BÖLÜM 2 İŞ 2.1. İş ve Enerji Birinci bölümde

Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
BÖLÜM 2
İŞ
2.1. İş ve Enerji
Birinci bölümde, mekaniksel, akışkan, elektriksel ve termal sistemlerde
hareketi meydana getiren kuvvet ve kuvvetle aynı işlevi gören benzerleri
tanımlanmıştı.
Eğer net kuvvet, net tork, basınç farkı, gerilim farkı veya sıcaklık farkı
yok ise sistem dengededir ve burada sistem içerisinde bir değişiklik
olmayacaktır.Denge durumunda bulunan bir sistem içindeki kuvvet benzeri
kavramlar,
bir
değişiklik
meydana
getirmeyecek
şekilde
bir
yolla
dengelenmişlerdir. Mekanik sistemlerde, bu denge durumu bütün kuvvetlerin
ve torkların toplamının sıfır olması ile oluşur. Bunun anlamı cisimler ya
hareketsizdir ya da hareketli ise bu hareketini aynı biçimde devam ettirirler.
Akışkan sistemlerde, bu denge akışkan içerisinde basınç farkının sıfır olması
durumunda oluşur. Bunun anlamı akış hareketinin olmadığıdır. Elektriksel
sistemlerde, iki nokta arasında potansiyel farkı olmaz ise yük akışı olmaz.
Termal sistemlerde ise denge sadece kapalı sistemler içinde oluşabilir. Çünkü
sadece kapalı bir sistem içinde sıcaklık farkı sıfır olabilir. Bunun anlamı da
sistem içinde bir ısı enerjisi hareketinin olmamasıdır. Eğer bir sistem içerisinde
denge oluşmamış ise, sistemde meydana gelecek değişiklik dengelenmemiş
kuvvet veya kuvvet benzeri etkilerin oranına bağlıdır. Bu etkiler sonucunda ve
belirli bir zaman içinde oluşan bu değişiklikler net işi tanımlar. Yapılan işin
miktarı değişikliği oluşturan etkinin şiddetine ve oluşan değişikliğin
büyüklüğüne bağlıdır. Sonuç olarak; İş, sistem içinde oluşan değişikliğin bir
tanımıdır ve net iş sadece dengede olmayan sistemlerde meydana gelebilir.
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Enerji iş yapabilme yeteneğidir. Fiziksel bir sistemin dengesi herhangi
bir yolla değiştiği zaman, enerji işe dönüşür ve sistemdeki değişiklik yeni bir
denge şartı oluşuncaya kadar devam eder. İş ve enerji aynı birimlerle ölçülürler
ve yapılan işin toplam miktarı daima kullanılan enerjinin toplamına eşittir.
Herhangi bir sistem için yapılan işin mikarını tanımlayan formül,
İş = Kuvvet Benzeri Etki x Yer Değiştirme Miktarı
(2.1)
şeklindedir. Bundan sonraki bölümlerde bu denklemin mekaniksel, akışkan ve
elektriksel sistemlerdeki uygulamalarını irdeleyeceğiz. Termal sistemlerde bu
genel denklemin ısı enerjisi tanımına yeterli olmadığını da göreceğiz.
2.2.Mekaniksel Sistemler:
Mekaniksel sistemlerin yer değiştirmesi sonucunda ortaya çıkacak olan
iş, ya öteleme hareketi sonucunda ya da dönme hareketi sonunda oluşabilir. Bu
nedenle mekaniksel işi buna göre ayrı ayrı irdelemekte yarar vardır.
2.2.1. Öteleme Hareketi Sonunda Oluşan Mekaniksel İş
Öteleme hareketi yapan mekaniksel bir sistemde yapılan iş denklemi,
daha önce yapılan tanımdan hareketle,
W=F.L
şeklinde formüle edilir.
Burada;
W = Kuvvetin yapmış olduğu mekanik iş,
F = Hareket doğrultusunda etkiyen kuvvet bileşeninin büyüklüğü ve
(2.2)
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
L = kuvvet etkisiyle hareket doğrultusunda gidilen yoldur.
Bu denklem, sadece bir kuvvetin yaptığı işi tanımlar. Ancak enerji değişimi
sonunda oluşan son durumu açıklayamaz. Fakat bu sadece bir sistemdeki enerji
durumunun değişmesinin, bir mekaniksel kuvvetin yaptığı işle bağlantılı
olduğunu belirler. Bir başka deyimle bu iş
tanımına göre,
için cismin yerdeğiştirmesi (hareket etmesi) zorunludur.
iş yapılabilmesi
Aksi
halde
iş
yapılmaz.Şekil 2.1’de, halter çalışması yapan bir kişinin yaptığı mekaniksel iş
gösterilmektedir. Adamın kas kuvveti, ağırlıkların belli bir yüksekliğe
kaldırılabilmesinin nedenidir. Burada ağırlıkların belirli bir yüksekliğe
Şekil 2.1
kaldırılıp aynı yere tekrar bırakılmasıyla bir iş yapılmış olmaz. Adam, ağırlığı
kaldırabilmek için ani ve kuvvetli bir çekiş uygulayabilir. Fakat uygulanan
kuvvet bu ağırlığı kaldırmaya yetmeyebilir. Bu durumda da ağırlık üzerinde bir
iş yapılmamış olur.
Eğer ağırlıkları başının üzerinde tutarsa, yine iş yapılmamış olur. Çünkü
bir kuvvetin oluşturduğu hareket yoktur. Mekaniksel işin tanımında kişinin güç
sarf etmesi veya yorulması iş yapılması anlamına gelmemektedir. Kişinin
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
kaslarında depolanan enerji ağırlıkların havada tutulmasıyla ısı enerjisine ve
kimyasal enerjiye dönüşmüştür. Fakat mekaniksel bir iş yapılmamıştır.
Şekil 2.1'de ağırlıkların yerden 2 m yukarıya kaldırılmasıyla, kas kuvvetinin
yaptığı mekaniksel iş
W = F.L
W = 1000.2 = 2000 N.m
W = 2000 joule
olacaktır. SI birim sisteminde iş birimi
Newton x metre = Joule'dür.
Örnek 1. Şekil 2.2’de gösterildiği gibi, bir kayak yatay olarak etkiyen ve 35
Newton büyüklüğünde bir kuvvetin etkisinde 20 metre kaydırılmıştır. Yapılan
işi ve bunun için kullanılan enerjiyi hesaplayınız.
35 N
Şekil 2.2
Çözüm. W = F.L = 35 (N) 20 (m)
W = 700 N.m(joule)
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Kayağın hareketi sırasında yapılan iş miktarı, bir enerji kaybı olmadığı
kabul edilirse, harcanan enerji miktarına eşittir. Yani 700 joule'dir.
Bir kuvvetin yaptığı işin tanımında, yalnız hareket doğrultusundaki kuvvet
bileşeninin gözö nüne alınacağı belirtilmişti. Şekil 2.3 (a)’da bir adam çim
biçmektedir. Çim biçme makinesinin tutma koluna uygulanan kuvvetin yönü
ile makinenin hareket yönü aynı değildir. Şekil 2.3 (b)’de bu durum vektörel
olarak
gösterilmiştir.
uygulanan kuvvet
(b)
(a)
Şekil 2.3
makina üzerine etki eden F kuvvetinin, yatay (Fx) ve düşey (Fy) bileşenleri
vardır. Düşey kuvvet hiçbir iş yapmaz. Çünkü, düşey doğrultuda hareket
yoktur. Makinenin hareketini yatay doğrultuda sağlayan Fx kuvveti tarafından
bir iş yapılmaktadır, Sonuç olarak, kuvvetin etki yönü ile hareket yönü aynı
doğrultuda olduğu takdirde iş yapılır.
2.2.2. Rotasyon Hareketi Sonunda Oluşan Mekaniksel îş
Dönme hareketi yapan bir mekanik sistemde, yapılan işin genel denklemi
W=Tθ
şeklindedir.
(2.3)
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Burada,
W=Tork tarafından yapılan mekaniksel iş,
T = işi üreten torkun şiddeti ve
θ = Tork uygulandığında ortaya çıkan dönme açısıdır.
Açılar genellikle derece veya devir sayısı ile ölçülürler. Ancak sıkça kullanılan
diğer bir birim de “radyan"dır. (2.3) numaralı denklemde, açının radyan
cinsinden alınması zorunludur.
Bir radyanın açı cinsinden karşılığı 57.3°' dir. Çünkü,
2 π radyan = 360°
π radyan = 180°
Buradan da 1 radyan = 57,3° elde edilir. Radyan gerçek bir birim gibi değil, bir
orandır.
2.2.3. Akışkan Sistemler
Bir
akışkan
sistemde
iş,
hareketli
akışkan
hacmına
basınç
uygulanmasıyla yapılır. İş = (Kuvvet benzeri etki x Yer değişikliği miktarı)
biçiminde tanımlanan genel iş formülü dikkate alınarak akışkan sistemler için
iş denklemi,
W = (∆p ) V
şeklindedir.
Burada W = Hareketli akışkanın yaptığı iş,
∆p = Akışkanın hareketini sağlayan basınç farkı ve
V = Transfer olan akışkanın hacmidir.
(2.4)
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Akışkan sistemde, kuvvet benzeri etki (akışkanın hareketliliğini sağlayan etki)
basınçtır ve yer değiştirme miktarı ise hareketli akışkan hacmine transfer edilen
miktardır. Sıvılarda durum değişiktir. Çünkü sıvılar sıkıştırılamaz ve verilmiş
bir kütle için akışkanın hacmi aynı kalır. Bir boru içinde akmakta olan bir sıvı
akışkanın hacmi, aynı zaman aralığında boruyu terk eden akışkanın hacmi ile
aynıdır. Değişen tek şey akışkan sistemin basıncıdır.
Örnek Problem: Bir su tankının kapasitesi 27 m3'dür. Suyun yoğunluğu 1000
kg/m3 olduğuna göre; Şekil 2.4’ de görüldüğü gibi, su tankını doldurabilmek
için gerekli olan enerji miktarını hesaplayınız.
30 m
Göl
Şekil 2.4
Çözüm: P= dgh
= 30.10.1000
=300000 N/m2
Borunun tepesi ile göl arasındaki basınç farkı P=300000 N/m2 olduğuna göre,
yapılan iş;
W= 300000. 27 = 8100000
W= 8,lxl06 Joule
“İş = Enerji” eşitliği prensibine göre gerekli olan enerji de 8,lxl06 joule' dür.
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Gaz halindeki akışkanlarda durum farklıdır. Gazlar istenildiği kadar
sıkıştırılabilirler. Bu nedenle gazın hacmi değişir ve işin hesaplanması da buna
göre düzenlenir.
Daha önce belirtildiği gibi, işin yapılabilmesi için hareket zorunludur;
yoksa iş yapılmaz. Örneğin, bir araba tekerleğinin içine hava basılırken basınç
ve hacım sürekli değiştiğinden bir iş yapılır fakat hava basma işlemi bittikten
ve basınç sabitlendikten sonra artık iş yapılmaz. Eğer tekerden atmosfere hava
bırakılıyorsa, yine bir iş yapılır. Çünkü bu kez dışarıya bırakılan hava hacmi
kadar teker içindeki hacım azalacak, doğal olarak hacım farklılığından oluşan
basınç değişimi bir iş yapılmasına neden olacaktır.
Hava basılarak doldurulmaya çalışılan tekerleğin bu yapılan iş sırasında
hava moleküllerinin termal enerjileri artacak ve tekerlek içinde sıcaklığın
yükselmesine neden olacaktır ve tekerlek kısmen gerilecektir. Otomobil
tekerleklerinin tam olarak şişirilmesi tehlikelidir. Yukarıda izah edilen sıcaklık
artması nedeniyle meydana gelen gerilme bir patlamaya neden olabilir. Bu
nedenle mevsim sıcaklıkları da gözönüne alınarak istenilen denge kurulmalıdır.
2.2.4. Elektriksel Sistemler:
Elektriksel sistemde iş ve enerji Joule (J) ile ölçülür. Daha önce verilen
genel formülden hareketle, elektriksel iş denklemi;
W = V.Q
olarak belirlenmiştir. Burada
V = Yükün hareketini sağlayan potansiyel farkı ve
Q = Hareket eden yük miktarıdır.
(2.5)
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Potansiyel farkı Volt (V) ile ölçülür ve kuvvet benzeri etkidir. Yük ise
Coulomb (C) ile ölçülür ve bir potansiyel farkı nedeniyle oluşan elektrik
devrelerinde oluşur.
Bir coulomb’ luk elektrik yükü, 6,25xl018 elektronun pozitif kutuptan negatif
kutba hareket ettirilmesi ile elde edilir.1 Coulomb’luk yükün 1 Volt'luk
potansiyel farkı etkisi sonucu hareket etmesiyle yapılan işin değeri 1 Joule'dür.
Elektriksel sistemler için dönüşüm faktörü
1 joule = 1 Volt x 1 coulomb
1 coulomb = 6.25 x 1018 elektron yükü
Örnek: 6 volt’luk bir otomobil aküsüne 8000 coulomb’luk elektron yükü
depolanmıştır. Bu yükü depolayabilmek için gerekli enerji ne kadardır?
Çözüm: W = V.Q
= (6V).(8000C)
= 48000 joule
= 48 KJ
Elektriksel sistemlerde yükün ölçülmesi genellikle kullanılmayabilir; bunun
yerine elektrik akımı ölçülür. Elektrik akımı, birim zaman yükün akış oranıdır
ve tanım olarak,
I=Q/t
ile gösterilir. Burada ;
I = Elektrik akımı (A=Ampere),
Q = Transfer edilen yük miktarı ve
t= Yük transferi için gerekli süre (saniye olarak).
(2.6)
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Bu denklem daha sonraki bölümde ayrıntılı olarak açıklanacaktır. Ancak
elektriksel işin elde edilmesinde bu denklemin çok önemli bir yeri vardır.
Örnek : Doğru akımla çalışan bir elektrik motorundan 12 volt'luk bir gerilimle
2 dakikada 4 amper akım çekilmektedir. Elde edilen elektrik enerjisini
hesaplayınız.
Çözüm: Q = I t
= 4 (A) 120 (S)
= 480 C
W = V.Q
= 12 (V) 480 (C) W = 5760 joule
2.2.5. Termal Sistemler:
Termal sistemlerde, daha önce tanımlanan genel iş denkleminin
uygulaması diğer sistemlere pek benzemez. Çünkü bu sistemlerde, kuvvet
benzeri etki sıcaklık değişimine, yer değiştirme miktarı - ise ısı enerjisine
arşılık gelmektedir. Bu aslında, diğer sistemleri birleştirme için yapılan bir
benzetmedir.
Termal sistemlerde, sıcaklık farkının ısı enerjisi akışına neden olduğu
kanıtlanmıştır. Bu nedenle kuvvet benzeri etki, (∆T) sıcaklık farkıdır. Yer
değiştirme benzeri nicelik ise (Q) dır.Örnek olarak; Şekil 2.5'de bir pencere
camı veya mantar levhadaki ısı akışı gösterilmektedir. Belirlenmiş bir levha
kalınlığı için ısı akış oranı, seçilen maddenin zıt iki yüzü arasındaki sıcaklık
farkı ∆T olmak üzere,
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Q = KA
∆T
∆L
(2.7)
Burada;
∆T = Sıcaklık farkı,
∆L = Düzgün kabul edilen maddenin kalınlığı,
A = Bir yüzün alanı,
K = Maddenin termal iletkenliğini tanımlayan karekteristik sabit
Q =Sıcaklık farkının neden olduğu ısı akış oranı ( Btu / saat).
Q /∆T ( ısı akış oranı )
T1 ( yüksek sıcaklık )
T2 ( düşük sıcaklık )
∆L
A Alanı
Şekil 2.5
Elektriksel sistemlerdeki ∆V potansiyel farkı, akışkan sistemlerdeki AP
basınç farkı ve termal sistemlerdeki ∆T sıcaklık farkı (2.7) denkleminde
tanımlanan" sistemler arasındaki zorunlu benzerliği gözler önüne sermektedir.
Her kuvvet benzeri etki sonucunda bir şeyler hareket etmektedir. Akışkan
sistemlerde kütle veya akışkanın hacmi hareket eder. Elektriksel sistemlerde
yük hareketlidir ve termal sistemlerde ise ısı enerjisi miktarı hareketli
olmaktadır.
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Örnek : Şekil 2.6’da gösterilen mantar levhanın termal iletkenlik katsayısı
0,30 (BTU / hr.m.C0) olduğuna göre;
a)Kuvvet benzeri etkiyi (∆T),
b)Isı enerjisi akış oranını (QH) hesaplayınız.
800C
Çözüm:
a) ∆T = 80 0 C - 40 0 C = 40 0 C
b) Q = K A
40
∆T
= 0,30 0,5
= 333,3 Btu / saat
∆L
0,02
Termal sistemlerle ilgili olarak verilen (2.7) denkleminde ve örnek
problemde sıcaklık farkı sabit olarak kabul edilmiştir. Genellikle ısı akışının
cismin sıcak tarafından soğuk tarafına doğru olduğu kabul edilir. Başka bir
şekilde ifade edilirse; burada sabit sıcaklık farkının neden olduğu ısı akışı
açıklanmıştır.
Bazı termal sistemlerde durum böyle değildir. Örneğin; bir ısıtıcı
üzerinde bulunan su dolu bir kap da ısı enerjisi sürekli olarak ısıtıcıdan suya
aktarıldığından, suyun sıcaklığı sürekli değişir. Bu durumda ısıtıcı ile su
arasındaki sıcaklık farkı, su içindeki ısı enerjisini hareketlendirir ve sonuçta,
soğuk su alta geçer ve böylece suyun kendi içerisinde bir sıcaklık farkı oluşur.
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Suyun sıcaklığının değişimi su içinde ısı enerjisi akışı bilgilerinden ve sudaki
suya ait özelliklerden yararlanılarak açıklanabilir.
Bir cismin sıcaklık değişimi için gerekli olan ısı miktarı,
Q = mc ∆T
(2.8)
denklemi ile verilmiştir. Burada
Q = Cisimde ∆T sıcaklığını oluşturabilmek için gerekli ısı miktarı,
∆T =Cisimdeki sıcaklık değişimi ve
c = maddelerin öz ısı olarak tanımlanan karekteristik bir sabitidir.
Bu denklemde, kütle ile öz ısının çarpımı olan (mc) miktarı "ısı
kapasitesi" olarak isimlendirilir. Tanım olarak ısı kapasitesi, cismin (m)
kütlesinin sıcaklığını bir °C değiştirmek için gerekli ısı miktarıdır. Öz ısı(c) ise,
cismin bir gramının sıcaklığını bir °C değiştirmek için gerekli ısı miktarıdır.
Termal sistemlerde, ısı enerjisi sıcaklığı yüksek olan bölgelerden düşük
sıcaklıktaki bölgelere doğru akar. Bu suretle maddeye transfer edilen ısı
enerjisi, madde içindeki moleküllerin hareketini artırır. Farklı maddelerin temel
özellikleri büyük oranda maddenin moleküler yapısına bağlıdır.
Örnek olarak, suyun öz ısısı 1 cal/gr.C° veya 1 Btu/lb.F0’dir. Suyun öz ısısı
diğer maddelerden büyük olduğundan, iklimlendirmede en ideal malzeme
olarak kullanılmaktadır.
SI birim sisteminde, ısı miktarı birimi Kalori(cal) veya kilokaloridir. Bir
kalori bir gram suyun sıcaklığını bir °C değiştirmek için gerekli olan ısı
miktarıdır. Kalori küçük bir ölçü olduğundan, genellikle büyük miktarlar için
kilokalori kullanılır.
SI sistemi ile ingiliz birim sistemi arasındaki dönüşüm faktörleri;
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Dönüşüm Faktörleri
1 Btu = 252 cal
1 kcal = 1000 cal
1 cal = 3,09 ft lb
1 Btu = 778 ft lb
1 cal = 4,18 joule
Şeklindedir.
Bazı önemli teknolojik maddelerin öz ısıları ise;
Madde
Öz ısı
Hava
0,24
Aliminyum
0,22
Prinç
0,091
Bakır
0,093
Cam
0,21
Çelik
0,115
Taş ( ortalama )
0,192
Kalay
0,055
Su
1,00
Odun ( ortalama )
0,42
şeklindedir.
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Örnek 1: 250 kg su dolu bir tankın sıcaklığı 15°C’dan 45°C’a yükseltilmiştir.
Herhangi bir ısı kaybı olmadığı kabul edilerek, bu sıcaklık değişimi için gerekli
olan ısı miktarını hesaplayınız.
Çözüm:
Q = mc ∆T
= 250.1.(45-15)
= 7500 cal
Örnek 2: 25 kg kütlesindeki pirinç bir top izole edilmiş bir su tankından
100°C’dan 30°C'a soğutulmaktadır. Soğutulma sırasında suyun sıcaklığı da
10°C’dan 30°C'a çıkmıştır. Bu durumda (ısı kaybı olmadığını kabul ederek);
a) Pirinç topun bıraktığı ve suyun aldığı ısı miktarını hesaplayınız.
b)Tank içindeki suyun kütlesini bulunuz.
Çözüm:
a)
Q = mc ∆T
= 25.0,09.(100°-30°)
= 159300 kal = 159,3 KCal
b) m =
159300
Q
= 7965 g = 7,965 kg
=
1,20
c∆T
2.2.6.Hal Değiştirme:
Bir maddeye ısı verildiği taktirde, iki tür değişiklik meydana gelebilir.
Birinci değişiklik, cisim katı halden sıvı hale geçer; ikinci değişiklik ise cismin
sıvı halden gaz haline geçmesidir. Her iki hal değiştirme sırasında cisme ısı
enerjisi akışı sağlandığı halde sıcaklıklar sabit kalmaktadır. Bu durumda verilen
ısı cismin hal değiştirmesine harcanmaktadır. Bu ısılara "gizil ısı" adı verilir.
Erime gizil ısısı; erime noktasına kadar ısıtılan bir cismin tümü eriyinceye
kadar verilen ısının toplamıdır. 0°C' daki 1 gram buzu yine 0°C'da 1 gram su
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
haline getirebilmek için 80 kaloriye gereksinim vardır. Buna buzun erime gizil
ısısı denir.
Buharlaşma gizil ısısı; buharlaşma noktasına kadar ısıtılan bir cismin tümü
buhar (gaz) haline gelinceye kadar verilen ısının toplamıdır. 100°C' da 1 gram
suyun yine aynı sıcaklıkta 1 g buhar haline gelmesi için 540 kaloriye
gereksinim vardır. Buna ise suyun buharlaşma gizil ısısı denir.
Sonuç olarak; gizil ısı maddelerin hal değiştirmeleri için kullanılan ısı
miktarıdır. Hal değiştirme ile ilgili genel prensipler teknolojide önemli
uygulama sahaları bulmuştur. İklimlendirme sistemleri, buzdolapları ve benzeri
tüm soğutucu sistemler buna örnektir.
2.3.Özet
Bir fiziksel sistemde yapılan iş, sistem içerisinde kuvvet benzeri etki
nedeniyle meydana gelen değişiklik sonucu oluşmaktadır. Enerji iş yapabilme
yeteneğidir ve kapalı bir sistem içinde enerji korunur. Sistem dengede olduğu
zaman enerji tutulur ve iş yapılmaz; çünkü sistem içinde kuvvet benzeri etkinin
oluşturduğu bir yer değiştirme vektörü yoktur. Sistemin dengesi bozulduğu
zaman, kuvvet benzeri etkiler nedeniyle bir çeşit yer değiştirmeler oluşmaya
başlar ve sistem içerisinden enerji dönüşümü sonucu bir iş yapılır.
İş ve enerji eşittir ve aynı birimle ölçülürler. Aşağıdaki tabloda mekanik,
akışkan ve elektriksel sistemlerdeki iş denklemleri verilmiştir. Ayrıca bir
sıcaklık değişimi sonucu ortaya çıkan ısı enerjisi denklemi de tabloda
gösterilmiştir.
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
Çeşitli sistemlerde iş denklemleri
Enerji Sistemi
İş = kuvvet benzeri etki x yerdeğiştirme miktarı
Mekaniksel
Öteleme
Iş = kuvvet x yerdeğiştirme (kuvvet yönünde )
Dönme
Iş = tork x açısal yerdeğiştirme
Akışkanlar
Iş = basınç farkı x hacim değişimi
Elektriksel
Iş = potansiyel farkı x transfer edilen yük
Termal
Isı enerjisi = sıcaklık farkı x ısı kapasitesi
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
2.8. Problemler
l. İş ve enerjiyi tanımlayınız ve bu iki kavramın farklılıklarını, benzerliklerini
belirtiniz.
2. Aşağıdaki terimleri tanımlayınız.
a) Radyan b) Akım c) Öz ısı d) Isı kapasitesi
3. 70 N'luk bir kuvvet uygulanmasıyla bir cisim 500 m uzaklığa taşınmak
istenmektedir. Bunun için ne kadarlık bir iş yapılır?
4.Bir cismi 10 m yüksekliğe kaldırmak için 500 Joule' lük bir iş yapılması
gerektiğine göre, cismin ağırlığı kaç N'dur?
5.120 NM' lik bir tork uygulanarak elde edilen iş 6 joule ise dönen cisim ne
kadarlık açı süpürmüştür? (Radyan ve derece cinsinden)
6. Ortalama olarak 70 NM' lik tork uygulanmak suretiyle bir civata 4 1/2 devir
sıkıştırabiliniyorsa, yapılan iş ne kadardır?
7. Sabit basınç altında 18 m3 suyu pompalamak için 13000 joule1lük iş
yapılıyorsa, suya uygulanan basınç ne kadardır?
8. 500 g kütlesinde bir bakır cismin sıcaklığını 29°C' dan 95°C’ a çıkarabilmek
için kaç kaloriye gereksinim vardır?
9. Bir soğuk oda, 1 cm kalınlığında ve 4 m2 alanında bir mantar tabakası ile
izole edilmiştir. Normal uygulama koşullarında 20°C’ lik oda sıcaklığının
4°C’a düşürülmesi amaçlanmaktadır. Bu sıcaklık farkı, soğutucu sistemin
motorunun 1/4 zamanda çalıştırılması ile elde edilebiliniyorsa, motor çalışırken
soğutma odasının içinden çekilen ısı enerjisi oranı ( Btu / hr ) ne kadardır?
10. Bir klima cihazı, 1/4 psi hava basıncında çalışabilme özelliğine sahiptir. 20
ft x 30 ft x 8 ft hacmindeki bir odayı iklimlendirebilmek için ne kadarlık bir
enerji gereklidir?
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
11. 12 Volt'luk doğru akımla çalışan bir soğutucu, yiyecekleri soğutmak için
belirli bir zaman periyodunda 1800 joule enerji kullanmaktadır. Bu durumda
transfer edilen elektrik yük miktarı ne kadardır?
12. Bir bardak su, 90 Btu ısı enerjisi kullanılmak suretiyle sıcaklığı 25°C’dan
75°C' a çıkarılmaktadır. Isıtılan suyun kütlesini bulunuz?
13. Bir kişi, sürtünmesiz bir düzlem üzerinde bulunan 5 kg kütlesindeki bir
cisme yatay doğrultuda bir kuvvet uygulayarak, yatay doğrultuda bir ivme
kazandırmaktadır. Kişi, kütleyi 3 metre hareket ettirebilmek için 20 joule' lük
bir iş yapıyor ise, cismin kazandığı ivme ne olacaktır?
14. Eğer dönmekte olan bir volanın yarıçapı 1 metre ve volanı bir tam turda
durdurabilmek için 600 joule' lük enerjiye gereksinim var ise, bunun için
gerekli fren kuvveti ne olmalıdır?
15. Belirli bir uzaklıktaki su deposundan pompalanan su ile bir tankı
doldurabilmek için 5xl07 joule’lük enerjiye gereksinim vardır. Eğer tankın
hacmi 300 m3 ise suyu depodan tanka pompalayabilmek için basınç farkı ne
olmalıdır?
16. 3 dakikada ortalama 3,7 amper çekebilmek için 8000 joule enerji sarf
etmesi gereken bir doğru akım elektrik motorunun uygulama gerilimi ne
olmalıdır?
17. 400 gram kütleli bir cismin sıcaklığını 10°C artırabilmek için 1500 kalori
gerekiyorsa, bu cismin öz ısısı ne kadardır?
18. -7°C' deki 10 gram buzun sıcaklığını 32°C' a çıkarabilmek için gerekli ısı
miktarı nedir? (Isı kaybı olmadığı kabul edilecektir.)
19. Bir güç kaynağının gerilimini 0 V' dan 12 Volta çıkarabilmek için gerekli
enerji 10000 joule1dür. Bataryayı yüklemek amacıyla 1 amperlik akım
kullanılıyor ise, batarya ne kadar sürede dolacaktır?
10/2005
Prof. Bekir ÖZER'in "Teknolojinin Bilimsel ilkeleri I-II ders notları" adlı kitaplarından, Öğr. Grv. U. Serdar ÖZER tarafından elektronik ortama aktarılmıştır, ANTALYA
20. 2 dev/s hızla dönen ve 1 m yarıçapında olan bir volan, dönmesini
durdurmak amacıyla suya batırılmıştır. Bu şekilde su tarafından volana
uygulanan kuvvet 100 N'dur, Volan tarafından kaybedilen bütün enerjinin suya
transfer edildiği ve 200 gr olan suyun ilk sıcaklığının da 20°C olduğu
ölçüldüğüne göre, suyun son sıcaklığı ne olacaktır? (Burada 1 kal = 4,184 joule
olduğu hatırlanacaktır.)
21.Kalınlığı 5 inch ve alanı 60 ft2 olan bir duvarın her iki tarafındaki sıcaklıklar
78°F ve 28°F’ dır. Isı enerjisi akış oranı 300 Btu/hr olduğuna göre, duvarın ısı
iletkenliği sabiti nedir?
10/2005