GİRİŞ
Sanayileşmenin gittikçe yaygınlaşması ve tüketimin gittikçe artması sebebiyle enerji önemli bir mesele haline gelmiştir. Bazı mevcut enerji kaynaklarının miktarları yeryüzünde sınırlıdır ve bir kaç on veya yüzyıl sonra tükeneceklerdir. Ayrıca çeşitli enerji kaynakları farklı miktarlarda yeryüzüne yayılmıştır. Bunlar ekonomik ve politik sorunlar doğurmaktadır. ( Örneğin Arap-İsrail anlaşmazlığı sonucu 1974 deki petrol ambargosu ile açığa çıkan enerji krizi). Ayrıca son zamanlarda enerji üretimi ve tüketimi ekolojik açıdan da önem kazanmıştır. Enerji ile çevre bir arada göz önüne alınmak durumundadır (Enerji ve çevre enstitüleri).
Enerji bir sistemin iş yapabilme yeteneğidir. Sisteme ait bir özelliktir. Çok çeşitli enerji türleri vardır ve çeşitli enerji kavramları da kullanılmaktadır. Kullanıcı veya tüketiciler enerjiyi kullandıkları şekle göre isimlendirmektedirler. Örneğin:
- Mekanik enerji (Makineleri çalıştırmak için ) - Termik (ısıl) enerji (Isıtma, soğutma)
- Işık enerjisi (Işık )
- Elektrik enerjisi (Televizyon, Elekroliz v.s.)
Tabiatta mevcut olanlar primer (birincil) enerjilerdir. Bunlara enerji kaynakları da denir (Fosil yakıtlar, biyokütle gibi.) Bu enerji çeşitleri nadir olarak, bazı istisna durumlar hariç direkt kullanılabilir. (Örneğin termal kaynaklardan sıcak su ısıtması için yararlanılabilir, odun yakılarak ısı elde edilebilir). Genelde birincil enerjiler direkt olarak kullanılmaz ve tüketilebilmeleri için şekil değiştirmeleri gerekir. Şekil 1’de de görüldüğü gibi.
Şekil 1: Enerji dönüşümleri
Fakat bu tablo tüm çevrimleri içine almıyor veya göstermiyor. Örneğin kimyasal enerjiden direkt olarak elektrik enerjisi elde edilebilir. (Örneğin yakıt hücresi (fuel cell) denilen pillerde H2 ve O2 ‘nin birleşmesiyle elektrik enerjisi elde edilebilir, veya elektrolizle tekrar H2 ve O2 ‘ye ayrılarak kimyasal enerji elde edilebilir ).
Isı enerjisinden de direkt olarak elektrik enerjisi elde edilebilir. Örneğin termokupl ve Magnetohidrodinamik (MHD) jeneratörleriyle.
Termokupl (termo çift veya termo elemanları de denmektedir) uçlarından birleştirilmiş iki farklı metalden oluşmaktadır. Böyle bir metal çiftinin iki ucu farklı sıcaklıklarda tutulursa bir elektrik akımı oluşur.
Ni (Rh)
t2 t1
t2 > t1 NiCr (Pt)
MHD jeneratörde çok sıcak ve iyonize olmuş (yani elekrotları serbest hale geçmiş, dolayısıyla iletken olmuş) bir gaz magnetik alan içerisinden geçerken dik yönde bir elektrik alan meydana gelir ve buradan elektrik enerjisi elde edilir. Bu yoldan elektrik üretimi uygulamada henüz yaygınlaşmamıştır. Bu nedenle Şekil 1+de bu yol kesikli çizgi ile gösterimiştir.
N Çok sıcak
iyonize olmuş gaz
S
Buna karşılık ısı enerjisinden mekanik ve elektrik enerjisi elde edilirken kullanılan çevrimde ısı enerjisi bir akışkana verilir ve akışkanın enerjisi bir türbini çevirir. Türbinin çevirdiği bir jeneratörün iletken telleri manyetik alan içerisinde dönerler ve tellerde elektrik akımı oluşur.
Aslında tabloda gösterilenler de bir basitleştirmedir. Genelde enerji kaynağından faydalı enerji üretene kadar çok sayıda dönüşüm gerekmektedir:
Birincil enerjidönüşümikincil enerjidönüşüm….faydalı enerji Örnek:
Hidroelektrik santral (HES):
Barajda biriken suyun potansiyel enerji
Düşü ile borularda ve nozullarda hız kazandırılarak kinetik enerji (doğrusal hareket) İmpuls etkisiyle türbinin döndürülmesi sonucu dairesel hareket ile mekanik enerji (kinetik enerji)
Türbinin jeneratörü döndürmesi sonucu elektrik enerjisi
Faydalı enerji (Örneğin ampulde ışık enerjisi, veya bir rezistans ile ısı enerjisi, veya bir pompa ile suyun yükseğe çıkartılması (potansiyel enerji)
Termik santral:
Yakıttaki kimyasal enerji Yanma sonucu ısı enerjisi
Yüksek basınç ve sıcaklıkta buhar üretimi (entalpi)
Buharın impuls etkisiyle türbinin döndürülmesi sonucu dairesel hareket ile mekanik enerji (kinetik enerji)
Buradan itibaren HES’teki gibi…
Enerji ile ilgili hesapları yapabilmek için bazı başka enerji çeşitleri tanımlanmıştır.
Potansiyel enerji, kinetik enerji, iç enerji...
Potansiyel enerji bir sistemin konumundan (yükseklik farkı) dolayı içerdiği enerjidir. Örneğin yüksekte bulunan bir taşın veya barajda toplanmış suyun enerjisi:
z pot g
E =m
Kinetik enerji bir sistemin hızından dolayı içerdiği enerjidir. Örneğin akan bir akışkanın enerjisi:
2 mc
=
2
Ekin
Burada c: hız
(v özgül hacim (v = V/m = 1/ için kullanıldığından hız c ile sembolize edilmektedir.
İç enerji moleküller arasındaki çekim kuvvetlerinden ve moleküllerin hareketinden dolayı bir maddenin içerdiği enerjidir. Moleküller arasındaki mesafe arttıkça potansiyel enerjinin artmasına benzer bir artış olur. Bu durum maddenin faz değişmesinde görülür.
( Kaynamakta ve buharlaşmakta olan bir sıvının molekülleri arasındaki mesafe artar, bu sırada sıcaklık sabit kalır). Buna karşılık moleküllerin hareketi sıcaklık olarak kendini belli eder. Sıcaklık arttıkça moleküllerin hareketi artar ve iç enerji büyür. İç enerji sıcaklık ve basınca bağlıdır.
Eiç = U = m . u = m . u ( T, v ) u = cv . T
R = Ru / M
Ru = 8.314 kJ / kmol.K
İdeal gazlarda moleküller arasındaki mesafe çok büyüktür. Dolayısıyla hacimde yapılan değişmelerle iç enerji fazla değişmez. Dolayısıyla iç enerji sadece sıcaklığa bağlıdır. Basıncın veya hacimin fonksiyonu değildir.
u = u (T)
p.V = m.R.T
p.v = R.T
İç enerji için bu tanım kimyasal ve nükleer reaksiyonların olmaması halinde söz konusudur.
Bir sistemin toplam enerjisi
Et = U + Epot + Ekin
Yer çekimi alanı içinde c hızı ile hareket eden m kütlesinin toplam enerjisi
Et = U + m c
2
2 + m.g.z
Özgül enerji, yani birim kütlenin enerjisi e ise
Et = m.e
olur. Bu durumda
e = u +
2 c2
+ g.z
olur. Basınç enerjisi bir sistemin basıncından dolayı içerdiği enerjidir. Örneğin bir tank içine sıkıştırılmış bir gazın enerjisi.
/ m
V p
= pv mp
Ebas
İç enerji ve basınç enerjisinin toplamı entalpidir:
T . T R) (
RT T . v p u
=
h cp
cv
cv
Kimyasal enerji bir sistemin moleküllerini meydana getiren atomları bağlayan kuvvetlerden dolayı depo edilmiş enerjidir. Reaksiyon sonucu elektronların ve atomların aldıkları yeni konum sebebiyle kimyasal enerji açığa çıkar.
. m
hR
Ekim
hR
: Reaksiyon entalpisi
Nükleer enerji ise proton ve nötronları bağlayan kuvvetlerden dolayı atomların içerdiği enerjidir. Parçalanma (fisyon) veya birleşme (füzyon) sonucu kütle farkından dolayı bu enerji açığa çıkar.
m.c2
Enuk
Burada c ışık hızıdır.
