Ünite 1: Enerjide Temel Kavramlar

Enerji Kavramı, Birimleri ve Türleri

Termodinamiğin I. yasasına göre toplam enerji: mekanik, termodinamik, elektromanyetik ve nükleer enerjinin toplamına eşittir. Sonuç olarak, 20. yüzyılda, Albert Einstein’ın E=mc ² 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.

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. Bir nesnenin bulunduğu yüksekliğe göre sahip olduğu yerçekimi potansiyel enerjisi:

E _p =mgh

eşitliğine göre hesaplanmaktadır.

Mikrodalgalar, görünür ışık veya gamma ışınları gibi elektromanyetik radyasyon, elektromanyetik enerjinin akışını göstermektedir. 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. Görünür ışığı oluşturan fotonların enerjisi 160-310 kJ/mol arasındadır.

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.

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 (?) biçiminde fotonlar üretilmektedir. Gamma ışınları, dalga boyu 10 pikometreden (1 pm = 10 ^-12 m) daha az, frekansı 10 ¹⁹ Hz’den daha büyük olan elektromanyetik radyasyondur ve bu nedenle enerjileri 100 keV’dan daha fazladır.

Enerji ile güç birbiriyle doğru orantılıdır ve güç birim zamanda harcanan enerji olarak tanımlanmaktadır. Bir başka deyişle: Enerji = Güç x Zaman

Elektrik enerjisi söz konusu olduğunda gücü hesaplamak için potansiyel farkı volt (V) ve akım amper (A) değerlerinin bilinmesi gerekmektedir. Eğer bu değerler biliniyorsa güç: W = V x A (3) olarak hesaplanabilir. Eğer alternatif akım (AC) kullanılıyorsa gerilim ve akım aynı fazda olmadığı için faz faktörü (F) de dikkate alınarak güç hesaplanmalıdır. W = V x A x F

Enerjinin Korunumu

Isının işe, işin de ısıya dönüşümü, basit veya daha karmaşık süreçlerde kolaylıkla gözlemlenebilir ancak bağlı olduğu kanun basit bir gözlemden kolaylıkla anlaşılamaz. Enerjinin Korunumu Kanununu açıklayabilmek için çığır açan bir düşünce ve dikkatli deneyler yapılması gereklidir. Enerjinin Korunumu Kanununu kelimelerle ifade etmek gerekirse 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.

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. Bu ekstra kütle Einstein ünlü eşitliğine göre enerjiye çevrilir. Bu enerji güneşte iç enerji ve nükleer enerji olarak saklanır ve dünyaya ısı ve radyasyon olarak aktarılır. 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.

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.

Robert Meyer (1814-1878), James Prescott Joule (1818- 1889), ve Hermann Helmholtz (1821-1894) tarafından yıllar içerisinde yapılan dikkatli ölçüm ve analizler sonucunda ısıl enerji, mekanik enerji ve elektrik enerjisinin birbirine dönüşebildiği gözlemlenmiştir. Termodinamiğin birinci kanunu genel olarak kabul edilmiş ve günümüze kadar bunun tersi gözlemlenmemiştir. Fizik bilimindeki gelişmelerle birlikte ortaya çıkan diğer enerji türlerinden radyasyon ve nükleer enerjide de herhangi bir şüpheye yer vermeden enerjinin korunduğu bilinmektedir.

Enerji, kullanılabilir hâle gelmeden önce pek çok süreç içerisinde bir seri enerji dönüşümü gerçekleşir. her bir enerji dönüşüm sürecinde az veya çok kayıplar meydana gelmekte, böylelikle üretilen enerjinin tamamından faydalanılamamaktadır.

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 Kaynakları

Doğadan doğrudan elde edilebilen enerji kaynakları olan birincil enerji kaynaklarını da 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

İkincil Enerji Kaynakları

İkincil enerji kaynakları, birincil enerji kaynaklarının elektrik enerjisi veya benzin, fuel oil, metanol, etanol ve hidrojen gibi yakıtlara dönüştürülmesiyle elde edilir. Güneş, rüzgâr, biyokütle, jeotermal enerji gibi yenilenebilir enerji kaynakları birincil enerji kaynakları olup genellikle kullanılabilir enerji olarak nitelendirilen elektrik veya ısıl enerjiye dönüştürülürler.

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.

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

Enerji verimi, e, genellikle kullanılabilir enerjinin (E _u ), sisteme giren enerjiye (E _i ) oranı olarak tanımlanmaktadır.

Termodinamiğin ikinci kanunu bir enerji dönüşümü sisteminin ne kadar verimli olacağının sınırlarını belirler. Bilim insanları ısıyı herkesin anladığından daha farklı tanımlarlar. 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 maddenin 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. Buna göre verim:

? = W / Q _H = T _H –T _C / T _H = 1 - T _C / T _H

olarak ifade edilir. Burada W sistem tarafından yapılan iş, Q _H sisteme verilen ısı, T _C soğuk ortamın sıcaklığı ve T _H da sıcak ortamın sıcaklığıdır.

Enerjinin Verimli Kullanımı ve Geri Kazanımı

Enerjinin verimli kullanımı genellikle enerji tüketiminin azaltılması ve enerji kullanım veriminin arttırılmasıyla gerçekleştirilmektedir.

Enerjinin geri kazanımı ile bir sistemin toplam atık enerjisini azaltarak sistem içerisindeki bir sürecin işletilebilmesi için gerekli olan enerji girdilerinin azaltılması amaçlanmaktadır. Örneğin, bir fabrikada üretilen yüksek sıcaklık ve basınçtaki su buharı öncelikle fabrikanın ihtiyacı olan elektrik enerjisini üretmek için tribünlerde elektrik enerjisine dönüştürülür ve tribünlerden çıkan daha düşük sıcaklık ve basınçtaki su buharı fabrikadaki bir ünitenin ısıtılmasında ve hatta bu üniteden çıkan sıcak su da fabrikanın ısıtılmasında ve sıcak su üretiminde kullanılabilir. Böylelikle fabrikadaki ünitenin ısıtılmasında, fabrikanın ısıtılmasında ve sıcak su üretiminde hem tasarruf sağlanmış olur hem de atmosfere salınan kirleticilerin miktarları azaltılabilir.