Ünite 1: Enerjide Temel Kavramlar

Giriş

Enerji birçok bilimsel kaynakta “iş yapabilme yeteneği” olarak tanımlanmaktadır. Belirli bir kütleye sahip cismin konumunun değiştirilebilmesi için iş, işi yapabilmek için kuvvet, kuvveti yaratabilmek için de enerji gereklidir.

Enerji Kavramı Birimleri ve Türleri

Enerji kelimesi ilk kez Thomas Young tarafından 1807 yılında kullanılmıştır. Enerji kelimesinin kökeni Yunanca ένεργεισ (energia) kelimesine dayanmakta olup tesir veya etkin kuvvet anlamında kullanılmaktaydı. Young, enerji kelimesini kullanırken kinetik enerji, potansiyel enerji ve bir kütlenin bağlı olduğu yayın elastik enerjisinin toplamını dikkate alıyordu. Bu toplam, Newton yasaları ve Hooke’nin elastisite yasası ile uyumlu olup toplam içerisinde bireysel katkıları değişebilmektedir.

Termodinamiğin I. yasasına göre toplam enerji: mekanik, termodinamik, elektromanyetik ve nükleer enerjinin toplamına eşittir. Sonuç olarak, 20. yüzyılda, Albert Einstein’ın E=mc2 eşitliğine göre enerjinin kütlesinin olduğu veya kütle olduğu kabul edilmiştir. Bu eşitlikteki m kütleyi ve c ise ışık hızını ifade etmektedir.

Manyetik, elektrik ve yüzey gerilimi etkilerinin olmadığı durumlarda sistemin toplam enerjisinin kinetik, potansiyel ve iç enerjilerinin toplamına eşit olduğu düşünülebilir. Bir sistemin iç enerjisi hissedilir, gizli, kimyasal ve nükleer enerjilerden ibarettir. Hissedilir iç enerji, atom ve moleküllerin çevrim, dönme ve titreşimleri nedeniyle oluşmaktadır. Gizli enerji, maddelerin faz değişimi sırasında sabit sıcaklıkta soğurduğu veya saldığı enerji olarak tanımlanabilir. Kimyasal enerji ise atom ve moleküllerin bağlarındaki potansiyel enerji olarak düşünülebilir. Nükleer enerji ise atom çekirdeğindeki parçacıkların arasındaki etkileşimde depolanan enerjidir.

İngiliz Isıl Birimi (Btu) 68°F’deki (20°C) 1 lbm (0,454 kg) suyun sıcaklığını 1°F arttırabilmek için verilmesi gereken enerji olarak tanımlanmaktadır. Kalori (cal) ise 15°C’deki 1 g suyun sıcaklığını 1°C’ye arttırabilmek için verilmesi gereken enerji olarak ifade edilmektedir.

Kinetik enerji, nesnenin hareketiyle ilgilidir. Nesne ne kadar hızlı giderse kinetik enerjisi de o kadar büyük olur. Eğer cisim hareketsizse kinetik enerjisi de sıfırdır. Bir nesnenin kinetik enerjisi onun kütlesi, m ve hızına, v bağlıdır.

Teknik olarak potansiyel enerji birbirine kuvvet uygulayan nesnelerin oluşturduğu bir sistemin düzenlenmesiyle ilgilidir. Mekanik enerji, bir cismin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamına eşittir

Mikrodalgalar, görünür ışık veya gamma ışınları gibi elektromanyetik radyasyon, elektromanyetik enerjinin akışını göstermektedir. Elektromanyetik radyasyon, ışık hızında hareket eden elektrik ve manyetik alanın periyodik olarak değişmesiyle ortaya çıkan radyasyondur.

Elektromanyetik radyasyonunun enerjisinin ayrı enerji seviyeleri vardır. Bu seviyeler arasındaki aralık E=hv değerinde olup, h Planck sabiti, 6,626 x 10-34 J.s ve v ise radyasyonun frekansıdır. Elektromanyetik enerjinin miktarı genellikle foton ile ifade edilir

Kimyasal enerji, moleküldeki atomların birleşmesinin ve diğer değişik maddelerin bir araya gelmesinin sonucu olup, elektrik yüklerinin elektrostatik potansiyel enerjisi olan elektrik kuvvetleriyle yapılan iş olarak tanımlanabilir. Eğer bir sistemin kimyasal enerjisi, kimyasal bir tepkime sırasında azalıyorsa, aradaki fark etrafa ısı veya ışık biçiminde aktarılmaktadır. Eğer bir sistemin kimyasal enerjisi, kimyasal bir tepkime sırasında artıyorsa, aradaki fark etraftan ısı veya ışık biçiminde sağlanmaktadır

Nükleer enerji, atom çekirdeğinin daha küçük parçacıklara ayrıldığı fisyon tepkimesi veya iki hafif atom çekirdeğinin bir araya gelerek daha ağır bir çekirdek oluşturduğu füzyon tepkimesi sonucu açığa çıkar. Nükleer fisyon tepkimesinde atom çekirdeğinin ayrılması sonucu serbest nötronlar ve gamma ışını (γ) biçiminde fotonlar üretilmektedir. Bir nükleer güç santralinde nükleer yakıt olarak uranyum kullanılmaktadır. Uranyum atomlarına nötronların çarpması veya bir başka deyişle nötron bombardımanıyla atomlar parçalanmakta, meydana gelen fisyon reaksiyonu sonucunda ısı ve nötronlar açığa çıkmaktadır. Enerji ile güç birbiriyle doğru orantılıdır ve güç birim zamanda harcanan enerji olarak tanımlanmaktadır.

Elektrik enerjisi, görece konumları nedeniyle yüklü parçacıkların bir düzlem içerisinde sahip olduğu enerjidir. Bir başka tanımı da bir manyetik alana bağlı olarak bulundukları konum nedeniyle bir elektrik devresinde sahip oldukları enerjidir.

Enerjinin Korunumu

Termodinamiğin Birinci Kanununa göre enerji yoktan var, vardan da yok edilemez; sadece aktarılabilir veya bir biçimden başka bir biçime dönüştürülebilir.

Termodinamiğin birinci kanununun daha modern olan açıklamasına göre enerji kinetik, mekanik, potansiyel, kimyasal, elektrik, iç, nükleer, ısı ve iş olarak bulunabiliyor. Bunların her birisi bir başka biçime dönüştürülebilmekte ve toplam enerji sabit kalmaktadır. Bir yakıt yakıldığında kimyasal bağlarının sahip olduğu kimyasal enerji ısı olarak açığa çıkıyor.

Güneş enerjisi nükleer reaksiyonlar sonucunda üretilir. Buradaki süreç hidrojen atomlarının çok yüksek sıcaklık ve basınç altında helyum atomlarını oluşturmak üzere bir araya gelmesiyle olur. Helyum atomları hidrojen atomlarına göre daha az kütleye sahiptir.

Dünyadaki en verimli ve temiz enerji formlarından birisi de hidroelektrik güçtür. Bu süreçte güneş, okyanuslardaki suyu buharlaştırır ve buharlaşan su yeryüzüne yağmur veya kar olarak yarar ve nehirlere doğru akar. Yüksek irtifalardaki suyun potansiyel enerjisi böylelikle güneşin nükleer enerjisinden elde edilmiş olur. Suyun bulunduğu irtifadan dolayı sahip olduğu potansiyel enerjisi barajlar vasıtasıyla toplanır ve suyun türbinlere doğru akması sağlanır. Burada suyun potansiyel enerjisi önce mekanik enerjiye ve daha sonra elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu süreçteki her basamakta enerji korunmuştur.

Rüzgâr enerjisi de elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Rüzgâr enerjisi aslında hava moleküllerinin hareketi sebebiyle sahip olduğu kinetik enerjinin bir sonucudur. Hava moleküllerinin hareketi de güneş enerjisi sonucu oluşur. Bu enerji rüzgâr türbinlerinin kanatlarını döndürür ve bu dönüş hareketi evlerde ve endüstride kullandığımız elektrik enerjisinin üretilmesinde kullanılır.

Mekanik olarak işleyen bir sürece giren enerjinin çevreye verilen kısmına atık ısı denir.

Enerji Kaynakları

Enerji kaynaklarını birincil ve ikincil enerji kaynakları olmak üzere iki alt başlık altında değerlendirmek gerekir. Birincil enerji kaynakları, doğadan alındığı gibi kullanılabilen kaynaklardır. İkincil enerji kaynakları ise birincil enerji kaynaklarının işlenerek elektrik enerjisi veya yakıt hâline dönüştürülmesiyle elde edilirler. Birincil enerji kaynaklarını üç farklı başlık altında toplayabiliriz.

Bunlar:

• Yenilenemeyen enerji kaynakları: kömür, ham petrol, doğal gaz ve nükleer yakıt.
• Yenilenebilir enerji kaynakları: Su gücü, biyokütle, güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi, jeotermal enerji ve dalga enerjisi.
• Atıklar

Güneş, rüzgâr, biyokütle, jeotermal enerji gibi yenilenebilir enerji kaynakları birincil enerji kaynakları olup genellikle kullanılabilir enerji olarak nitelendirilen elektrik veya ısıl enerjiye dönüştürülürler. Yenilenemeyen enerji kaynakları arasında yer alan ham petrol dünyadaki bir numaralı enerji kaynağıdır ve bu yerini 20. yüzyılın başından beri muhafaza etmektedir. Yenilenemeyen enerji kaynaklarından olan kömür, dünyada kullanılan en önemli enerji kaynaklarından birisidir. Kullanılan enerji kaynakları sıralamasında petrolden sonra, doğal gazdan önce yer almaktadır. Rezerv yönünden değerlendirildiğinde ise dünyada- ki bir numaralı enerji kaynağıdır. Petrol ile kuvvetli ilişkisi olan bir hidrokarbon enerji kaynağı da doğal gazdır. Doğal gaz dünyada en çok kullanılan üçüncü enerji kaynağıdır. Nükleer enerjinin temeli ilk kez 1905 yılında Görecelik Özel Teorisi olarak yayınlanan Einstein’ın Görecelik Teorisinde yatmaktadır.

Enerjinin Dönüşümü ve Verimi

Birçok süreçte enerji sürekli olarak bir biçimden diğer bir biçime dönüşmektedir. Buna enerjinin dönüşümü denilmektedir. Örneğin, güneş enerjisi, bitkilerde su ve karbondioksit fotosentez yoluyla besine sentezlenerek kimyasal enerjiye dönüşmektedir. Suyun yüksekten düşüşüyle oluşturduğu mekanik enerji jeneratörlerde elektromanyetik enerjiye dönüşmektedir. İçten yanmalı motorlarda yakıtın potansiyel kimyasal enerjisi önce ısıya, sonra pistonları hareket ettirerek aracın hareket etmesiyle birlikte kinetik enerjiye dönüşmektedir. Bir enerji dönüşüm cihazına veya sürece giren enerji, diğer enerji biçimlerine dönüşürken cihaza veya sürece giren ve çıkan enerjiler birbirine eşittir. Bunun nedeni herhangi bir sistemdeki enerjinin şekil değiştirmesi sırasında enerjinin korunumudur.

Enerjinin dönüşümü sırasında ısı kayıpları, sürtünme ve diğer nedenlerden dolayı sürece giren enerjinin tamamı işe çevrilememektedir.

Termodinamiğin ikinci kanunu bir enerji dönüşümü sisteminin ne kadar verimli olacağının sınırlarını belirler. Eğer farklı sıcaklıklardaki iki cisim birbiriyle temas ettirilirse enerji sıcak cisimden soğuk cisme doğru akar ve her iki cismin sıcaklığı aynı olana kadar bu durum devam eder. Aktarılan bu enerji ısı olarak adlandırılır. Her cismin sıcaklığı, sahip olduğu iç enerjiye bağlıdır. Bu enerji, moleküllerin hareketi ve titreşmesiyle meydana gelen kinetik enerjilerinin bir sonucudur ve maddenin sıcaklık ve basıncının bir fonksiyonudur. Sıcak madde- nin molekülleri daha hızlı hareket eder. Enerji ısı olarak aktarıldığında sıcak olan cisim iç enerjisinin bir kısmını kaybeder ve soğuk olan cismin iç enerjisi artar. Bu nedenle sıcak cismin ısı içerdiğini söylemek yanlıştır sıcak cisim sahip olduğu iç enerjiyi soğuk cisme ısı olarak aktarır. Soğuk cisim de bu enerjiyi iç enerjiye dönüştürür

Isı makineleri sıcak ve soğuk ortamlar arasındaki ısı alışverişine göre çalışmaktadır. Bu durumda ısı makinasının verimi üretilen işin sıcak ortamdan salınan ısıya oranı olarak tanımlanmaktadır.

Enerjinin Verimli Kullanımı ve Geri Kazanımı

Enerjinin verimli kullanımı genellikle enerji tüketiminin azaltılması ve enerji kullanım veriminin arttırılmasıyla gerçekleştirilmektedir. Enerjinin verimli kullanılmasıyla hem ekonomik açıdan hem de çevrenin korunması açısından kazanç sağlanabilir.

Enerjinin geri kazanımı ile bir sistemin toplam atık enerjisini azaltarak sistem içeri- sindeki bir sürecin işletilebilmesi için gerekli olan enerji girdilerinin azaltılması amaçlanmaktadır.