İleri Termodinamik

Termodinamik sistem, özellik, hal, denge, süreç, çevrim, tersinirlik ve tersinmezlik kavramları ileri düzey bir çerçevede yeniden ele alınır. Basit sıkıştırılabilir sistemler, denge varsayımı, yarı-dengeli süreçler ve termodinamik modelleme yaklaşımı incelenir. Bu bölümde lisans düzeyindeki temel kavramlar, ileri termodinamik bağıntıların kurulmasına hazırlık oluşturacak şekilde sistematik hale getirilir.

Termodinamiğin birinci yasası kapalı sistemler ve kontrol hacimleri için genel enerji dengesi formunda ele alınır. İç enerji, entalpi, iş, ısı, akış işi ve toplam enerji kavramları ileri sistem analizleriyle ilişkilendirilir. Daimi ve zamana bağlı sistemlerde enerji dengesi kurma, uygun varsayım seçimi ve enerji geçişlerinin fiziksel yorumu problem çözümüyle çalışılır.

Termodinamiğin ikinci yasası, gerçekleşebilirlik, tersinirlik, tersinmezlik ve entropi üretimi üzerinden incelenir. Clausius eşitsizliği, entropi dengesi, ısı makineleri, soğutma sistemleri ve Carnot sınırları ileri düzey yorumlarla ele alınır. Bu bölümde enerji miktarı ile enerji kalitesi arasındaki fark ikinci yasa perspektifiyle açıklanır.

Birinci ve ikinci yasanın birlikte kullanımıyla kapalı sistemler ve kontrol hacimleri için birleşik termodinamik analiz yapılır. Tersinir süreçler, entropi dengesi, enerji dengesi ve süreç yönü aynı problem çerçevesinde değerlendirilir. Bu bölümde termodinamik süreçlerin yalnızca enerji korunumu ile değil, ikinci yasa sınırlamalarıyla birlikte yorumlanması hedeflenir.

Tek fazlı sistemlerde termodinamik özellikler arasındaki diferansiyel bağıntılar türetilir ve yorumlanır. Maxwell ilişkileri, Tds denklemleri, özgül ısılar, sıkıştırılabilirlik, hacimsel genleşme katsayısı ve Joule–Thomson katsayısı gibi büyüklükler ele alınır. Bu bölümde kısmi türevler ve termodinamik potansiyeller kullanılarak özellik değişimlerinin sistematik biçimde hesaplanması çalışılır.

Güç üretimi sistemleri enerji, entropi ve ekserji analizleri üzerinden incelenir. Buharlı güç çevrimleri, gaz türbini çevrimleri ve birleşik çevrimlerde temel elemanlar için kütle, enerji ve entropi dengeleri kurulur. Termal verim, ikinci yasa verimi, tersinmezlikler ve ekserji yıkımı kullanılarak gerçek güç sistemlerinin performansı yorumlanır.

Soğutma, ısı pompası ve gaz sıvılaştırma sistemleri ileri termodinamik analiz çerçevesinde ele alınır. Buhar sıkıştırmalı soğutma, çok kademeli soğutma, kaskad sistemler, Joule–Thomson genişlemesi ve sıvılaştırma süreçleri enerji ve ekserji perspektifiyle incelenir. Performans katsayısı, ikinci yasa verimi ve tersinmezlik kaynakları problem çözümüyle yorumlanır.

Tersinmez termodinamik yaklaşımı, denge dışı süreçler, akılar, itici kuvvetler, Onsager karşılıklılık ilişkileri ve entropi üretimi üzerinden ele alınır. Isı iletimi, difüzyon, viskoz akış ve kimyasal süreçlerde akı–kuvvet ilişkileri incelenir. Bu kapsamda coupled transport fenomenleri ve termoelektrik etkiler; Seebeck, Peltier, Thomson etkileri ve Kelvin bağıntıları üzerinden çalışılır. Ayrıca termoelektrik güç üretimi ve termoelektrik soğutma uygulamalarında verim, COP, figure of merit ve optimizasyon kavramlarına giriş yapılır.

Sonlu zaman termodinamiği, ideal tersinir çevrimler ile gerçek mühendislik sistemleri arasındaki farkı zaman kısıtı ve tersinmezlikler üzerinden ele alır. Güç üretimi, verim, ısı geçişi sınırlamaları ve çevrim süresi arasındaki ilişkiler incelenir. Bu bölümde maksimum verim yerine, sonlu sürede çalışan sistemlerde güç–verim dengesi ve gerçekçi performans sınırları yorumlanır.

Enerji analizi, mühendislik sistemlerinde birinci yasa yaklaşımının uygulamaları üzerinden ele alınır. Kapalı sistemler, kontrol hacimleri, güç üretimi, soğutma, ısı değiştiriciler ve akışlı sistemlerde enerji dengesi kurma becerisi geliştirilir. Bu bölümde EES kullanılarak termodinamik özellik hesabı, denklem sistemi çözümü, parametrik analiz ve sonuçların fiziksel yorumu uygulama problemleriyle pekiştirilir.

Entropi analizi, ikinci yasa uygulamaları ve tersinmezliklerin belirlenmesi açısından ele alınır. Kapalı sistemler ve kontrol hacimleri için entropi dengesi kurulur; entropi üretimi, izentropik verim, ısı geçişi ve sürtünme gibi tersinmezlik kaynakları incelenir. Bu bölümde süreçlerin gerçekleşebilirliği ve ikinci yasa açısından performans değerlendirmesi problem çözümüyle çalışılır.

Ekserji analizi, kullanılabilir enerji, çevre hali ve ölü hal kavramları üzerinden incelenir. Kapalı sistemler ve kontrol hacimleri için ekserji dengesi kurulur; ekserji yıkımı, tersinmezlik, ikinci yasa verimi ve kayıp kaynakları değerlendirilir. Güç üretimi, soğutma, ısı değiştiriciler ve akışlı sistemlerde ekserji yaklaşımıyla performans analizi yapılır.

Ekserji tabanlı termoekonomi, ekserji analizi ile ekonomik değerlendirme yaklaşımını birleştirerek mühendislik sistemlerindeki kayıpların maliyet etkisini inceleyen özel bir başlık olarak ele alınır. Ekserji yıkımı, tersinmezlik maliyeti, yakıt–ürün tanımları, maliyet dengeleri, birim ekserji maliyeti ve exergoeconomic factor kavramları üzerinden sistem bileşenlerinin performansı değerlendirilir. Güç üretimi, soğutma, ısı değiştiriciler ve enerji dönüşüm sistemlerinde hangi bileşenlerin iyileştirme açısından öncelikli olduğu veya mevcut bileşenler arasından fiyat–performans dengesi gözetilerek nasıl seçim yapılacağı termodinamik ve ekonomik bakış birlikte kullanılarak yorumlanır.