Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Prof. Dr. Ali PINARBAŞI Bölüm 6 TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASI.

... konulu sunumlar: "Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Prof. Dr. Ali PINARBAŞI Bölüm 6 TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASI."— Sunum transkripti:

1 Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Prof. Dr. Ali PINARBAŞI Bölüm 6 TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASI Termodinamik: Mühendislik Yaklaşımıyla, 5. Baskı Yunus A. Çengel, Michael A. Boles Çeviri Editörü: Ali PINARBAŞI McGraw-Hill, 2008 1

2 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 2 Termodinamiğin ikinci yasasına giriş yapmak.. Termodinamiğin 1 ve 2. 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 2. yasasını çevrimlere ve çevrimsel çalışan makinelere uygulamak. Mutlak termodinamik sıcaklık ölçeğini belirlemek için ikinci yasanın uygulanması. Carnot çevriminin tanımlanması. İdeal Carnot ısı ve soğutma makinelerinin ve ısı pompalarının incelenmesi. Tersinir ısı makineleri, ısı pompaları ve soğutma makineleri için ısıl verimler ve etkinlik katsayıları ifadelerinin belirlenmesi. Termodinamiğin ikinci yasasına giriş yapmak.. Termodinamiğin 1 ve 2. 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 2. yasasını çevrimlere ve çevrimsel çalışan makinelere uygulamak. Mutlak termodinamik sıcaklık ölçeğini belirlemek için ikinci yasanın uygulanması. Carnot çevriminin tanımlanması. İdeal Carnot ısı ve soğutma makinelerinin ve ısı pompalarının incelenmesi. Tersinir ısı makineleri, ısı pompaları ve soğutma makineleri için ısıl verimler ve etkinlik katsayıları ifadelerinin belirlenmesi. Amaçlar

3 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 3 TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASINA GİRİŞ Daha soğuk bir odada bulunan bir fincan sıcak kahve daha çok ısınmaz. Tele ısı geçişi elektrik üretimine yol açmaz. Çarka ısı geçişi çarkın dönmesini sağlamaz. Bu işlemler birinci kanuna uymalarına rağmen gerçekleşemezler. Hal değişimleri belirli bir yönde gerçekleşir. Ters yönde gerçekleşmez. Bir hal değişiminin gerçekleşebilmesi için termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının sağlanması zorunludur.

4 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 4 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. 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.

5 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 5 ISIL ENERJİ DEPOLARI Isıl enerji sığaları büyük kütleler, ısıl enerji deposu olarak tanımlanabilir. Kışın çok sayıda konuttan çevre havaya olan ısı geçişli sonucu atmosfer ısınmaz. Benzer şekilde, güç santralleri tarafından büyük akarsulara bırakılan MJoule mertebelerindeki atık enerji, su sıcaklığında önemli bir değişikliğe neden olmaz. 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 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

6 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 6 ISI MAKİNELERİ İşin tümü her zaman ısıl enerjiye dönüştürülebilir, fakat bunun tersi doğru değildir. İşin doğrudan ısıya dönüştürülebileceği aygıtlar ısı makinaları olarak adlandırılırlar. Makineler ısıyı işe dönüştürürler. 1.Yüksek sıcaklıktaki bir kaynaktan (güneş enerjisi, kazanlar, nükleer reaktörler vb.) ısı alırlar. 2.Geri kalan atık ısıyı düşük sıcaklıktaki bir kuyuya (atmosfer, akarsular, vb.) verirler. 3.Bir çevrim gerçekleştirerek çalışırlar. iş akışkanı Isı makineleri ve bir çevrime göre çalışan diğer makineler, çevrimi gerçekleştirirken ısı alışverişini yapabilecekleri ortam olarak genellikle bir akışkan içerirler. Bu akışkana iş akışkanı denir. Makineler ısıyı işe dönüştürürler. 1.Yüksek sıcaklıktaki bir kaynaktan (güneş enerjisi, kazanlar, nükleer reaktörler vb.) ısı alırlar. 2.Geri kalan atık ısıyı düşük sıcaklıktaki bir kuyuya (atmosfer, akarsular, vb.) verirler. 3.Bir çevrim gerçekleştirerek çalışırlar. iş akışkanı Isı makineleri ve bir çevrime göre çalışan diğer makineler, çevrimi gerçekleştirirken ısı alışverişini yapabilecekleri ortam olarak genellikle bir akışkan içerirler. Bu akışkana iş akışkanı denir. Isı makinesi aldığı ısının bir bölümünü işe dönüştürür, geri kalanını düşük sıcaklıktaki bir ısıl kuyuya verir.

7 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 7 Buzdolabının kapısını açmakla evi soğutamazsınız Genelde yapılan işe para öderiz, dışardan çekilen ısıya değil. Isı Pompası

8 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 8 Bir buharlı güç santrali Isı makinesinin yaptığı işin bir bölümü, sürekli çalışmayı sağlamak için çevrim içinde kullanılır. bir çevrim geçiren kapalı bir sistem için iç enerji değişimi U sıfırdır. Bu nedenle sistemin net işi, sisteme olan net ısı geçişine eşit olacaktır: bir çevrim geçiren kapalı bir sistem için iç enerji değişimi U sıfırdır. Bu nedenle sistemin net işi, sisteme olan net ısı geçişine eşit olacaktır:

9 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 9 Isıl verim Isı makinasına giren ısıl enerjinin net işe dönüştürülen kısmı, ısı makinasının etkinliğinin bir ölçüsüdür ve ısıl verim olarak adlandırılır. Bazı ısı makinelerinin verimi daha yüksektir (aldıkları ısının daha büyük kısmını işe dönüştürürler). Isı makinesinin genel çizimi Buji ateşlemeli otomobil motorları yaklaşık % 25, diesel motorları ve büyük gaz-türbini santrallerinde % 40’lara, birleşik gaz buhar türbinli güç santrallerinde ise % 60’lara kadar çıkabilmektedir.

10 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 10 Q çıkan Olmayabilir mi? Bir ısı makinesi çevrimi, düşük sıcaklıktaki ısıl kuyuya bir miktar enerji vermeden tamamlanamaz. Bir buharlı güç santralinin yoğuşturucusunda, büyük miktarlarda atık ısı akarsulara, göllere veya atmosfere atılmaktadır. Bu durumda yoğuşturucu santralden çıkarılıp söz konusu atık ısıdan tasarruf edilemez mi? Bu sorunun yanıtı, ne yazık ki kesin bir hayırdır. Çünkü, yoğuşturucuda ısı atılma işlemi gerçekleşmeden çevrim tamamlanamaz. Bir buharlı güç santralinin yoğuşturucusunda, büyük miktarlarda atık ısı akarsulara, göllere veya atmosfere atılmaktadır. Bu durumda yoğuşturucu santralden çıkarılıp söz konusu atık ısıdan tasarruf edilemez mi? Bu sorunun yanıtı, ne yazık ki kesin bir hayırdır. Çünkü, yoğuşturucuda ısı atılma işlemi gerçekleşmeden çevrim tamamlanamaz. İdeal koşullarda olsa bile, bütün ısı makinelerinin çevrimlerini tamamlayabilmek için bir miktar enerjiyi düşük sıcaklıktaki bir ısı deposuna atık olarak vermesi gerekir. 90 ˚C sıcaklıkta bulunan ve sisteme fazladan verilmiş olan 85 kJ ısıl enerji, 100 ˚C sıcaklıktaki ısıl depoya sonradan kullanılmak üzere geri verilebilir mi?

11 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 11 ÖRNEK Bir ısı makinasına kazandan 80 MW ısı geçişi olmaktadır. Isı makinasının yakınındaki bir akarsuya atık olarak verdiği ısı 50 MW olduğuna göre, bu ısı makinasının net gücünü ve ısıl verimini belirleyin. Isı makinası aldığı ısının yüzde 37.5’sini işe dönüştürmektedir.

12 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 12 ÖRNEK 50 kW gücündeki bir otomobil motorunun ısıl verimi yüzde 24’tür. Yakıtın ısıl değeri 44000 kJ/kg olduğuna (yakılan her 1 kg yakıt için 44000 kJ ısı açığa çıktığına) göre, motorun saatteki yakıt tüketimini belirleyin. Birim zamanda bu kadar enerji sağlaması için motorun yakması gereken yakıt kütlesi, yakıtın ısıl değeri kullanılarak hesaplanabilir: Eğer otomobil motorunun ısıl verimi iki katına çıkarılabilseydi, yakıt tüketimi yarıya düşerdi.

13 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 13 Termodinamiğin İkinci Yasası: Kelvin-Planck İfadesi Termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan bir makinenin, yalnızca bir kaynaktan ısı alıp net iş üretmesi olanaksızdır. İkinci yasanın Kelvin-Planck ifadesine aykırı bir ısı makinesi. 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. 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.

14 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 14 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. 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.

15 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 15 Etkinlik Katsayısı Bir soğutma makinesinin verimi, etkinlik katsayısı ile ifade edilir ve COP SM ile gösterilir. Soğutma makinesinin amacı, soğutulan ortamdan ısı (Q L ) çekmektir. Bir soğutma makinesinin verimi, etkinlik katsayısı ile ifade edilir ve COP SM ile gösterilir. Soğutma makinesinin amacı, soğutulan ortamdan ısı (Q L ) çekmektir. Burada, COP SM değerinin birden büyük olacaktır. Soğutulan ortamdan çekilen ısı miktarı, bunu sağlamak için soğutma makinasına verilen işten büyük olabilir. Burada, COP SM değerinin birden büyük olacaktır. Soğutulan ortamdan çekilen ısı miktarı, bunu sağlamak için soğutma makinasına verilen işten büyük olabilir. Bir soğutma makinesinin amacı, soğutulan ortamdan Q L ısısını çekmektir.

16 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 16 Isı Pompaları Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek sıcaklıktaki bir ortama ısıl enerji aktaran makina ısı pompasıdır. Soğutma makinaları ve ısı pompaları aynı çevrime göre çalışırlar fakat kullanım amaçları farklıdır. Bir soğutma makinasının kullanım amacı, soğutulan ortamdan ısı çekilerek bu ortamın düşük sıcaklıkta tutulmasını sağlamaktır. Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek sıcaklıktaki bir ortama ısıl enerji aktaran makina ısı pompasıdır. Soğutma makinaları ve ısı pompaları aynı çevrime göre çalışırlar fakat kullanım amaçları farklıdır. Bir soğutma makinasının kullanım amacı, soğutulan ortamdan ısı çekilerek bu ortamın düşük sıcaklıkta tutulmasını sağlamaktır. Bir ısı pompasının amacı, ılık ortama Q H ısısını vermektir. COP IP ‘in değeri birden daha küçük olabilir mi? COP IP =1 neyi gösterir? COP IP ‘in değeri birden daha küçük olabilir mi? COP IP =1 neyi gösterir? Bir ısı pompasına giren iş, soğuk dış ortamdan alınan ısıl enerjinin, ılık iç ortama verilmesini sağlar.

17 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 17 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. COP değeri, soğutma sıcaklığının düşüşüyle azalmaktadır. Bu nedenle gerek duyulan sıcaklıktan daha düşük sıcaklıklara soğutma işlemi ekonomik değildir. Ters yönde yerleştirildiğinde, bir iklimlendirme cihazı, ısı pompası gibi çalışır. Soğutucuların COP değerleri yaklaşık olarak, Kesim ve hazırlama odaları için 2.6-3.0; Et, şarküteri ürünleri veya günlük yiyecek malzemelerinin saklanması için 2.3-2.6; Donmuş yiyecekler için 1.2-1.5; Dondurma ürünleri için ise 1.0-1.2

18 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 18 ÖRNEK Bir buzdolabının yiyecek bölümünün 4 ˚C sıcaklıkta tutulması için bu bölümden dakikada 360 kJ ısı çekilmektedir. Buzdolabını çalıştırmak için gerekli güç 2 kW olduğuna göre, (a)buzdolabının etkinlik katsayısını ve (b)buzdolabının bulunduğu odaya atılan ısı miktarını belirleyin. a- Buzdolabının etkinlik katsayısı Yani, buzdolabının tükettiği her kJ enerji için soğutulan bölümden 3 kJ ısı çekilmektedir. b- Buzdolabının bulunduğu odaya atılan ısı, çevrim gerçekleştirerek çalışan makinalar için enerjinin korunumu: Soğutulan ortamdan çekilen ısıyla, buzdolabının elektrik enerjisi olarak tükettiği işin toplamı, odaya bırakılan işe eşittir. Odaya verilen ısı, odanın iç enerjisini (sıcaklığını) artırmaktadır. Bu durum, enerjinin bir biçimden diğerine dönüşebildiğini; bir ortamdan başka bir ortama aktarılabildiğini; ancak hiçbir zaman yok olmadığını göstermektedir.

19 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 19 ÖRNEK Bir evin ısıtılması için ısı pompası kullanılmakta ve bu ısı pompası evin sıcaklığını 20 ˚C’de tutmaktadır. Dış ortam sıcaklığının -2 ˚C’ye düştüğü bir gün, evin ısı kaybının saatte 80000 kJ olduğu tahmin edilmektedir. Bu koşullarda ısı pompası 2.5 COP değerine sahip ise, (a)Isı pompasının harcadığı gücü ve (b)Dış ortamdan birim zamanda çekilen ısıyı belirleyin. a- Isı pompasının harcadığı güç b- Dış ortamdan birim zamanda çekilen ısı: Eve bir saatte verilen 80000 kJ ısının 48000 kadarlık bölümü soğuk dış ortamdan çekilmektedir. Böylece, ısı pompasına iş olarak verilen elektrik enerjisi karşılığı olarak saatte 32000 kJ enerji bedeli ödenmektedir. Eğer doğrudan bir elektrikli ısıtıcı kullanılsaydı ödenecek fatura 2.5 katı kadar olurdu. Bu durum, ilk yatırım maliyetinin yüksekliğine karşın ısı pompalarının neden yaygınlaştığını ve basit elektrik dirençli ısıtıcılara tercih edildiğini açıklamaktadır. Eve bir saatte verilen 80000 kJ ısının 48000 kadarlık bölümü soğuk dış ortamdan çekilmektedir. Böylece, ısı pompasına iş olarak verilen elektrik enerjisi karşılığı olarak saatte 32000 kJ enerji bedeli ödenmektedir. Eğer doğrudan bir elektrikli ısıtıcı kullanılsaydı ödenecek fatura 2.5 katı kadar olurdu. Bu durum, ilk yatırım maliyetinin yüksekliğine karşın ısı pompalarının neden yaygınlaştığını ve basit elektrik dirençli ısıtıcılara tercih edildiğini açıklamaktadır.

20 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 20 Termodinamiğin ikinci Yasası: Clausius ifadesi Termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan ve düşük sıcaklıktaki bir cisimden aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki bir cisme aktarmak dışında hiçbir enerji etkileşiminde bulunmayan bir makine tasarlamak olanaksızdır. Buzdolabının kompresörüne bir elektrik motoru gibi herhangi bir dış güç kaynağı yoluyla iş girişi olmadan, buzdolabının kendiliğinden çalışamayacağı anlamına gelir. Böylece çevrimin çevre üzerindeki net etkisi, ısının daha soğuk bir cisimden daha sıcak olana aktarılması yanında, iş biçiminde bir miktar enerji tüketmesidir. Bugüne kadar ikinci yasaya aykırı bir deney yapılamamıştır. Bu da ikinci yasanın geçerliliğinin yeterli bir kanıtıdır. Buzdolabının kompresörüne bir elektrik motoru gibi herhangi bir dış güç kaynağı yoluyla iş girişi olmadan, buzdolabının kendiliğinden çalışamayacağı anlamına gelir. Böylece çevrimin çevre üzerindeki net etkisi, ısının daha soğuk bir cisimden daha sıcak olana aktarılması yanında, iş biçiminde bir miktar enerji tüketmesidir. Bugüne kadar ikinci yasaya aykırı bir deney yapılamamıştır. Bu da ikinci yasanın geçerliliğinin yeterli bir kanıtıdır.

21 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 21 İki ifadenin Eşanlamlılığı 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. 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. Kelvin-Planck ifadesine aykırı bir durumun Clausius ifadesine de aykırı olacağının kanıtı.

22 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 22 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), İkinci 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. Devridaim makinesi: Birinci ve ikinci yasalardan herhangi birine aykırı olan makinelerdir. Birinci yasaya aykırı olan (yani yoktan enerji var eden) makinelere (DDM1), İkinci 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.

23 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 23 TERSİNİR VE TERSİNMEZ HAL DEĞİŞİMLERİ Tersinir hal değişimi: Çevrede herhangi bir iz bırakmadan tersi yönde gerçekleştirilebilen bir hal değişimi olarak tanımlanır. Tersinmez hal değişimi: Tersinir olmayan hal değişimlerine denir. Tersinir hal değişimi: Çevrede herhangi bir iz bırakmadan tersi yönde gerçekleştirilebilen bir hal değişimi olarak tanımlanır. Tersinmez hal değişimi: Tersinir olmayan hal değişimlerine denir. En çok iş, tersinir hal değişimleri sırasında yapılır. En az iş, tersinir hal değişimleri sırasında gerekir. En çok iş, tersinir hal değişimleri sırasında yapılır. En az iş, tersinir hal değişimleri sırasında gerekir. Doğada tersinir hal değişimlerine rastlanmaz. Neden tersinir hal değişimleriyle uğraşırız ? İncelemek kolaydır Gerçek hal değişimlerinin karşılaştırılabileceği ideal modeller oluştururlar. Bazı hal değişimleri diğerlerine göre daha çok tersinmezdir. Tersinir hal değişimlerini tahmin etmeye çalışırız. Niçin? Doğada tersinir hal değişimlerine rastlanmaz. Neden tersinir hal değişimleriyle uğraşırız ? İncelemek kolaydır Gerçek hal değişimlerinin karşılaştırılabileceği ideal modeller oluştururlar. Bazı hal değişimleri diğerlerine göre daha çok tersinmezdir. Tersinir hal değişimlerini tahmin etmeye çalışırız. Niçin?

24 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 24 Tersinmezlikler tersinmezlikler 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. Etkenlerden herhangi birinin varlığı, hal değişimini tersinmez yapar. tersinmezlikler 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. Etkenlerden herhangi birinin varlığı, hal değişimini tersinmez yapar. Sonlu sıcaklık farkında ısı geçişi tersinmezdir. Soğuk ortamdan sıcak ortama kendiliğinden ısı geçişi olanaksız Sürtünme, bir hal değişimini tersinmez yapar.

25 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 25 İçten ve Dıştan Tersinir Hal Değişimleri İçten tersinir hal değişimi :İçten tersinir hal değişimi : Hal değişimi sırasında sistemin sınırları içinde tersinmezlikler meydana gelmiyorsa. Dıştan tersinir hal değişimi :Dıştan tersinir hal değişimi : Sistemin sınırları dışında tersinmezlikler meydana gelmiyorsa Tümden tersinir hal değişimi :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. İçten tersinir hal değişimi :İçten tersinir hal değişimi : Hal değişimi sırasında sistemin sınırları içinde tersinmezlikler meydana gelmiyorsa. Dıştan tersinir hal değişimi :Dıştan tersinir hal değişimi : Sistemin sınırları dışında tersinmezlikler meydana gelmiyorsa Tümden tersinir hal değişimi :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. Tersinir bir hal değişiminde sistem sınırları içinde ve dışında tersinmezlikler yoktur.

26 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 26 CARNOT ÇEVRİMİ Tersinir sabit sıcaklıkta genişleme (1-2 hal değişimi, T H =sabit) Tersinir adyabatik genişleme (2-3 hal değişimi, sıcaklık T H ’den T L ’ye düşmektedir) Tersinir sabit sıcaklıkta sıkıştırma (3-4 hal değişimi, T L =sbt) Tersinir adyabatik sıkıştırma (4-1 hal değişimi, sıcaklık T L’ den T H’ ye yükselmektedir) Hal değişimlerindeki tersinmezlikler yok edilemediğinden, gerçek uygulamalarda tersinir çevrimler başarılamaz. Bununla birlikte tersinir çevrimler gerçek çevrimlerin verimlerinin üst sınırlarını belirler. Tersinir çevrime göre çalışan ısı makinaları ve soğutma makinaları, gerçek makinaların karşılaştırılacağı modeller oluştururlar. 1824 yılında Fransız mühendis Sadi Carnot tarafından ortaya atılan çevrimdir. Carnot çevrimi, ikisi sabit sıcaklıkta, ikisi de adyabatik olmak üzere dört hal değişiminden oluşur. 1824 yılında Fransız mühendis Sadi Carnot tarafından ortaya atılan çevrimdir. Carnot çevrimi, ikisi sabit sıcaklıkta, ikisi de adyabatik olmak üzere dört hal değişiminden oluşur. Bir tersinir çevrim olan Carnot çevrimi, belirli iki sıcaklık sınırı arasında gerçekleşen en yüksek verime sahip çevrimdir.

27 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 27 Carnot çevriminin P-V diyagramı. Ters Carnot çevriminin P-V diyagramı. TERS CARNOT ÇEVRİMİ Carnot ısı makinesi çevrimi tümden tersinir bir çevrimdir. Onu oluşturan tüm hal değişimleri ters yönde gerçekleştirilebilir. Bu durumda Carnot soğutma makinesi çevrimi elde edilir. Carnot ısı makinesi çevrimi tümden tersinir bir çevrimdir. Onu oluşturan tüm hal değişimleri ters yönde gerçekleştirilebilir. Bu durumda Carnot soğutma makinesi çevrimi elde edilir.

28 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 28

29 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 29

30 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 30

31 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 31

32 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 32

33 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI CARNOT İLKELERİ Aynı ısıl depolar arasında çalışan tüm tersinir ısı makinelerinin verimi eşittir. 1.Aynı iki ısıl depo arasında çalışan iki ısı makinesinden, tersinmez olanın verimi her zaman tersinir olanın veriminden küçüktür. 2.Aynı iki ısıl depo arasında çalışan bütün tersinir ısı makinelerinin verimleri eşittir. 1.Aynı iki ısıl depo arasında çalışan iki ısı makinesinden, tersinmez olanın verimi her zaman tersinir olanın veriminden küçüktür. 2.Aynı iki ısıl depo arasında çalışan bütün tersinir ısı makinelerinin verimleri eşittir.

34 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI TERMODİNAMİK SICAKLIK ÖLÇEĞİ Tersinir bir makinanın verimi kullanılan iş akışkanı ve onun özeliklerinden, çevrimin gerçekleştirildiği yoldan, kullanılan tersinir makinanın tipinden bağımsızdır. Isıl enerji depoları, sıcaklıkları ile belirlendiğinden, tersinir ısı makinalarının ısıl verimleri yalnızca ısıl depo sıcaklıklarının bir fonksiyonudur. Yani, Tersinir bir makinanın verimi kullanılan iş akışkanı ve onun özeliklerinden, çevrimin gerçekleştirildiği yoldan, kullanılan tersinir makinanın tipinden bağımsızdır. Isıl enerji depoları, sıcaklıkları ile belirlendiğinden, tersinir ısı makinalarının ısıl verimleri yalnızca ısıl depo sıcaklıklarının bir fonksiyonudur. Yani, Üç makinaya uygulanırsa Sıcaklığı ölçmek için kullanılan madde özeliklerinden bağımsız olan ölçeğine termodinamik sıcaklık ölçeği adı verilir. Termodinamik hesaplarda kolaylık sağlar.

35 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI eşitliğin sol ve sağ tarafı aynı fonksiyona bağlı olmalıdır. f(T 1, T 2 ) ve f(T 2, T 3 )’ün çarpımında f(T 2 ) değeri yok olur. Tersinir çevrimlerde ısı geçişi oranı Q H /Q L, mutlak sıcaklık oranı T H /T L ’ye eşittir. Q H ve Q L ölçülerek Kelvin ölçeğinde termodinamik sıcaklıkları belirlemeye yönelik kavramsal deney düzeneği.

36 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI CARNOT ISI MAKİNESİ Tersinir Carnot çevrimiyle çalışan ısı makinası, Carnot ısı makinası olarak adlandırılır. Tersinir veya tersinmez, herhangi bir ısı makinasının ısıl verimi, Carnot makinası veya herhangi bir tersinir makina ısıl verim Bu verim genellikle Carnot verimi olarak anılır. Bu verim T H ve T L sıcaklıklarındaki iki ısıl depo arasında çalışan bir ısı makinasının sahip olabileceği en yüksek verimdir. Carnot ısı makinası, aynı yüksek ve düşük sıcaklıklı ısıl depolar arasında çalışan ısı makinaları içinde en yüksek verime sahip olanıdır.

37 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI Aynı yüksek ve düşük sıcaklıklı ısıl depolar arasında çalışan ısı makinalarından hiçbirinin verimi, tersinir ısı makinasının veriminden yüksek olamaz. Aynı yüksek ve düşük sıcaklıklı ısıl depolar arasında çalışan ısı makinalarından hiçbirinin verimi, tersinir ısı makinasının veriminden yüksek olamaz. Bir Carnot ısı makinasının verimi T H arttıkça veya T L azaldıkça artacaktır. Çünkü, T L azaldıkça çevreye verilen ısı miktarı da azalacak ve T L sıfıra yaklaşırken Carnot verimi de 1’e yaklaşacaktır. Gerçek bir ısı makinasının verimi, makinaya ısının mümkün olan en yüksek sıcaklıkta verilmesiyle (malzeme dayanımıyla sınırlı) ve makinadan ısının mümkün olan en düşük sıcaklıkta atılmasıyla (akarsular, göller ve atmosfer sıcaklığı gibi soğuk ortam sıcaklıklarıyla sınırlı), en yüksek değerine ulaşılabilir. Bir Carnot ısı makinasının verimi T H arttıkça veya T L azaldıkça artacaktır. Çünkü, T L azaldıkça çevreye verilen ısı miktarı da azalacak ve T L sıfıra yaklaşırken Carnot verimi de 1’e yaklaşacaktır. Gerçek bir ısı makinasının verimi, makinaya ısının mümkün olan en yüksek sıcaklıkta verilmesiyle (malzeme dayanımıyla sınırlı) ve makinadan ısının mümkün olan en düşük sıcaklıkta atılmasıyla (akarsular, göller ve atmosfer sıcaklığı gibi soğuk ortam sıcaklıklarıyla sınırlı), en yüksek değerine ulaşılabilir.

38 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI ÖRNEK Carnot ısı makinası, 652 ˚C’deki yüksek sıcaklıklı bir kaynaktan çevrim başına 500 kJ enerji almakta ve 30 ˚C’deki düşük sıcaklıklı bir kuyuya ısı vermektedir. (a)Bu Carnot makinasının ısıl verimini ve (b)Kuyuya bir çevrim başına atılan ısı miktarını belirleyiniz. (a) Carnot ısı makinası tersinir bir ısı makinasıdır ve verimi (b) Bu tersinir ısı makinasıyla atılan Q L ısısı Bu Carnot ısı makinası, her çevrim için aldığı 500 kJ ısıl enerjinin 164 kJ’ünü düşük sıcaklıklı bir kuyuya atmaktadır.

39 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI Enerjinin Niteliği Önceki problemde Carnot ısı makinası, 925 K sıcaklıktaki bir kaynaktan ısı alıp bu ısının % 67.2’sini işe dönüştürmekte ve geri kalanını 303 K sıcaklığındaki bir kuyuya vermektedir. Kuyu sıcaklığı, sabit tutulsaydı ısıl verim; Yüksek sıcaklıktaki ısıl enerjinin daha büyük bölümü işe dönüştürülebilmektedir. Bu nedenle daha yüksek sıcaklıktaki enerji daha nitelikli enerji anlamına gelmektedir. İş, ısıdan daha değerli bir enerji türüdür. Çünkü, ısının bir bölümü işe dönüştürülebilirken, işin tamamı ısıya dönüştürülebilmektedir. İş, ısıdan daha değerli bir enerji türüdür. Çünkü, ısının bir bölümü işe dönüştürülebilirken, işin tamamı ısıya dönüştürülebilmektedir.

40 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI 40 CARNOT SOĞUTMA MAKİNESİ VE ISI POMPASI Hiçbir soğutma makinesi aynı sıcaklık sınırları arasında çalışan tersinir bir soğutma makinesinden daha yüksek bir COP değerine sahip olamaz. Tersinir veya tersinmez olsun, bir soğutma makinasının veya ısı pompasının etkinlik katsayısı: Tersinir soğutma makinaları ve ısı pompaları için COP bağıntıları Bunlar, TH ve T L sıcaklık sınırları arasında çalışan bir soğutma makinası veya ısı pompasının sahip olabileceği en yüksek etkinlik katsayısı değerleridir.

41 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI ÖRNEK Bir mucit, 25 °C sıcaklıktaki bir odada çalışırken soğutulan hacmi 2 °C sıcaklıkta tutan ve etkinlik katsayısı 13.5 olan bir buzdolabı geliştirdiğini savunmaktadır. Sizce bu düşünce doğru olabilir mi? Bu değer, 2 °C sıcaklıktaki bir ortamdan ısı alıp 25 °C sıcaklıktaki ortama ısı vererek çalışan bir soğutma makinasının sahip olabileceği en yüksek COP değeridir. Öne sürülen düşüncedeki değer bu değerin üstünde olduğundan, bu düşünce doğru değildir.

42 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI ÖRNEK Bir ısı makinesine kazandan 80 MW ısı geçişi olmaktadır. Isı makinesinin yakındaki bir akarsuya atık olarak verdiği ısı ise 50 MW'tır. Isı makinesinin net gücünü ve ısıl verimini hesaplayın.

43 Bölüm 5: Kontrol Hacimleri için Kütle ve Enerji Çözümlemesi Bölüm 6: Termodinamiğin İkinci YasasıProf. Dr. Ali PINARBAŞI Birinci yasaya giriş Isıl enerji depoları Isı makineleri  Isıl verim  İkinci kanun: Kelvin-Planck ifadesi Soğutma makineleri ve ısı pompaları  Etkinlik Katsayısı (COP)  İkinci kanun: Clasius ifadesi Devridaim makineleri Tersinir ve tersinmez hal değişimleri  Tersinmezlikler, İçten ve Dıştan tersinir hal değişimleri Carnot çevrimi  Ters Carnot çevrimi Carnot ilkeleri Termodinamik sıcaklık ölçeği Carnot ısı makineleri  Enerjinin niteliği Carnot soğutma makinesi ve ısı pompası ÖZET