Termodinamik: Roket Bilimi Değil

Transkript

1 43 Çevr Translaton Termodnamk: Roket Blm Değl Joseph W. Lstburek, Ph.D., P.Eng., Fellow ASHRAE Bazen bazı şeyler o kadar belrgndr k gözden kaçırırız. Termodnamğn İknc Yasası da böyledr. Tab k, İknc Yasa dan bahsederken kullandığımız çılgın fade pek yardımcı olmaz: Yalıtılmış br sstemde br süreç, yalnızca sstemn toplam entropsn artırıyorsa şleyeblr. Efendm? İnsanda Rudolf Clausus tan nefret etme steğ doğuruyor. Isı sıcaktan soğuğa doğru gder dyemez myd? Çoğumuz ısının sıcaktan soğuğa gttğn drak edyor. Kaçırdığımız, İknc yasanın dğer bast uygulamalarıdır: Nem sıcaktan soğuğa gder Nem çoktan aza gder 2 Hava yüksek basınçtan düşük basınca gder Yer çekm aşağı doğru etk eder Burada bahsedlen nem le lgl k kural ( sıcaktan soğuğa ve çoktan aza ) br ısıl gradyan ve yoğunluk gradyanı nda başka br şey değldr. Isıl gradyanı ve yoğunluk gradyanını brleştrrsenz, termodnamk potansyel elde edersnz ve knc yasaya göre su her zaman termodnamk potansyel zler. Pskrometrk dyagram, sıcaktan soğuğa ve çoktan aza söylemlernn görsel br temsldr Wlls Carrer a teşekkürler. Bu sıcaktan soğuğa ve çoktan aza meselesnn oldukça kolay olması gerekr ancak zek dostlarımız dah hep yanlış anlamakta. Uzay mekğn ele alalım. Sorun, yakıt tankının dış yüzeynden yalıtım köpüğü kopmasıydı. (Fotoğraf ). En y şeklde şöyle açıklanıyor: Temmuz ayında Florda sahllernn ortasında kryojenk sıvıyla (sıvılaştırılmış gaz) doldurulmuş basınçlı br alümnyum kabımız var. Bunun çn en y analoj Fotoğraf 2 de gösterlen deneydedr. Maalesef bu makalenn yazarı NASA nın araştırma bütçesnden nasbn alamadığından, sorunu açıklamak Fotoğraf. Uzay Mekğ nn temel sorunlarından br dış yakıt tankındak (kahvereng) yalıtım köpüğünün dökülmes. r m* V rî ÖlHÿV., ; çn tasarladığı deneyde br takım mtyazlar mevcuttur... (Fotoğraf 3 ve 4) Çoğumuz çten çe Buddweser ın terleyeceğn blrz. Ve çoğumuz Bud ı yalıtmamız gerektğn de blr. Ancak kaçımız yalıtımın buhar vektörünü kontrol etmes gerektğn blyor? Buhar vektörünün büyüklüğü nedr k zaten? Şekl sınır koşullarını gösteryor. Köpüğün yüzey güneşl br günde 65 C sıcaklığa ulaşır nhayetnde kahverengdr. Yazın her günü, Florda da öğlen de yağmur yağar. Şmd, köpüğün dış yüzeyne sıvı su flm ekleyp güneşn yenden ortaya çıkmasını bekleyelm. Sonra pskrometrk dyagramda doyma eğrsnn (%00 bağıl nem) nerede 65C çzgsyle kesştğn bulalım Yok mu? Bulamıyor musunuz? Buhar tablolarını deneyn. Mübarek buhar basıncı: 3 kpa. Şmd, - 250C de buhar basıncını bulmaya ne dersnz? Kolay, bunun çn kokuşmuş tablolara gerek yok. Sıfır dyeblr myz? İçe doğru cdd br buhar vektöründen

2 44 Çevr Translaton r-, n. Fotoğraf 2. Mühendslk Analojs - Florda sahllernde Temmuz ayında kryojenk br sıvıyla doldurulmuş alümnyum kap I % - rr 4 :< vt 4 a 7-î$ ît S'" Braz da FEMA, New Orleans ve Katrna yla lglenelm. Gözlernzle görmezsenz nanması braz zor. Karavan ardına karavan ardına karavan (Fotoğraf 5) Pek New Orleans hartada nerede? ASHRAE nn sıcak-neml bölgesnde alenen gözüküyor Çoğumuz çten çe New Orleans ta neredeyse her zaman bayağı sıcak ve neml olduğunu blyoruz. Asıl alengrl kısmı burada: New Orleans ta çery klmlendryoruz. Evet, doğru. İçery dışarıdan daha kuru ve sern yapıyoruz. Hayd, olayı çözmede benmle kafa kaya vern: Dışarısı neml ve sıcak, çers sern ve kuru. Karşımızda yne baş belası knc yasa. Buhar vektörüne tarafa doğru? Aslında bu örnek çn pskrometrk dyagram kullanablrz. Buhar tablolarına başvurmamıza gerek yok. Yan NASA nın meseles kadar zor değl ü # t yş M * -3 bahsedyoruz: 3 ten 0 kpascal a. Şmd, görünüşe göre br takım roket mühendslernn sormadığı soruyu soralım: Tank üzerndek yalıtım köpüğü buhar akışına ne kadar dayanıklı? Köpüğün geçrgenlğ 3 permnç tr. Kalınlığı 2 nç. Böylece akışa drencmz,5 perm olur. Ben roket mühends3 değlm ama bana oldukça yüksek br geçrgenlkmş gb geld. Bu buhar vektörü etksnde, göz açıp kapayıncaya kadar su buharı köpüğün çnden akarmış gb gelyor. Buhar, tankın alümnyum astarına değdğnde ne oluyor acaba? Tanktan dökülen yalıtımın yanı sıra r buz parçaları da var. Br bakış açısıyla, köpüğün yanlış tarafında buhar baryermz var gb. Bence köpüğün dış kısmında baryermz olması gerek. Braz eğlence çn nternette lk mekk fırlatmalarını aratıp fotoğraflarda neyn farklı olduğunu kendnze sorun. Bu lk fırlatışlarda dış tank üzerndek beyaz malzemeye dkkatnz çekerm Bana düşük geçrgenlkl alümnyummuş gb geld. Bell k buhar kontrolü lk brkaç fırlatıştan sonra ağırlıktan kazanmak çn gelştrlmş. İknc yasa hlallernden müessesemz sorumlu değldr. Fotoğraf 3. Feynman kıskançlıktan çatla Challanger soruşturmasında buzlu su dolu bardaktan başka şeyn yoktu Çoğumuz çten çe Buddweser ın terleyeceğn blrz. Ve çoğumuz Bud ı yalıtmamız gerektğn de blr. Ancak kaçımız yalıtımın buhar vektörünü kontrol etmes gerektğn blyor? Buhar vektörünün büyüklüğü nedr k zaten? Şekl sınır koşullarını gösteryor. Köpüğün yüzey güneşl br günde 65 C sıcaklığa ulaşır nhayetnde kahverengdr. Yazın her günü, Florda da öğlen de yağmur yağar. Şmd, köpüğün dış yüzeyne sıvı su flm ekleyp güneşn yenden ortaya çıkmasını bekleyelm. Sonra pskrometrk dyagramda doyma eğrsnn (%00 bağıl nem) nerede 65C çzgsyle kesştğn bulalım Yok mu? Bulamıyor musunuz? Buhar tablolarını deneyn. Mübarek buharbasıncı: 3 kpa. Şmd, - 250C de buhar basıncını bulmaya ne dersnz? Kolay, bunun çn kokuşmuş tablolara gerek yok. Sıfır dyeblr myz? İçe doğru cdd br buhar vektöründen bahsedyoruz: 3 ten 0 kpascal a.

3 45 Çevr Translaton K" T BS: fs? ' f ; r.-; I \.., -t & K *4 f II lr I â < l Î. r' s I ss Şmd, görünüşe göre br takım roket mühendslernn sormadığı soruyu soralım: Tank üzerndek yalıtım köpüğü buhar akışına ne kadar dayanıklı? Köpüğün geçrgenlğ 3 perm nç tr. Kalınlığı 2 nç. Böylece akışa drencmz,5 perm olur. Ben roket mühends 3 değlm ama bana oldukça yüksek br geçrgenlkmş gb geld. Bu buhar vektörü etksnde, göz açıp kapayıncaya kadar su buharı köpüğün çnden akarmış gb gelyor. t H 3n V v Fotoğraf 4. Deney Tasarımı - Yazarın uzay mekğndek köpük dökülmes sorununa bakışı. Buhar, tankın alümnyum astarına değdğnde ne oluyor acaba? Tanktan dökülen yalıtımın yanı Fotoğraf 5. FEMA Karavanları - Bunlardan bnlerces sıcak ve neml bölgelerde sıralanmış durumda sıra r buz parçaları da var. Br bakış açısıyla, köpüğün yanlış tarafında buhar baryermz var gb. Bence köpüğün dış kısmında baryermz olması gerek. Braz eğlence çn nternette lk mekk fırlatmalarını aratıp fotoğraflarda neyn farklı olduğunu kendnze sorun. Bu lk fırlatışlarda dış tank üzerndek beyaz malzemeye dkkatnz çekerm Bana düşük geçrgenlkl alümnyummuş gb geld. Bell k buhar kontrolü lk brkaç fırlatıştan sonra ağırlıktan kazanmak çn gelştrlmş. İknc yasa hlallernden müessesemz sorumlu değldr. Braz da FEMA, New Orleans ve Katrna yla lglenelm. Gözlernzle görmezsenz nanması braz zor. Karavan ardına karavan ardına karavan (Fotoğraf 5) Pek New Orleans hartada nerede? ASHRAE nn sıcak-neml bölgesnde alenen gözüküyor Çoğumuz çten çe New Orleans ta neredeyse her zaman bayağı sıcak ve neml olduğunu blyoruz. Asıl alengrl kısmı burada: New Orleans ta çery klmlendryoruz. Evet, doğru. İçery dışarıdan daha kuru ve sern yapıyoruz. Hayd, olayı çözmede benmle kafa kaya vern: Dışarısı neml ve sıcak, çers sern ve kuru. Karşım ızda yne baş belası knc yasa. Buhar vektörü ne tarafa doğru? Aslında bu örnek çn pskrometrk dyagram kullanablrz. Buhar tablolarına başvurmamıza gerek yok. Yan NASA nın meseles kadar zor değl

4 46 Çevr Translaton u?> «js*s İll a w ffl ffl 3 -wm E Şekl. Sınır Koşullar- Güneşn ısıttığı köpük yalıtımının üzerndek yağmur suyu flm devasa buhar vektörlene neden olur. İçerye doğru baskın br buhar vektörüyle (New Orleans ta pek kış yaşanmaz), br yapının ç kısmında görmek steyeceğnz son şey nedr? Doğru, br buhar baryer. New Orleans ta haklı olarak kesnlke br yapının ç kısmında buhar baryer görmek stemezsnz. Ve doğru tahmn ettnz, bütün FEMA karavanlarının ç kısmında buhar baryer var (Fotoğraf 6). Karavanlar, PVC yüzeylerle kaplı alçıtaşı plakalarıyla döşeldr. Karavanları küf kokan döküntüler çevryorlar. FEMA uyarılmamış da değld han. Kendler, HUD ve moblprefabrke yapı endüstrs de bunun sorun olmadığına nanmakta nat edyorlar. Tab ya, bu karavanlardakler zengn Fotoğraf 6. PVC Kaplı Alçıtaşı Plakası - FEMA karavanları ve HUD evler PVC kaplı alçıtaşı plakalarla döşel. Sonuçta küf oluşuyor. Tek çözüm, PVC kaplı alçıtaşı kullanmamak. j. lp!l S m Dâ, ö P- I 7- '- f r I m % a J I tlt İ]L!n -. lh «J F Ş: s M ll! I s- nsanlar değller, km farkına varacak k? Ama burası Amerka ve zengn nsanları da sustmal edeblrz. Özellkle Mcheln den 5 yıldız almış olanlar. Pek y blnmez ama Mcheln den 5 yıldız alablmek çn br oteln ç yüzeyde PVC kaplamaya sahp olması gerekr. Şaka yapmıyorum, tamamen gerçek. PVC kaplama yüksek kalte olarak geçyor. Şmd y kısmı gelyor: PVC br buhar baryerdr. Sıcak ve neml bölgelerde klmlendrlmş otellern ç kısmını PVC le kaplarsanız küf oluşur. Aynen FEMA karavanları gb. \ * v Ift lt! JİİÎL m v Ol J * Fotoğraf 7. PVC Duvar Kaplamaları İlk belrtlerden br PVC kaplamaların üzerndek pembe beneklerdr. (Fotoğraf 7). PVC nn arkasında oluşan küfün (Fotoğraf 8) salgıladığı sndrm enzmler PVC çersndek akıcılaştı rıcılarla tepkmeye grerek renk değşmne neden oluyor. İknc yasa br kez daha kendnortaya koyuyor İknc yasayla lgl y şeylerden br, güneş ve depolama le çoğu dostumuzun sıcak-neml klm fl*l mll Q UJ nl Jj Şekl 8. Tuğla rezervuarı yağmur sırasında dolar ve her k yöne doğru buharı boşaltır. ' ÜK m ffl a & X s II fl p! m m *5

5 47 Çevr Translaton s S y S *? * M A, Fotoğraf 8. Otel Küfü - PVC duvar kaplamaları düşük geçrgenlkldr ve buhar geçşn yavaşlatarak küf oluşumuna neden olur. f V sorunu dedğ şey tüm güney eyaletlerndek ortak br soruna dönüştüreblyorsunuz. Rezervuar kılıflarla lgl sorun müteahhtlern alt gelr mortgagelarını unutmasına neden oluyor. Tuğla, kreç ve fberl çmento yağmur sırasında su depolayan rezervuarlardır. Br duvarın dış yüzeynde bu rezervuarların kayda değer mktarda su depolayacağı aşkârdır. J J - * * f, jâ yj T,JH yerlerde poletlen buhar baryernn boşlukta olan kısmında yoğuşmaya neden olur. Plastk buhar baryerler güney eyaletlerde rezervuar duvarların ç kısmında kesnlkle olmaması gereken br şeydr. Brçok esk topraklar bunu blrd ve duvar kâğıdı kaplı elyafı poletlene terch ederd. Soğuk klmlerdek duvar yapılarında kâğıt kaplı elyaflar buhar baryernden zyade yavaşlatıcı olarak kullanılır (Fotoğraf ). Yazın se çerye doğru duvarın kurumasına zn verrd. Görünüşe göre çoğu gencmz bu plastk buhar baryer modasına doğru çeklyor. Br düşünürsenz, eğer NASA nemn sıcaktan soğuğa ve çoktan aza gttğn anlayamadıysa, FEMA, HUD ve müteahhtlern de anlamaması pek de şaşırtıcı değl. Duvarın k yüzü olduğunu ve başta yaz ve kış olmak üzere brçok sebepten dolayı buharın her k yöne de gttğn unutuyor gbyz. Br kez daha, knc yasa taarruza geçyor *' \ îiı.. \ I h 7 : r.'. Fotoğraf 9. Poletlen Buhar Baryerlerndek Yoğuşma - Güneş nedenyle lerleyen buhar, Chcago gb soğuk klmlerde duvar arasındak boşlukta yoğuşmaya neden oluyor. v 7 JF. Fotoğraf 0. Mnneapols Hüsranı - Mnnesota Ünverstes'nden Pat Huelman plastk buhar baryernn arkasındak küften br esnt alıyor. Rezervuar çndek suyun güneş ışınlarıyla ısınması sonucunda hem çe hem dışa doğru kocaman br buhar vektörü oluşur (Şekl 2). Chcago da Temmuz ayında güneş tarafından ısıtılmış br yağmur suyu rezervuarından çerye doğru olan buhar vektörü, Ocak ayında Alaska da -20 C dek br duvarınkn kolaylıkla gölgede bırakablr. Bu da sonuç olarak Chcago (Fotoğraf 9) ve Mneapols (Fotoğraf 0) gb