Mühendislik Termodinamiği · 8. Ünite: Ekserji (Kullanılabilir Enerji) - Termodinamik II

Ekserji Kavramı: İş Potansiyeli

Birinci kanun enerjinin korunduğunu söyler, ama enerjinin ne kadarının işe dönüşebileceğini söylemez. Ekserji (exergy), bir sistemin belirlenen çevre koşullarıyla dengeye gelirken verebileceği maksimum yararlı iştir ve enerjinin "kalitesini" ölçer. Bu konuda ölü hal kavramını, ısı ve sabit özgül ısılı cisimler için ekserji ifadelerini türetecek ve hangi enerji biçiminin ne kadar iş potansiyeli taşıdığını nicel olarak karşılaştıracaksın.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Enerji Yetmez: İki Depo, Aynı Enerji

  2. Ekserji, Ölü Hal ve Çevre Kavramları

  3. Isı ile Aktarılan Ekserji: Carnot Faktörünün Türetilmesi

  4. Sabit Özgül Isılı Cismin İş Potansiyeli

  5. Atmosfere Karşı İş ve Yararlı İş

  6. Çözümlü Örnekler

  7. Simülasyonla Keşif ve Grafik Yorumu

  8. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Ekserji (exergy)
Sistemin çevre ile dengeye (ölü hale) gelirken tersinir süreçlerle verebileceği maksimum yararlı iş; enerjinin kalitesinin ölçüsüdür.
Ölü hal (dead state)
Sistemin çevre ile termodinamik dengede olduğu hal: T = T₀, P = P₀, V = 0, z = 0; ekserji sıfırdır.
Anerji (anergy)
Enerjinin işe dönüşemeyen kısmı: enerji − ekserji.
Carnot faktörü
Isı ekserjisini veren çarpan 1 − T₀/T; ısının kalitesini sıcaklık düzeyine bağlar.
Isıl enerji deposu (thermal reservoir)
Sıcaklığı ısı alışverişinde değişmeyen sonsuz büyük sistem; çevre bu şekilde modellenir.
Yararlı iş (useful work)
Toplam işten atmosfere karşı yapılan işin çıkarılmasıyla elde edilen iş: W_u = W − P₀(V₂ − V₁).
Çevre işi (surroundings work)
Genleşen sistemin atmosferi itmek için yaptığı iş P₀(V₂ − V₁); yararlı kullanılamaz.
Düzenli enerji (high-grade energy)
Elektrik, mekanik iş, kinetik ve potansiyel enerji gibi tamamen işe dönüştürülebilen enerji biçimleri.

Örnek soru

Çevresiyle ($T_0$, $P_0$) termodinamik dengede ve durgun olan bir sistemin (ölü hal) ekserjisi için aşağıdakilerden hangisi doğrudur?

  1. Enerjisine eşittir; çünkü enerji ve ekserji aynı büyüklüktür.
  2. Negatiftir; çünkü sistemi ölü hale getirmek için iş harcanır.
  3. Çevre koşullarından bağımsızdır; yalnızca sistemin kütlesine bağlıdır.
  4. Sıfırdır; çünkü çevreyle arasında iş üretilebilecek hiçbir fark yoktur.
  5. Sistemin iç enerjisine eşittir; yalnızca ısı transferi ekserjisini değiştirir.

Doğru cevap: D

Çözüm

1. Ekserji, sistemin çevreyle dengeye gelinceye kadar verebileceği maksimum yararlı iştir.
2. Ölü halde $T = T_0$, $P = P_0$, $V = 0$, $z = 0$ olduğundan sistemle çevre arasında iş üretecek bir potansiyel fark yoktur.
3. Dolayısıyla ölü haldeki sistemin ekserjisi sıfırdır (ve ekserji hiçbir zaman negatif olmaz).
Enerji ölü halde de sıfır değildir (ör. iç enerji vardır) ama bu enerjinin tamamı anerjidir; bu yüzden "ekserji = enerji" diyen şık yanlıştır.

Mühendislik Termodinamiği: tüm konular