Diferansiyel Denklemler · 2. Ünite: Birinci Mertebeden Denklemlerin Uygulamaları

Karışım Problemleri

Tuzlu su dolu bir tanka başka derişimde tuzlu su akıtılırken, karışmış sıvı da aynı anda tanktan çekiliyorsa tanktaki tuz miktarı zamanla nasıl değişir? Aynı soru bir gölün kirlenmesinde, bir odanın havalandırılmasında ya da kandaki ilaç derişiminde de karşımıza çıkar. Bu konuda kütle dengesini ($\text{değişim hızı} = \text{giriş hızı} - \text{çıkış hızı}$) bir birinci mertebeden lineer denkleme çevirmeyi, eşit ve eşit olmayan debilerde çözmeyi, kararlı hali ve zaman sabitini yorumlamayı ve iki tankı ardışık bağlayan problemleri kurmayı öğrenirsin.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Bir Tank, İki Boru

  2. Tanımlar ve Kütle Dengesi

  3. Sabit Hacim: Eşit Debiler ve Kararlı Hal

  4. Değişen Hacim: Debiler Eşit Değilken

  5. Ardışık (Kaskat) Tanklar

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Sınır Durumları ve Kararlı Hal Yorumu

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

  9. Özet ve Bağlantılar

Anahtar terimler

Karışım problemi (mixing problem)
Bir tanka giren ve çıkan akışlarla çözünen madde miktarının nasıl değiştiğini kütle dengesiyle modelleyen problem.
Kütle dengesi (mass balance)
Değişim hızı = giriş hızı − çıkış hızı; $Q' = r_g c_g - r_{\text{ç}} Q/V$.
Derişim (concentration)
Birim hacimdeki çözünen madde miktarı, $c = Q/V$ (g/L). Miktar ($Q$, g) ile aynı şey değildir.
Kararlı hal (steady state)
Zamanla değişmeyen değer. Eşit debide $Q_\infty = c_g V_0$; debiler farklıysa yoktur.
Zaman sabiti (time constant)
$\tau = V_0/r$ (dk); kararlı halden farkın $1/e$'ye indiği süre.
İntegral çarpanı (integrating factor)
Lineer denklemi $(\mu Q)' = \mu g$ biçimine getiren çarpan; eşit debide $e^{rt/V_0}$, değişen hacimde $V^{r_{\text{ç}}/a}$.
Ardışık tanklar (cascade)
Birinin çıkışının diğerinin girişi olduğu tank zinciri; denklemler sırayla çözülür.
Boşalma ve taşma anı
Debiler farklıyken hacmin sıfıra düştüğü ya da kapasiteye ulaştığı an; model burada sona erer.

Örnek soru

$200\,\text{L}$'lik, iyi karıştırılan bir tanka $0{,}3\,\text{g/L}$ tuz içeren su $4\,\text{L/dk}$ ile girmekte ve karışım $4\,\text{L/dk}$ ile çıkmaktadır. Tanktaki tuz miktarı $Q(t)$ (g) için doğru diferansiyel denklem hangisidir?

  1. $Q' = 1{,}2 - Q/50$
  2. $Q' = 1{,}2 - 4Q$
  3. $Q' = 0{,}3 - Q/50$
  4. $Q' = 1{,}2 - 0{,}3\cdot 4$
  5. $Q' = 1{,}2 - Q/200$

Doğru cevap: A

Çözüm

1. Giren tuz hızı: $r_g c_g = 4\cdot 0{,}3 = 1{,}2\,\text{g/dk}$.
2. Çıkan tuz hızı: çıkan sıvı tanktaki derişimdedir, $c = Q/V$. Hacim sabit ($200\,\text{L}$): $r_{\text{ç}}\,Q/V = 4Q/200 = Q/50$.
3. Kütle dengesi $Q' = 1{,}2 - Q/50$: A şıkkı.
4. En güçlü çeldirici D'dir: çıkış derişimini giriş derişimi sanır ($4\cdot 0{,}3$) ve $Q' = 0$ bulur. E şıkkı debi çarpanını unutur, C şıkkı ise giriş hızında debiyi atlar.

Diferansiyel Denklemler: tüm konular