Biyolojik evrim ise bir termodinamik teori ile açıklanabilir. Evrimin arkasındaki biyolojik teoriyi çerçevelemek için kendine öz yasaları bulunan bu bilim dalındaki daha önce bahsettiğimiz dört yasa güçlerini birleştirerek “Evrenin Temel Yasaları”nı oluşturuyor.

Mekanik anlamda termodinamik ile ilgili yapılan ilk çalışmalar 18. yy başlarında Thomas Savery ve Thomas Newcomen tarafından yapılmış olsa da biz burada “biyolojik termodinamik” üzerinde duracağız. Alman-İngiliz tıp doktoru ve biyokimyacı Hans Adolf Krebs’in 1957 tarihli “Energy Transformations in Living Matter (Yaşayan Maddede Enerji Dönüşümleri)”[1] çalışması biyokimyasal reaksiyonların termodinamiği üzerine ilk kapsamlı yayın oldu.

Buna rağmen termodinamik, başından beri doğa kuramları arasında önemli bir konumda bulunur. Günümüzde biyolojik termodinamik, iç biyokimyasal dinamiklerin incelenmesi ile ilgilenmektedir. Canlılar kendi fizyolojik olaylarını devam ettirebilmek için organik bazlar ile genetik materyalini işleyebilen veya işletebilen biyokimyasal zorunlulukları vardır. Canlı organizmalar , yapılar ve hücreler arasında meydana gelen enerji  transdüksiyonlarının ve bunların altında yatan kimyasal proseslerin doğası ve fonksiyonunun nicel çalışmasıdır. 

Evrende bir denge durumu sağlanıncaya kadar değişme eğilimi vardır. Clausius 1865 yılında yeni bir termodinamik özellik bulduğunu anlamış ve bu özelliğe entropi adını vermiştir. [5] Canlı varlıkların oluşumu, tek hücrelilerin birleşerek çok hücreli varlıklara dönüşmeleri de enerji korunumu ve entropi yasası ile ilgilidir. Kapalı bir sistemdeki düzensizliğin ölçüsü olan entropi nedeniyle, mevcut enerjinin tamamı organizmaya yararlı olmayacaktır.

Canlı bir organizma, çevresi ile hem madde hem de enerji alışverişi yapabilen açık bir sistemdir ve yüksek düzenli durumlarını korumak için sürekli enerji girdisine ihtiyaç duyar. Bu mevcut düzeni sürdürme sürecinde, çevreye bir miktar enerji kaybedilir veya dönüştürülür. Böylece enerji aktarıldıkça yapılan işlemler, hücrenin veya organizmanın çevresindeki entropide artışa neden olur. Enerji transferi, evrendeki entropinin artmasına neden olur.

Örneğin, bir insan besin alır, onu bileşenlerine ayırır ve daha sonra bunları hücre, doku, bağ vb. oluşturmak için kullanır. Bu süreç vücuttaki düzeni artırır ve böylece entropiyi azaltır. Bununla birlikte insanlar, vücut sıcaklığı nedeniyle giysilere ve temas ettikleri diğer nesnelere de ısı iletirler, uzaya ısı yayarlar ve atıkları ortadan kaldırır (örneğin, karbondioksit, su ve diğer nefes, idrar, dışkı, ter vb.). Tüm bu süreçler hesaba katıldığında, büyük sistemin (yani insan ve çevresi) toplam entropisi artar.

Güneş, canlı organizmalar için birincil enerji kaynağıdır. Bitkiler gibi bazı canlı organizmalar doğrudan güneş ışığına ihtiyaç duyarken, bitkiler ve diğer fotosentetik organizmaların aksine hayvanlar ve insanlar gibi diğer organizmalar dolaylı olarak güneşten enerji alabilirler. Diğer biyolojik süreçlerde olduğu gibi, enerji transferi yüzde 100 verimli değildir. Güneş ışınlarından yeşil bitkilerde fotosentez tarafından yakalanan toplam enerji yılda Dünya’ya ulaşan toplam güneş ışığının yaklaşık %4’üdür. Bir miktar enerji yansıtılır ve bir kısmı ısı olarak kaybolur. Çevreleyen ortama enerji kaybı, düzensizlik veya entropide artışa neden olur. [4]

Işık enerjisi bitki yapraklarındaki hücreler tarafından emilerek kimyasal enerjiye dönüştürülür. Kimyasal enerji, bitki kütlesini oluşturmak için gerekli olan karmaşık karbonhidratları oluşturmak için kullanılan glikoz formunda depolanır. Glikozda depolanan enerji, hücresel solunum yoluyla da salınabilir. Bu süreç, bitki ve hayvan organizmalarının ATP üretimi yoluyla karbonhidratlarda, lipitlerde ve diğer makromoleküllerde depolanan enerjiye erişmesine izin verir. Bu enerji, DNA replikasyonu, mitoz, mayoz, hücre hareketi, endositoz, ekzositoz ve apoptoz gibi hücre fonksiyonlarını gerçekleştirmek için gereklidir.

Termodinamik açıdan ATP hidrolizi, protein stabilitesi, DNA bağlanması, membran difüzyonu, enzim kinetiği ve diğer bu tür temel kimyasal reaksiyon sırasında iş yapabilen enerji miktarı, Gibbs Serbest Enerjisindeki değişimle niceliksel olarak ölçülür.[2]  Gibbs Serbest Enerjisindeki değişiklik, belirli bir kimyasal reaksiyonun kendiliğinden meydana gelip gelemeyeceğini belirlemek için kullanılabilir.

Termodinamik yasalarına ek olarak, hücre teorisi, gen teorisi, evrim ve homeostaz, yaşam çalışmasının temelini oluşturan temel ilkeleri oluşturur.[4]

Biyolojik termodinamikten farklı olarak bir de “sosyolojik termodinamik” vardır.

Nüfus bilimine göre toplumların yeryüzündeki yayılışlarında değişik sebepler bulunsa da, bunlardan en başta gelen sebeplerden biri de şüphesiz iklim şartlarıdır. Eski zamanlarda hava soğuyunca mağaralara sığınıp fazlaca hareket etmedikleri, sıcak havalkarda ise geniş alanlara yayılıp yeni bölgeler keşfettikleri, böylece bir iş yaptıkları, tarihten bildiğimiz genel bir davranış tarzıdır. Fizik biliminde multi parçacıklı sistemleri inceleyen bilim kuramına “istatistik mekanik” denir.Bu kuramda açıkça anlaşıldğı gibi belirsizlik esastır ve istatistik ortalamalardan hareketle termodinamik sistemlerin davranışlarını açıklar. Termodinamikten en önemli farkı, ikinci yasadaki entropi kavramını atomlarının ve moleküllerinin hareketleri ile ilişkilendirmesidir.

İkinci yasaya göre “Kapalı sistemlerde sistem termodinamik dengeye ulaşana kadar entropi artar. Denge oluştuğunda veya tersinir hal değişiminin sınırlı durumlarında sabit kalır, fakat asla azalmaz.” Termodinamik denge, en basit tanımıyla, sıcaklığın sabit kaldığı durumdur.[5]  Bunu şöyle açıklayabiliriz; bir kabın içinde sıcak su molekülleri, diğerinde soğuk su molekülleri bulunsun. Farklı bir kapta bunları karıştırırsak bir süre sonra sistem sabit bir sıcaklıkta dengeye gelecektir. Parçacıklar bakımından sistem önce düzenlidir sonrasındaysa parçacıklar karışmıştır. Yani karmaşa artmış, düzen bozulmuştur. Ama kısa sürede, sistem farklı bir denge durumuna ulaşarak, yeniden düzeni sağlamıştır.

İnsan topluluklarında da benzer durumlar vardır. Birbirlerine komsu fakat ayrı durumda olan toplumlar olası [3] bir savaş durumunda birbirlerine karışırlar ve kaos ortamı oluşur. Ancak savaş sonrası, barış sağlandığında yeni bir düzen kurulur ve sosyal denge sağlanmış olur. Sosyal karmaşa durumunda toplumun entropisi artmakta, sosyal dengeye ulaşıldığında ise sabit kalmaktadır. Bu da gösteriyor ki, bir mühendislik kavramı olan “termodinamik denge” ile bir sosyoloji kavramı olan “sosyal denge” arasında önemli benzerlikler vardır.

“İstatistik mekanik” kuramında mikroskopik bir parçacığın belli bir konumda durma süresi o sistemin hacmi ile doğru orantılıdır. Şişirilmiş bir balonda eğer balonun hacmi sabitse içindeki hava veya gaz molekülleri çok fazla yer değiştirmezler. Ancak balonu şişirmeye devam edersek, içine yeni gaz molekülleri eklendikçe içerideki gazın hareketi artar ve moleküller uzun süre aynı noktada kalamazlar. Birinci yasa ile ikinci yasa ilişkilidir, çünkü sistemin enerjisi arttığında sıcaklık artar ve ısınan gaz genişleyerek daha geniş bir hacim kaplar.

Bu durum insan topluluklarında nüfus artışında neden göçlerin de arttığını aslında açıklıyor. İnsan toplumlarında da enerji artısı teknik ve teknolojinin gelişimine bağlı olduğundan, gelişme ve hızlanma insanların daha hareketli olmasına ve daha kolay yer değiştirmelerine neden olur. Öncelikle rüzgar enerjisini kullanarak yelkenli gemileri geliştiren ve ardından petrolün yakıt olarak kullanılışı, insanlığı tüm dünyayı keşfe çıkartmış, çok daha geniş alanlara yayılmayı daha da kolaylaştırmıştır.

Öte yandan insanlar dış tehlikeler arttığında, dağınık durumdan toplu yasam tarzına geçerek iş bölümünü arttırarak, enerji kaybını minimuma indirmişlerdir. Düzenin yerel olarak artması entropinin yerel olarak azaldığına ve ardından sabit kaldığına işarettir. Ilya Prigogine “Order Out of Chaos” adlı kitabında bakterilere bol miktarda besin sağlandığında dağınık yaşadıklarını, besin miktarı azaltılınca bir araya gelerek çok parçacıklı ve düzenli yeni bir yapı oluşturduklarını anlatmıştır.[3] ]]> https://muhendis.web.tr/termodinamige-biyolojik-ve-sosyolojik-bakis/feed/ 0 https://muhendis.web.tr/termodinamik-yasalar-kavramlar/ https://muhendis.web.tr/termodinamik-yasalar-kavramlar/#respond Sun, 27 Jan 2019 15:59:54 +0000 https://muhendis.web.tr/?p=178 Termodinamik enerjinin bilimi olarak tanımlanabilir ve enerji, değişikliklere neden olma yeteneği olarak tanımlanabilir. Termodinamik; güç üretimi, soğutma ve maddenin özellikleri arasındaki ilişkileri içeren enerji ve enerji dönüşümlerinin tüm yönlerini barındıran bir ifade taşır. Enerji kısmına ise başka bir yazıda ayrıntılı olarak değineceğiz.

Enerji ısıl, mekanik, kinetik, potansiyel, elektrik, manyetik, kimyasal, nükleer gibi değişik biçimler alabilir. Bunların tümünün toplamı, sistemin toplam enerjisini oluşturur. Sistemin birim kütlesi esas alınarak tanımlanan özgül enerjisi e ile gösterilir. Termodinamik çözümlemede, sistemin toplam enerjisini oluşturan değişik enerji biçimlerini makroskopik ve mikroskopik olarak ele alabiliriz. Makroskopik enerji, kinetik ve potansiyel enerji gibi sistemin tümünün bir dış referans noktasına göre sahip olduğu enerjidir. Mikroskopik enerji ise, sistemin moleküler yapısı ve moleküler hareketliliği ile ilgilidir ve dış referans noktasından bağımsızdır. Mikroskopik enerjilerinin tümünün toplamı sistemin iç enerjisi diye adlandırılır ve U ile gösterilir. İç enerjiye ek olarak, sistemi yaratmak ve sisteme yer açmak için harcadığımız toplam enerji entalpiyi meydana getirir ve H ile simgelenir.

Doğanın en temel yasalarından biri enerjinin korunumu ilkesidir. Bu yasa genel olarak, bir etkileşim sırasında enerjinin bir biçimden başka bir biçime dönüşebileceğini, fakat toplam miktarının sabit kalacağını belirtir. Bu açıdan bakıldığında, enerji yaratılamaz ya da yok edilemez. Termodinamiğin yasaları evrenin büyük patlamayla beraber ilk oluşmaya başladığı andan beri mevcut olmalarına rağmen, 1697’de Thomas Savery ve 1712’de Thomas Newcomen’in İngiltere’de ilk başarılı atmosferik buhar makinalarını yapmalarına değin termodinamik bir bilim olarak ortaya konmamıştır. Bu makinalar çok yavaş ve düşük verimli olmakla birlikte, yeni bir bilim dalının gelişmesinin önünü açmışlardır.

Enerji bir sisteme veya sistemden üç farklı şekilde aktarılabilir: Isı, iş ve kütle akışı. Enerji etkileşimleri sistem sınırında, sınırdan geçerken meydana gelir ve bir hal değişimi sırasında sistem tarafından kazanılan veya kaybedilen enerjiye karşılık gelir.

• Isı geçişi Q: Bir sisteme ısı geçişi olursa moleküllerin enerjileri artar bunun sonucunda da sistemin iç enerjisinde artış olur. Eğer sistemden ısı kaybı olursa sistemin iç enerjisi azalır.
• İş Geçişi W: Enerji etkileşimi sistem ile çevresi arasındaki sıcaklık farkından kaynaklanmıyor ise yapılan iştir. Bir sisteme iş geçişi sistemin enerjisini arttırır ve bir sistemden iş geçişi sistemin enerjisini azaltır.
• Kütle Akışı: Sisteme veya sistemden olan kütle akışı ilave enerji geçişi mekanizması sağlamaktadır. Bir sisteme kütle girdiğinde sistemin enerjisi artar çünkü kütle beraberinde enerji taşır, sistemden kütle çıkışı olduğunda sistemdeki enerjide azalma olur.

Termodinamik sistem, belirli bir kütleyi veya uzayın incelenmek üzere ayrılan bir bölgesini işaret eder. Sistemin dışında kalan kütle veya bölgeye çevre adı verilir. Sistemi çevresinden ayıran gerçek veya hayali yüzey de sınır diye adlandırılır. Sistemin sınırları sabit ya da hareketli olabilir. Sınırın hem sistem hem de çevresi tarafından paylaşılan bir temas yüzeyi olmasına rağmen, matematiksel açıdan sınırın kalınlığı yoktur ve bu nedenle ne kütlesi ne de uzayda kapladığı bir hacmi vardır.

Belirli bir kütlenin ya da uzayda belirli bir hacmin incelenmesi esas alınırsa, sistemler kapalı veya açık diye nitelendirilebilir. Kapalı sistem sınırlarından kütle geçişi olmayan sabit bir kütledir. Kapalı sistem sınırlarından enerji; iş veya ısı biçiminde geçebilir. Kütle yanında enerjinin de sistem sınırları üzerinden geçemediği sisteme ayrık sistem denir. Açık sistem, uygun bir şekilde seçilmiş, uzayda bir bölgedir. Burada hem kütle hem de enerji açık sistem sınırlarını geçebilir. Bir sistemi diğerlerinden ayıran her bir niteliğine özellik denir. Basınç, sıcaklık, hacim ve kütle yaygın olarak kullanılan özelliklerden olup viskozite, ısıl iletkenlik, elastisite modülü, ısıl genleşme katsayısı, elektrik direnç katsayısı, hız ve yükseklik de eklenerek, özellik listesi uzatılabilir.

Değişim geçirmeyen herhangi bir sistem göz önüne alındığında, sistemin bilinen özellikleri ölçülebilir ya da hesaplanabilir. Böylece, sistemin durumu veya hali tam olarak açıklanabilir. Özellikleri sabit değerlere sahip bir sistemin, bir özelliğin değeri değişikliğe uğrarsa, sistemin durumu farklı bir hale değişecektir.

Termodinamik, denge halleriyle ilgilenir. Denge halinde bir sistemin çevresiyle etkileşimi kesildiğinde, bulunduğu halde kalmayı devam ettirir. Sistemin her noktasında sıcaklık aynı ise, sistem ısıl dengededir. Sistemin herhangi bir noktasında basıncın zamana göre değişmediği durumda, sistem mekanik dengededir. Sistemin her fazın kütlesi bir denge düzeyine eriştiğinde orada kalıyorsa, sistem faz dengesindedir. Sistemde kimyasal reaksiyonun olmaması durumunda, sistem kimyasal dengededir. Bunlar gibi tüm denge çeşitlerinin koşulları sağlanmadıkça, sistem termodinamik dengede değildir.

Hal değişimi, sistemin bir denge halinden diğer bir denge haline geçişi diye adlandırılır. Bir hal değişimi sırasında, sistemin geçtiği hallerden oluşan diziye de hal değişiminin yolu denir. Herhangi bir maddeye verilen veya o maddeden çekilen ısı, maddenin halini değiştirip sıcaklığında değişme oluşturmuyorsa bu ısı gizli ısıdır. Duyulur ısı, maddenin sıcaklığını değiştirmek için gereken ısı miktarıdır. Maddenin sıcaklığında farklılık yaratır, ama halini değiştirmez. Katı bir cisme ısı enerjisi verildiğinde cismin sıcaklığının artmayıp sıvı hale geçmesi için verilen ısı miktarına ergime ısısı denir. Buharlaşma ısısı, sıvı bir cisme ısı enerjisi verildiğinde, cismin sıcaklığının artmayıp, cismin sıvı halden buhar haline geçmesi için verilen ısı miktarıdır.

Bir hal değişimi sırasında, sistem her an denge haline son derece yaklaşıyorsa, bu tür bir hal değişimi sanki-statik diye tanımlanır. Sanki-statik hal değişimi, idealleştirilmiş bir hal değişimi olup, gerçek bir hal değişimi değildir ve gerçek hal değişimi, sanki-statik hal değişimine çok yaklaşır. Bir sistem; geçirdiği bir dizi hal değişimi sonucunda yeniden ilk haline dönerse, bir çevrimden geçmiş olur. Başka bir ifadeyle, çevrimin ilk ve son halleri aynıdır ve tersinir hal değişimi olarak adlandırılır. Tersinir olmayanlara tersinmez hal değişimi denir. Tersinmezlikleri sürtünme, dengesiz genleşme, iki akışkanın karışımı, elektrik direnci, kimyasal tepkimeler oluşturur. Hal değimi sırasında eğer sistemin sınırları içinde tersinmezlikler meydana gelmiyorsa içten tersinir, sistemin sınırları dışında tersinmezlikler meydana gelmiyorsa dıştan tersinir denir.

Enerjinin işe dönüştürülemeyen bölümü, atık ısı olarak çevreye verileceğinden dolayı önem taşımayacaktır. Bu bakımdan, belirli bir halde ve miktardaki enerjinin yararlı iş potansiyeli gibi tanımlanan bu özelik, kullanılabilirlik veya kullanılabilir enerji diye bilinen ekserjidir.

Tüm bu genel tanımlamalardan sonra termodinamik yasalara yakından değinelim.

Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası

Eğer A ve B sistemleri birbirleri ile ısıl dengede ise, A sistemi ile ısıl dengede olan bir C sistemi, B sistemi ile de ısıl denge durumundadır. Bu denge durumu, sıcaklık olarak tanımlanır. Yani her sıcaklık derecesi, farklı bir denge durumunu temsil eder. Her ikisi de aynı sıcaklık değerine sahip iki cisim birbiriyle temas etmeseler bile ısıl dengededir, olarak yazılabilen sıfırıncı yasanın diğer termodinamik yasalarla kanıtlanması mümkün değildi. Sıfırıncı yasanın fizik ilkesi olarak değeri, termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının ortaya konmasından yarım yüzyılı aşkın bir süre sonra anlaşılabilmiştir ve bu yasalardan önce gelmesi gerektiği için sıfırıncı yasa olarak isimlendirilmiştir.

Termodinamiğin Birinci Yasası

Termodinamiğin birinci yasası veya diğer adıyla enerjinin korunumu ilkesi; enerjinin değişik biçimleri arasındaki ilişkileri ve genel olarak enerji etkileşimlerini incelemek için sağlam bir temel oluşturur. Termodinamiğin birinci yasası deneysel gözlemlere dayanarak, enerjinin var veya yok edilemeyeceğini, ancak bir biçimden diğerine dönüşebileceğini vurgular. Bu nedenle bir hal değişimi sırasında enerjinin her zerresinin hesabı verilmek zorundadır.

1. yasa, kapalı ve açık sistemler için iki farklı şekilde incelenir. Kapalı bir sistemin belirli bir durumu arasında gerçekleşebilecek tüm adyabatik durum değişimleri sırasında yapılan net iş, sisteme veya durum değişimlerine bağlı olmaksızın aynıdır. Açık sistemlerde bir sistemin iç enerjisindeki değişim miktarı, o sisteme ilave edilen ısı miktarı ile sistemin çevresine uyguladığı iş arasındaki farka eşittir.

Termodinamiğin İkinci Yasası

Enerji korunan bir özelliktir ve termodinamiğin birinci yasasına uymayan hal değişimine bugüne kadar rastlanmamıştır. Ancak, yalnızca birinci yasanın sağlanması hal değişiminin gerçekleşmesi için yeterli değildir. Hal değişimleri belirli bir yönde gerçekleşirken, tersi yönde gerçekleşmemektedir. Birinci yasa bir hal değişiminin yönü üzerinde herhangi bir kısıtlama koymazken, birinci yasanın sağlanması, hal değişiminin mutlaka gerçekleşeceği anlamına da gelmez. Bir hal değişiminin gerçekleşip gerçekleşmeyeceği konusunda birinci yasanın bu yetersizliği, termodinamiğin ikinci yasasıyla kapatılmaktadır. Bir durum değişimi ancak, termodinamiğin hem birinci ve hem de ikinci yasasını sağlıyorsa gerçekleşebilir.

İkinci yasa, enerjinin niceliğinin olduğu kadar niteliğinin de olduğunu söyler. İkinci yasa, Kelvin-Planck ifadesine göre;

” Periyodik olarak çalışan bir tek ısı kaynağı ile ısı alışverişi yaparak sürekli olarak iş üreten bir makinenin yapılması mümkün değildir. Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkânsızdır.”

Isıtma ve soğutma makinelerinin termodinamiğin ikinci yasasıyla ilişkisini Clausius ifadesine göre; termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan ve düşük sıcaklıktaki bir cisimden aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki bir cisme aktarmak dışında hiçbir enerji etkileşiminde bulunmayan bir makine tasarlamak olanaksızdır.

Termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarını birlikte sağlamayan bir durum değişimi gerçekleşmez: Bu yasalardan herhangi birine aykırı olan bir makina, devridaim makinası olarak adlandırılır.

Termodinamiğin Üçüncü Yasası

Termodinamiğin üçüncü yasası mutlak sıfır sıcaklığındaki maddelerin entropisi ile ilgilidir. Buna göre termodinamiğin üçüncü yasası: “mükemmel bir kristalin, mutlak sıfır sıcaklığındaki entropisi sıfırdır” şeklindedir. Bu durum istatiksel olarak, kristal yapının en yüksek derecede olduğunu belirtir ve burada ısıl enerji minumumdur.

İstatistiksel açıdan entropi, moleküler rastgeleliğin, başka bir deyişle herhangi bir anda konumu belirlemedeki belirsizliğin bir ölçüsüdür. Katı fazında bile, moleküller bir nokta etrafında salınım hareketi içindedirler. Bu nedenle konumlarında belirsizlik vardır. Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça bütün hareketler sıfıra yaklaşır. Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça, bir sistemin entropisi bir sabite yaklaşır. Bu sayının sıfır değil de bir sabit olmasının sebebi, bütün hareketler durmasına ve buna bağlı olan belirsizliklerin yok olmasına rağmen kristal olmayan maddelerin moleküler dizilimlerinin farklı olmasından kaynaklanan bir belirsizliğin hala mevcut olmasıdır.

Entropi

Evrende bir denge durumu sağlanıncaya kadar değişme eğilimi vardır. Clausius 1865 yılında yeni bir termodinamik özellik bulduğunu anlamış ve bu özelliğe entropi adını vermiştir. Entropi, sistemdeki düzensizliğin bir ölçüsü olarak tanımlanabilmektedir. Sistemde düzensizlik arttıkça entropi de artar.

Entropi bir özelik olup, sistem ve çevresi, ayrık bir sistem meydana getirir. Bir hal değişimi sırasında ayrık bir sistemin entropisi, her zaman artar veya tersinir hal değişiminin sınırlı durumlarında sabit kalır. Başka bir ifadeyle, ayrık bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz. Bu, entropinin artışı ilkesidir. Bu noktada sistemin bir denge durumuna ulaştığı söylenebilir. Bir hal değişimi sırasında entropi sabit kalıyorsa, bu hal değişimine izantropik hal değişimi denir.

Bir sistemde sınır sıcaklığı başına diferansiyel ısı geçişi, termodinamik bir çevrim üzerindeki integralinin sıfıra eşit ya da sıfırdan küçük olduğunu söyleyen Clausius eşitsizliği, entropiyi tanımlayacak bir bağıntı geliştirdi. Clausius eşitsizliğindeki eşit olma durumu tümden veya içten tersinir çevrimler için, eşitsizlik durumu da tersinmez çevrimler için geçerlidir.

Kelvin-Planck ifadesine göre net iş pozitif olamaz. Eşitlikte mutlak sıcaklık ise pozitif değerlidir. Bu nedenle T sıcaklığı eşanlamlılığı korumak için pozitif olmalıdır.

Bu yazımızda çevremizdeki sıklıkla karşılaştığımız klima, buzdolabı, nem alıcılar, ısıtma ve soğutma cihazları gibi hemen hemen hepsinin çalışma mantığının aynı olduğu sistemlerin çeşitleri ve sınıflandırılmasından bahsedeceğim. Bu cihazlara benzer yapıda olan ısı pompaları da daha önce de bahsettiğimiz gibi bir ısı kaynağından çektikleri ısıyı aktaran cihazlardır. Isının çekildiği ve atıldığı kaynakların aynı sıcaklıkta olmaları halinde, ısı pompası maksimum verimle çalışır. Dolayısıyla mümkün olan en sıcak kaynak, ısı pompası için en uygun kaynaktır. Ancak, kaynak sıcaklığının doğrudan kullanıma imkan vermeyecek bir değerde olması gerekir. Aksi takdirde ısı pompasına gerek duyulmaz.

Bu kaynakları ayrı ayrı ele alalım. Çizelgede ısı pompalarında kullanılan ısı kaynaklarının sıcaklık aralıkları verilmiştir.

ISI KAYNAKLARINA GÖRE

Su Kaynaklı

Kuyulardan, göllerden, nehirlerden, denizden, şehir şebekesinden ve üretim tesislerinden elde edilebilen su, ısı kaynağı olarak kullanılabilir. Maliyeti ve belediyelerin getirdiği kısıtlamalar nedeniyle kentsel şebeke suyu nadiren kullanılır. Yer altı suyu (kuyu suyu) nispeten yüksek ve genelde kararlı bir sıcaklığa sahip olması nedeniyle oldukça çekici bir seçenektir.Yıl boyunca su sıcaklığının fazla değişmemesi büyük bir avantajdır. Göl, nehir ve benzeri yer üstü sularında ise, sıcaklık, yıl boyunca kuyu sularına göre daha fazla değişmekle beraber; değişim havada olduğu kadar değildir.Endüstriyel uygulamalarda atık proses suyu (çamaşırhanelerde harcanan su, tesis pis su içeriği ve sıcak kondanser suyu) ısı pompasını çalıştırmada bir ısı kaynağı olarak kullanılabilir.

Hava Kaynaklı

Hava kolay elde edilebilmesinden dolayı en uygun ısı kaynağı olmakla beraber; sisteme tasarımının, mekâna bağlı olarak çok dikkatli bir optimizasyonunun yapılmasını gerektirecek birçok dezavantajı mevcuttur. Bunun sebebi ise;

• Dış havanın oldukça değişken bir sıcaklığa sahip olması
• Buzlanma problemi

Bir dış mahal serpantininin yüzey sıcaklığı 0 °C ya da daha düşük ve karşı gelen dış hava çiğ noktası sıcaklığı bundan 2~5,5 °C daha yüksek olduğunda serpantin yüzeyinde kar oluşumu görülebilir. Buzun, buharlaştırıcı yüzeyinde uzun süre birikmesi halinde ısı geçişi azalır. Bu durum ısı pompasının etkinlik katsayısının ve ısıtma kapasitesinin düşmesine neden olur. Ancak yapılan araştırmalar, buz birikiminin, 9,8-14,6 kg/m²değerine kadar ısı transferini artırıcı yönde rol oynadığını göstermektedir.

Güneş Kaynaklı

Isı kaynağı olarak güneş enerjisinden yaralanmanın en büyük avantajı, ısı pompası buharlaştırıcı sıcaklığının yüksek seçilebilmesine imkân vermesidir. Dolayısıyla ısıtma etkinliği yükselmiş olur. Güneş enerjisinden yararlanan ısı pompası sistemleri, daha düşük kolektör sıcaklığında çalıştıklarından, kolektör verimi diğer güneş enerjisi sistemlerinde olduğundan yüksektir.

Kaynak olarak güneş enerjisinden yararlanıldığında iki sistem söz konusudur. Bunlar direkt ve en direkt sistemlerdir. Direkt sistemlerde buharlaştırıcılar doğrudan güneş kolektörüne yerleştirilir. En direkt sistemlerde ise kolektörlerden su veya su buharı geçirilerek kaynak olarak bunlardan yararlanılır. Ancak hava kaynağında olduğu gibi, enerji ihtiyacı bulunan günlerde güneş enerjisi de az olduğundan ek bir ısıtma tesisatına veya ısının depolanmasına ihtiyaç vardır ki bu da zaten pahalı olan sistemin maliyetinin artmasına neden olur.

Toprak Kaynaklı

Toprak, yüzeyinde absorbe ettiği güneş ısısının ve konveksiyon ve yağmurla da aldığı enerjinin bir ısı taşıyıcısı döngüsü ile bir ısı pompası tarafından alınabileceği önemli bir ısı depolayıcısıdır. Toprak kaynaklı ısı pompaları, buharlaştırıcısında topraktan çekilen ısıyı kullanan ısı pompalarıdır. Toprakla olan ısı alışverişi, toprağa yatay veya dikey olarak gömülmüş toprak ısı değiştiricileriyle gerçekleştirilir. Toprak altına gömülen borulardan doğrudan soğutucu akışkan veya daha ucuz olması bakımından genellikle salamura geçirilir. Su veya salamura, toprak ısı değiştiricisini oluşturan borulardan geçirilerek elde edilen ısı enerjisi, ısı pompasındaki buharlaştırıcıda soğutucu akışkana aktarılır.

Toprağın yoğunluğu, bileşimi, içerdiği nem miktarı ve gömme derinliği, toprak ısı değiştiricisinin seçimini ve boyutlandırılmasını etkiler. Aynı şekilde ısı pompası da çalıştırıldığı andan itibaren toprağın özelliklerini etkiler. Isı pompası ile ısıtma yapıldığı takdirde, toprak ısı değiştiricisine yakın bölgelerde toprak sıcaklığı düşer. Yanlış hesap yapılması sonucunda ise topraktan çok fazla ısı çekilmesi toprağın donmasına neden olabilmektedir. Hissedilebilir ısının dışında, topraktan nem yoğunlaşması ile gizli ısı da kazanılmaktadır. Su buharı, boruların üzerinde yoğunlaşır ve toprağın ısı iletkenliği artar. Toprak kaynaklı ısı pompaları da kendi içinde sınıflandırılabilir.

Yatay Tip Isı Pompası

Yatay toprak ısı pompaları üç gruba ayrılmıştır. Tek borulu yatay ısı pompası, ilk olarak en az 1.2 metre derinlikte dar hendekler halinde yerleştirilmektedir. Bu tasarım, yer alanının büyük bir kısmını istemektedir. Çoklu borular (genellikle 2 veya 4), istenen yer alanının miktarını azaltarak tek hendek içine yerleştirilir. Uygulamada hem derin dar hendekler hem de geniş hendekler 12 inç’den 24 inç’e kadar ayrılmış borular ile kullanılır. Hendek uzunluğunun azaltılması mümkün olmasına rağmen, toplam boru uzunluğunun, bitişik borular ile ısı etkileşimini yenmek için çoklu borulu TKIP’nın ile arttırılması zorunludur.

Slinky tipi serpantin, istenen yer alanım azaltmak için kullanılabilir. Geniş hendeğin altında, dar hendek veya yayılmış kat içine dikey olarak yerleştirilen yayılan serpantin içine sıkı serpantinden küçük çaplı PE tüpü uzatarak, kurulabilir. İstenen hendek uzunluğu, sadece tek borulu yatay TKIP’nın % 20’si % 30’dur, fakat boru uzunluğu denk ısı performansı için önemli bir şekilde artabilir. Bununla birlikte seri ve paralel devre yapmakta mümkündür.

Yatay Döşeme Uygulanmasında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar

Tek bir hendek içine bir kaç boru yerleştirilecek ise hendeklerin genişliği 0,6-0,9 m mertebesinde olmalıdır. Boruların yüzey şartından en az etkilenmesi için min. 2 m derinlikte döşenmesi gerekir. Derinlik arttıkça, ısı değiştiricisinin iyilik derecesi gerek toprak sıcaklıklarının daha uygun olması, gerekse boruların yüzey şartlarından daha az etkilenme sebebiyle artar. Fakat hafriyat masrafları da çoğalmış olur. Tek bir hendeğe bir kaç boru döşenecekse, borular arası kot farkı yaklaşık 0,3-0,5 m mertebesinde olmalıdır. Borular toprak altına döşendikten sonra, çıkarılan toprağın yerine boşaltılırken toprak yoğunluğunu artırmak için sıkıştırma tavsiye edilir.

Literatürde, en yaygın yatay ısı değiştiricilerinin ¾″ , 1″, 1 ½″ ölçülü tek borulu 0,5-2,5 m derinliğe ve birbirinden 0,3-2,5 m aralıklarda döşenmiş yatay ısı değiştiricileri olduğunu belirtilmiştir. Bu tip ısı değiştiriciler, genelde temel kabul edilir ve diğer ısı değiştiricilerinin iyilik dereceleri bunlara göre mukayese edilir. Yatay toprak ısı değiştiricilerinde, 700 m boru boyu, 2″ boru çapı ve 1 lt/s akışkan debisi kullanılabilir üst sınır değerleri olarak kabul edilir. Pratikte uzunluğa bağlı olarak boru çapları tabloda verilmiştir.

Dikey Tip Isı Pompası

Magmadan gelen ısıyı kullanarak ortamın ısıtılmasını ve soğutulmasını sağlarlar. Genellikle ısıyı çekme derinliği 30-150 m arasındadır. Dikey sondaj uygulamalarında, sondaj makineleri ile açılan kuyulara borular dikey olarak sarkıtılır. Kuyu çapları 10-20 cm arasındadır. Özellikle arazinin kısıtlı, toprağın jeolojik yapısının ise uygun olduğu yerlerde dikey borulama tesisatı uygulanmaktadır. Isı değiştiricileri, yerleştirme şekilleri kesit geometrilerine göre U tüp, bölünmüş tüp ve eş eksenli tüp olarak sınıflandırılabilir.

Ayrıca akış yönüne göre seri ve paralel olarak da sınıflandırılabiliriz.

Dikey Döşeme Uygulanmasında Dikkat Edilmesi Gereken Hususlar

Düşey uygulamalarda yerdeki hafriyatın tipi ve derinliğine, toprağın sertliğine ve akiferlerin bulunuşu gibi koşullarla değişir. Düşey boru delikleri 3-4,5 m uzaklıkla açılmalıdır. Dikey borulama sisteminde sondaj kuyusu açma ve boruları yerleştirme işleminin maliyeti, yani ilk yatırım maliyeti yatay borulama sisteminden çok daha pahalıdır. Dikey sistemlerin yatay sistemlere olan üstünlüğü ılıman iklimlerde çok önemli değildir. Buna karŞın, iklim ne kadar sert olursa, dikey sistemin avantajı o kadar artar. Kullanılan boruların çapı ¾″ ile 1 ½″ arasında değişir. Açılan kuyular arasında sağlıklı bir ısı transferi için minimum 3.5 m, tercihen 6 m bırakılmalıdır.

Genel olarak ısı kaynaklarına göre karşılaştırmasını aşağıdaki tabloda verilmiştir.

ISI POMPASI SİSTEMLERİNE GÖRE

Isı pompası sistemlerinde, ısı kaynağı olarak doğal kaynaklar (yer altı suyu, yer üstü suyu, toprak ve dış hava) kullanılabildiği gibi teknik tesislerin atık ısıları da kullanılabilmektedir. Buna göre ısı pompaları, birincil, ikincil ve üçüncül ısı pompaları olarak adlandırılabilir.

Birincil Isı Pompaları

Esas itibariyle ısıyı doğal kaynaktan çeken ısı pompalarına birincil (primer) ısı pompaları denir. Bu sistemlerin ısı kaynakları, yer altı suyu, yer üstü suyu, toprak ve dış havadır.

İkincil Isı Pompaları

İkincil ısı pompaları, ısıyı geri kazanılan sistemlerden çekerler. Elde edilen bu ısı, artık ısı birikiminden bağımsız olan tüketilecek yere ihtiyacı oranda verilir. Örnek olarak, kanalizasyonun pis sularından ısı çeken ısı pompaları, ikincil ısı pompalarıdır. Isı kaynağı sıcaklığı 10 °C den büyüktür.

Üçüncül Isı Pompaları

Elde edilen artık ısı direkt olarak tekrar prosese geri verilirse, örneğin ısı pompalı çamaşır makinelerinde, kurutma, klima sistemi ve diğerleri, bu ısı pompası üçüncül ısı pompası olarak adlandırılır. Bu tür ısı pompaları için ısı kaynağı genelde 20 °C den fazla bir sıcaklık gösterir.

PROSES TÜRÜNE GÖRE

Kompresörlü Isı Pompaları

Buharlaştırıcıdan buharın emilmesi ve yoğuşturucu basıncına kadar sıkıştırılması mekanik bir kompresörle yapılıyor ise, bu tip ısı pompalarına kompresörlü ısı pompaları denir.

Absorbsiyonlu Isı Pompaları

Soğutucu burada uygun bir emici eriyik sirkülasyonu ile hareket eder. Kompresörlü ısı pompalarına göre daha sessiz çalışırlar.

Buhar-jet Isı Pompaları

Soğutucunun hareketi bir ejektör vasıtası ile yapılır.

KAYNAK VE DAĞITICI SİSTEMLERİNE GÖRE

Isı pompası sistemlerinin hemen hemen her uygulamaya uygun tipleri ve kombinasyonları mevcuttur. Isı pompaları ısı kaynak ve çukuruna, ısıtma ve soğutma dağıtımında kullanılan akışkana, boyut ve düzenleme biçimine, ısı kaynak ve çukurunun sınırlamalarına göre sınıflandırılabilir. Sınıflandırmada ısı pompası çeşitleri tanımlarken öncelikle ısı kaynağı daha sonra ısı çukuru dikkate alınır.

Havadan Havaya Isı Pompaları

Havadan havaya ısı pompalarında dış ortam havası kışın ısı kaynağı yazın ısı çukuru, iç ortam havası ise yazın ısı kaynağı kışın ısı çukuru olarak görev görür. Bu sistemde ısı değiştiren serpantinlerden birisi her zaman evaporatör, diğeri de her zaman kondenserdir. Koşullandırılan hava, soğutma çevriminde evaporatör üzerinden geçerken dış mahal havası kondanserden geçer. Değiştirme valfi, ısı pompasının yaz veya kış döneminde çalışmasına uygun olarak, soğutucu akışkanın yönü değişir. Split klimalar buna örnektir.

Havadan Suya Isı Pompaları

Havadan havaya ısı pompalarına benzer biçimde dış hava ısıtma veya soğutma amacına göre ısı kaynağı veya ısı çukuru görevi görür. Ancak iç ortamda hidrolik iklimlendirme sistemi (radyatör, fan-coil, hidrolik panel sistemler vs.) kullanılır ve bu sistemin enerjisini sağlayan su yazın ısı kaynağı kışın ısı çukuru olarak görev alır.

Sudan Suya Isı Pompaları

Sudan suya ısı pompalarında ısı kaynağı da ısı çukuru da sudur. Isı kaynağı kışın göl, deniz ve yer altı suları ve hatta atık proses sularıdır ve ısıtılmak istenen mahale ısı enerjisini çeşitli iç üniteler (radyatör, fan-coil, hidrolik panel sistemler vs.) vasıtasıyla aktaran akışkanla enerji alışverişinde bulunur. Isıtma durumundayken mahal enerjisini sağlayan su ısı çukuru konumundadır. Isı pompası soğutma durumundayken ise mahal enerjisini sağlayan su ise ısı çukuru konumundadır. Bu sistemlerin açık ve kapalı çevrim uygulamaları vardır.

Açık çevrim uygulamasında göl, yer altı, deniz vs.den alınan su borularla taşınarak enerjisini ısı pompasının eşanjörüne aktarır ve daha sonra başka bir boru sistemi ile alındığı kaynağına döner.

Kapalı çevrim uygulamasında ise tamamen kapalı bir boru sistemi içinden salamura (antifrizli su) sirküle ettirilir. Yer altı suyunun enerjisini taşıyan bu salamura ısı pompasının eşanjörü ile ısı alışverişinden sonra yine aynı kapalı boru sistemi içinden dönerek yer altı suyu ile ısı alışverişinde bulunur.

Sudan Havaya Isı Pompaları

Sudan havaya ısı pompaları sudan suya ısı pompalarına benzer prensipte çalışır. Ancak iç ortamda konfor şartlarını sağlayan akışkan havadır, ısı pompasının iç ünite eşanjörü bu hava ile ısı alışverişinde bulunur. Şekilde soğutma ve ısıtma konumlarında, kapalı çevrimli helezonik tip sudan havaya ısı pompası uygulaması görülmektedir.

Yer Devreli Isı Pompaları

Bu sistemlere toprak kaynaklı ısı pompaları bölümünde değinmiştik zaten.

İŞLETME ŞEKLİNE GÖRE

Monovalent (Tekli) İşletme Şekli

Isı üreticisinin gerekli tüm ısısı aynı enerji türü ile karşılanıyor ise bu tür işletmeye monovalent işletme denilir. Burada ısı ihtiyacı, bir veya birden fazla ısı üreticisiyle karşılanabilir. Birçok ısı üreticisinden oluşan ısıtma sistemleri alternatif ve paralel işletme şekline göre de ayrılabilir.

Alternatif işletmeden kasıt, gerekli yıllık ısıtma gücü, aynı enerji türünün iki ısı üreticisi tarafından belirli bir dış sıcaklığa göre yedeklenmesidir.

Paralel işletmede ise ısı ihtiyacı belirli bir dış sıcaklığın altına kadar her iki ısı üreticisi tarafından müşterek olarak karşılanabilir.

Bivalent (İkili) İşletme Şekli

Bu işletme seklinde tüm ısı ihtiyacı daima iki ısı üreticisi tarafından karşılanır. Bivalent işletme şekli, alternatif ve paralel olarak sınıflandırılabilir.

Alternatif işletmede belirli bir dış sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda ısı üretimi, yalnız yedek ısı üreticisiyle karşılanır. Belirli bir dış sıcaklığın altındaki sıcaklık bivalent sıcaklığı olarak adlandırılır.

Paralel işletmede ise bivalent sıcaklığın altındaki sıcaklıklarda ısı üretimi yedek ısı üreticisiyle tamamlanır. Pratikte en fazla ortaya çıkan ikili işletme seklinde, yıllık işletme gücünün tamamının karşılanmasında ısı pompası yanında yedek ısı üreticisi olarak bir konvansiyonel ısıtma kazanı kullanılır.

Multivalent (Çoklu) İşletme Şekli

Çoklu işletme seklinde ısı ihtiyacının karşılanması çeşitli enerji taşıyıcılarıyla çalışan ikiden fazla ısı üreticisiyle yapılır. Örneğin; güneş enerjisi ısı deposu, ısı pompası ve ısıtma kazanının kombinasyonu multivalent işletme sekli olarak tanımlanır.

Yazımızın sonuna geldik umarım faydası olmuştur. Değerlendirmeyi unutmayın.

Isı Pompası Ne Demek ?

Aslında “Isı Pompası” terimi yeni değildir. Isı pompası çalışma prensibi tıpkı evlerimizdeki buzdolabı, klima, nem giderici ve dondurucular aynı prensiple çalışan ürünlerdir. Isı pompaları ve soğutma sistemlerinin mekanik parçaları aynıdır. Isı pompası ile soğutma sistemlerini ayıran tek fark kullanım amaçlarıdır. Sistem ilgi alanının yüksek sıcaklık bölgesi olması halinde “ısı pompası”; düşük sıcaklık bölgesi olması halinde “soğutucu” olarak isimlendirilmektedir. Bilindiği üzere enerji vardan yok, yoktan var edilemez, sadece ya biçim değiştirir ya da bir yerden bir yere taşınır. Isı pompası adını da ısı enerjisini bir ortamdan diğer bir ortama “pompalama” veya “taşıma” kabiliyetinden alır.

Isı pompasının çalışma prensibi için Carnot Çevrimi makalesini inceleyebilirsiniz.

Isı Pompasının Tarihçesi

Isı pompasının basit prensibi ilk olarak 1824 yılında Said Carnot tarafından öne sürülmüştür. 1852 yılında Lord Kelvin (W.Thomson) soğutma çevriminin evlerin ısıtılmasında kullanılabileceğini belirtmesiyle ısı pompalarının temel prensibi ortaya atılmıştır. 1832 yılında Jakob Perkin tarafından buhar sıkıştırmalı bir soğutucu tasarlanmıştır .

19.yüzyılda gazların sıcaklıklarının basınçlarını ayarlayarak değiştirilebileceğinin anlaşılmasıyla ısı enerjisinin daha yüksek sıcaklıklara pompalanması olasılığı dikkat çekmiştir.

Dr. John Gorrie’nin 1851 yılında Amerika’da patentini aldığı makine, ticari olarak imal edilen ilk soğutma makinesidir. Fransa’da Ferdinand Carre 1851’de ilk amonyak absorbsiyon ünitesini tasarlamıştır. Connecticut’tan Alexander Catlin Twining, buhar sıkıştırmalı sistemle dünyada ilk olarak ticari olarak buz yapmak için kompresyon makinesinin patentini almıştır.

Sıkıştırılmış buharla çalışan ısı pompası prensibinin ilk olarak İsviçre’de 1870-1880 yılları arasında Salina Bex’de mühendis Paul Piccard tarafından gerçekleştirilmiştir .

Isı Pompasının Gelişimi

İlk ısı pompası ise 1930 yılında İskoç Haldane tarafından yapılmış ve daha sonra bu ısı pompasını evinde kullanmaya başlamıştır. Haldana, bu maklinede kaynak olarak havayı kullanmış ve hava koşullarının iyi olmadığı zamanlarda su ile desteklenmiştir. 1950’ler de ısı pompasına azda olsa ilgi artmış ancak petrol fiyatlarının gerilemesi bazı işletim zorluklarından dolayı fazla rağbet görmemiştir.

1912 yılındaki İsviçre patenti ile toprak kaynaklı ısı pompalarının faydaları ilk olarak tanıtılmıştır. Daha sonra termodinamik yararı, ısı kaynağı olarak toprağa gömülen metal serpantinler içinde salamura dolaştırarak, 1940’lı yıllarda çarpıcı şekilde gösterildi. Serpantin korozyon sorunları, toprak serpantinlerini kullanışsız kıldı ve hava kaynaklı ısı pompasının gelişimini zorladı. Daha sonraları plastik borular kullanılarak, korozyon sorunlarının üstesinden gelindi ve çalışmalar hızlandı.

1950’ler de Amerika ve İngiltere’de evsel ısı pompalarında toprak kaynağının kullanımı ile ilgili çalımalar başlamıştır. Baker 1950-1951 yıllarında, kış ayları boyunca ortalama ısı tesir katsayısı 3’ün üzerine çıkan, çift tesirli toprak kaynaklı bir ısı pompası geliştirmiştir.

1954 yılında Jordan ve Threlkeld tarafından, 1956 yılında da AEIC-EEI Isı Pompası Komitesi tarafından güneş enerjisi destekli ısı pompaları ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Albuquerque’de bir ofis binası kolektör-ısı pompası sistemi ile ısıtılmış ve soğutulmuştur. Bu sistem daha sonra konutlarda da kullanılmaya başlanmıştır.

1950-1960 yıllarında piyasadaki düşük kalitedeki ısı pompaları, soğuk geçen kış mevsimlerinde, zorlu şartlarda çalışmaya uygun olmadıklarından başarısızlığa uğramış ve bu durum ısı pompası endüstrisindeki gelişmeyi olumsuz etkilemiştir. Ancak yeni teknolojilerin kullanılması ve 1973-1974 yıllarındaki petrol fiyatlarının artmasıyla ısı pompası yeniden ilgi odağı olmuştur.

1824 yılında bir prosesi tanımlamak için termodinamik çevrimi kullanan ilk kişi Fransız mühendis Sadi Carnot ’ tur. Tümüyle tersinir hal değişimlerinden oluşan carnot çevrimi , mümkün olabilecek en yüksek verime sahiptir.

 Termodinamiğin II. Yasası, ısının düşük sıcaklık seviyesinden yüksek sıcaklık seviyesine transferi için yardımcı bir enerji kaynağının gerekliliğini ortaya koymaktadır. Bu yer değiştirme olayı doğada her zaman çok olandan az olana doğrudur. Isı pompası düşük sıcaklıktaki bir ortamda bulunan ekonomik değeri olmayan ısıyı, kullanılmak üzere daha yüksek sıcaklıktaki bir ortama pompalayan ve bu işi yapmak için pompaladığı ısıya oranla daha az (% 20-25) mekanik iş harcayan bir sistemdir.

Önceleri ısı pompalarında; hava sıkıştırılıp genleştirilerek enerji elde ediliyordu. Zamanla hava yerine doygun buhar – sıvı karışımından oluşan akışkanlar kullanıldı ve bunlar daha verimli oldukları açığa çıktı. Günümüzde ısı pompalarında en çok kullanılan yöntem de budur.

 Carnot ısı makinası çevrimi tersinir bir çevrimdir ve tüm hal değişimleri ters yönde gerçekleştirilebilir. Bu durumda Carnot soğutma makinası çevrimi elde edilir.

Ters Carnot çevriminde 1-2 hal değişimi sırasında, soğutucu akışkana, T_L sıcaklığındaki soğuk ortamdan, sabit sıcaklıkta Q_L miktarında ısı geçişi olur. Akışkan daha sonra izantropik bir hal değişimiyle 3 haline sıkıştırılır ve hal değişimi sonunda sıcaklığı T_H olur. 3-4 hal değişimi sırasında, soğutucu akışkandan T_H sıcaklığındaki ortama, sabit sıcaklıkta ısı geçişi olur ve daha sonra akışkan, 1 haline izantropik olarak genişleyerek çevrimi tamamlar. 4-1 hal değişimi sonunda akışkanın sıcaklığı T_L olur. 3-4 hal değişimi sırasında soğutucu akışkan, yoğuşturucuda doymuş buhardan doymuş sıvıya dönüşür.

Ters Carnot çevrimi, belirli sıcaklıklardaki iki ısıl enerji deposu arasında çalışan en etkin soğutma çevrimidir. Ancak tümüyle tersinir hal değişimlerinden oluşan bu çevrim gerçekte uygulanamaz. Carnot soğutma makinesinin ve Carnot ısı pompasının etkinlik katsayıları (COP) sırasıyla şöyle tanımlanır;

Carnot çevrimine göre, çalışan kuramsal ısı makinası (Carnot ısı makinası); ikisi sabit sıcaklıkta, ikisi de adyabatik olmak üzere dört hal değişiminden oluşur.

• Sabit Sıcaklıkta Genleşme
• Adyabatik Genleşme
• Sabit Sıcaklıkta Sıkıştırma
• Adyabatik Sıkıştırma

Carnot İlkeleri Nelerdir?

1-) Aynı iki ısıl depo arasında çalışan iki ısı makinesi düşünelim. Bu iki ısı makinesinden tersinmez olanı tahmin edebileceğimiz gibi tersinir olandan her zaman daha yüksek verimli olacaktır.

2-) Tekrar aynı iki ısıl depo arasında çalışan iki veya daha fazla tersinir makine düşünelim. Eğer bu makinelerin her biri tersinir ise hepsinin verimi birbirine eşit olacaktır.

İdeal Buhar Sıkıştırmalı Çevrim

Carnot çevrimine yaklaşmak, daha doğrusu yararlı bir ısı pompası elde edebilmek için, ısı alımını ve dağıtımını büyük bir oranda izotermal şartlar altında yapmak gereklidir. Buharı sıkıştırmadan önce tümüyle buharlaştırarak ve 4-1 hal değişimindeki genişlemeyi bir kısılma işlemiyle gerçekleştirerek aşılabilir. Kullanılan genişleme vanası dıştan ayarlı değişken bir nozul veya orifîs de olabilir ya da kılcal borulardan geçirerek yapılabilir.

İdeal buhar sıkıştırmalı soğutma çevriminde, soğutucu akışkan kompresöre 1 halinde doymuş buhar olarak girer ve izantropik olarak yoğuşturucu basıncına sıkıştırılır. Sıkıştırma işlemi sırasında, soğutucu akışkanın sıcaklığı çevre ortam sıcaklığının üzerine çıkar. Soğutucu akışkan daha sonra 2 halinde kızgın buhar olarak yoğuşturucuya girer ve yoğuşturucudan 3 halinde doymuş sıvı olarak ayrılır. Yoğuşma sırasında akışkandan çevreye ısı geçişi olur. Soğutucu akışkanın sıcaklığı 3 halinde de çevre sıcaklığının üzerindedir.

Doymuş sıvı halindeki akışkan daha sonra bir genişleme vanası veya kılcal borulardan geçirilerek buharlaştırıcı basıncına kısılır. Bu hal değişimi sırasında soğutucu akışkanın sıcaklığı, soğutulan ortamın sıcaklığının altına düşer. Soğutucu akışkan buharlaştırıcıya 4 halinde, kuruluk derecesi düşük bir doymuş sıvı buhar karışımı olarak girer ve soğutulan ortamdan ısı alarak tümüyle buharlaşır. Soğutucu akışkan buharlaştırıcıdan doymuş buhar halinde çıkar ve kompresöre girerek çevrimi tamamlar.

Gerçek Çevrim

Gerçek buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi, ideal çevrimden birkaç bakımdan farklıdır. Yukarıda açıklanan çevrim her ne kadar pratik sınırlandırmaları göz önünde bulunduruyorsa da çevrimde kullanılan bileşenleri %100 verimle kullanılıyor olarak kabul edilmiştir. Kompresör ve soğutucu akışkan arasındaki ısı transferinden ve kompresör içinden geçen akışkandan kaynaklanan tersinmezlikler yüzünden, entalpi gerekli olandan daha fazla yükselecektir, bu da daha yüksek çıkış sıcaklığı manasına gelecektir.

İdeal cevrimde buharlaştırıcıdan çıkan soğutucu akışkan kompresöre doymuş buhar halinde girer. Bu koşul uygulamada gerçekleştirilemez. Bunun yerine sistem, soğutucu akışkanın kompresör girişinde biraz kızgın buhar olmasını sağlayacak bicimde tasarlanır. Burada amaç akışkanın kompresör girişinde tümüyle buhar olmasını güvenceye almaktır. İdeal çevrimde, soğutucu akışkanın yoğuşturucudan çıkış hali, kompresör çıkış basıncında doymuş sıvıdır.

Gerçek çevrimde ise kompresör çıkısıyla kısılma vanası girişi arasında bir basınç düşmesi vardır. Akışkanın kısılma vanasına girmeden önce tümüyle sıvı halde olması istenir. Doymuş sıvı halini uygulamada tam bir hassaslıkla gerçekleştirmek zor olduğundan, yoğuşturucudan çıkış hali genellikle sıkıştırılmış sıvı bölgesindedir.