Termodinamik çevrim

Termodinamik çevrim, bir veya daha çok hal değişimi (termodinamik süreç) gerçekleştiren, iş veya enerji üreterek veya enerjiyi transfer ederek ilk haline dönen bir çalışma akışkanı içeren çevrimlerdir. Tabloda termodinamik çevrimlerin listesi verilmiştir.

Kapalı bir çevrim esnasında, sistem başlangıçtaki termodinamik sıcaklık ve basınç durumuna döner. Termodinamik sistemlerde ısı ve iş gibi tüm çevrim basamakları birbirlerinden bağımsızdır. Başlangıç durumuna dönen sistemlerde termodinamiğin birinci kanununun uygulanışı şöyledir:

$\Delta E=E_{out}-E_{in}=0$

Yukarıda çevrim sonunda sistemin enerjisinde bir değişimi olmadığı ifade edilmiştir. E_in (E_giriş), sistemdeki ısı ve iş girişini, E_out (E_çıkış), sistemdeki ısı ve iş çıkışını ifade etmektedir. Termodinamiğin birinci kanunu aynı zamanda, bir çevrimdeki net ısı girişinin, net iş çıkışına eşit olduğunu söyler. (Isı için Q_giriş pozitif, Q_çıkış ise negatif kabul edilir.)

Isı ve İş

Başlıca termodinamik çevrimler, güç çevrimleri ve ısı pompası çevrimleridir. Güç çevrimlerinde ısı girişi ve mekanik iş çıkışı vardır. Isı pompası çevrimlerinde ise mekanik iş girişi ile düşük sıcaklıktan yüksek sıcaklığa ısı transferi yapılır. Basınç-Hacim (PV) (İngilizce: Pressure-Volume) ve Sıcaklık-Entropi diyagramlarında saat yönündeki çevrim güç çevrimine, saat yönünün tersine olan çevrim ise ısı pompası çevrimine işaret eder.

Çevrim noktaları

Termodinamik çevrim noktalarının tasviri.

Otto Çevrimi:

1→2: İzantropik Genişleme: Sabit entropi (s), basınç (P) düşüşü, hacim (v) artışı, sıcaklık (T) artışı

2→3: İzokorik Soğuma: Sabit Hacim(v), basınç (P) düşüşü, entropi düşüşü(S), Sıcaklık (T) düşüşü

3→4: İzantropik Sıkıştırma: Sabit entropi(s), basınç (P) düşüşü, hacim (v) düşüşü, sıcaklık (T) artışı

4→1: İzokorik Isınma: Sabit hacim (v), basınç (P) artışı, entropi (S) artışı, sıcaklık (T) artışı

Termodinamk süreçler (prosesler) listesi;

Adyabatik: çalışma akışkanında ısı ve kütle kaybının veya kazancının olmadığı haldeki süreçtir. Toplam iç enerji değişimi sıfırdır.

İzotermal: Sıcaklık değişiminin sıfır olduğu haldeki süreçtir. (T=sabit, δT=0)

İzobarik: Basınç değişiminin sıfır olduğu haldeki süreçtir. (P=sabit, δP=0)

İzokorik: Hacim değişiminin sıfır olduğu haldeki süreçtir. (V=sabit, δV=0)

İzantropik: Entropi değişiminin sıfır olduğu haldeki süreçtir. (S=sabit, δS=0)

Güç çevrimleri

Ana madde: Isı motoru

Termodinamik güç çevrimleri ısı motoru operasyonlarının temelidir. Isı motorları dünyadaki elektrik gücünün önemli bir kısmını sağlarken, motorlu taşıtların çok büyük çoğunluğu da ısı motorlarıyla çalışır. Güç çevrimler iki kategoride incelenebilir: gerçek çevrimler ve ideal çevrimler. Güç çevrimleri kullandıkları ısı motoru tiplerine göre birbirlerinden ayrılırlar. İçten yanmalı motorlarda en sık rastlanan çevrimler: otto çevrimi; benzinli motor’da kullanır, Dizel çevrimi; dizel motor’da kullanılır. Dıştan yanmalı motorlarda ise Brayton çevrimi; türbin motoru kullanır, Rankine çevrimi; buhar türbini kullanır, Stirling çevrimi ve Ericsson çevrimleri; sıcak hava motoru kullanırlar.

Örnek, 4 termodinamik süreç (proses) içeren ısı motoru çevriminden (net iş çıkışı) basınç-hacim mekanik iş çıkışı

${\text{(3)}}\qquad W_{net}=W_{1\to 2}+W_{2\to 3}+W_{3\to 4}+W_{4\to 1}$

$W_{1\to 2}=\int _{V_{1}}^{V_{2}}P\,dV,\,\,{\text{negatif, sistem üzerinde yapılan iş}}$

$W_{2\to 3}=\int _{V_{2}}^{V_{3}}P\,dV,\,\,{\text{ V2 = V3 is iş sıfırdır}}$

$W_{3\to 4}=\int _{V_{3}}^{V_{4}}P\,dV,\,\,{\text{pozitif, sistem tarafından yapılan iş}}$

$W_{4\to 1}=\int _{V_{4}}^{V_{1}}P\,dV,\,\,{\text{ V4 = V1 ise iş sıfırdır}}$

Süreç (proses) 4-1 ve 2-3 arasında hacim değişikliği meydana gelmez ise, denklem (3) şu şekilde basitleştirilebilir:

${\text{(4)}}\qquad W_{net}=W_{1\to 2}+W_{3\to 4}$

Isı pompası çevrimi

Ana madde: Soğutma çevrimi

Günlük kullanılan ısı pompaları ve buzdolaplarında termodinamik ısı pompası çevrimleri kullanılır.

Ayrıca bakınız

• Entropi