Mühendislik Termodinamiği · 3. Ünite: Enerji, Enerji Transferi ve Genel Enerji Çözümlemesi

Isı ve İş ile Enerji Transferi

Kapalı bir sistemin enerjisi yalnızca iki yolla değişir: sınırdan geçen ısı ve sınırdan geçen iş. Bu konuda ısı ve işi tanımlayıp birbirinden ayırt etmeyi, Çengel–Boles işaret kuralını ($Q$ giren pozitif, $W$ çıkan pozitif) uygulamayı ve iletim, taşınım ve ışınım ısı hızlarını hesaplamayı öğreneceksiniz. Sonunda bir senaryodaki sistemi ve sınırı seçip $Q$ ile $W$'nin işaretini gerekçesiyle belirleyebilirsiniz.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Aynı Su Isıtıcısı, İki Farklı Yorum

  2. Isı Transferi ve Mekanizmaları

  3. İş ve İşaret Kuralı

  4. Isı ve İş: Yol Fonksiyonu mu, Hâl Özelliği mi?

  5. Çözümlü Örnekler

  6. Simülasyonla Keşif: Işaret Kuralını Kur

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Isı (heat)
İki sistem arasında yalnızca sıcaklık farkı nedeniyle geçen enerji transferi; yol fonksiyonudur.
İş (work)
Sıcaklık farkı dışındaki etkileşimle (kuvvet, tork, elektrik) sınırdan geçen enerji transferi.
Adyabatik süreç (adiabatic process)
Isı transferinin sıfır olduğu ($Q = 0$) süreç; sıcaklığın sabit olması anlamına gelmez.
Güç (power)
Birim zamanda yapılan iş ya da aktarılan enerji, $\dot W = dW/dt$; birimi kW.
İşaret kuralı (sign convention)
Isı sisteme girerse, iş sistemden çıkarsa pozitiftir; $\Delta E = Q - W$.
Yol fonksiyonu (path function)
Değeri başlangıç ve son hâle ek olarak izlenen yola bağlı olan büyüklük: $Q$, $W$.
İletim (conduction)
Maddenin içinde moleküllerin enerji aktarmasıyla ısı transferi; Fourier yasası.
Taşınım (convection)
Akışkan hareketi ile yüzey arasında ısı transferi; Newton soğuma yasası.
Işınım (radiation)
Elektromanyetik dalgalarla ısı transferi; Stefan–Boltzmann yasasına göre mutlak sıcaklığın dördüncü kuvvetiyle orantılı.

Örnek soru

Kapalı bir sistemden çevreye $50\,\text{kJ}$ ısı çıkıyor ve sisteme $30\,\text{kJ}$ iş yapılıyor. Çengel–Boles işaret kuralına göre $\Delta E$ kaç kJ'dür?

  1. −80
  2. −50
  3. 20
  4. −20
  5. 80

Doğru cevap: D

Çözüm

1. Isı sistemden çıktığı için $Q = -50\,\text{kJ}$.
2. İş sisteme yapıldığı için $W = -30\,\text{kJ}$.
3. $\Delta E = Q - W = -50 - (-30) = $ −20 kJ.
−80 kJ, işin işaretini yanlış alıp iki terimi toplamaktır ($Q + W$ ile $W$ pozitif sanmak); 20 kJ ise ısının işaretini unutmaktır.

Mühendislik Termodinamiği: tüm konular