Mühendislik Termodinamiği · 5. Ünite: Kontrol Hacimleri İçin Kütle ve Enerji Çözümlemesi

Kütlenin Korunumu ve Kütlesel/Hacimsel Debiler

Türbin, kompresör, lüle, boru hattı ve tank gibi cihazlarda akışkan sürekli içeri girip dışarı çıkar; bu yüzden sabit kütleli kapalı sistem yaklaşımı yetmez ve kontrol hacmi (control volume) yaklaşımı gerekir. Bu konuda kütlenin korunumunu kontrol hacmi için kurar, kütlesel ve hacimsel debiyi tanımlar, ortalama hızı integralden türetir ve çok girişli çıkışlı sistemlerde bilinmeyen debileri bulursun. Sonraki konuların (enerji dengesi, cihazlar, dolum-boşalım) hepsi bu kütle dengesinin üzerine kurulur.

Öğrenme hedefleri

Konu anlatımı

  1. Bağlam: Kapalı Sistemden Kontrol Hacmine

  2. Kavramlar: Debi, Ortalama Hız ve Akış Kesiti

  3. Türetme: Ortalama Hız ve Kütle Denge Denklemi

  4. Sıkıştırılamaz ve Sıkıştırılabilir Akış

  5. Çözümlü Örnekler

  6. Simülasyon ve Yorum: Hızın Kesitle ve Yoğunlukla Değişimi

  7. Sık Yapılan Hatalar ve Kavram Yanılgıları

Anahtar terimler

Kontrol hacmi (control volume)
Kütle ve enerjinin geçebildiği, uzayda seçilmiş bölge; kontrol yüzeyi ile sınırlanır.
Kütlesel debi (mass flow rate)
Bir kesitten birim zamanda geçen kütle, $\dot m = \rho V_{ort} A_c$ (kg/s).
Hacimsel debi (volume flow rate)
Bir kesitten birim zamanda geçen hacim, $\dot V = V_{ort} A_c$ (m³/s).
Ortalama hız (average velocity)
Gerçek hız profili ile aynı kütlesel debiyi veren kesit-ortalama hız.
Sürekli akış (steady flow)
Kontrol hacmi içinde ve sınırlarında hiçbir özelliğin zamanla değişmediği akış; $dm_{KH}/dt = 0$.
Sıkıştırılamaz akış (incompressible flow)
Yoğunluğun sabit olduğu akış; hacimsel debi korunur.
Özgül hacim (specific volume)
Birim kütlenin hacmi, $v = 1/\rho$ (m³/kg).
Kütlenin korunumu (conservation of mass)
Kontrol hacmindeki kütle değişiminin net giren kütleye eşit olması ilkesi.

Örnek soru

Çapı $5\ \text{cm}$ olan borudan ortalama $2\ \text{m/s}$ hızla $\rho = 1000\ \text{kg/m}^3$ su akıyor. Kütlesel debi yaklaşık kaç kg/s'dir?

  1. 0,98
  2. 1,96
  3. 7,85
  4. 19,6
  5. 3,93

Doğru cevap: E

Çözüm

1. Kesit alanı $A_c = \pi D^2/4 = \pi (0{,}05)^2/4 = 1{,}963\times 10^{-3}\ \text{m}^2$.
2. $\dot m = \rho V A_c = 1000 \cdot 2 \cdot 1{,}963\times 10^{-3} = \mathbf{3{,}93\ kg/s}$.
Yarıçap yerine çap kullanmak (A = πD²) ya da D yerine D/2 koymak sırasıyla 4 kat ve 1/4 kat hata verir; 1,96 ve 7,85 seçenekleri bu hataların sonuçlarıdır.

Mühendislik Termodinamiği: tüm konular