Mühendislik Termodinamiği: Temeller ve Prensipler

Mühendislik termodinamiğinin temelleri, tesis, ekipman ve genel tasarımın performansının iyileştirilmesi aracılığıyla daha iyi bir dünya doğru ilerlemekte önemli bir rol oynar.

Ekipmanın performansını değerlendirmede kritik olan faktörler, son ürünün çıkışı, girdi hammaddesinin tüketimi, üretim maliyeti ve çevresel etkilerin değerlendirilmesi gibi unsurlardır. Mühendisler bugün, insan güvenliği ve konforu için tasarlanmış şeyleri incelemek ve yeniden icat etmek için termodinamik kavramını kullanmaktadır.

Termodinamik bilimi 19uncu yüzyıldan beri var olmaktadır. O zamandan beri bilim insanları ve mühendisler, onu mümkün olduğunca kullanıcı dostu hale getirmek için sürekli ve sürekli çaba göstermektedirler.

Termodinamiğin Temelleri

Termodinamik kelimesi, Yunanca'da theme (ısı demek) ve dinamis (güç demek) kelimelerinden türetilmiştir. Mühendislik profesyonelleri, sistemlerin ve çevreyle olan etkileşimlerini incelemekle ilgilenirler.

Bu bölümde kullanılan kavramlar/tanımlamalar, okuyucuların mühendislik termodinamiği (bazen Isı-Güç Mühendisliği olarak da adlandırılır) kavramını anlamasına yardımcı olur.

Sistem, Çevre ve Evren

Sistem, incelemek ve ilgi duymak istediğimiz şeydir. Bu nedenle ilk adım, sistemin inceleme amacını kesin olarak belirlemektir. Sistemin inceleme amacı, sistemin verimliliğini artırmak veya kayıpları azaltmak gibi olabilir. Sistem örneği, soğutma deposundaki soğutma döngüsünü analiz etmek veya bir güç santralindeki Rankine döngüsünü analiz etmek olabilir.

Bir sistem, kapalı veya esnek bir yüzey ile sınırlanan belirli bir miktardaki saf madde olarak tanımlanır; benzer şekilde, sistemin içindeki maddenin bileşimi, döngüye bağlı olarak sabit veya değişken olabilir.

Sistem boyutları mutlaka sabit olmak zorunda değildir (örneğin, bir kompresördeki havanın piston tarafından sıkıştırılması gibi) değişken olabilir (örneğin, şişirilmiş bir balon). Sistemle dışarıdan etkileşime giren madde Çevre olarak adlandırılır ve Evren, sistem ve çevre sonucu oluşur.

Sistemi çevresinden ayıran öğe sınır olarak adlandırılır. Sistemin sınırı sabit olabileceği gibi hareket halinde de olabilir.

Sistem ve çevre arasındaki etkileşim, sınırı geçerek gerçekleşir ve bu nedenle termodinamikte (yani ısı ve güç mühendisliğinde) çok önemli bir rol oynar.

Termodinamikteki Sistem Türleri

Termodinamikte iki temel sistem türü vardır:

1. Kapalı Sistem veya Kontrol Kütle: belirli bir miktardaki madde ile ilişkilidir. Açık bir sistem aksine, kapalı bir sistemde, sistemin sınırı üzerinden madde akışı meydana gelmez. Ayrıca, çevreden izole edilmiş özel bir kapalı sistem türü de vardır, bu tür sistem yalıtılmış sistem olarak adlandırılır.

2. Kontrol Hacmi (Açık Sistem): Kontrol hacmi, maddenin ve enerjinin akıp geçen ve sistemin sınırını aşabilen bir uzay bölgesine sınırlıdır. Açık bir sistemin sınırı kontrol yüzeyi olarak adlandırılır; bu kontrol yüzeyi gerçek veya hayali olabilir.
   Maddenin sistemin sınırını aşarak akışını gerektiren ekipman türleri gibi kontrol hacmi örnekleri, pompa aracılığıyla su akışı, buhar türbinlerindeki buhar akışı ve hava kompresörlerindeki hava akışıdır.

Mikroskopik Termodinamik

Mikroskopik yaklaşım, termodinamikte de istatistiksel termodinamik olarak adlandırılır ve madde yapısı ile ilgilidir. İstatistiksel termodinamik'in amacı, sistemin parçacıklarının ortalama davranışını karakterize etmektir ve bu bilgi, sistemin makroskopik davranışını gözlemlemek için kullanılabilir.

Termodinamik Özellik, Durum ve Süreç

Termodinamik Özellik

Termodinamik özelliği, bir sistemin makroskopik özelliği olarak tanımlanır. Bir özelliğin değeri, önceki değerine ve davranışına bilgi sahip olmadan herhangi bir zamanda atanabilir.

Geniş Özellik

Kütleye bağlı olan özelliklere geniş özellik denir ve toplam sistemin değeri, sistemin bölündüğü parçaların değerlerinin toplamıdır. Geniş özellik örnekleri Hacim, Enerji ve Kütle'dir. Geniş özellik, bir sistemin boyutuna bağlıdır ve zamanla değişebilir.

Yoğun Özellik

Geniş özelliğin aksine, yoğun özellik kütleye bağlı değildir ve toplanabilir değildir ve sistemin toplam boyutuna bağlı değildir. Sistem içinde herhangi bir anda farklı yerlerde değişebilir. Yoğun özellik örnekleri basınç ve sıcaklıktır.

Termodinamik Durumu

Durum, bir sistemin en iyi şekilde özellikleriyle tanımlanan durumu olarak tanımlanır. Sistemin içinde bulunan kütlenin çeşitli benzersiz durumlarda bulunabileceğini, bu duruma durum adı verilir. Sistemin özellikleri arasında ilişkiler vardır, ancak durum, özelliklerin bir alt kümesinin değerlerini sağlayarak belirlenebilir.

Termodinamik Süreci

Termodinamik süreçleri, bir durumdan diğerine dönüşümüdür. Eğer bir sistemin iki farklı zaman dilimindeki makroskopik özelliğin değerleri aynıysa, o zaman sistemin o zaman diliminde aynı durumda olduğu söylenir. Sistemin süreklilik durumu, hiçbir özelliği zamanla değişim göstermediği takdirde elde edilir.

Sistem Denge Döngüsü

Bir termodinamik sistemin denge döngüsü, aynı durumla başlayıp biten ardışık bir süreçtir. Döngü tamamlandığında tüm özellikleri, başlangıcındaki değerlerle aynı olur. Düzenli tekrar eden tüm döngüler, termal bir güç üretim istasyonundaki kondensat dolaşımı gibi birçok uygulama alanında önemli bir rol oynar.

Çalışan Madde

Madde teorisi, enerji kavramını anlamada yardımcı olur. Madde, kütlesi, hacmi ve aldığı alanı ile bilinir ve yapısı ve doğası ne olursa olsun, tutarlılık ve güvenilirlik gibi belirli özelliklere sahiptir. Madde, moleküller denen büyük sayıda parçacıktan oluşur. Katı, sıvı veya gaz şeklinde her yerde maddeler bulunabilir.

Katı maddede, moleküller birbirine yakın ve güçlü bir şekilde bağlanmıştır ve serbestçe hareket edemez. Bu nedenle şeklini değiştirmek için büyük bir kuvet gereklidir.

Sıvı maddede, moleküller sıkıca tutulmaz ve bu nedenle molekülleri bir arada tutmak için çok küçük bir kuvet yeterlidir.

Gaz halinde, moleküller rasgele ve serbestçe hareket eder, sanki sınırsız bir haldedir ve komşu moleküllerine bakılmaksızın hızlı hareket eder. Gazların sıkıştırılabilirliği, bağlanan moleküller arasında bol boş alan olduğunu gösterir. Enerji, maddenin farklı fazlarda var olmasının sebebidir.

Saf Madde

Saf madde, tek bir kimyasal yapıya sahip veya değişken kimyasal yapıda homojen olan maddeler olarak bilinir. Madde, sıvı gibi tek fazda olabilir veya birden fazla fazda birbirleriyle denge halinde olabilir. Benzer kimyasal bileşimli gazların düzgün karışımı da saf madde olarak adlandırılır.

Saf madde önemini, farklı basınç ve sıcaklık koşullarında çalışma maddesinin özelliklerinin belirlenmesinde bulur.

Örnek: Su gibi bir saf madde, basınc ve sıcaklık olarak adlandırılan iki bağımsız yoğun özelliğe tamamen dayanarak tanımlanabilir. Başka bir saf madde, gaz halindeki hava. Ancak homojen olmayan maddeler için, durumu tanımlamak için iki özelliğin üzerinde daha fazla özellik gereklidir.

Termodinamik Denge

Mekanikte, karşıt kuvvetleri eşitlendiğinde dengeye ulaşıldığı söylenir. Ancak termodinamik