Bir sistem, genellikle hacim, basınç, sıcaklık, iç enerji ya da herhangi bir çeşit ısı transferindeki farklılıklarla ilişkilendirilen, sistem içinde bir çeşit enerjik değişiklik olduğunda termodinamik bir süreçten geçer.
Başlıca Termodinamik İşlem Türleri
Yeterince sık (ve pratik durumlarda) meydana gelen ve termodinamik çalışmalarında yaygın olarak ele alınan birkaç özel termodinamik işlem türü vardır. Her birinin kendisini tanımlayan benzersiz bir özelliği vardır ve bu, süreçle ilgili enerji ve iş değişikliklerini analiz etmede yararlıdır.
• Adyabatik süreç: Sisteme veya sistemden ısı transferi olmayan bir süreç.
• İzokorik süreç: Hacimde değişiklik olmayan bir süreçtir, bu durumda sistem çalışmaz.
• İzobarik süreç: Basınçta değişiklik olmayan bir süreç
• İzotermal süreç: Sıcaklıkta değişiklik olmayan bir süreç
Tek bir süreç içerisinde birden fazla işleme sahip olmak mümkündür. En açık örnek, basınç ve hacim değişiminin ısı transferinde ya da sıcaklık hiçbir değişikliğe sebep olmadığı bir durum olabilir. İşte böyle bir süreç hem izotermal hem de adyabatik hem de olacaktır.
Termodinamiğin Birinci Yasası
Matematiksel terimlerle, termodinamiğin birinci yasası şu şekilde yazılabilir:
delta- U = Q – W veya Q = delta- U + W
burada
• delta- U = sistemin iç enerjideki değişimi
• Q = sistem içine veya dışına aktarılan ısı.
• W = sistem tarafından veya sistem üzerinde yapılan iş.
Yukarıda açıklanan özel termodinamik süreçlerden birini analiz ederken, sık sık (her zaman olmasa da) çok şanslı bir sonuç elde edilmektedir, bu miktarlardan biri sıfıra düşmektedir!
Örneğin, bir adiyabatik süreç içinde hiçbir ısı transferi yoktur Q delta: iç enerji ve iş arasında çok basit bir ilişki içinde elde edilen = 0, S – = W . Benzersiz özellikleri hakkında daha spesifik ayrıntılar için bu işlemlerin ayrı tanımlarına bakılmalıdır.
Tersinir İşlemler
Termodinamik süreçlerin çoğu doğal olarak bir yönden diğerine ilerler. Başka bir deyişle, tercih ettikleri bir yönü vardır. Isı, daha sıcak bir nesneden daha soğuk olana doğru akar. Gazlar bir odayı doldurmak için genişler, ancak daha küçük bir alanı doldurmak için kendiliğinden büzüşmeyecektir. Mekanik enerjinin tamamı ısıya dönüştürülebilir, fakat ısıyı tamamen mekanik enerjiye çevirmek hemen hemen imkânsızdır.
Bununla birlikte, kimi sistemler tersine döndürülebilir bir süreçten geçmektedir. Genel olarak bu, sistem hem sistemin içinde hem de herhangi bir ortamda her zaman termal dengeye yakın olduğunda gerçekleşir. Bu durumda, sistemin koşullarındaki sonsuz küçük değişiklikler, sürecin diğer tarafa gitmesine neden olabilir. Bu nedenle, tersine çevrilebilir bir işlem, bir denge süreci olarak da bilinir.
• Örnek 1: İki metal (A ve B) termal temas ve termal denge halindedir. Metal A, sonsuz küçük bir miktarda ısıtılır, böylece ısı ondan metal B’ye akar. Bu süreç, A’yı sonsuz küçük bir miktarda soğutarak tersine çevrilebilir, bu noktada ısı, bir kez daha termal dengeye gelene kadar B’den A’ya akmaya başlayacaktır.
• Örnek 2: Mesela bir gaz, tersine döndürülebilir bir işlemde adyabatik ve yavaş olarak genleşmektedir. Basıncı sonsuz küçük bir miktarda artırarak, aynı gaz yavaşça ve adyabatik olarak başlangıç durumuna geri dönebilir.
Bunların biraz idealize edilmiş örnekler olduğu unutulmamalıdır. Pratik amaçlar için, termal dengede olan bir sistem, bu değişikliklerden biri uygulandığında termal dengede olmaktan çıkar, dolayısıyla süreç aslında tamamen tersine çevrilebilir değildir. Bu bir olduğunda, idealize modeli deneysel koşullarla ve dikkatli kontrollü bir süreç ile gerçeğe son derece yakın tam olarak geri dönüşlü durum elde edilebilir.
Tersinmez Süreçler ve Termodinamiğin İkinci Yasası
Elbette çoğu süreç, geri döndürülemez süreçlerdir (veya dengesiz süreçlerdir). Araçda çalışan frenlerin sürtünmesini kullanmak geri dönüşü olmayan bir süreçtir. Bir balondan havanın odaya salınmasına izin vermek geri dönüşü olmayan bir süreçtir. Sıcak çimento bir yürüme yoluna bir buz bloğu yerleştirmek geri dönüşü olmayan bir süreçtir.
Genel olarak, bu geri döndürülemez süreçler, sıklıkla bir sistemin entropisi veya düzensizliği olarak tanımlanan termodinamiğin ikinci yasasının bir sonucudur. Termodinamiğin ikinci yasasını ifade etmenin birkaç yolu vardır, ancak temelde herhangi bir ısı transferinin ne kadar verimli olabileceği konusunda bir sınırlama getirir. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, süreçte her zaman bir miktar ısı kaybedilecektir, bu yüzden gerçek dünyada tamamen tersine çevrilebilir bir sürece sahip olmak mümkün değildir.
Isı Motorları, Isı Pompaları ve Diğer Cihazlar
Isıyı kısmen işe veya mekanik enerjiye dönüştüren her cihaza ısı motoru denilmektedir. Bir ısı motoru bunu, ısıyı bir yerden diğerine aktararak ve yol boyunca bazı işler yaparak yapar. Termodinamiği kullanarak, bir ısı motorunun termal verimliliğini analiz etmek mümkündür ve bu, çoğu giriş fizik dersinde ele alınan bir konudur. İşte fizik derslerinde sıkça analiz edilen bazı ısı motorları şunlardır:
• Dahili Yanmalı Motor: Otomobillerde kullanılanlar gibi yakıtla çalışan bir motor. “Otto döngüsü”, normal bir benzinli motorun termodinamik sürecini tanımlar. “Dizel döngüsü”, Dizel motorları ifade eder.
• Buzdolabı: Tersine bir ısı motoru, buzdolabı ısıyı soğuk bir yerden (buzdolabının içinde) alır ve sıcak bir yere (buzdolabının dışında) aktarır.
• Isı Pompası: Isı pompası, dış havayı soğutarak binaları ısıtmak için kullanılan, buzdolabına benzer bir ısı motorudur.
Carnot Döngüsü
Fransız mühendis Sadi Carnot, 1924 yılında varsayımsal bir motor yaratmıştır ve bu motor termodinamiğin ikinci kanunu ile tutarlı olarak mümkün olan en yüksek verime sahip idealleştirilmiş bir şekildedir. Verimliliği için aşağıdaki denkleme ulaşmıştır:
e Carnot = ( T H – T C ) / T H
T H ve T C sırasıyla sıcak ve soğuk rezervuarların sıcaklıklarıdır. Çok büyük bir sıcaklık farkı ile yüksek verim elde edilir. Sıcaklık farkı düşükse düşük bir verimlilik gelir. Sadece imkansız olan T C = 0 (yani mutlak değer ) ise 1 (% 100 verimlilik) verimlilik elde edilebilir.
Kaynakça:
https://www.askiitians.com/iit-jee-thermal-physics/thermodynamic-process-and-their-types/
https://www.vedantu.com/physics/thermodynamic-processes
https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/thermodynamic-process
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu