ENERJİ. Isı Enerjisi. Genel Enerji Denklemi. Yrd. Doç. Dr. Atilla EVCİN Afyon Kocatepe Üniversitesi 2007

Transkript

1 Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007 ENERJİ Maddenn fzksel ve kmyasal hal değşm m le brlkte dama enerj değşm m de söz s z konusudur. Enerj değşmler mler lke olarak Termodnamğn Brnc Yasasına dayanır. Bu yasaya göre g bütün b fzksel ve kmyasal şlemlerde enerj yaratılmaz ve mevcut olan enerj yokedlemez.. Enerj br halden başka br hale dama eşdee değer er mktarlarda dönüşür. d Enerj alış ışverş bakımından üç çeşt sstem mevcuttur. 1. İzole sstemlerde çevresnden hçbr şeklde enerj alış ışverş yapılamaz. Bu tür t r sstemlern toplam enerjler sabttr.. Kapalı sstemlerde kütle k alış ışverş yapılamad lamadığı halde enerj alınıp p verlr.. Açık k sstemlerde hem kütle, k hem de enerj alınıp p verleblr. Ssteme gren enerj ±Sstem çnde brken enerj = Sstemden çıkan enerj Genel Enerj Denklem Br açık a k sstemn toplam enerjsndek değşm m ( E)( en genel halde ; ç enerj, potansyel enerj, knetk enerj ve akış enerjlernn (hacm değşm m ş) ) toplamına eşttr. e E E = U U + (E) + (KE) + (V) Br sstemn enerjs ş veya ısı verlerek değşr. r. E E = Q W Q - W = U U + (E) + (KE) + (V) Isı Enerjs Br maddeye verlen ısı mktarı,, doğrudan sözkonusu maddenn ısınma ısısına (özg( zgül ısı) bağlıdır. Br maddenn brm kütlesnn k (1 ünün) sıcaklığını ()) kadar artırmak rmak çn n (dq( dq) ısısı verlmşse, (dq( dq/) ) oranı ısınma ısısı olarak tanımlan mlanır. p = dq p / n madde çn n se ; dq p = n. p. Q = n Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007 1

2 Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007 Q = n p genellkle sıcaklığa bağlıdır ve aşağıdak gb br denklemle verlr. p = a + bt + ct + Bu durumda p yerne eşt olan fade yazılarak ntegral alınır. Buradak a, b, c ve d sabtler tablolarda her gaz çn ayrı ayrı verlmştr. Gazların ısıları bell br sıcaklık aralığında se sabt alınablr. Bu durumda Q = n p Q = n p ( T) R = n p ( T) R = n. h h = x. n. (h h 1 ) Örnek 1 havanın n sabt basınç altında 100 den 500 ye kadar ısıtılması çn n gereken ısı mktarını hesaplayınız. Bu k yöntemle y hesaplanablr. Brnc yöntemde y tablodan hava çn n a, b, c ve d sabtler okunarak ntegralde yerne konur. İknc yöntemde y 5 dek ortalama ısısı değer er kullanılarak larak önce 100 den 5 ye, sonrada 5 den 500 ye ısı mktarları ayrı ayrı hesaplanıp p toplanır. 77 Q = 1180 kj / k T Q = n ( a + bt + ct + ) T1 6 9 Q = 1 (6,71 + 0, T + 1,17.10 T + 0, T ) 7 0, Q = 6,71(77 7) + 1,17.10 (77 7 ) + 6 0, (77 7 ) + 9 (77 7 ) Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007

3 Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes k havanın n 100 den 5 ye soğutmak çn n alınmas nması gereken ısı ; Q 1 =n. p.(t -t 1 )=1.(9,1)(5-100)= 100)=-198 kj 1 k havanın n 5 den 500 ye ısıtmak çn n verlmes gereken ısı ; Q =n. p.(t -t 1 )=1.(0,7)(500-5)=178 5)=178 kj Q= Q 1 + Q = 1180 kj/k k Br prt yakma fırınından f ndan çıkan fırın f n gazlarının n hacmsel bleşm m şöyledr: SO =%7,09 SO =%0,5 O =%10,55 N =%81,91 Bu gaz karışı ışımının n 1 k ünü 5 0 den ye kadar sabt basınç altında ısıtmak çn n verlmes gereken ısı mktarını hesaplayınız. Temel: 1 k Gaz karışı n gazı k ayrı yolla hesaplanablr. k fırın gaz ışımına verlen ısı k ayr Brnc yol Karışı ışım m çersnde bulunan her br gazın n ortalama ar ısı değerler erler kullanılarak larak Q =Σ n h bağı ğıntısı le duyulan ısı hesaplanablr. Q =Σ n h =h h SO h SO h O h N =h SO +h SO +h O +h N SO = 0,0709(6,98)(500-5)=158 kj SO = 0,005(66,)(500-5)=1 5)=1 kj O = 0,1055(1,9)(500-5)=1578 kj N = 0,8191(9,98)(500-5)=1166 5)=1166 kj Q = =1966 kj İknc Yol Gaz karışı ışımı çn n özel br ortalama ar ısı = Σ x belrlenerek duyulan ısı hesaplanablr. = a+bt bt+ct + ā=σ x a =0,0709(5,85)+0,005(,96)+0,1055(6,)+0,8191(7,07)=6,880 b= b=σ x b =0,0709(15,)+0,005(,6)+0,1055(,71)-0,8191(1,)= 0,8191(1,)= 0, c= c=σ x c =0,0709(-11,1) 11,1)-0,005(6,8) 0,005(6,8)-0,1055(0,7)+0,8191(,1)= 0,1055(0,7)+0,8191(,1)= 1, d= d=σ x d =0,0709(,91)+0,005(6,96)+0,1055(-0,)+0,8191( 0,)+0,8191(-1,6)= 1,6)= -0,81810 = 6,880+0, T+1, T -0, T 10-9 Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007

4 Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007 Q = n 77 Q = (6,880 +0, T+ 1, T - 0, T ) 98 Q = =567 kcal Q = 567 (,187) = 195 kj Br bar basınç 00 0 dek k su buharını 1 bar basınç,, ye kadar ısıtmak çn n gerekl ısı mktarını su buharı ar ısı sabtler değerlern erlern kullanarak hesaplayınız. Temel: k su buharı Q = n Q = Q = 6 9 ( 8,10 0,7 10 T +,610 T 1,16 10 T ) 77 7 Q = 57,6 ( 0 1,6 + 0,9 89) (,187) = 085 kj = 57,6 kcal Kmyasal Reaksyon Isısı Bütün n kmyasal reaksyonlar dama enerj alış ışverş le brlkte yürür. r. Bazılar ları ısı açığa çıkartırken rken bazılar larının n yürümes y çn n ısı verlmes gerekr. Kmyasal reaksyon ısıları,, reaksyonun sabt basınç altında veya sabt hacmde yürümes y durumunda farklıdır. r. Sabt basınç altındak reaksyon ısısına reaksyon entalps denr. = U U + ( n)v( = U U + ( n)rt( n n = n p n R n p : ürünlern toplam sayısı n R : grenlern toplam sayısı Standart Reaksyon Entalps Br kmyasal reaksyonun 5 ve 1 atm basınçtak reaksyon entalpsne denr. Br kmyasal reaksyonun entalps,, reaksyonda oluşan ürünlern entalpler toplamından, reaksyona gren maddelern entalpler toplamı çıkartılarak bulunablr. re = h p - h R Standart hallerde yürüyen y yen br reaksyon çn n se 0 re = h 0 p - h0 R Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007

5 Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007 Yanma reaksyonlarının n reaksyon entalpsne yanma entalps denr. Yanma reaksyonları ekzotermk reaksyon olduğu u çn n dama negatflerdr.doğal al olarak yüksek sıcakls caklıklarda klarda meydana gelrler. Br yakıtın n yanması sonucu oluşan su buharı,, sıvıs hale gelnceye kadar soğutulablrse, yanma sonucu oluşan ısının n tamamı kullanılm lmış olur. Bu ne erne üst er denr. Eğer E yanma sonucu oluşan su buhar halde bulunuyorsa böylece b yakıtın alt er ele edlmş olur. Alt er = Üst er m. h b m : 1 kg yakıtın n yanması sonucu oluşan buharın n kütlesk h b : 5 de suyun buharlaşma entalps kj/ Oluşum um entalpler yardımı le asetlenn alt ve üst yanma ısısı değerlern erlern hesaplayınız. + 1 O O + O ( s ) Yanma sonucu oluşan su sıvıs halde se, üst er elde edlr. ( 9,5) ( + 6,75) 0 = 199,6 kj 0 re = 85,8 + / Alt n ern bulmak çn n üst nden ernden br suyun 5 0 dek buharlaşma entalps çıkarılır. r. Alt er = Üst er-n h 0 b Alt er =-199,6 = -1()= 1()=-11,611,6 kj/ Br kömürün k üst er 1800 kj/kg dır. d Bu kömürün k bleşmnde mnde kütlece k %5 oranında nda hdrojen bulunduğu tesbt edlmştr. Buna göre g kömürün k n alt n ern hesaplayınız. Temel: 1 kg kömürk 1 kg kömürün k n çnde nde 50/=5 hdrojen vardır. r. O halde 1kg kömür k r yandığı zaman 5 su oluşur. ur. Alt er =Üst = er-m h b Alt er = () Alt er =-100 = kj/kg Etanın ve etlenn standart yanma entalpler, 0 6 =-1559,9 kj/ ve 0 =-111,0 kj/ dür. Bu değerlerden erlerden yararlanarak + 6 ( g ) ( g ) ( g ) Reaksyonun standart reaksyon entalpsn hesaplayınız. Reaksyon entalpler zlenen yola bağlı değldr.reaksyon hang ara kademeden geçerse erse geçsn reaksyon entalps dama lk ve son haller arasındak entalp farkına eşt e olur. Bu nedenle reaksyonun, hesaplanması en kolay olan yoldan yürüdüğünüy kabul edeblrz. Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007 5

6 Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007 (1) Etlenn yanma reaksyonu: + O O + g O ( g) ( ) ( g) ( s) () Etanın yanma reaksyonu: 1 6 ( g) + O ( g) O ( g) + O( s) () Suyun oluşum um entalps: 1 + O ( g ) O ( s ) Bu reaksyonlardan (1) ve () nolu reaksyonları toplayıp bunlardan () nolu reaksyon çıkarılırsa, rsa, + 6 ( g ) ( g ) ( g ) reaksyonu elde edlr. Bu reaksyonun entalpsn elde etmek çn n (1) ve () nolu reaksyonların entalpler toplanıp, p, bunlardan () nolu reaksyonun entalps çıkarılır. r. 0 re = -111,0+ (-85,8)( - (-1559,9) = -16,9 kj/ Reaksyon SıcaklS caklığı Br kmyasal reaksyonun zole br sstem çnde nde yürüdüğünü düşünelm. Reaksyon sonucu ortaya çıkan ısı çevreye verlmedğ çn, n, reaksyon ürünlernn duyulan ısısını artırmada rmada kullanılır. Böylece kmyasal reaksyonun oluştu tuğu u sstemn sıcaklığı bell br değere ere erşr. r. Bu sıcakls caklığa reaksyon sıcakls caklığı denr. Eğer E reaksyon br yanma olayı se, bu durumda reaksyon sıcaklığına alev sıcakls caklığı denr. Yanma olayında ulaşablece ableceğ maksmum sıcaklığa a se teork alev sıcakls caklığı denr. Gerçek ek yanma olaylarında se bu teork değere ere hçbr zaman erşlemez. lemez. Teork alev sıcakls caklığının n hesaplanması Br reaksyon sonucu oluşan ürünlern entalps ; p = n p (t -5) esaplanan p değer er bu bağı ğıntıda yerne konularak t sıcaklığı bulunablr. Ancak p ortalama ıs er sıcaklığa a bağlı olduğundan undan sıcakls caklık k blnmeden ort ısısı tablodan okunamaz. Blnmeyen bu k değer er brbrne bağlıdır. Bu gb durumlarda hesaplama ancak deneme-yan yanılma yöntemyle y bulunablr. Yönteme uygun br t sıcaklığı tahmn edlerek başlan lanır ve tablodan o sıcakls caklığa a karşı şılık p değer er okunur ve p değer er hesaplanır. Bu değer er gerçek ek değere ere eşt e çıkarsa tahmn edlen t doğrudur. Eğer E bulunan değer er gerçek ek değerden erden büyükse b tahmn edlen t de büyüktb ktür. Daha küçük k br t tahmn edlerek şleme devam edlr. Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007 6

7 Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007 Karbon monokst %100 fazla hava le yakılmaktad lmaktadır. ava ve yakıt t ocağa a sıcakls caklıkta kta grmektedr. Teork alev sıcaklığını hesaplayınız. Temel: 1 karbon monokst Önce ocağa a gren ve çıkan maddeler hesaplayalım. Ocağa a gren maddeler: O...1 O..0,5 (1+1)=1 N..1 (79/1)=,76 Ocaktan çıkan hammaddeler O..1,0 O 1,0 1,0-0,5= 0,5= 0,5 N...,76 Toplam.5,6 Teork alev sıcakls caklığının n hesaplanması çn n lk olarak değer er hesaplanır. = - [ R + 0 re ] Buradak 0 re değer er 1 karbon monokstn standart yanma entalpsdr.. Bu değer er tablodan 0 re = - 8kJ/ olarak alınır. R değer er T= (5-100) aralığı çn n şöyle hesaplanır. R R = Σ n = Σ n h p T h O = 1 (9,1) (5-100) = -198 J h O = 1 (9,6) (5-100) = - J h N =,76 (9,18) (5-100) = -89 J R = = J Bu değerler erler yerne konularak hesaplanır. = -[(-1650) + (-8000)]( = J Bu değer er kullanılarak larak deneme-yan yanılma yöntem y le adyabatk alev sıcakls caklığı T hesaplanablr. Bunun çn n uygun br T sıcaklığı tahmn edlmeldr. İlk tahmn, R = Σ n p T bağı ğıntısı kullanılarak larak yapılablr. Bu bağı ğıntıda p yerne yaklaşı şık k olarak normal br baca gazının ar ısısı olan 5 J/ K değer er yazılablr. Böylece, = (5,6) (5) T T T = T = = bulunur. Buna göre lk tahmn olarak T = alınablr. Bu sıcaklığa a göre g hesaplanacak olursa = Σ n p = 0570 J ( ) bulunur. Bu değer er gerçek ek den daha büyüktb ktür. O halde T sıcaklığı büyük k tahmn edlmştr. T = alınarak hesaplamalar yenden yapılacak olursa, = 8590 J bulunur. Bu k sıcakls caklık k arasında nterpolasyon yapılarak T = bulunur. Yrd. Doç. Dr. Atlla EVİN Afyon Kocatepe Ünverstes 007 7