wtermoyaz

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)

Entropi 1 Entropy 1

Entropi kavramı hem öğrenciler için hem de bilimle ilgilenenler için anlaşılması zor bir kavram olmuştur. Aslında entropi, sıcaklık, basınç, kütle, enerji gibi maddenin bir özeliği olarak tanımlanır. Kaba bir yaklaşımla, termodinamikte maddenin iki yeğin (kütleden bağımsız) özeliği biliniyorsa diğer özelikleri de saptanabilir. Örneğin suyun sıcaklık ve basıncı biliniyorsa, entropisi de bulunabilir. Bunun için termodinamik ders kitaplarındaki çizelgelere bakmak yeterlidir. Bu arada entropinin birimi kJ/kg-K’ dir. Ancak entropi kavramı, bir özelik olarak entropi tanımının ötesinde bir önem ve anlam taşır. Bu konu dört bölümden oluşan bir yazı dizisinde incelenecektir. Bu ayın yazısı giriş ve genel bilgiler olarak alınabilir. Sonraki aylarda entropiye makroskopik düzeyde, mikroskopik (atomsal) düzeyde ve felsefe açısından bakacağız. Termodinamik biliminin temelleri 19. yüzyılda atılmıştır. 19. yüzyıldan önce madde olarak (kalorik) kabul edilen ısının, işe dönüşebilen bir enerji biçimi olduğu bu tarihten sonra anlaşılmıştır. Başka bir deyişle, kaloriğin korunumu yerini enerjinin korunumuna bırakmıştır. Bu önemli bir gelişmeydi. Termodinamiğin temeli, Sadi Carnot (1796-1832), Lord Kelvin (1824-1907), James Joule (1818-1889), Rudolf Clausius (1820-1888), Robert Meyer (1814-1878), James Watt (1736-1819) ve Ludwig Boltzman (1844-1906) tarafından atılmış ve daha sonra başta Joshua W. Gibbs (1839-1903) ve James C. Maxwell (1831-1879) olmak üzere diğer termodinamikçiler tarafından geliştirilmiştir. Termodinamikte her problemin çözümü, sistem ve sistemin hal değişimine dayanarak yapılır. Sistem inceleme amacıyla seçtiğimiz sabit bir kütle veya bir hacimden sürekli geçen kütle olarak tanımlanabilir. Her sistemin belirli sınırları vardır. Sınırların dışı ise çevre olarak adlandırılır. Sistem olarak belirlenen kütle hal değiştirirken (özelikleri değişirken) çevre ile ısı ve/veya iş etkileşiminde bulunabilir. Örneğin bir türbine giren kızgın buhar, genişleyip iş yaparkan, başka bir deyişle çevre ile iş etkileşiminde bulunurken, basıncı ve sıcaklığı azalır. Bu örnekte sistem sınırları, türbinin fiziksel sınırlarıdır. Adyabatik hal değişimi sistemin çevre ile ısı etkileşiminde bulunmadığı bir hal değişimi olarak tanımlansın. Gerçek dünyada, adyabatik bir hal değişimi sırasında, sistemin entropisi artar. Gene türbin örneğine dönersek, türbine giren kızgın buharın entropisi, adyabatik bir genişlemeden sonra türbinden çıkan buharın entropisinden daha azdır. İdeal hal değişimlerinde ise, ısı etkileşimi yoksa entropi değişmez. Başka bir deyişle, ideal bir adyabatik genişleme sırasında türbine giren kızgın buharın entropisi, çıkan buharın entropisine eşittir. Ayrıca ideal genişleme sırasında yapılan iş, gerçek genişleme sırasında yapılan işten daha fazladır. Buradan iki sonuç çıkarılabilir. Hal değişimi sırasındaki entropi değişimi, iş kaybı ile ilişkilendirilebilir. Entropi değişimine dayanarak bir verim tanımlanabilir. Dikkat edilirse yukarıda adyabatik hal değişimlerine değinildi. Hal değişimleri adyabatik olmak zorunda değildir, hatta bir hal değişimi sırasında sisteme entropi geçişi sadece ısı geçişi ile olur. Bu tür bir gerçek hal değişiminde sistemin entropi değişimi, entropi etkileşiminden büyüktür. Aradaki fark her zaman artı olup, tersinmezliğin (iş kaybının) bir ölçüsüdür. Adyabatik olmayan ideal bir hal değişiminde ise sistemin entropi değişimi, entropi etkileşimine eşittir. Yukarıdaki açıklamalar entropinin hal değişimlerinin verimliliği/verimsizliği ile ilişkilendirilebileceğini göstermektedir. Önümüzdeki ay bu konu biraz daha irdelenecektir. (9 Eylül 2016) The concept of entropy has always been hard to understand for the students and those interested in science. Actually entropy is defined as a property of matter just like the temperature, pressure, mass and energy. The state postulate roughly states that if two intensive properties of matter are known then all the other properties can be determined. For example if we know the temperature and pressure of water, then we can determine its entropy. For this purpose, it is sufficient to look up at the tables found in thermodynamics textbooks. The units of entropy is kJ/kg-K. The concept of entropy carries much more meaning and importance beyond its definition however. We are going to examine this topic in a series of four articles starting this month. This month’s article may be considered as an introduction and general information. In the following months we shall look at entropy on a macroscopic basis, microscopic or atomic basis and from a philosophical point of view. The foundations of thermodynamics was laid down in the 19th century. Heat which was considered as matter (caloric) before the 19th century, was understood as a form of energy which could be transformed to work. In other words the conservation of caloric, left its place to conservation of energy. This was an important development. The foundation of thermodynamics laid by Sadi Carnot (1796-1832), Lord Kelvin (1824-1907), James Joule (1818-1889), Rudolf Clausius (1820-1888), Robert Meyer (1814-1878), James Watt (1736-1819) and Ludwig Boltzman (1844-1906) was later developed by famous scientists such as Joshua W. Gibbs (1839-1903), James C. Maxwell (1831-1879) and others. The solution of every problem in thermodynamics start with the definition of the system and its change of state. System may roughly be defined as a constant mass or a mass which continuously passes through a volume. Every system has a boundary. The outside of the boundary is called the environment. While the mass defined as system changes state ( as its properties change), it may have heat and/or work interactions with the environment. Consider a turbine as an example. The superheated steam entering the turbine expands while doing work (in other words having work interaction with the surroundings) and its temperature and pressure decreases. The boundary of the system here is the physical boundary of the turbine. Let us define an adiabatic change of state as that in which there is no heat interaction with the environment. In the real world, entropy of the sytem increases during an adiabatic change of state. If we return back to the turbine example, the entropy of the superheated steam entering the turbine which expands adiabatically is smaller than the entropy of the steam leaving the turbine. In the ideal case however, entropy does not change in an adiabatic change of state. In other words, in an ideal adiabatic expansion in the turbine the entropy of the superheated steam is equal to the entropy of the steam leaving the turbine. Furthermore, the work done during an ideal expansion is grater than the work during the actual expansion. Two conclusions can be drawn : The change of entropy during the actual expansion may be related to loss of work. An efficiency can be defined based on the entropy change. We assumed adiabatic changes of state above. The changes of state do not need to be adiabatic. As a matter of fact entropy transfer to a system can only occur with heat interaction. In a real change of state of this type the entropy change of the system is greater than its entropy interaction. The difference is always positive and is a measure of irreversibility (loss of work). In a non adiabatic ideal change of state, the change of entropy of the system is equal to the entropy interaction of the system. The explanations above show that entropy can be realated to the efficiency/inefficiency of the change of state. We shall examine this topic in more detail next month. (September 9, 2016)