#01 Enerji, Birimler ve Sistem

Aşağıda defterde yazılan bütün satırlar ve bunlara eşlik eden sesli anlatımın tam metni bulunur.

1. 1. Kahvenin Enerjisi Nereye Gitti?

   

   Masada 70 °C kahve, oda 20 °C

   On dakika sonra kahve ılımış

   Kahvenin kaybettiği enerji nereye gitti?

   Soğuyan kahve neden kendiliğinden yeniden ısınmaz?

   Cevap: termodinamiğin iki temel yasası

   Bugün: enerji · birimler · sistem

   Sesli anlatım metni

   Masada 70 derecelik bir fincan kahve var; oda 20 derece. On dakika sonra kahve ılımış. Peki kahvenin kaybettiği enerji nereye gitti? Ve neden soğumuş bir kahvenin kendiliğinden yeniden ısındığını hiç görmeyiz? Bu iki sorunun cevabı termodinamiğin iki temel yasasında. Bugün termodinamiğin dilini kuruyoruz: enerji, birimler ve sistem.

2. 2. Termodinamik: Enerjinin Bilimi

   

   Termodinamik: enerjinin bilimi

   therme (ısı) + dynamis (güç): ısıdan iş

   Enerji korunur: biçim değişir, toplam değişmez

   $\displaystyle E_{\mathrm{giren}} - E_{çıkan} = \Delta Eₛᵢₛₜₑₘ$

   1. yasa: enerjinin korunumu

   2. yasa: enerjinin niteliği var; süreçler niteliğin azaldığı yöne ilerler

   Klasik termodinamik: makroskobik bakış, manometre okur

   Sesli anlatım metni

   Termodinamik, en kısa tanımıyla enerjinin bilimidir. Enerjiyi de bir değişim yaratabilme yeteneği olarak düşünebiliriz. Adı Yunanca therme, yani ısı, ve dynamis, yani güç kelimelerinden gelir; ilk amaç ısıdan iş elde etmekti. Doğanın en temel kurallarından biri enerjinin korunumudur: enerji bir biçimden başka bir biçime dönüşebilir, ama toplam miktar değişmez. Uçurumdan düşen bir taş, potansiyel enerjisini kinetik enerjiye çevirir. Bunu bir hesap defteri gibi yazarız: sisteme giren enerji, eksi çıkan enerji, sistemin enerjisindeki değişime eşittir. Vücudumuza 5 birim enerji girsin, 4 birim çıksın: 5 eksi 4, 1 birim depolanır. Bu, termodinamiğin birinci yasasıdır. İkinci yasa ise enerjinin yalnız miktarı değil, niteliği olduğunu söyler: gerçek süreçler, enerjinin niteliğinin azaldığı yönde ilerler. Sıcak kahve odayı ısıtır; oda kahveyi değil. Bir gazın basıncı, moleküllerin çeperlere çarpmasından doğar; ama basıncı ölçmek için molekülleri tek tek izlemeyiz, bir manometre takarız. Bu makroskobik bakışa klasik termodinamik denir; biz bu yoldan gideceğiz.

3. 3. Boyutlar ve SI Birimleri

   

   $\displaystyle W = m \cdot g$

   Dünya: 70 · 9.81

   $\displaystyle = 686.7 N$

   Ay: 70 · 1.62

   $\displaystyle = 113.4 N$

   kütle yine 70 kg · değişen yalnız ağırlık

   Sesli anlatım metni

   Termodinamikte her büyüklüğün bir boyutu ve bir birimi var. Kütle, uzunluk, zaman ve sıcaklık temel boyutlardır; hız, enerji, hacim gibi diğerleri bunlardan türetilir. Biz SI birim sistemini kullanacağız: kilogram, metre, saniye, kelvin. Kuvvet birimi newton: 1 kilogramlık bir kütleye 1 metre bölü saniye kare ivme kazandıran kuvvet. İş ve enerji birimi joule: 1 newtonluk kuvvetin 1 metre boyunca yaptığı iş. Güç birimi watt: saniyede 1 joule. Kütle ile ağırlığı karıştırmayalım. Ağırlık bir kuvvettir: kütle çarpı yerçekimi ivmesi. 70 kilogramlık bir kişinin Dünya'daki ağırlığı: 70 çarpı 9.81, yani 686.7 newton. Ay'da yerçekimi ivmesi 1.62: 70 çarpı 1.62, 113.4 newton. Kütle yine 70 kilogram; değişen yalnız ağırlık.

4. 4. Örnek: Çatı Deposuna Su Basmak

   

   verilen: m = 1000 kg, z = 20 m, g = 9.81 m/s²

   ΔPE = m · g · z

   $\displaystyle = 1000 \cdot 9.81 \cdot 20$

   $\displaystyle 1000 \cdot 9.81 = 9810$

   $\displaystyle 9810 \cdot 20 = 196200 J$

   1 kJ = 1000 J

   → (1 kJ / 1000 J) = 1

   196200 J · (1 kJ / 1000 J)

   = 196.2 kJ

   pompa 2 dakikada basıyor:

   $\displaystyle P = ?$

   t = 2 dk · (60 s / 1 dk) = 120 s

   $\displaystyle P =\frac{ E }{ t}$

   = 196.2 kJ / 120 s

   = 1.635 kW

   fatura birimi: kilowattsaat (kWh)

   1 kWh = 3600 kJ

   196.2 / 3600

   ≈ 0.0545 kWh

   Sesli anlatım metni

   Şimdi bir örnek. Bir apartmanın çatı deposuna 1000 kilogram su, 20 metre yukarı basılıyor. Suya ne kadar enerji kazandırılır? Potansiyel enerji artışı: kütle çarpı yerçekimi ivmesi çarpı yükseklik; 1000 çarpı 9.81 çarpı 20. 1000 çarpı 9.81, 9810; çarpı 20, 196200 joule. Kilojoule'e çevirelim: 1 kilojoule, 1000 joule'dür. Bu oran 1'e eşittir; çarpınca değer değişmez, yalnız birim değişir. 196200 bölü 1000, 196.2 kilojoule. Pompa bu işi 2 dakikada yapıyorsa güç ne kadar? Önce süreyi saniyeye çevirelim: 2 dakika çarpı 60, 120 saniye. Güç, enerji bölü süre: 196.2 bölü 120, 1.635 kilowatt. Elektrik faturası ise kilowattsaatle yazılır; 1 kilowattsaat, 3600 kilojoule. 196.2 bölü 3600, yaklaşık 0.0545 kilowattsaat.

5. 5. Boyutsal Tutarlılık: Bedava Kontrol

   

   boyutsal tutarlılık: bedava kontrol

   her terim aynı birimde olmalı

   kJ + kJ/kg → toplanmaz ✗

   m · g · z → birimleri:

   kg · m/s² = N

   N · m

   $\displaystyle = J ✓$

   Birimlerin tutması güçlü bir kontrol sağlar; tek başına formülün doğruluğunu kanıtlamaz.

   formülü unutunca: birimlere bakın

   Sesli anlatım metni

   Birimler bize bedava bir kontrol de sağlar: boyutsal tutarlılık. Bir denklemdeki her terim aynı birime sahip olmalı. Elma ile armut toplanmaz; kilojoule ile kilojoule bölü kilogram da toplanmaz. Az önceki formülü kontrol edelim: kütle çarpı ivme çarpı yükseklik. Kilogram çarpı metre bölü saniye kare, bu bir newton; çarpı metre, newton metre, yani joule. Birim doğru çıktı; bu, formülü doğru kurduğumuza dair güçlü bir işaret. Bir formülü unuttuğunuzda da birimler yol gösterir.

6. 6. Sistem, Çevre ve Sınır

   

   İlk iş: neyi incelediğimizi seçmek

   Sistem: incelemek için seçtiğimiz bölge · dışı çevre

   Sınır: ikisini ayıran gerçek ya da hayali yüzey

   Kapalı sistem: kütle geçmez, enerji geçebilir

   Açık sistem (kontrol hacmi): kütle sınırı geçer

   kompresör · türbin · nozul · termosifon

   Yalıtılmış: ne kütle ne enerji geçer (termos)

   Sesli anlatım metni

   Termodinamikte ilk iş, neyi incelediğimizi seçmektir. İncelemek için seçtiğimiz madde ya da bölgeye sistem denir; dışında kalan her şey çevredir. İkisini ayıran gerçek ya da hayali yüzeye sınır denir. Üç tür sistem var. Kapalı sistemde sınırdan kütle geçmez, ama enerji geçebilir. Bir silindirdeki gazı ısıtalım: gaz genişler, piston yükselir; sınır hareket etti ama içeriye ya da dışarıya hiç gaz geçmedi. Kapalı sistem, hacmi sabit sistem demek değildir. Açık sistemde, yani kontrol hacminde, sınırdan kütle geçer. Bir termosifonu düşünün: soğuk su girer, sıcak su çıkar; biz cihazın içindeki bölgeyi inceleriz. Kompresörler, türbinler, nozullar da böyledir. Yalıtılmış sistemde ise ne kütle ne enerji geçer; iyi bir termos buna yaklaşır.

7. 7. Üç Klasik Tuzak

   

   ① Kütle ile ağırlığı karıştırmak: kg kütle, N kuvvet · 70 kg ≠ 70 N

   ② Birimi çevirmeden işleme sokmak: J ↔ kJ (1000 kat), dk ↔ s (60 kat) → birim oranıyla yaz

   ③ Kapalı sistemi sabit hacim sanmak: sabit olan kütle, sınır hareket edebilir

   Sesli anlatım metni

   Üç klasik tuzak. Bir: kütle ile ağırlığı karıştırmak. Kilogram kütledir, newton kuvvet; 70 kilogramlık biri 70 newton gelmez. İki: birimleri çevirmeden işleme sokmak. Joule ile kilojoule'ü, dakika ile saniyeyi karıştırmak sonucu bin kat, altmış kat saptırır; her dönüşümü bir birim oranıyla yazın. Üç: kapalı sistemi hacmi sabit sanmak. Kapalı sistemde yalnız kütle sabittir; sınır hareket edebilir.

8. 8. Kahveye Dönelim

   

   Sistem: kahve · çevre: oda

   Buharlaşma ihmal → kütle geçmez: kapalı sistem

   1. yasa: kahvenin kaybettiği enerji = odaya geçen

   2. yasa: ısı sıcaktan soğuğa; 20 °C'de durur, geri dönmez

   Termodinamik enerjinin bilimi: 1. yasa korunum, 2. yasa yön

   Sıradaki: özellikler, hal ve süreçler

   Sesli anlatım metni

   Kahveye dönelim. Kahveyi sistem, odayı çevre olarak seçelim. Buharlaşmayı ihmal edersek sınırdan kütle geçmez; bu, kapalı bir sistem. Enerji ise ısı olarak sınırdan dışarı çıkıyor. Birinci yasa: kahvenin kaybettiği enerji yok olmadı; tam olarak o kadarı odaya geçti. İkinci yasa: ısı sıcaktan soğuğa akar. Kahve oda sıcaklığına inince akış durur ve kendiliğinden geri dönmez. Toparlayalım. Termodinamik enerjinin bilimidir; birinci yasa enerjinin korunduğunu, ikinci yasa bir yönü olduğunu söyler. Hesaplarda SI birimlerini kullanın, dönüşümleri birim oranlarıyla yapın ve boyutları kontrol edin. Önce sistemi seçin: kapalı, açık ya da yalıtılmış. Bir sonraki derste sistemin özelliklerine, haline ve süreçlere geçiyoruz. Görüşmek üzere.

Kaynak video: Enerji, Birimler ve Sistem (6:08)