebiliriz ama sanayideki sayısız işlem için elimizde karar verebilmemizi sağlayacak kurallar olmalı. İşte Termodinamiğin ikinci yasası ya da kısaca ikinci yasa bu duruma açıklık getirir. Termodinamiğin ikinci yasası; enerji geçişlerinin ancak belli bir yönde gerçekleşebileceğini, gerçek olayların olduğu gibi geriye dönülemeyecek şekilde meydana geldiğini bu nedenle de her geçişte enerjinin kullanılabilir iş kapasitesinin neden azaldığını açıklayan, enerjinin niteliği ile ilgili bilgiler sağlayan yasadır. En önemlisi, enerji korunumu hesabına göre uygun olduğu halde işlemlerin gerçekleşip gerçekleşemeyeceğini bir hesapla ortaya koyabilmemizi sağlayacak büyüklükleri ortaya koyar.


12. Soru

Isıl denge, mekanik denge, kimyasal denge ve termodinamik dengenin tanımları nelerdir?

Cevap

Isıl denge; sistemin her noktasında sıcaklığın aynı olması durumudur.
Mekanik denge; sistemin her noktasında basıncın aynı kalması durumudur.
Kimyasal denge; sistemin kimyasal bileşiminde bir değişiklik olmadığı durumdur.
Termodinamik denge; sistemin tüm denge hallerine sahip olduğu durumdur.


13. Soru

İstatiksel Termodinamik ve Klasik Termodinamik arasında çalışma alanları açısından ne gibi bir fark vardır?

Cevap

İstatistiksel Termodinamik atomik parçacık seviyesindeki yani mikroskobik mertebedeki etkileşimlerle ilgilenir. Moleküllerin ortalama toplam tesirlerini dikkate alarak yapılan analizler yani mikroskobik incelemeler Klasik Termodinamik kapsamına girer.


14. Soru

Termodinamik nedir?

Cevap

Termodinamik enerji, enerji dönüşümleri ve özellikle ısı ve iş arasındaki etkileşimi inceleyen bilim dalıdır.


15. Soru

Efektif basınç nedir?

Cevap

Termodinamik analizlerde daha çok basıncın mutlak değeriyle ilgilenilir. Ancak basınç ölçen cihazlar daha çok atmosfer basıncından itibaren ölçüm yaptıkları için gösterdikleri değerler mutlak basınçla atmosfer basıncı arasındaki farktır. Bu fark efektif basınç olarak adlandırılır.


16. Soru

Isı geçişi hangi durumlarda meydana gelir?

Cevap

Isı geçişinin gerçekleşebilmesi için mutlaka sıcaklık farkının olması gereklidir ve bu geçişin yönü her zaman yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğrudur. Aynı sıcaklıktaki sistemler arasında ısı geçişi gerçekleşemez. Isı bir enerji geçişini göstermektedir. Isı sistemin sahip olduğu enerjilerden birisi değildir ve ancak sistem sınırlarında gözlenir. Isı ? ile gösterilir ve birimi kJ’dür. Isı geçişi, sıcaklık farkı, sistemin geometrisi, fiziksel özellikleri, ortam koşullar gibi hususların tümü dikkate alınarak hesaplanır. Bu hesaplar için kullanılacak özel yasa ifadeleri vardır. Bunlar ısı geçişi olarak bilinen bir bilim dalında incelenmektedir. Biz termodinamikte daha ziyade toplam geçen ısının miktarı Q ile ilgileniyoruz.


17. Soru

Kelvin-Planck ifadesinin tanımı nedir?

Cevap

Kelvin-Planck ifadesi: Isı makinelerinin dayandığı esası açıklayan ikinci yasa ifadesidir. Bir buhar güç santrali bir ısı makinesidir. Santralde, çalışan akışkan olan su, kazanlarda buharlaştırılır. Bu durum bir yakıtın yanmasıyla sağlanır ve “yüksek sıcaklık kaynağından ısı çekilmesi” anlamına gelir. Buhar türbinlere gönderilerek türbin kanatlarının dönmesi sağlanır, böylece jeneratörden elektrik enerjisi şeklinde iş üretilir. Türbinde basıncı ve sıcaklığı düşerek çıkan buhar, ilk haline dönmesi yani “sürekli iş üretmek” için yoğuşturuculara gönderilir. Bu “düşük sıcaklıktaki ısı kaynağına ısı atılması” demektir. Su yeniden buharlaşmak üzere kazana pompalarla basılır. Böylece, çalışan akışkan olan su termodinamik çevrimi tamamlamış olur.


18. Soru

Saf maddenin tanımı ve özellikleri nelerdir?

Cevap

Sistem boyunca maddenin kimyasal bileşimi değişmiyor ve homojen kalıyorsa bu maddeye saf madde diyoruz. Bir saf madde katı, sıvı ve gaz fazlarında bulunabileceği gibi bu fazların karışımı olarak da bulunabilir. Birden fazla faz bir arada iken maddenin saf madde olup olamayacağına kolayca karar verebiliriz.


19. Soru

Doyma sıcaklığı ve doyma basıncının tanımı nedir?

Cevap

Maddenin faz değiştirmesi sırasında özel hallerle karşılaşırız. Bir saf madde sabit basınç altında ısıtılarak buharlaştırılabilir yani sıvı fazdan gaz faza geçilir. Buharlaşmanın başladığı sıcaklık doyma sıcaklığı olarak adlandırılır. Doyma sıcaklığına karşı gelen basınç ise doyma basıncı olarak anılır. Doyma basınç ve sıcaklığındaki sıvı doymuş sıvı, buhar doymuş buhar olarak adlandırılır.


20. Soru

Sıcaklık ve ısı arasındaki farklılıklar nelerdir?

Cevap

Sıcaklık bir özeliktir ve termometre ile ölçülür, moleküllerin ortalama kinetik enerjilerinin bir ölçüsüdür. Sıcaklık ölçüm birimleri; Celcius, Kelvin, Fahrenheit, Reamürdür. Isı yalnızca sıcaklık farkı olduğunda geçtiği bilinen bir enerjidir. Doğrudan ölçülemez, tesirlerinden hareketle hesaplanarak miktarı bulunur. Isı birimleri SI’da Joule (J) ve CGS birim sisteminde ise Calori (cal)’dir.


21. Soru

Termodinamiğin konusu nedir?

Cevap

Madde ve enerjiyi ilgilendiren her konu termodinamiğin konusudur. Madde ve enerji arasındaki bütün etkileşimlerde termodinamik ilkeler geçerlidir. Madde ve enerji olmadan bir yaşam düşünemeyeceğimize göre, yasam tamamen termodinamiğin bir uygulama alanıdır.


22. Soru

Sıfırıncı yasa nedir?

Cevap

Termodinamiğin sıfırıncı yasası ısıl denge kavramından yararlanır. Yasaya göre iki ayrı cisim bir üçüncü cisim ile ısıl dengede ise cisimlerin de kendi aralarında ısıl dengede olacaklarını belirtmektedir. Bu yasa sıcaklık ölçümlerinin geçerliliği açısından gerekli bir yasadır.


23. Soru

Isı kaynağı kavramının tanımı nedir?

Cevap

Isı kaynağı: Isı çekildiğinde ya da ısı atıldığında sıcaklığı değişmeyen sonsuz kapasiteli kabul edilebilecek ısıl enerji deposudur. Sıcaklığı yüksek olan ısı kaynaklarına yüksek sıcaklıklı sıcak ısı kaynağı yada kısaca ısı kaynağı denir. Düşük sıcaklıktaki ve ısıl enerjinin atıldığı kaynak ise soğuk ısı kaynağı ya da ısıl enerji kuyusu diye adlandırılır.


24. Soru

Termodinamik çevrim, çalışan akışkan ve ısı makinesi kavramlarının tanımları nedir?

Cevap

Termodinamik çevrim: Hal değişimlerinin peş peşe meydana gelerek yeniden başlangıç haline ulaşılmasıyla ortaya çıkan dönel hal değişimi.
Çalışan akışkan: Çevrim boyunca ısı geçişi olan ve hal değiştiren akışkana iş yapan akışkan ya da çalışan akışkan denir.
Isı makinesi : İş üreten makinedir.


25. Soru

Sistem, çevre ve sistem sınırı kavramlarını açıklayınız.

Cevap

Sistem: Termodinamik açıdan incelenmek üzere seçilen kütle ya da hacimdir. Çevre: Sistemin dışında bulunan her şey çevre olarak adlandırılır. Sistem sınırı: Sistemi çevresinden ayıran yüzeye sınır denir. Sistem sınırı gerçek veya hayali bir yüzeydir. Sistem sınırı sabit ya da hareketli olabilir. Matematiksel açıdan, sınırın kalınlığı sıfırdır, bu nedenle de kütlesi ve hacmi yoktur. Analize ve sisteme uygun olarak sistem sınırını biz çizeriz ve böylece analize başlamış¸ oluruz. Çevre ve sistem arasındaki her türlü etkileşim sınır boyunca gerçekleşir.


26. Soru

Clausius ifadesinin açıklaması nedir?

Cevap

Clausius ifadesi: “Isıyı bir düşük sıcaklık kaynağından yüksek sıcaklık kaynağına kendiliğinden aktaracak bir makine yapmak olanaksızdır.” Bu ifadede yer alan en önemli terim “kendiliğinden” kelimesidir. Burada kastedilen “çevrede hiçbir tesir bırakmayarak” işlemin meydana gelebilmesidir. Eğer ısı aktarımını dışarıdan iş vererek sağlayacak lursak çevrede değişiklik yapılmış olur. Clausius ifadesi iki ısı kaynağının olduğunu belirtir.


27. Soru

Termodinamiğin birinci yasası nedir?

Cevap

Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin niceliği ile ilgilidir. Birinci yasa, enerji miktarının korunduğunu, enerjinin yoktan var olmadığını ve vardan yok olamayacağını ifade eden bir korunum yasasıdır. Enerji kullanılmasında, bir işlem sırasındaki enerji alış verişlerinde, enerji miktarının bulunmasında uyulması gereken doğa prensibinin ifadesidir


28. Soru

Bir sistemin hal ve özelliklerini tanımlayınız.

Cevap

Bir sistemi tanımlayabilmek için hem ölçülebilen hem de hesaplanabilen karakteristiklerini yani özeliklerini bilmemiz gerekir. Basınç (P), hacim (V), sıcaklık (T) ve kütle (m) ölçülebilen ve en iyi bilinen özeliklerdir. Herhangi bir sistemin içinde bulunduğu durum özeliklerle tanımlanır, biz bunu sistemin hali olarak ifade ediyoruz. Sistemin durumunu özelikler belirlediğine göre, özeliklerden bir tanesi bile değiştiğinde sistem başka bir halde olacaktır. Bunu “Bir sistemin belirtilen bir halinde özeliklerin yalnızca bir değeri vardır” diye söyleyebiliriz.


29. Soru

Termodinamikte sıcaklık ölçeği nedir?

Cevap

Sıcaklık ölçeklerinin yanında termodinamikte maddelerin özeliklerinden bağımsız bir sıcaklık ölçeği kullanılmak istenmiş ve termodinamiğin ikinci yasasıyla ilişkili olarak termodinamik sıcaklık ölçeği ortaya konmuştur. SI birim sisteminde bu ölçek Kelvin (K) mutlak sıcaklık ölçeğidir.


30. Soru

Sistem, çevre ve sistem sınırı kavramlarının tanımı nedir?

Cevap

Sistem: Termodinamik açıdan incelenmek üzere seçilen kütle yada hacimdir.
Çevre: Sistemin dışında bulunan her şey çevre olarak adlandırılır.
Sistem sınırı: Sistemi çevresinden ayıran yüzeye sınır denir. Sistem sınırı gerçek veya hayali bir yüzeydir. Sistem sınırı sabit ya da hareketli olabilir. Matematiksel açıdan, sınırın kalınlığı sıfırdır, bu nedenle de kütlesi ve hacmi yoktur. Analize ve sisteme uygun olarak sistem sınırını biz çizeriz ve böylece analize başlamış oluruz. Çevre ve sistem arasındaki her türlü etkileşim sınır boyunca gerçekleşir.


31. Soru

Termodinamikte özellikle kaç gruba ayrılır ve özellikleri nelerdir?

Cevap

Termodinamikte özelikler iki ana grupta sınıflandırılmaktadır: bağımlı (yaygın, ekstensif) özelikler, bağımsız (yoğun, intensif) özelikler. Eğer bir özelik, sistemi oluşturan bütün parçaların değerlerinin toplamı sonucunda elde ediliyorsa bu bağımlı bir özeliktir. Diğer bir ifade ile sistemi oluşturan madde miktarına bağlı olan özelik bağımlı özeliktir. Örnek olarak hacim ve iç enerji sistemin kütlesine bağlı özeliklerdir. Eğer özelik madde miktarına bağlı değil ise bağımsız özelik olarak anılmaktadır. Örnek olarak sıcaklık, basınç ve yoğunluk verilebilir. Bağımlı bir özelik kütleye bölünerek bağımsız özelik olabilir. Örneğin hacim kütleye bölünerek özgül hacim elde edilir bu da bağımsız özeliktir.


32. Soru

Termodinamiğin sözlü ifadeleri nelerdir? Kısaca açıklayınız.

Cevap

İkinci yasanın iki sözlü ifadesi vardır. Bunlar; • Kelvin-Planck ve • Clausius ifadeleridir. Kelvin-Planck ifadesi: Tek bir ısı kaynağı kullanılarak, termodinamik bir çevrim çerçevesinde çalışarak sürekli olarak iş veren bir ısı makinesinin yapılması olanaksızdır. Kelvin- Planck ifadesi aslında, ısı makinelerinin verimin %100 olamayacağını söylemektedir. Clausius ifadesi: Isı hiçbir zaman kendiliğinden, düşük sıcaklıktaki ısı kaynağından yüksek sıcaklıktaki bir ısı kaynağına geçemez. Böyle bir çevrim gerçekleştiren bir makinenin yapılması olanaksızdır. Burada “kendiliğinden” kelimesine dikkat edilmelidir. Clausius ifadesi iki ısı kaynağının olduğunu, düşük sıcaklıktaki ortamdan ısı çekilmesi yani soğutma tesiri yaratılması ve yüksek sıcaklık kaynağına ısı atılması yani ısıtma tesirinin yaratılması için mutlaka dışarıdan iş verilmesi gerektiğini belirtir.


33. Soru

Termodinamikte denge nedir? Sistemin denge hallerini açıklayınız.

Cevap

Klasik termodinamik dengeye ya da bir denge halinden diğerine geçişe ayrı bir önem vermektedir. Denge, mekanikte karşıt kuvvetlerin eşit olduğunu ifade ederken termodinamikte denge kavramı, verilen bir zamanda sistemin her noktasındaki özeliklerin aynı olduğunu göstermektedir. Diğer bir ifade ile sistemi etkileyen tüm etkenlerin dengede olması halinde sistem özeliklerinde bir değişim yoksa bu sistemler için termodinamik açıdan dengede olduğu söylenir. Sistemin denge halleri şöyle sıralanabilir: • Isıl denge; sistemin her noktasında sıcaklığın aynı olması durumudur. • Mekanik denge; sistemin her noktasında basıncın aynı kalması durumudur. • Kimyasal denge; sistemin kimyasal bileşiminde bir değişiklik olmadığı durumdur. • Termodinamik denge; sistemin tüm denge hallerine sahip olduğu durumdur.


34. Soru

Kapalı sistem nedir? Açıklayınız.

Cevap

Kapalı sistem veya diğer adıyla kontrol kütlesi, sınırlarından kütle geçişi olmayan sistemdir. Kapalı sisteme kütle girişi veya çıkısı olamaz. Sabit bir kütle incelenmek isteniyorsa kapalı sistem seçimi uygundur. Kapalı sistem kısaca sistem ya da kontrol kütlesi olarak adlandırılır. Seçilmiş¸ sistemi belirmek için sınırın çizilmesi gerekir. Kapalı sistem sınırlarından enerji, iş veya ısı biçiminde geçebilir. Kapalı sistemlerin özel bir tipi olan izole sistemlerde hem enerji hem de kütle geçişi gerçekleşmez. İzole sistemin çevresi ile hiçbir etkileşimi de olmaz.


35. Soru

Isı nedir?

Cevap

Yüksek sıcaklıktaki bir cisim düşük sıcaklıktaki bir ortama bırakıldığında veya düşük sıcaklıktaki cisimle temas ettirildiğinde, bırakıldığı çevre ya da temas ettirildiği ortamla aynı sıcaklığa ulaşıncaya kadar bir enerji geçişi gerçekleşmektedir. Bu enerji ısı olarak adlandırılır. Isı geçişi her zaman yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru kendiliğinden olur.


36. Soru

Bir cismin sıcaklığı 30 °C artmaktadır. Bu artışı Kelvin (K) ölçeğine göre nasıl belirtiriz?

Cevap

Soruda istenilen sıcaklık değişimidir. Bu Kelvin ve Celcius ölçeklerinde aynıdır, bu nedenle T (K) = 30'dur.


Kayıt Yenileme (Ders Ekle Sil)
7 Şubat 2022 Pazartesi