Newton Mekaniğine Göre Enerji
advertisement
Elektrik Enerji Santralleri Öğr.Gör.Hüseyin KÖSOĞLU ENERJI VE TANIMI Enerji sözcüğünü günlük Hayatımızda sıkça kullanırız. Sözlük anlamı olarak “Güç harcama isteği ve yeteneği “ olarak tanımlanan enerji terimini bir iki cümle ile tanımlamak zordur. “Enerji nedir?” sorusuna genel olarak verilen yanıt, enerjinin bir türü olan kinetik ve potansiyel enerji gibi mekanik enerjinin bir türü veya tüketilen yakıt olmaktadır. Fizikte, enerjiyi Newton Mekaniği, Kuantum Mekaniği ve Özel Görelilik kuramına göre tanımlamak gerekir. Enerji, Newton Mekaniğine göre iş yapan kuvveti doğuran neden olarak tanımlanır. Kuantum Mekaniğine göre uzayda yaylan dalga paketi (foton) olarak tanımlanan enerji, Özel Görelilik kuramına göre de E=mc2 denklemiyle tanımlanan maddenin başka bir hali şeklinde ifade edilir. Burada m kütleyi, c ise ışık hızını göstermektedir. Şimdi enerjinin bu tanımlarını sırasıyla inceleyelim. Newton Mekaniğine Göre Enerji Bir F kuvveti bir cisim üzerine etki ettiğinde bu cisme x kadar yer değiştiriyorsa yapılan iş, W = F.x W = F.Cos.x (1.1) eşitliği ile verilir. Burada , F ile x arasındaki açıyı göstermektedir. İşin birimi SI birim sisteminde newton.metre (N.m) veya joule(J)dur. Bir cisim veya sistemin konumu ya da durumu nedeniyle iş yapabilme yeteneğine veya kapasitesine enerji denir. İşi yapan, kuvvet olduğuna göre kuvveti doğuran neden olarak da enerjiyi tanımlayabiliriz. İş zamandan bağımsız bir niceliktir. Birim zamanda yapılan iş ise güç olarak tanımlanır ve birimi J/s ya da watt(W) dır. Örnek: Bir işçi, kütlesi 20 kg olan bir sandığı, sandığın durduğu zeminden 2m yukarıya kaldırmıştır. İşçinin yaptığı işi bulunuz. (g =9.8 m/s2) Çözüm: İşçinin yaptığı iş, Eş. (1.1)’de F=mg ve x=h alınarak, bulunur: W= F.h=(mg).h W= (20kg)x(9,8m/s2 )x(2m)=392 J İşçi, sandığı zeminden 2m yukarıya kaldırmakla 392 J iş yapmıştır. Böylece sandığa iş yapabilme kapasitesi kazandırılmıştır. Kuantum Mekaniğine Göre Enerji Maddeyi oluşturan atomlar, çekirdek ve etrafında dolanan elektronlardan oluşmuş birimlerdir. Çekirdek etrafında dolanan elektronların enerjisi sabit değerlerde olup, elektronlar enerji düzeyi adı verilen belirli enerji durumlarında bulunurlar. Atomun enerji yayması elektronun yüksek bir enerji düzeyinden alçak enerji düzeyine geçmesi ile olur. Bu geçişte, elektromagnetik dalga yayılır. Bu dalga ise, foton adı verilen enerji paketçiklerinden oluşmuştur. Fotonun enerjisi E, E = h (1.2) ile verilir. Burada h (Planck sabiti) de dalganın frekansıdır. Frekans birimi Hertz (kısaca Hz) veya S-1’dir h’nin değeri 6.67.10-34 J.s dir. O halde Kuantum Mekaniği ’ne göre enerjiyi, foton veya enerji paketçikleri olarak tanımlayabiliriz. Güneşten dünyaya gelen enerji elektromagnetik dalgalar ya da fotonlar yoluyla olmaktadır. Örnek: Frekansı =5,33.1014 Hz (s-1) olan tek bir fotonun enerjisi nedir? Çözüm: E = heşitliğinde değerler yerine konulduğunda, E = (6.67.10-34 J.s )x(5,33.1014 Hz) = 33.55.10-20 J bulunur. Özel Görelilik Kuramına Göre Enerji Bir cismin hızı, ışık hızına (c=3.108 m/s) yaklaşırken düşük hızlarda kullandığımız Newton Mekaniği geçersiz hale gelir Bu durumda Özel Görelilik Kuramı uygulanır. Bir cismin görelilik kütlesi M, durgun kütlesi M0 olmak üzere, M = M0(1-v2/c2)-1/2 (1.3) ile ifade edilir. Burada v cismin hızı c ise ışık hızıdır. Cismin hızı, ışık hızına yaklaştığı zaman cismin Kinetik Enerjisi Ek = (M-M0)c2 (1.4) 1 Elektrik Enerji Santralleri Öğr.Gör.Hüseyin KÖSOĞLU bağıntısına göre bulunur. Buna göre cismin kinetik enerjisi arttıkça görelilik kütlesi de artar. M-M0=M olmak üzere, kinetik enerji Ek = M.c2 (1.5) olarak ifade edilir. Enerji, kütle ile ışık hızının karesinin çarpımı olarak ifade edildiğinden kütlenin enerjiye denk olduğu ortaya çıkar. Bu ilişki yalnızca kinetik enerji ile sınırlı olmayıp diğer enerji çeşitleri içinde geçerlidir. Bu enerji çekirdek içinde ya da ışık hızına yakın hızlarda önem kazanır. Nükleer enerjinin temeli bu dönüşümdür. Örnek: 1 ton (1000kg) maddenin tamamen enerjiye dönüşmesi sonucu ortaya çıkan enerjiyi joule (J) ve kilowattsaat (kWh) olarak bulunuz (.c=3.108m/s) Çözüm: E = mc2 ifadesinde değerler yerine konursa E = (1000kg)x(3.108m/s)2 = 9.1019 J bulunur. kWh = 3,6.106 J olduğuna göre, bu enerjinin elektrik enerjisi olarak eşdeğeri 2,5. 1013 kWh olup yaklaşık dünyanın bir yılda tükettiği enerjinin dörtte birine karşılık gelmektedir. Çevremizde gördüğümüz çeşitli canlı ve makinaları incelediğimizde hepsinin enerji olmadan yaşayamadığını ve çalışamadığını gözleriz. Canlılar yaşamlarını sürdürmek için enerjiye gereksinim duyarlar. Enerjimizi yediğimiz besinlerden alırız. Makinaların da çalışması için enerjiye gereksinimi vardır. Evimizdeki buzdolabı, elektrik süpürgesi gibi cihazlar elektrikle çalışırken, otomobil gibi makinalar da depolanmış enerji içeren benzin ve mazot gibi yakıtları kullanır. Aslında kullandığımız bu yakıtların esas kaynağının güneş olduğunu unutmamak gerekir. İhtiyacımız olan enerjiyi elde etme çabası, bize enerjinin üretilmediğini, bir şekilden diğerine dönüştüğünü söylemektedir. O halde enerji üretilmez, bir şekilden diğerine Kullanılabilir Enerji (Yararlı Enerji)’ye dönüşür. Enerji dönüşümleri sağlanırken termodinamiğin üç yasası dışına çıkılmaz. Kumarbazların yazgısını andıran bu yasaları şu şekilde ifade edebiliriz: • Kazanamazsın • Koyduğunu bile kurtaramazsın • Oyunu da terk edemezsin. şimdi bu yasalar sırası ile açıklayalım: Birinci Yasa: Kullanılabilir enerji (yararlı enerji) elde etmek için yine enerji harcamak gerekir. İkinci Yasa: Enerji dönüşüm veriminin <<1>> den küçük olduğunu, dönüşüm sürecinde düşük kalitede bir enerji türü olan ısı açığa çıkacağını ve sürecin tersinmez olduğunu belirtir. Üçüncü Yasa: Maddeden ısı almanın bir limiti olduğunu veya başka deyişle 0 K (-273 °C) sıcaklığa inmenin olanaklı olmadığını ifade etmektedir. Günümüz teknolojisi ile 1 birim elektrik enerjisi elde etmek için 4 birim ısı enerjisine gereksinim duyulmaktadır. Bu 4 birim enerjinin 2 birimi ısı olarak soğuk kaynağa atılmaktadır. Birim, dönüşüm sürecinde kullanılmakta, ancak 1 birim elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir. Bu bize elektrik enerjisinin ne kadar değerli olduğunu ve tasarruflu kullanmamız gerektiğini göstermektedir. Bu durum, bir birim elektrik enerjisi elde etmek için barajlardan salınan suyun, termik santrallarda yakılan kömür ve doğal gazın miktarı ve bunların yanması sonucu çevreye verilen zararın hesabını iyi yapmak gerektiğini göstermektedir. Çizelge 1.1’de çeşitli yakıtların birim miktarlarından (kg) elde edilen elektrik enerjisi miktarı verilmiştir. 1kg su (100 m düştüğünde) (%28 dönüşüm) 1 kg kömür 1 kg Petrol 1 kg Uranyum 1 kg Plutonyum -4 Çizelge 1.1 Çeşitli yakıtlardan 1 kg başına çıkan elektrik enerjisi 2,7.10 kWh 1 kWh 3 kWh 50 000 kWh 6 000 000 kWh ENERJININ SINIFLANDIRILMASI Enerji çeşitli biçimlerde sınıflandırılabilmektedir. Burada sınıflandırılmanın yapıldığı gruplar farklı olsa da birkaç ayrıcalık dışında, bu enerjiler birbirlerine dönüşebilirler. Şimdi bu sınıflandırmaları ele alalım: Fiziksel ve Ekonomik Yönlerine Göre Enerjinin Sınıflandırılması Bu sınıflandırmada enerji, mekanik (potansiyel ve kinetik), elektrik, kimyasal, termik vb. olarak gruplandırılabilir. Çok değişik enerji türleri bulunmasına karşılık, dört temel enerji türünün bilinmesi ile diğer enerji türleri bunlar cinsinden anlaşılabilir. Şimdi bu temel enerjileri inceleyelim. Kinetik Enerji Hareket enerjisi adını da alır. Örneğin, rüzgar türbinleri ile hidrolik türbinleri döndüren bu enerjidir. Birisinde hareket eden hava, diğerinde ise su bulunmaktadır. Bilindiği gibi kinetik enerji, Ek = ½.m.v2 (1.6) Şeklinde ifade edilir. Burada m cismin kütlesini, v ise hızını göstermektedir. Kütlenin birimi kg, hızın birimi m/s’dir. Aslında havada ve suda hareketli olan moleküllerin kinetik enerjilerinin asıl nedeni de güneş enerjisidir. Örneğin deniz suyunun buharlaşmasının nedeni güneş ışınım enerjisidir. Isınma sonucu ortaya çıkan bu enerjiye her ne kadar ısı enerjisi denilse de, aslında bu enerji de bir çeşit kinetik enerjidir. 2 Elektrik Enerji Santralleri Öğr.Gör.Hüseyin KÖSOĞLU Potansiyel Enerji Temel enerji türlerinden birisi de cisimlerin bir referans düzleminden olan yükseklikleriyle orantılı olan potansiyel enerjidir. Bunun nedeni, yerçekimi kuvvetinin cisimleri yer merkezine doğru çekmesidir. Şekil 1.1’ deki gibi m kütleli bir cisim yerden h yüksekliğine çıkarılırsa Ep=m.g.h (1.7) Şeklinde ifade edilen bir potansiyel enerji depolar. Burada m kütle g yerçekimi ivmesidir. Eğer bu taş serbest bırakılırsa taş yere ulaştığında potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşür. Her ne kadar yerçekimi, etrafımızdaki tüm cisimlere etki eden kuvvet ise de, bu kuvvet tek değildir. İnsanlar tarafından hissedilmeyecek kadar küçük olan bu kuvvet, maddenin oluşmasından sorumlu olan elektromagnetik kuvvettir. Atomların birleşerek molekülü oluşturmasına neden olan bu enerjiye kimyasal enerji adı da verilebilir. Buradan kimyasal enerjinin de bir tür elektrik enerjisi olduğu sonucuna da ulaşılır Bir yakıt yakıldığında içindeki kimyasal enerji ısı enerjisine dönüşür. Elektrik enerjisi de elektron hareketi diğer deyişle kinetik enerjisinden kaynaklanmaktadır. Elektromagnetik Enerji Elektrik enerjisinin bir diğer türü de elektromagnetik enerjidir. Güneşten gelen ışınım enerjisinin yeryüzüne ulaşması elektromagnetik enerji ile olur. Elektromagnetik enerji az veya çok her cisim tarafından yayımlanır. Bu enerji dalga şeklinde hareket eder ve bu sebeple de boş uzayda bile yayılabilirler. Dalga boyuna göre X, kızıl ötesi, mor ötesi, mikrodalga, radyo dalgası ve görünür dalga boylarında enerji gibi türleri de bulunur. Nükleer Enerji Temel enerji türlerinden birisi de nükleer enerjidir. Atom çekirdeğinin bölünmesi (fisyon) veya birleşmesi (füsyon) sonucu ortaya çıkan enerjidir. Nükleer enerji santralleri diğer yakıt santralleri gibidir, yalnız burada yakıt olarak radyoaktif madde kullanılmaktadır. Enerji, herhangi bir değişime uğrayıp uğramadığına, enerji hammaddesinin özgül enerji içeriğine, enerji hammaddesinin kullanımı sırasında çevreye etkisine ve enerji hammaddesinin yenilenebilir olup olmadığına gibi çeşitli kriterlere göre sınıflandırılabilmektedir. Enerji Kaynaklarının Sınıflandırılması Fosil Kaynaklar Yeni kaynaklar Yenilenebilir Kaynaklar 1. Kömür 1. Nükleer 1. Su 2. Petrol 2. Hidrojen 2. Güneş 3. Doğal Gaz 3. Yakıt hücreleri 3. Rüzgar 4. Jeotermal 5. Biyokütle Herhangi Bir Değişime Uğrayıp Uğramadığına Göre Enerjinin Sınıflandırılması Bu sınıflandırmada enerjiler iki grupta toplanır: Birincil (Primer) Enerjiler:Doğal enerjiler olarak da adlandırılan bu enerjiler, doğadaki enerjilerin herhangi bir değişim ya da dönüşüm geçirmemiş halidir. Örneğin: güneş, rüzgar, jeotermal, nükleer enerji hidrolik gibi enerji kaynakları bu gruba girerler. İkincil (Sekonder) Enerjiler: Türetilmiş enerjiler olarak da adlandırılan bu enerjiler, birincil ya da ikincil enerjilerin dönüştürülmesi sonucu elde edilebilmektedir. Örneğin: elektrik, ısı, mekanik, kimyasal, elektromagnetik, ışık vb. Enerji Hammaddesinin Özgül Enerji İçeriklerine Göre Enerjinin Sınıflandırılması Bu sınıflandırmada enerjiler iki gruba ayrılır: Yoğun Enerjiler: Birim kütleye ve hacme düşen enerji miktarı yoğun yani büyük olan enerjilerdir. Örneğin petrol, kömür, hidrolik enerji, nükleer enerji vb. Yoğun Olmayan Enerjiler: Yoğun enerjilerin tersi olan bu enerji türüne güneş ve rüzgar enerjileri örnek gösterilebilir. Enerji Maddesinin Kullanımı Sırasında Çevreye Etkisi Yönünden Enerjinin Sınıflandırılması Bu sınıflandırmada da enerjiler iki gruba ayrılırlar: Temiz Enerjiler: Kullanımı sırasında çevreye zarar vermeyen enerjilerdir. Örneğin: güneş, rüzgar, hidrolik vb. Temiz Olmayan Enerjiler: Kullanımı sırasında çevreyi kirleten enerjilerdir. Örneğin: petrol, kömür, doğalgaz vb. 3 Elektrik Enerji Santralleri Öğr.Gör.Hüseyin KÖSOĞLU Enerji Hammaddesinin veya Kaynaklarının Yenilenebilir Olup Olmadığına Göre Enerjinin Sınıflandırılması Bu sınıflandırmada enerjiler iki gruba ayrılırlar: Yenilenebilir Enerji: Doğal ortamdan sürekli veya tekrarlamalı olarak gelen enerjidir. Bu enerjinin özelliği, bu enerji kullanılsın ya da kullanılmasın çevremizde var olan enerjilerdir. Örneğin: güneş, rüzgar, jeotermal vb. Yenilenemeyen Enerji: Geleneksel enerji olarak da adlandırılan bu enerjinin en önemli özelliği insan çabası olmadıkça salınmayan enerji olmasıdır. Örneğin: nükleer, fosil yakıtlar (kömür, petrol, doğal gaz vb.) Bu enerji türü başlangıçta yalıtılmış olup, enerji salınımını başlatabilmek için dışarıdan bir etki gerektirir. Enerji Kaynakları’ na Göre Enerjinin Sınıflandırılması Bu sınıflandırmada, enerji kaynakları iki grupta toplanabilir. Fosil Yakıtlar (Geleneksel), Yenilemebilir Fosil yakıtları “tükenen kaynaklar”, yenilenebilir kaynaklar ise gerçekte tükenmesine (ömrü 15.1012 yıl) karşın “sonsuz kaynak” kabul edilebilir. Fosil yakıtların oluşumu milyonlarca yıl sürer ve çeşitli canlıların fosillerinden oluşur. Tükenen kaynaklar arasına bütün katı, sıvı, gaz ve nükleer yakıtları; yenilenebilir kaynaklar arasına rüzgar, dalga, hidrolik biyokütle, jeotermal ve gelgit gibi enerji türlerini koyabiliriz. Biyokütle Nükleer güneş Su Jeotermal Doğal Gaz Rüzgar Kömür Yenilenemeyen enerji kaynakları Yenilenebilir enerji kaynakları Ana Grup Hidroelektrik Biyokütle Rüzgar Güneş Jeotermal Kömür Doğal Gaz Nükleer Teknoloji Alt Grup Küçük hidroelektrik santrallar (<30 MW) Büyük hidroelektrik santrallar (>30 MW) Organik maddelerden üretilen gaz Çöplük gazı Kanalizasyon gazı Organik malzemenin yakılması Çöplük malzemesinin yakılması Fotoelektrik (fotovoltaik) Termik - Petrol Motor / Türbin Tipi Su türbini Su türbini Gaz motoru veya gaz türbini Gaz motoru, gaz türbini, buhar türbini Gaz motoru Buhar türbini Buhar türbini Rüzgar türbini Buhar türbini Buhar türbini Buhar türbini Gaz motoru, gaz türbini, buhar türbini Buhar 4 Yenilenebilir Enerji Evet Evet Evet Evet Evet Evet Evet Evet Evet Evet Evet Hayır Hayır Yeşil Enerji Evet Hayır Evet Evet Evet Evet Evet Evet Evet Evet Evet Hayır Hayır Temiz Enerji Evet Evet Hayır Hayır Hayır Hayır Hayır Evet Evet Evet Evet Hayır Hayır Hayır Hayır Evet Elektrik Enerji Santralleri Öğr.Gör.Hüseyin KÖSOĞLU http://palmeyayinevi.com/UserFiles/File/9fizikkonu/Unite4.pdf 5
