Termodinamik

Termodinamik sistem, çevre, sınır, özellik, hal, denge, süreç ve çevrim kavramları ele alınır. Yoğun ve yaygın özellikler, hal değişimi, süreç diyagramları, basınç, sıcaklık ve özgül hacim gibi temel büyüklükler fiziksel anlamlarıyla incelenir. Bu bölümde termodinamik problemlerde doğru sistem seçimi ve problem modelleme yaklaşımı üzerinde durulur.

Saf madde kavramı, faz değişimi, doymuş sıvı–buhar karışımı, kızgın buhar ve sıkıştırılmış sıvı bölgeleri incelenir. P–v, T–v ve P–T diyagramları üzerinden faz davranışı yorumlanır. Termodinamik özellik tablolarının kullanımı, kalite hesabı, enterpolasyon ve uygun tablo bölgesinin seçimi problem çözümüyle çalışılır.

İdeal gaz modeli, ideal gaz hal denklemi ve gaz sabiti kavramı ele alınır. İdeal gaz yaklaşımının geçerlilik sınırları tartışılır; gerçek gaz davranışı sıkıştırılabilirlik faktörü ve genelleştirilmiş sıkıştırılabilirlik diyagramları üzerinden incelenir. Nelson–Obert diyagramı kullanılarak gerçek gaz problemlerinde basınç, sıcaklık ve özgül hacim ilişkileri yorumlanır.

Enerji kavramı; iç enerji, kinetik enerji, potansiyel enerji, ısı ve iş etkileşimleri üzerinden incelenir. Termodinamiğin birinci yasası kullanılarak enerji dengesi kurulur. Sınır işi, mil işi, elektrik işi ve ısı geçişi gibi enerji etkileşimlerinin işaret yorumu ve fiziksel anlamı problem çözümüyle ele alınır.

Kapalı sistemlerde kütle sabit kabul edilerek enerji dengesi uygulanır. Sabit hacim, sabit basınç, izotermal, adyabatik ve politropik süreçler problem çözümüyle incelenir. Hareketli sınır işi, ideal gaz süreçleri ve saf madde tabloları kullanılarak kapalı sistemlerde hal değişimi ve enerji geçişleri yorumlanır.

Kontrol hacmi yaklaşımı kullanılarak daimi halde çalışan açık sistemlerde kütle ve enerji dengesi kurulur. Sürekli akışlı türbin, kompresör, pompa, nozul, difüzör, karışım odası, ısı değiştirici ve kısılma vanası gibi mühendislik elemanları incelenir. Akış işi, entalpi, toplam entalpi, kinetik ve potansiyel enerji katkıları ile sürekli akış enerji denklemi problem çözümüyle çalışılır.

Zamana bağlı açık sistemlerde kütle ve enerji birikimi dikkate alınarak geçici(daimi olmayan) rejim analizi yapılır. Dolan ve boşalan tanklar, rijit kaplar, kontrol hacmine giren–çıkan akışlar ve zamanla değişen hal büyüklükleri incelenir. Bu bölümde zamana bağlı kütle ve enerji dengesi kurma becerisi problem çözümüyle geliştirilir.

Termodinamiğin ikinci yasası, ısı makineleri, soğutma makineleri ve ısı pompaları üzerinden ele alınır. Kelvin–Planck ve Clausius ifadeleri, tersinir ve tersinmez süreçler, termal verim, performans katsayısı ve Carnot çevrimi incelenir. Bu bölümde enerji kalitesi ve süreçlerin gerçekleşebilirliği fiziksel olarak yorumlanır.

Entropi kavramı, tersinir ısı geçişi ve ikinci yasa ile ilişkilendirilerek açıklanır. Saf madde ve ideal gazlar için entropi değişimi, izentropik süreçler, entropi dengesi ve entropi üretimi problem çözümüyle incelenir. Tersinmezliklerin entropi üretimi üzerindeki etkisi ve süreçlerin ikinci yasa açısından yorumu üzerinde durulur.

Ekserji kavramı, kullanılabilir enerji ve çevreyle dengeye gelme potansiyeli üzerinden ele alınır. Kapalı sistem ve kontrol hacmi için ekserji dengesi, tersinmezlik, ekserji yıkımı ve ikinci yasa verimi incelenir. Mühendislik sistemlerinde kayıpların yalnızca enerji miktarıyla değil, enerji kalitesiyle de değerlendirilmesi problem çözümüyle çalışılır.

Kapalı sistem esaslı güç çevrimleri ve içten yanmalı motor çevrimleri incelenir. Otto, Diesel, Dual ve Stirling gibi ideal çevrimlerde sıkıştırma oranı, ısı girişi, ısı çıkışı, net iş ve termal verim hesapları yapılır. Çevrimlerin P–v ve T–s diyagramları üzerinden fiziksel yorumu ve performans karşılaştırması ele alınır.

Gaz türbini esaslı güç çevrimleri Brayton çevrimi üzerinden incelenir. Kompresör, yanma odası ve türbin elemanları için açık sistem enerji dengeleri kurularak net iş, ısı girişi, termal verim ve basınç oranı etkisi hesaplanır. İdeal ve gerçek Brayton çevrimi, izentropik verimler, rejenerasyon, ara soğutma ve yeniden ısıtma gibi çevrim iyileştirme yöntemleri T–s diyagramlarıyla birlikte yorumlanır.

Buharlı güç sistemleri Rankine çevrimi üzerinden ele alınır. Pompa, kazan, türbin ve yoğuşturucu elemanları için açık sistem enerji dengeleri kurularak türbin işi, pompa işi, ısı girişi, ısı atımı ve çevrim verimi hesaplanır. İdeal ve gerçek Rankine çevrimi, kızdırma, ara ısıtma, kademeli türbin uygulamaları ve açık/kapalı besleme suyu ısıtıcıları üzerinden çevrim verimliliğini artırma yöntemleri incelenir.

Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi ve ısı pompası sistemleri açık sistem yaklaşımıyla incelenir. Kompresör, yoğuşturucu, kısılma vanası ve evaporatör elemanları için enerji dengeleri kurularak soğutma kapasitesi, kompresör işi ve performans katsayısı hesaplanır. İdeal ve gerçek soğutma çevrimleri, P–h ve T–s diyagramları, kızdırma, aşırı soğutma, çok kademeli sıkıştırma, flash chamber ve kaskad soğutma gibi özel çevrim modelleri problem çözümüyle ele alınır.

İdeal gaz karışımları, mol kesri, kütle kesri, kısmi basınç ve kısmi hacim kavramlarıyla ele alınır. Dalton ve Amagat yaklaşımları, karışım gaz sabiti, karışımın iç enerji, entalpi ve entropi özellikleri incelenir. Gaz karışımlarında özellik hesabı ve karışım modellerinin mühendislik problemlerinde kullanımı çalışılır.

Nemli hava özellikleri, bağıl nem, özgül nem, çiy noktası sıcaklığı, yaş termometre sıcaklığı ve entalpi kavramları ele alınır. Psikrometrik diyagram kullanılarak ısıtma, soğutma, nemlendirme, nem alma ve karışım süreçleri incelenir. İklimlendirme problemlerinde kütle ve enerji dengesi kurma yaklaşımı problem çözümüyle çalışılır.

Yanma tepkimeleri, yakıt–hava oranı, stokiyometrik hava miktarı, fazla hava, eşdeğerlik oranı ve yanma ürünleri incelenir. Açık sistemlerde yanma için enerji dengesi kurulur; oluşum entalpisi, yanma entalpisi ve adyabatik alev sıcaklığı kavramları ele alınır. Yanma problemlerinde kimyasal denklem denkleştirme ve termodinamik özellik kullanımı çalışılır.

Kimyasal denge kavramı, reaksiyon yönü, denge sabiti ve Gibbs serbest enerjisi ile ilişkilendirilerek incelenir. Denge bileşimi, sıcaklığın denge üzerindeki etkisi ve kimyasal reaksiyonların termodinamik gerçekleşebilirliği ele alınır. Bu bölümde yanma ve yüksek sıcaklık gaz karışımlarında denge yaklaşımının mühendislik yorumu üzerinde durulur.

Sıkıştırılabilir akışın temel kavramları; Mach sayısı, ses hızı, durma özellikleri ve izentropik akış ilişkileri üzerinden incelenir. Nozul ve difüzörlerde akış davranışı, boğulma, basınç–sıcaklık–hız değişimleri ve enerji denklemiyle bağlantı kurulur. Bu bölümde termodinamik altyapının gaz dinamiği problemlerine nasıl taşındığı gösterilir.