Mühendislik Termodinamiği · 6. Ünite: Termodinamiğin İkinci Kanunu

İkinci Kanuna Giriş: Isı Makineleri ve Termal Verim

Birinci Kanun enerjinin korunduğunu söyler, fakat bir sürecin hangi yönde gerçekleşeceğini ve ısının işe ne ölçüde dönüştürülebileceğini söylemez. İkinci Kanun bu eksiği tamamlar. Bu konuda ısı makinesi (heat engine) modelini kurar, ısıl verimi (thermal efficiency) tanımlar, %100 verimin neden imkânsız olduğunu görür ve bir verim iddiasının fiziksel olarak mümkün olup olmadığını test etmeyi öğrenirsiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Birinci Kanun Neden Yetmez? Süreçlerin Yönü

  2. Isı Makinesi Modeli: Rezervuarlar, Çevrim ve İşaretler

  3. Termal Verim: Tanım ve Türetme

  4. Atık Isı Zorunluluğu ve Carnot Verim Sınırı

  5. Çözümlü Örnekler

  6. Grafik ve Tablo Yorumu: Simülasyonda Deneyin

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Isı makinesi (heat engine)
Yüksek sıcaklıklı kaynaktan ısı alıp bir kısmını işe çeviren, kalanını düşük sıcaklıklı alıcıya atan, çevrimsel çalışan cihaz.
Isı rezervuarı (thermal energy reservoir)
Isı alıp verirken sıcaklığı değişmeyen, büyük ısıl kapasiteli ideal cisim; kaynak ($T_H$) ya da alıcı ($T_L$) olabilir.
Termal verim (thermal efficiency)
Net işin makineye verilen ısıya oranı, $\eta_{th} = W_{net}/Q_H = 1 - Q_L/Q_H$.
Atık ısı (waste heat)
Makinenin işe çevirmeyip soğuk ortama attığı $Q_L$ ısısı; İkinci Kanun gereği sıfır olamaz.
Kelvin-Planck ifadesi
Tek bir ısı deposuyla alışveriş yaparak çevrimsel çalışıp net iş üreten cihaz imkânsızdır; hiçbir ısı makinesinin verimi %100 olamaz.
Alt ısıl değer (LHV)
Yakıtın birim kütlesi yandığında, su buharının yoğuşma ısısı hesaba katılmaksızın açığa çıkan ısı (kJ/kg).
Carnot verimi
İki rezervuar sıcaklığı arasında çalışan bir makinenin ulaşabileceği en büyük verim, $1 - T_L/T_H$ ($T$ Kelvin).
Entropi üretimi ($S_{gen}$)
Bir sürecin tersinmezliğinin ölçüsü; gerçek süreçlerde pozitif, tersinir süreçte sıfırdır, negatif olması imkânsızdır.
İkinci yasa verimi (second-law efficiency)
Gerçek verimin aynı sıcaklıklardaki tersinir (Carnot) verime oranı, $\eta_{II} = \eta_{th}/\eta_{Carnot}$.

Örnek soru

Bir ısı makinesi çevrimsel çalışırken sıcak kaynaktan $Q_H = 500\,\text{kJ}$ ısı alıp soğuk ortama $Q_L = 320\,\text{kJ}$ ısı atıyor. Çevrim başına net iş kaç kJ'dür?

  1. 820 kJ
  2. 500 kJ
  3. 320 kJ
  4. 180 kJ
  5. 360 kJ

Doğru cevap: D

Çözüm

1. Tam bir çevrimde sistem başlangıç haline döner, dolayısıyla $\Delta U = 0$ olur ve Birinci Kanun $W_{net} = Q_H - Q_L$ biçimine iner.
2. $W_{net} = 500 - 320 = 180\,\text{kJ}$ bulunur. Bunun $\eta = 180/500 = 0{,}36$ verime karşılık geldiğini de not edelim.
Sonuç: 180 kJ (D). En güçlü çeldirici 820 kJ'dür: $Q_H + Q_L$ toplanmış, yani atılan ısı da alınan ısı gibi sayılmıştır; oysa $Q_L$ işe dönüşmeyen, çevreye giden kısımdır.

Mühendislik Termodinamiği: tüm konular