Termodinamik Yazıları (On Thermodynamics)    Taner Derbentli

             Bu sayfada termodinamikle ilgili kısa yazılarımı bulacaksınız.
             (On this page you will find short articles that I will write on thermodynamics)
            

 Termodinamik Sistem                                Thermodynamic System

                 
     Termodinamik problemlerinin çözümünde sistem kavramı çok önemlidir. Termodinamik derslerimin ilk üç dört haftasında, derse başlarken tahtaya kesik çizgilerle bir daire çizip, öğrencilere bu nedir diye sorarım. Daha sonra sistemin ne olduğunu, kesik çizgilerin sistemin sınırlarını gösterdiğini, çizgilerin dışının çevre olduğunu, sistemin bu sınırlardan kütle ve enerji etkileşiminde bulunabileceğini, sistemi doğru belirlemenin problemin çözümünde en önemli adım olduğunu tekrar tekrar vurgular, dairenin içini ve dışını ayrıntılandırmaya çalışırım. Bazı öğrencilerin bu uygulamadan sıkıldıklarını tahmin ederim, ama bazı öğrencilerin de benim söylediklerimle yetinmeyip, bu kavramı sorgulayacaklarını ve daha ayrıntılı anlamaya çalışacaklarını düşünüp rahatlarım. Aslında sistem salt termodinamiğe özgü bir kavram da değildir, sistematik düşüncenin bir aracıdır.
     Termodinamikte sistemler klasik yaklaşımla ayrık, kapalı ve açık olarak üçe ayrılır. Kapalı sisteme ‘kontrol kütlesi ‘, açık sisteme de ‘kontrol hacmi’ adları verilir. Benim tercih ettiğim isimlendirme bu şekildedir. Termodinamiğin yasaları da belirtilen bu üç sistem için ayrı biçimlerde yazılır. Aslında bu ayrımı yapmaya gerek olmadığı düşüncesindeyim. Doğada da böyle bir ayrım yoktur. Ayrık sistemin sınırlarında kütle veya enerji etkileşimi olmaz, kapalı sistemin sınırlarında kütle etkileşimi olmaz ama enerji etkileşimi olabilir, açık sistemin sınırlarında hem kütle hem de enerji etkileşimi olabilir. Bu nedenle sistem sınırlarının ve etkileşimlerinin belirtilmesi çözümleme için yeterlidir. Termodinamik yasalarının matematiksel anlatımı, tüm sistemler için genel bir biçimde yapılabilir. Örneğin enerjinin korunumunu veya birinci yasayı, “sistemin enerji değişimi, eşittir (=) “sistemin enerji etkileşimi” biçiminde göstermek yeterlidir.
     Sistem sınırları içinde belirli bir kütle (madde) vardır. Ayrıca sistem sınırlarından kütle geçişi de olabilir. Kütle geçişi, bazan bir boruda olduğu gibi sürekli bir akış biçimindedir, başka bir deyişle sistem sınırlarından birim zamanda giren kütle, sistem sınırlarından birim zamanda çıkan kütleye eşit tir. Öte yandan, kütle giriş ve/veya çıkışı, bir küvetin doldurulması nda olduğu gibi, belli bir zaman süresi içinde de gerçekleşebilir. Sistem sınırlarında enerji etkileşimi, iş ve/veya ısı geçişi biçimindedir.
     Termodinamik problemlerinin çözümünde sistemin ilişkili olduğu madde ya da kütle de önemlidir. Madde, su, hava, soğutucu akışkan ve benzeri olabilir. Birçok maddenin sıcaklık, basınç, özgül hacim, özgül iç enerji , özgül entalpi, özgül entropi gibi özelikleri termodinamik kitaplarında, çizelgelerle veya bağıntılarla verilmiştir. Maddelerin özelikleri birbirlerinden bağımsız değildir. Bu nedenle birkaç özeliğin bilinmesi, diğer özeliklerin bulunmasına yardımcı olur.
     Yukarıdaki satırlarda teknik ayrıntıya girmeden ve termodinamik terimlerini fazla kullanmadan sistemi tanıtmaya çalıştım. Bu konuya ilgi duyan herkes ayrıntıları temel termodinamik kitaplarında bulabilir.
    
                        (30 Mayıs 2018)
    
    
    
    
    
    
           The concept of ‘system’ is very important in the solution of thermodynamic problems. In the first few weeks of my thermodynamic classes, I draw a circle with broken lines on the board and ask the students to say what it is. After that I explain what the system is , that the broken lines represent the boundaries of the system, that outside the boundaries is the environment , that there can be mass and energy transfer through the boundaries. I also emphasize that choosing the system is a very important step in solving thermodynamic problems. I repeat this practice time and time again and try to detail the inside and outside of the boundaries. I expect some of the students to get bored from this practice , but find comfort in thinking that some other students will not be content with what I say and will query about this concept and try to understand it in detail. Actually system is not a concept solely used in thermodynamics, but a means of systematic thinking.
     The classical approach in thermodynamics divide systems into three, namely as isolated, closed and open systems. The closed system is also called ‘contral mass’ , the open system , ‘control volume’. This is the way that I prefer to call them. The laws of thermodynamics are written in different forms for these three systems. I don’ t think that this distinction is necessary. There is no such distinction in nature. In the isolated system there is no mass or energy transaction through the boundaries. In the closed system there is no mass interaction. In the open system there may be both mass and energy interactions. For this reason, I think that specifying the system boundaries and interactions is sufficient for the solution. The mathematical expressions for the laws of thermodynamics can be generalized to all systems. For example, it is sufficient to show the conservation of energy or the first law as “change of energy of the sytem” is equal to (=) “energy transactions of the system”.
     There is a mass (substance) within the system boundaries. Furthermore there may or will be mass transactions through the boundaries. The mass transfer may be in the form of steady flow, as in flow in a pipe. In other words the mass that enters the system per unit time is equal to the mass leaving the system per unit time. On the other hand the mass inlet or exit may take place in a time period, like the filling of a bath tub. As to the energy transactions of the system they may be in the form of heat transfer or work.
     In the solutions of the thermodynamic problems the mass or substance with which the system is associated is also important. The substance may be water, air, refrigerant or like. The properties of many substances, such as temperature, pressure, specific volume, internal energy, enthalpy, entropy are given in tables or by mathematical relationships in thermodynamic books. Furthermore, these properties are not independent of each other.Therefore, knowing a few properties, will assist in determining the rest of the properties .
     In the above paragraphs, I tried to present the system, without using thermodynamic definitions and without going into technical details. Those who are interested in the topic may find the details in basic thermodynamic books.
                                                                  (May 30, 2018)