... konulu sunumlar: "Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi1 Bölüm 2 ENERJİ, ENERJİ GEÇİŞİ VE GENEL ENERJİ ANALİZİ."— Sunum transkripti:
1
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi1 Bölüm 2 ENERJİ, ENERJİ GEÇİŞİ VE GENEL ENERJİ ANALİZİ
2
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi2 GİRİŞ İçindeki hava ve buzdolabı ile tüm oda sistem olarak ele alınırsa; sistem sınırlarını geçerek odaya giren elektrik enerjisi etkileşimi vardır. Odanın her yeri kapalı ve iyi yalıtılmış olduğundan adyabatik kapalı sistemdir. Enerjinin korunum ilkesine göre odada artış gösteren enerji, buzdolabı tarafından kullanılan ve kolayca bir elektrik sayacı tarafından ölçülebilecek olan elektrik enerjisine eşittir. Buzdolabı veya motoru bu enerjiyi depolamaz. Bunun için bu enerji odadaki havaya verilmiş olmalıdır ve kendini odadaki sıcaklık artışı ile gösterir. İyice kapatılmış ve yalıtılmış bir odada kapısı açık bir buzdolabının çalıştırılması İyice kapatılmış ve yalıtımı yapılmış bir odada çalıştırılan bir fan odadaki havanın sıcaklığını arttıracaktır.
3
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi3 3 ENERJİNİN BİÇİMLERİ Enerji ısıl, mekanik, kinetik, potansiyel, elektrik, manyetik, kimyasal, nükleer gibi değişik biçimler alabilir. Bunların tümünün toplamı, sistemin toplam enerjisini (E) oluşturur. Termodinamik sadece, mühendislik açısından önem taşıyan bir husus olan toplam enerjideki değişimlerle ilgilenir. Enerjinin makroskobik formu: sistemin tümünün bir dış referans noktasına göre sahip olduğu enerjidir, kinetik ve potansiyel enerji gibi Enerjinin mikroskobik formu : sistemin moleküler yapısı ve moleküler hareketliliğiyle ilgilidir ve dış referans noktalarından bağımsızdır. İç enerji, U: Mikroskopik enerjilerin tümünün toplamı Bir cismin makroskopik enerjisi hız ve yükseklikle değişir. Kinetik enerji, KE: Sistemini, bir referans noktasına göre hareketinden dolayı sahip olduğu enerjiye denir. Potansiyel enerji, PE: Sistemin bir yerçekimi alanındaki yüksekliğine bağlı olarak sahip olduğu enerjiye denir.
4
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi4 Kütle Debisi ve Hacimsel Debi Boru içindeki ortalama hız Vort kesit alanı boyunca olan hızın ortalamasıdır. Hacimsel debi, kesitten birim zamanda geçen akışkan hacmidir. Ortalama hızın tanımlanması Kütle debisi Hacimsel debi
5
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi5 Sistemin toplam enerjisi Birim kütle için sistemin toplam enerjisi Potansiyel enerji birim kütle için Kinetik enerji birim kütle için Potansiyel enerji Birim kütle başına toplam enerji (özgül enerji) Kinetik enerji Kütlesel debi Birim zamandaki enerji
6
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi6 İç Enerji Hakkında Bazı Fiziksel Gözlemler Bir sistemin iç enerjisi, mikroskobik enerjilerin bütün formlarının toplamıdır. Duyulur iç enerjiyi oluşturan moleküler enerji biçimleri. Duyulur enerji: Sistemin iç enerjisinin, moleküllerin kinetik enerjisiyle ilişkili olan bölümüne denir. Gizli enerji: Sistemin, fazıyla ilgili bu iç enerjisine denir. Kimyasal enerji: Bir molekülün atomları arasındaki kuvvetlerle ilgili iç enerjiye denir. Nükleer enerji: Atom çekirdeği içindeki parçacıklar arasında var olan bağlarla ilişkili çok büyük miktarlardaki iç enerjiden de söz etmek gerekir İç Enerji = Duyulur + Gizli + Kimyasal + Nükleer Isı = Duyulur + Gizli
7
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi7 Makroskopik kinetik enerji, enerjinin organize bir biçimidir ve moleküllerin sahip olduğu dağınık biçimdeki mikroskopik kinetik enerjilerden daha faydalıdır. Sistemin toplam enerjisini oluşturan ve yukarıda açıklanan enerji biçimleri, sistem içinde bulunduğu veya depolandığı için enerjinin statik biçimi diye nitelenebilir. Sistem içinde depolanmayan enerji ise enerjinin dinamik biçimi veya enerji etkileşimi diye adlandırılabilir. Enerjinin dinamik biçimleri sistem sınırlarım geçerken algılanır ve hal değişimi sırasında sistem tarafından kazanılan veya kaybedilen enerjiyi gösterir. Kapalı sistemle ilişkili enerji etkileşimleri sadece ısı geçişi ve iş olabilir. İş ve Isı transferi arasındaki fark: Enerji etkileşimi eğer sıcaklık farkından dolayı oluşıyorsa Isı transferi, yoksa iş’tir.
8
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi8 uranyum fisyonu ve hidrojen füzyonu ve açığa çıkan nükleer enerji. Nükleer Enerji En çok bilinen fisyon reaksiyonu, nükleer güç santrallerinde (2000 yılında,dünya genelinde bulunan 433 santralle MW elektrik üretimi gerçekleştirilmiştir) elektrik üretmek, denizaltıları çalıştırmak, hava taşımacılığında, nükleer silah üretiminde ve hatta uzay araçlarında yaygın olarak kullanılan uranyum atomunun (U–235 izotop) diğer elementlere bölünmesidir. İki küçük çekirdeğin füzyon ile daha büyük bir tanesi için birleşmesi sırasında nükleer enerji ortaya çıkar. Kontrolsüz füzyon reaksiyonu ilk olarak 1950 yılının başlarında gerçekleştirilmiştir. Ancak o zamandan beri güçlü lazerler, etkili manyetik alanlar ve elektrik akımları ile füzyon reaksiyonlarının kontrol edilmesi başarısızlıkla sonuçlanmıştır.
9
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi9 Mekanik Enerji Mekanik enerji: İdeal türbin gibi mekanik bir cihazla, doğrudan ve tamamen mekanik işe dönüşebilen enerji biçimi olarak tanımlanır. Kinetik ve potansiyel enerji: Mekanik enerjinin bilinen formlarıdır. Akış halindeki bir akışkanın mekanik enerjisi birim kütlede Akış halindeki bir akışkanın mekanik enerjisi Sıkıştırılamaz (r sabit) akışkanlarda mekanik enerji değişimi birim kütlede Sıkıştırılamaz (r sabit) akışkanlarda mekanik enerji değişimi
10
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi10 ISI İLE ENERJİ GEÇİŞİ Enerji bir sistemin sınırlarından ısı veya iş olarak geçebilir. Sıcaklık farkı ısı geçişine neden olur. Yüksek sıcaklık farkı yüksek ısı geçişine neden olur. Heat: iki sistem arasında (veya sistemle çevresi arasında) sıcaklık farkından dolayı gerçekleşen enerji geçişi diye tanımlanmıştır.
11
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi11 Enerji sadece sistem sınırlarını geçerken ısı olarak tanımlanabilir. Adyabatik bir hal değişimi sırasında sistemle çevresi arasında ısı geçişi olmaz. Birim kütle için ısı transferi Zamanla değişen Isı Transfer oranı Birim zamanda geçen ısının sabit olması durumunda Isı transfer miktarı
12
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi12 Tarihsel Gelişim Kinetik teori: Molekülleri, hareket eden ve kinetik enerjisi olan küçük toplar gibi ele alır. Isı: Atomların ve moleküllerin rastgele hareketleriyle ilişkili enerjinin aktarımı diye tanımlanmıştır. Isı transfer mekanizmaları: İletim: bir maddenin, enerjisi daha fazla olan moleküllerinden yakındaki diğer moleküllere, moleküller arasındaki etkileşim sonucunda enerji geçişidir. Taşınım: katı bir yüzeyle onun temas ettiği akışkan bir ortam arasında gerçekleşen ısı geçişidir. Radiation: Maddenin atom veya moleküllerinin elektron düzeninde olan değişmeler sonucunda yayılan elektromanyetik dalgalar veya fotonlar aracılığıyla gerçekleşen enerji aktarımıdır. 19. yüzyılın başlarında ısı, sıcak cisimlerden soğuk cisimlere akan ve kalorik adı verilen görünmez bir akışkan olarak bilinirdi.
13
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi13 İŞ İLE ENERJİ GEÇİŞİ İş: Sistemle çevresi arasında bir enerji alış verişidir. Hareket halinde bir piston, dönen bir mil, sistem sınırlarını geçen bir elektrik kablosu, sistemle çevre arasında bir iş etkileşiminin olduğunu gösterir. İşaret kuralı: Sisteme olan ısı geçişi ve sistem tarafından yapılan iş pozitif, sistemden olan ısı geçişi ve sisteme gereken iş negatiftir. Diğer bir yol yönleri göstermek için g ve ç indislerini kullanmaktır Isı ve iş yönlerinin belirtilmesi. birim kütle için yapılan iş Güç, birim zamanda yapılan iş
14
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi14 Isı ve iş Her ikisi de sistemin sınırlarını geçerken anlam kazanır. Başka bir deyişle, ısı ve iş sınır olgularıdır. Sistemlerin enerjileri vardır, fakat ısı ve işleri yoktur. Her ikisi de bir hal ile değil, bir hal değişimi ile ilişkilidir Özelikler bir hal için belirlenir, oysa bir haldeki ısı ve işten söz etmenin hiçbir anlamı yoktur. Her ikisi de yola bağımlı fonksiyonlardır. (Başka bir deyişle, değerleri sadece ilk ve son hale değil, aynı zamanda hal değişiminin nasıl gerçekleştiğine bağlıdır. Özellikler nokta fonksiyonlarıdır, fakat ısı ve iş yola bağlı fonksiyonlardır (büyüklükleri hal değişiminin izlediği yola bağlıdır). Özelikler, nokta fonksiyonlarıdır ve (d) ile gösterilen tam diferansiyelleri vardır. dW nin integrali W2 W1 (ikinci haldeki iş eksi ilk haldeki iş) olamaz,
15
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi15 Elektrik İşi Elektrik gücünün, direnç R, akım I ve potansiyel farkı V ile gösterilmesi. Elektrik işi Elektrik gücü bu bakımdan t zaman aralığında yapılan elektrik işi V ve I sabit kalıyorsa, bu bağıntı
16
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi16 İŞİN MEKANİK BİÇİMLERİ Sistemle çevresi arasında bir iş etkileşiminin olabilmesi için iki koşulun sağlanması gerekir: Sınırda etkiyen bir kuvvet olmalıdır Sınır hareket etmelidir. Yapılan iş, uygulanan kuvvete (F) ve kuvvetin etkilediği uzunluğa (s) bağlıdır. İş = Kuvvet Yol Eğer kuvvet sabit değilse Hareket olmazsa iş yapılmaz.
17
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi17 Mil İşi Döner mille enerji aktarımına uygulamalarda sıkça rastlanır. Mil işi, uygulanan burulma momenti ve milin devir sayısı ile orantılıdır. Moment kolu r‘ ye uygulanan F kuvveti, T burulma momentini oluşturur Bu kuvvet s uzunluğu boyunca uygulanmaktadır Mille iletilen güç, birim zamanda yapılan mil işidir Mil İşi
18
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi18 Yay İşi Yayın, bir kuvvet etkisi altında uzaması. Bir yaya kuvvet uygulandığı zaman uzunluğunun değiştiği bilinen bir olgudur. Bir F kuvveti uygulandığı zaman yay dx diferansiyel büyüklüğü kadar uzarsa, yapılan iş Doğrusal olarak esneyen yaylar için, yer değişimi x, uygulanan kuvvet F ile doğru orantılıdır k: yay katayısı (kN/m) x 1 and x 2 : yayın başlangıç ve sondaki yerdeğiştirmeleridir. Doğrusal bir yayın uzaması, kuvvet iki kat arttırılırsa, iki kat olur.
19
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi19 TERMODİNAMİĞİN BİRİNCİ YASASI Termodinamiğin birinci yasası (enerjinin korunumu ilkesi): Enerjinin değişik biçimleri arasındaki ilişkileri ve genel olarak enerji etkileşimlerini incelemek için sağlam bir temel oluşturur. Termodinamiğin birinci yasası deneysel gözlemlere dayanarak, enerjinin var veya yok edilemeyeceğini, ancak bir biçimden diğerine dönüşebileceğini vurgular. Birinci Yasa: Kapalı bir sistemin belirli iki hali arasında gerçekleşebilecek tüm adyabatik hal değişimleri sırasında yapılan net iş, sisteme veya hal değişimlerine bağlı olmaksızın aynıdır. Enerji var veya yok edilemez, sadece biçim değiştirebilir Fırındaki patatesin enerjisindeki artış, patatese geçen ısıya eşittir.
20
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi20 İş etkileşiminin olmaması durumunda sistemin enerji değişimi net ısı geçişine eşittir. Adyabatik bir sistem üzerinde yapılan iş (elektrik) sistemin enerji artışına eşittir. Adyabatik bir sistem üzerinde yapılan iş (mil) sistemin enerji artışına eşittir.
21
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi21 Enerjinin Korunumu Enerjin korunumu ilkesi bir hal değişimi sırasında kapalı bir sistemin toplam enerjisindeki net değişim (artma veya azalma) sisteme giren toplam enerji ile sistemden çıkan toplam enerjinin farkına eşit. Adyabatik bir sistem üzerinde yapılan iş (sınır) sistemin enerji artışına eşittir. Bir hal değişimi sırasında sistemin enerji değişimi, net iş ve çevreyle ısı alışverişinin toplamına eşittir.
22
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi22 Bir Sistemdeki Enerji Değişimi, E sistem İç, kinetik ve potansiyel enerji değişimi
23
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi23 Enerji Geçişinin Gerçekleşme Yolları, E giren ve E çıkan Isı geçişi İş geçişi Kütle transferi Kütle akışı ile birlikte ısı ve iş etkileşimleri sonucu kontrol hacminin enerji içeriğinde değişim olur. (kJ) Sabit kütle veya kapalı sistemlerde sadece ısı geçişi ve iş vardır Çevrim için ∆E = 0, yani Q = W.
24
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi24 ENERJİ DÖNÜŞÜM VERİMLERİ Verim termodinamikte en çok kullanılan ifadelerden bir tanesi olup, enerji dönüşümünün veya hal değişim geçişinin nasıl iyi bir şekilde başarılacağını gösterir. Su ısıtıcısının verimi: Geleneksel ve yüksek verimli bazı elektrikli ve doğal gazlı su ısıtıcılarının verimleri Verim tanımı termodinamik ile sınırlı değildir.
25
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi25 Yakıt ısıtma değeri: oda sıcaklığında belirtilen yakıt miktarının (genellikle birim kütle) tamamen yanması ile verilen ısı ve yanma ürünlerinin oda sıcaklığında soğutulmasıdır. Düşük ısıtma değeri(LHV): Su buhar fazında ise. Yüksek ısıtma değeri (HHV): Yanma gazlarındaki su tamamı ile yoğuştuğu zaman ısıtma değeri. Benzinin ısıtma değerinin tanımı. Ticari binalar ve meskenlerdeki ısıtma sistemlerinin verimi yıllık yakıt kullanım verimi veya AFUE olarak ifade edilir ve ısıtılmayan alanlara olan ısı kaybı ve yakma ve soğuma kayıpları ile beraber yanma verimini tarif eder. (annual fuel utilization efficiency)
26
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi26 Jeneratör: Mekanik enerjiyi elektrik enerjine dönüştürür. Jeneratör verimi: Elde edilen elektrik gücünün verilen mekanik güce oranıdır. Güç santralleri için toplam verim: Elde edilen net elektrik gücünün verilen yakıt enerjisine oranıdır. 15 W gücündeki kompakt şorasan lamba 60 W gücündeki akkor lamba kadar ışık verir. Işıklandırma etkinliği: Lümen olarak elde edilen ışık miktarının harcanan elektriğe (W olarak) oranıdır. Güç santrallerinde toplam verim
27
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi27 Yemek pişirme cihazlarının verimi cihaza verilen böylece yemeğe aktarılan enerji oranını göstermektedir. Verimli enerji cihazları kullanarak enerji korunur. Yakıtların yanması sonucu açığa çıkan ve atmosfere bırakılan kimyasallar azalacağı için çevre için faydalı olacaktır. Yakıtın yanması Karbondioksit (küresel iklim değişikliğine neden olmaktadır) Azot oksit ve hidrokarbon(hava kirliliğine neden olmaktadır) Karbon monoksit (zehirli madde) Kükürt dioksit (asit yağmurlarına neden olmaktadır)
28
Bölüm 2 Enerji Dönüşümleri ve Enerji Çözümlemesi28 Mekanik ve Elektrikli Cihazların Verimleri Bir fanın mekanik verimi, fan çıkışındaki havanın kinetik enerjisinin, fana verilen mekanik güce oranıdır. Verilen veya alınan mekanik güç ile akışkanın mekanik enerjisi arasındaki dönüşüm işleminin mükemmellik derecesi pompa verimi veya türbin verimi olarak tanımlanır. Mekanik verim