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)
Verim Efficiency
|
Yoldan geçen birine verim nedir diye sorarsanız, sanırım daha fazla ürün elde etmek, zamanı ve diğer kaynakları daha iyi kullanmak anlamına gelen yanıtlarla karşılaşırsınız. Verim kabaca, amaçlanan ürünün onu elde etmek için tüketilen kaynağa oranı diye tanımlanabilir. Örneğin, bir konuyu öğrenmek için çalışılan zaman, belirli bir yolu katetmek için tüketilen benzin gibi. Hangi ölçütler kullanılırsa kullanılsın, verimin hep yüksek olması istenir. Ancak pay ve payda için aynı birimleri kullandığımız sürece, verim hiç bir zaman %100’ den daha büyük değildir. Termodinamik, enerji dönüşümleri ile ilgilenen bilim dalıdır. Bu nedenle verim, bir enerji türünün hangi oranda bir başka enerji türüne dönüştürülebileceği biçiminde tanımlanabilir. Bir iki örnek verelim. Bir kazandan elde edilen ısıl enerjinin tüketilen kimyasal enerjiye oranı, kazanın yanma verimidir. Burada ısıl enerji elde edilen sıcak su veya buharın, kJ biriminde enerji karşılığı, kimyasal enerji ise tüketilen yakıtın (kömür, doğal gaz,...) kJ biriminde enerjisidir. Bu verim günümüzde %90’ lara ulaşmıştır. İkinci bir örnek olarak bir benzin motorunu ele alalım. Motorun ısıl verimi, motordan elde edilen işin (kJ), motorda benzinin yanması sonucu elde edilen ısıl enerjiye (kJ) oranıdır. Günümüz motorlarında bu verim yaklaşık %35’ tir. Yukarıda açıklanan verim kavramı ve tanımlanan verimler, sözlü anlatıma dayanmaktadır. Termodinamik bilimini kullanan mühendisler ve öğrenciler bu konuyu bağıntılar ve hesaplarla çok daha ayrıntılı olarak ele alırlar. Motorlarda ısıl enerjinin işe dönüşümü termodinamik çevrimlerde gerçekleşir. Benzin motoru, Otto çevrimi; Diesel motoru, Diesel çevrimi; gaz türbini ise Brayton çevrimi ile ilişkilidir. Bu çevrimlerin verimlerinin üst sınırı, Carnot verimidir. Carnot verimi, tersinir (kayıpsız) bir çevrimin verimini gösterir. Otto, Diesel ve Brayton çevrimleri için daha gerçekçi bir verim tanımı, Curzon-Ahlborn (veya Novikov-Chambadal) diye adlandırılan verimdir. Her iki verim de, sadece ve sadece, çevrimin en yüksek ve en düşük sıcaklıklarının fonksiyonudur. Bu paragrafta açıklananlar sadece ısıl enerjinin işe dönüşümü için geçerlidir. Yakıt pilleri gibi kimyasal enerjinin doğrudan işe (elektriğe) dönüştüğü durumlarda verimi daha farklı tanımlarla vermek gerekir Termodinamikte, sistem terimi kabaca belirli bir kütleyi veya belirli bir hacimden sürekli geçen kütleyi gösterir. Sistem, çevreyle ısı ve iş etkileşiminin olabileceği bir hal değişimi veya süreçten geçebilir. Bu hal değişimi veya süreç için de verim tanımlanabilir. Ancak böyle bir verim tanımı genellikle entropi kavramı ile ilişkilidir. Entropi önümüzdeki aylardan başlayarak bir dizi yazının konusu olacaktır. Entropi ile ilişkili olarak verimi daha sonra ele alacağız. (8 Ağustos 2016) |
If you ask someone walking on the street, what he understands from efficiency, he will probably answer this question
by saying that efficiency is producing more, using time and other sources more effectively or something similar.
Efficiency may roughly be defined as the ratio of the desired product divided by the source that is expended to produce
it. Some examples are the time spent to learn a certain subject or the amount of gasoline burned to go a certain distance.
No matter which measure we use, we always want efficiency to be high. However, as long as we use the same units for
both the nominator and the denominator, efficiency is never greater than 100%. Thermodynamics is the science that deals
with energy transformations. For this reason efficiency is defined as the percentage of one form of energy transformed
into another. Let us give two examples. The ratio of the thermal energy obtained in a boiler to the chemical energy spent
is called the combustion efficiency or the thermal effiency of the boiler. Here thermal energy is the energy of hot water
or steam expressed in kJ, chemical energy is the energy of the fuel spent (coal, natural gas,…) in kJ. Efficiency of
modern boilers are around 90%. Let us next consider a car engine as an example. The thermal efficiency of the engine
is defined as the work produced by the engine (kJ) divided by the thermal energy obtained from the burning of the
fuel (kJ). The thermal efficiency of a modern gasoline engine is nearly 35%. The concept of efficiency and related definitions have been given above verbally. Engineers and students that use thermodynamics, treat this subject in much more detail by using equations and numerical calculations. Conversion of thermal energy to work in engines is realized in thermodynamic cycles. Otto cycle is associated with tha gasoline engine, the Diesel cycle with the Diesel engine and the Brayton cycle with the gas turbine. The upper limit of efficiency of these cycles is the Carnot efficiency. Carnot efficiency is the efficiency of a reversible ( ideal with no losses) cycle. A more realistic effiency definition for the Otto, Diesel and Brayton cycles is the Curzon –Ahlborn (some call it Novikov-Chambadal) efficiency. Both of the efficiency definitions are functions only of the maximum and minimum temperatures of the cycle. Explanations in this paragraph relate only to the conversion of thermal energy to work. For devices where chemical energy is directly converted to work (electricity) such as the fuel cell, efficiency must be considered in a different context. In thermodynamics, the term sytem roughly means a certain mass or a mass passing through a control volume. System may undergo a change of state or process, where it may exchange heat and work with the surroundings. An efficiency may also be defined for a change of state or a process of the system. However such a definition is usually related to the concept of entropy. Entropy will be the subject of a series of articles starting next month. Efficiency within the context of entropy will be discussed then. (August 8, 2016) |