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)
            

 Ekserji                                               Exergy

                 
     Birinci yasa enerji ile ilgilidir. Hal değişimleri sırasında sistemin enerji değişimi ile sisteme enerji giriş çıkışlarının hesabını tutar. İkinci yasa entropi ile ilgilidir. Hal değişimleri sırasında sistemdeki entropi üretimini hesaplar. Ekserji hem enerji, hem de entropi ile ilgilidir. Belirli çevre koşulları için bir sistemin yapabileceği en fazla yararlı işi gösterir. Sistemin bulunduğu hal ve çevre koşulları biliniyorsa, bu sabit bir değerdir ve sistemin ekserjisi olarak bilinir. Sistemin ekserjisi, sistemin bir özeliğidir. Ekserji, entropiye benzer olarak, korunan bir özelik değildir. Başka bir deyişle gerçek hal değişimlerinde sistemin ekserji değişimi ile sisteme ekserji giriş çıkışları arasında bir fark oluşur. Bu fark ekserji kırımı olarak adlandırılır ve hal değişimi sırasındaki tersinmezliğe eşittir. Bu değer aynı zamanda kelvin birimlerinde mutlak çevre sıcaklığı ile hal değişimi sırasındaki entropi üretiminin çarpımına eşittir. Böylece sistemin hal değişimi sırasındaki tersinmezlik, isteğe bağlı olarak, entropi üretiminden veya ekserji kırımından bulunabilir.
     Tersinmezlik entropi üretiminden hesaplanabildiğine göre, ekserjinin ayrı bir büyüklük olarak tanımlanmasına ve hesaplanmasına gerek var mıdır, sorusu akla gelebilir. Hatta bilimsel çevrelerde bile ekserji çözümlemesini gereksiz bulanlar olmuştur. Ben bu düşüncede değilim. Ekserji kavramını kullanarak bir endüstri sürecini çok daha basit bir biçimde gösterebiliriz. Ürünün (çıktının) ekserjisi, yakıtın (girdinin) ekserjisi eksi süreç sırasındaki ekserji kırımına eşittir. Bu bağıntı bir denklem olarak yazılabilir ve sürecin ekserji verimi bu üç büyüklüğe göre tanımlanabilir. Bu sadeliği enerji (birinci yasa) ve entropiyi (ikinci yasa) ayrı ayrı kullanarak sağlamak olanaksızdır.
     Bir adım daha atılırsa, yukarıdaki paragrafta sözü edilen denklem, maliyet denge denklemi ile birleştirilebilir. Maliyet denge denklemi, ürünün (çıktının) maliyeti eşittir, yakıtın (girdinin) maliyeti artı süreci gerçekleştirmek için yapılması gereken yatırımın maliyeti biçiminde yazılır. Bu iki denklemi kullanarak hem ürünün birim ekserji maliyeti belirlenebilir, hem de süreç sırasındaki ekserji kırımı (kayıplar) parasal olarak ifade edilebilir. Bu anlatılanlar kısaca ekserji ekonomisi veya termoekonomi adı verilen bilim dalının konusu olmaktadır. Kuşkusuz konunun kapsamı, yukarıda bir kaç cümle ile anlatılandan çok daha geniştir. Burada vurgulanmak istenen ekserjinin vazgeçilmez bir büyüklük olduğudur.
     Ekserji ekonomisini, İTܒ de lisansüstü düzeyde verdiğim “Design of Thermal Systems” dersinde anlatmıştım. Bu dersin notlarını yayımlamak çabası içindeyim. Dayandığım temel kaynaklar da : Bejan, Tsatsaronis ve Moran’ ın, “Thermal Design and Optimization” ve Kotas’ ın, “The Exergy Method of Thermal Plant Analysis” adlı kitaplarıydı. İsteyenler bu kaynaklara rahatlıkla erişebilir. Konuyu en basit biçimiyle okumak isteyelere önereceğim, Moran ve Shapiro’ nun “Fundamentals of Engineering Thermodynamics” adlı kitabının ilgili bölümüdür.
     Ekserji çözümlemesinin bilimsel bir disiplin olarak gelişmesine katkıda bulunan öncü bilim insanlarını ve çalışmalarını, sonraki yazılarımdan birinde kısaca ele alacağım.     
    
               (23 Haziran 2017)
    
          First law concerns energy. It keeps the account of energy changes and energy inlets and exits to the system during a process. The second law concerns entropy. It calculates the entropy generation in a system during a process. Exergy is related both to energy and entropy. For a specified environment and state of the system, it gives the maximum useful work that a system can do. If the state of the environment and the system are specified, this is a constant value and is known as the exergy of the system. Exergy is a property of the system. Like entropy it is not conserved. In other words, in real processes a difference results between the exergy change of the system and the exergy coming in and going out of the system. This difference is called the exergy destruction and is equal to the irreversibility during a process. This value is also equal to the absolute environmental temperature in kelvin times the entropy generation. Thus, one can calculate the irreversibility in the system during a process, either from the entropy generation or from the exergy destruction.
    Since the irreversibility can be calculated from the entropy generation, the following question may come to mind. Is it necessary to define and calculate exergy as a separate quantity ? As a matter of fact some scientists think that exergy analysis is not important. I do not think so. We can depict an industrial process in a much simpler way by using the exergy concept. Exergy of the product (output) is equal to the exergy of the fuel (input), minus the exergy destruction. This relationship can be written as an equation and the efficiency of the process may be defined according to these three values. It is impossible to write this expression as simple as above, by using the energy (first law) and the entropy (second law) separately.
    If we go one step further, the equation given in the above paragraph may be combined with the cost balance equation. The cost balance equation says that the cost of the product (output) is equal to the cost of the fuel (input) plus the cost of the investment to realize the process. By using these two equations the cost per unit exegy of the product can be calcuılated and the cost of exergy destruction (losses) can be expressed in monetary terms. The thoughts expressed above is the basis of a branch of science called the exergy economy or thermoeconomy. Obviously the extent of the subject is much more wider than what is said above. However, what is emphasized here is that exergy is an indismissable quantity.
    I taught exergy economy in a postgraduate course named “Design of Thermal Systems” at ITU. I am working to publish the associated course notes. The basic references that I used were the books : “Thermal Design and Optimization”, by Bejan, Tsatsaronis and Moran; and “The Exergy Method of Thermal Plant Analysis” by Kotas. Those who wish may reach these sources readily. Those who wish to get an idea about the topic in the simplest manner, may read the related chapter in the book, “Fundamentals of Engineering Thermodynamics” by Moran and Shapiro.
    I will write an article about the principle scientists and briefly what they did on exergy analysis in the following months.
                                          (June 23, 2017)