Termodinamik Nedir?
Enerji Bilimidir: Bir cisim (body) içinde enerji depolama yollarıyla ilgilenir.
Enerji Transformasyonudur: Genellikle ısı ve iş hareketleriyle ilgilidir.
Enerjinin Korunumu Prensibinin Temel Kanunudur: Enerji yaratılamaz veya yok edilemez, sadece bir formdan diğer bir forma dönüştürülebilir.
Evren: Sistem ve çevresini içeren bütündür.
Sistem: Boşlukta çalışma için seçilmiş bir bölge
veya bir madde parçasıdır.
Çevre: Sistemin dışındaki kütle veya bölgedir.
Sınır:
Sistemi çevresinden ayıran gerçek veya hayali bir yüzeydir.
İzole Sistem: Sınırından kütle ve enerjinin
geçemediği sistemdir.
Kapalı Sistem: Sınırından sadece enerjinin
geçebildiği sistemdir.
Açık Sistem: Sınırından hem
enerji ve hem de kütlenin geçebildiği sistemdir.
Homojen Sistem: Tek bir fazdan oluşan sistem
homojen bir sistemdir.
Heterojen Sistem: İki
veya daha fazla fazdan oluşan sistem heterojen bir sistemdir.
Bir sistemin
Özellikleri, Hal ve Proses
İntensif Özellikler: İntensif özellik bir kütle
(bulk) özelliğidir, sistemin büyüklüğüne ve sistemdeki malzemenin miktarına
bağlı değildir; örneğin, sıcaklık, basınç, yoğunluk gibi.
Ekstensif Özellikler: Ekstensif özellik sistemin
özellik değerinin alt sistemlerin ‘katkı’sıyla elde edildiği özelliklerdir.
Sistem çeşitli sayılarda alt sistemlere bölünebilir; her alt sistemin ekstensif
özelliği ölçülür. Sistemin özellik değeri her altsistem için olan özellik
değerlerinin toplamıdır; örneğin, kütle, hacim, enerji, entalpi gibi.
Spesifik Özellikler: Bir sistemin herhangi bir
ekstensif özelliğinin sistemin kütlesine oranı, o özelliğin ortalama spesifik
değeridir. (intensif özellik olarak da bilinir)
Spesifik hacim, m3/kg
= V / m
Toplam enerji, J/kg = E /m
İç enerji, J/kg = U / m
Hal: Bir sistemin koşullarını tanımlayan bir seri
özelliklerdir (m, T, V).
Proses: Bir denge halinden diğer bir denge haline
dönüşümdür.
iki farklı hal durumu Tipik bir proses şeması
İzotermal Proses: İzotermal proses, sistemin sabit
sıcaklıktaki (ΔT = 0) değişimidir. Bir sistem kendi dışındaki bir termal
rezervuar ile temasta olduğunda, sistem ısı transferiyle rezervuarın
sıcaklığını ayarlar. (Q ≠ 0).
İzokorik Proses: Sabit-hacim prosesi, izovolumetrik
proses veya izometrik proses de denilen bir termodinamik prosestir. İzokorik
proseste proses boyunca kapalı sistemin hacmi sabit kalır; proses, sıkıca
kapatılmış veya izole edilmiş elastik olmayan bir kap içeriğinin ısıtılması
veya soğutulmasıyla tanımlanır.
İzobarik Proses İzotermal
Proses
İzentropik Proses: Termodinamikte izentropik proses
idealize edilmiş bir termodinamik prosestir; sistemin iş transferleri
sürtünmesizdir, ısı ve madde transferi yoktur ve proses reversibildir. Böyle
bir idealize sistem mühendislikte, gerçek proseslerin kıyaslamasında bir model
ve temel oluşturmak yönünden yararlıdır.
Çevrimsel (Cyclic) Proses: Bir sistem verilen bir
başlangıç halinden başlayarak çeşitli proseslere uğrar ve son olarak başlangıç
haline dönerse, bu sistem çevrimsel bir proses geçirmiştir. Tipik bir örnek
olarak Carnot çevrimi gösterilebilir.
Carnot çevrimi dört prosesten oluşan kuramsal bir çevrimdir;
bunlar, iki reversibil izotermal proses ve iki reversibil adyabatik prosestir.
Verim = 1 – T1/T2 (T Kelvin)
Bir ısı motorunun verimi piston hacminden veya içeriğinden bağımsızdır;
önemli nokta Tsıcak ve Tsoğuk arasındaki sıcaklık
farkının büyük olmasıdır.
P-V-T Yüzeyin Detaylı Resmi: İdeal çevrime göre, ısı
enerjisini mekanik enerjiye çevirmek için sıcaklık farkı önemli bir koşuldur;
ancak, ideal bir motorla bile %100 verim elde edilmesi olanaksızdır.
Tüm ısı enerjisi mekanik enerjiye dönüşmediği, bir miktarı
soğuk çevreye geçtiğinden Carnot çevrimi temelde yetersizdir. Yani Carnot
çevrimi, bir ısı-iş deneyini, bir iş-ısı cihazıyla orijinal denge haline geri
döndüremez.
Neden mükemmel bir motor yapılamıyor? Termodinamiğin ikinci
kanunu bunun olanaksız olduğunu söyler. Tüm proseslerde kaçınılmaz olarak
atıklar vardır. İş olarak yararlanılan enerji denge halinde azken, dengeden
sonraki halde daha fazla olur.
Reversibil (Dönüşümlü) Proses: Başlangıç koşullarına
geri dönebilen bir proses olarak tanımlanır; sistem veya sınırda herhangi bir
değişiklik olmaz.
İrreversibil (Dönüşümsüz) Proses: Sistem ve
çevresinin orijinal koşullarına geri dönemediği bir prosestir.
Adyabatik Proses: Adyabatik proses, termodinamik bir
sistem ve çevresi arasında ısı veya madde transferi olmaksızın gerçekleşen bir
prosestir; enerji sadece iş olarak transfer edilir (ΔT ≠ 0, Q = 0). Adyabatik
proses, termodinamiğin birinci kanununu açıklamada kullanılan teorinin temelini
oluşturur.
Politropik Proses: Politropik bir proses PVn
= C eşitliğine uyan bir termodinamik prosestir. P basınç, V spesifik hacim, n
politropik indeks, C sabittir. Politropik proses eşitliği, ısı transferi dahil,
çeşitli genleşme ve sıkıştırma proseslerini tanımlar.
Trotling Proses: Daraltma veya kısma proses de
denilebilir; entalpi değişikliğinin olmadığı, işin yapılmadığı ve prosesin
adyabatik olduğu bir prosestir.
Termodinamik Denge
Bir termodinamik sistem mekanik, kimyasal ve termal dengede
olduğunda, sistem termodinamik dengededir ve cisimler arası net ısı aktarımı
sıfırdır. Sistemin termodimamik dengesi için çeşitli denge tipleri ve koşulları
vardır.
Termal Denge: Sistemin sıcaklığı zamanla değişmez,
sistemin her noktasında aynı değerdedir.
Mekanik Denge: Sistem içinde veya sistemle çevresi
arasında dengesiz kuvvetler bulunmaz; sistemdeki basınç her noktada aynıdır ve
zamanla değişmez.
Kimyasal Denge: Sistemin kimyasal kompozisyon sistem
boyunca aynıdır ve zamanla değişmez; sistemde devam eden kimyasal reaksiyon
yoktur.
Termodinamik Özdeşlik
Termodinamik
Özdeşlik; U = iç enerji, S = entropi, V = hacim,
T = sıcaklık, P = basınç
T = sıcaklık, P = basınç
Bazı Terimler, Açıklamaları
Faz: Faz, kimyasal kompozisyon ve fiziksel yapı
boyunca homojenliği tanımlayan bir kavramdır.
Kimyasal Substans: Kimyasal bir substans sabit
kimyasal kompozisyona ve karakteristik özellikler sahip bir madde formudur;
fiziksel ayırma metotlarıyla (kimyasal bağlar kırılmadan) bileşenlerine
ayrılamaz. Örnek olarak kimyasal elementler, iyonlar veya alaşımlar
gösterilebilir. Kimyasal bir substans, karışımlardan ayırt edilmesi için
genellikle ‘saf substans’ şeklinde tanımlanır.
Saf Substans: Kimyasal kompozisyonu sabit olan bir
substanstır. Bir saf substans tek bir kimyasal element veya bileşik olmak
zorunda değildir, çeşitli kimyasal elementler ve bileşiklerin karışımları da,
karışım homojen olduğunda saf substans tanımına girer; (ör. su, hava). Sıvı ve
buhar haldeki su saf substans olduğu halde, sıvı ve gaz haldeki hava karışımı
saf substans tanımına girmez.
Doygunluk: Doygunluk,
verilen bir sıcaklık ve basınçta buhar ve sıvı karışımının beraber
bulunabildiği bir koşul olarak tanımlanır.
Termodinamik Değişkenler:
Termodinamik değişkenler genellikle sistemin ya kendisini ya da çevre
koşullarını tarif etmek için kullanılır. En çok kullanılan değişkenler mekanik
ve istatistiksel parametrelerdir.
Mekanik değişkenler:
Basınç: P Hacim:
V
İstatistiksel değişkenler:
Sıcaklık: T Entropi
(düzensizlik): S
Mekanik değişkenler, temel klasik veya partikül fiziği
tanımlarıyla tarif edilebilir, istatistiksel değişkenler sadece istatistiksel
mekanik tanımlarıyla anlaşılabilir.
Termodinamiğin çoğu uygulamasında, bir ya da daha çok
değişken sabit tutulurken, diğer değişkenlerin bunlara göre nasıl değiştiği
incelenir ve bu da sistemin matematiksel olarak (n sabit tutulmayan
değişkenlerin sayısı olmak üzere) n boyutlu bir uzay olarak tarif edilebileceği
anlamına gelir. İstatistiksel mekaniği fizik yasalarıyla birleştirerek, bu
değişkenleri birbirleri cinsinden ifade edecek "durum denklemleri"
yazılabilir. Bunların en basit ve en önemli olanlarından biri ise ideal gaz
yasasıdır.
PV = n R T
Bu denklemde R evrensel gaz sabiti'dir. Ayrıca istatistiksel
mekanik terimleriyle bu denklem şöyle yazılır:
PV = N k T
k Boltzmann sabiti'dir.
Termodinamik Potansiyeller:
Termodinamik değişkenler vasıtasıyla dört termodinamik potansiyel
tanımlanabilir:
Sistemin İç Enerjisi, E:
dE = T dS – P dV
Helmholtz Serbest Enerjisi, A:
dA = – S dT – P dV
Gibbs Serbest Enerjisi, G:
dG = – S dT + V dP
Entalpi, H:
dH = – T dS + V dP
Entalpi, özel bir fonksiyondur. Basınç sabit olduğu zaman
ısıyı verir. Bu dört potansiyelin diferansiyel denklemlerini ve zincirleme
türev kuralını kullanarak dört potansiyel, değişkenler ve birbirleri cinsinden
yazılabilir:
E = H – P V = A + T S
A = E – T S = G – P V
G = A + P V = H – T S
H = G + T S = E + P V
4 Ağustos 2019
GERİ
(yasalar)
GERİ
(astrofizik)
