Otomobil Teknolojisinin Bilimsel Temelleri
Termodinamik, (Yunancada: thermos:ısı ve dynamic:değişim). Bazı Türkçe kaynaklarda ısıl devingi olarak da geçer. Enerji, ısı, iş ve entropi gibi fiziksel kavramlarla ilgilenen bilim dalı. Termodinamik yasalarının istatistiksel mekanikten türetilebileceği gösterilmiştir.
Sadi Carnot (1837-1894). Termodinamik biliminin kurucusu olarak kabul edilir.
Termodinamik değişkenler :
Bu değişkenler genellikle sistemin ya kendisini, ya da çevre koşulları tarif etmek için kullanılır. En çok kullanılanlar ve simgeleri şunlardır:
Termodinamiğin çoğu uygulamasında, bir ya da daha çok değişken sabit tutulurken, diğer değişkenlerin bunlara göre nasıl değiştiği incelenir ve bu da sistemin matematiksel olarak (n sabit tutulmayan değişkenlerin sayısı olmak üzere) n boyutlu bir uzay olarak tarif edilebileceği anlamına gelir. İstatistiksel mekaniği fizik yasalarıyla birleştirerek, bu değişkenleri birbirleri cinsinden ifade edecek "durum denklemleri" yazılabilir. Bunların en basit ve en önemli olanlarından biri ise ideal gaz yasasıdır.
Bu denklemde R evrensel gaz sabiti'dir. Ayrıca istatistiksel mekanik terimleriyle bu denklem şöyle yazılır:
Bu denklemde de k Boltzmann sabiti'dir.
Termodinamik potansiyeller :
Termodinamik değişkenler vasıtasıyla dört tane termodinamik potansiyel tanımlanabilir:
Bu dört potansiyelin diferansiyel denklemlerini ve zincirleme türev kuralını kullanarak bu dört potansiyel, değişkenler ve birbirleri cinsinden yazılabilir:
Termodinamik yasaları :
Sıfırıncı Yasa
Temodinamiğin en basit yasasıdır. Eğer iki sistem birbirleriyle etkileşim içerisindeyken aralarında ısı veya madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler termodinamik dengededirler. Sıfırıncı yasa şöyle der:
Eğer A ve B sistemleri termodinamik dengedeyseler, ve B ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindeyseler, A ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindedirler. Daha basit bir ifadeyle farklı sıcaklıklarda iki cisim ısıl bakımdan temas ederse sıcak olan cisim soğur, soğuk olan cisim ısınır. İşin temelinde, iki farklı sıcaklığa sahip iki cisim arasında gerçekleşen ısı akışının sıcak cisimden soğuk cisme gerçekleştiği gerçeği yatar, bazı soğuk cisimlerin sıcak, ya da bazı sıcak cisimlerin soğuk algılanması mümkündür. –30 derece soğuk olarak düşünülebilirse de –50 dereceye göre daha sıcaktır. Isı akışının soğuktan sıcağa doğru olmayışının temeli şudur: sıcaklık, malzeme atomlarının, daha doğrusu elektronlarının kinetik enerjisine etki eden bir faktördür. Elektronlar her zaman temel enerji seviyesinde olacak şekilde davranış gösterirler. Fazla kinetik enerjilerini aktarmak ve temel enerji seviyesine dönmek isterler. Sıcaklık, malzeme içinde atomların titreşmesi ile iletilir. Bu nedenledir ki, ısı akışı sıcak cisimden soğuk cisime doğru gerçekleşir.
1931 yılında R.H. Fowler tarafından tanımlanan bu yasa, temel bir fizik ilkesi olarak karşımıza çıktığından, doğal olarak 1. ve 2. yasalardan önce gelmek zorunluluğu doğmuş ve sıfırıncı yasa adını almıştır.
Birinci Yasa
Tipik bir termodinamik sistem: ısı sıcak kaynatıcıdan soğuk yoğunlaştırıcıya doğru hareket eder ve bu sayede bir iş ortaya çıkar.
Bir sistemin iç enerjisindeki artış: sisteme verilen ısı ile, sistemin çevresine uyguladığı iş arasındaki farktır.
U2 – U1 = Q – W Bu yasa "enerjinin korunumu" olarak da bilinir. Enerji yoktan var edilemez ve yok edilemez sadece bir şekilden diğerine dönüşür. Bir sistemin herhangi bir çevrimi için çevrim sırasında ısı alışverişi ile iş alışverişi aynı birim sisteminde birbirlerine eşit farklı birim sistemlerinde ise birbirlerine orantılı olmak zorundadır. Bu ifadelerin yapılan deneylerle doğruluğu gözlenmiştir fakat ispat edilememektedir. Bütün bu ifadeler matematiksel olarak çok daha kolay ifade edilebilir.
Aşağıdaki formüllerde
Şimdi bu şekilde sistemin herhangi iki hali görünüyor yani 1 ve 2 nolu noktalar. Hal değişimleri ise A , B , C çizgileriyle sağlansın. Ok yönleri de hal değişimlerinin olacağı yönler. Şimdi hal değişimleri 1A2 ve 1B2 ise 2C1 ilk hale dönülen durumdur. Şimdi çevrimleri kurguluyalım elimizde 1A2C1 ve 1B2C1 çevrimleri var:
Q1-2 – W1-2 = E2 – E1 formülü çıkar. Termodinamikte enerji, maddenin yapısına bağlı iç enerji ve koordinat eksenlerine bağlı olan kinetik enerji (EK) ve potansiyel enerji (EP) olarak ayrılabilir;
E = U + EK + EP Sistemin herhangi bir hal değişimindeki enerjisi de;
Q1-2 – W1-2 = E2 – E1 = (U2 – U1) + (1/2) m (V22 – V12) + m g (z2 – z1)
Birçok alanda uygulanabilen ikinci yasa şöyle tanımlanabilir:
Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkansızdır. (Kelvin-Planck Bildirisi) ya da Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan bir işlem elde etmek imkansızdır. (Clausius Bildirisi) Termal olarak izole edilmiş büyük bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz (bkz: Maxwell'in Cini). Ancak mikroskopik bir sistem, yasanın dediğinin tersine entropi dalgalanmaları yaşayabilir (bkz: Dalgalanma Teoremi). Aslında, dalgalanma teoreminin zamana göre tersinebilir dinamik ve nedensellik ilkesinden çıkan matematiksel kanıtı ikinci yasanın bir kanıtını oluşturur. Mantıksal bakımdan ikinci yasa bu şekilde aslında fiziğin bir yasasından ziyade göreli olarak büyük sistemler ve uzun zamanlar için geçerli bir teoremi haline gelir. Ludwig Boltzmann tarafından tanımlanmıştır. Sisteme dışardan enerji verilmediği sürece düzenin düzensizliğe düzensizliğin de kaosa dönüşeceğini anlatır. Kırık bir bardağın durup dururken veya kırarken harcanan enerjiden daha azı kullanılarak eski haline döndürülemeyeceği örneği verilir klasik olarak. Yine aynı şekilde devrilen bir kitabı düzeltmek için devirirken harcanan enerjiden fazlasını kullanmak gerekir, potansiyel enerjinin bir kısmı ısıya dönüşmüştür ve geri getirilemez. Aynı zamanda evrendeki düzensizlik eğilimini de anlatır. Düzensizlik eğilimini anlatırken entropi kelimesini kullanır. Yunanca, en = ingilizcedeki 'in' gibidir, önüne geldiği kelimeye -de, -da eki verir ve tropos = yol kelimesinin çoğulu olan 'tropoi' (tropi diye telaffuz edilir) kelimesinden. Yani; "yolda").
Bu yasa neden bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın imkansız olduğunu belirtir:
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. Ayrıca üçüncü yasa sayesinde maddelerin mutlak sıfırdaki entropileri referans alınmak üzere kimyasal tepkimelerin incelenmesinde çok yararlı olan mutlak entropi tanımlanabilir.
Bu yasalardan birini ihlal eden makinalara o yasanın numarası türünden (örneğin, yoktan enerji yaratıyorsa birinci türden) devridaim makinası (ilginç bir şekilde Türkçe'de "Con Ahmet Makinası") denir.
Bu yasaların çeşitli komik çeşitlemeleri de vardır:
Ginsberg'in teoremi: (1) kazanamazsınız, (2) berabere kalamazsınız, ve (3) oyundan çıkamazsınız.
Ya da: (1) çalışmadan bir şey elde edemezsiniz, (2) çalışarak en fazla elde edebileceğiniz şey ancak karsız zararsız olmaktır, ve (3) bunu da ancak mutlak sıfırda elde edebilirsiniz.
Ya da, (1) oyunu ne kazanabilirsiniz ne de oyundan çıkabilirsiniz, (2) çok soğuk olmadığı sürece oyunu berabere bitiremezsiniz, (3) hava o kadar soğumaz.
Sadi Carnot (1837-1894). Termodinamik biliminin kurucusu olarak kabul edilir.
- Termodinamik her ne kadar sistemlerin madde ve/veya enerji alış-verişiyle ilgilense de, bu işlemlerin hızıyla ilgilenmez. Bundan dolayı aslında termodinamik denilirken, denge termodinamiği kastedilir. Bu yüzden termodinamiğin ana kavramlarından biri "quasi-statik" (yarı-durağan) adı verilen, idealize edilmiş "sonsuz yavaşlıkta" olaylardır. Zamana bağlı termodinamik olaylarla, denge halinde olmayan termodinamik ilgilenir.Termodinamik yasaları çok genel bir geçerliliğe sahiptirler ve karşılıklı etkileşimlerin ayrıntılarına veya incelenen sistemin özelliklerine bağlı olarak değişmezler. Yani bir sistemin sadece madde veya enerji giriş-çıkışı bilinse dahi bu sisteme uygulanabilirler.
Termodinamik değişkenler :
Bu değişkenler genellikle sistemin ya kendisini, ya da çevre koşulları tarif etmek için kullanılır. En çok kullanılanlar ve simgeleri şunlardır:
- Mekanik değişkenler:
- Basınç: P
- Hacim: V
- İstatistiksel değişkenler:
- Sıcaklık: T
- Entropi (düzensizlik): S
Termodinamiğin çoğu uygulamasında, bir ya da daha çok değişken sabit tutulurken, diğer değişkenlerin bunlara göre nasıl değiştiği incelenir ve bu da sistemin matematiksel olarak (n sabit tutulmayan değişkenlerin sayısı olmak üzere) n boyutlu bir uzay olarak tarif edilebileceği anlamına gelir. İstatistiksel mekaniği fizik yasalarıyla birleştirerek, bu değişkenleri birbirleri cinsinden ifade edecek "durum denklemleri" yazılabilir. Bunların en basit ve en önemli olanlarından biri ise ideal gaz yasasıdır.
Termodinamik potansiyeller :
Termodinamik değişkenler vasıtasıyla dört tane termodinamik potansiyel tanımlanabilir:
- Sistemin İç Enerjisi
- Helmholtz Serbest Enerjisi
- Gibbs Serbest Enerjisi
- Entalpi
Bu dört potansiyelin diferansiyel denklemlerini ve zincirleme türev kuralını kullanarak bu dört potansiyel, değişkenler ve birbirleri cinsinden yazılabilir:
Termodinamik yasaları :
Sıfırıncı Yasa
Temodinamiğin en basit yasasıdır. Eğer iki sistem birbirleriyle etkileşim içerisindeyken aralarında ısı veya madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler termodinamik dengededirler. Sıfırıncı yasa şöyle der:
Eğer A ve B sistemleri termodinamik dengedeyseler, ve B ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindeyseler, A ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindedirler. Daha basit bir ifadeyle farklı sıcaklıklarda iki cisim ısıl bakımdan temas ederse sıcak olan cisim soğur, soğuk olan cisim ısınır. İşin temelinde, iki farklı sıcaklığa sahip iki cisim arasında gerçekleşen ısı akışının sıcak cisimden soğuk cisme gerçekleştiği gerçeği yatar, bazı soğuk cisimlerin sıcak, ya da bazı sıcak cisimlerin soğuk algılanması mümkündür. –30 derece soğuk olarak düşünülebilirse de –50 dereceye göre daha sıcaktır. Isı akışının soğuktan sıcağa doğru olmayışının temeli şudur: sıcaklık, malzeme atomlarının, daha doğrusu elektronlarının kinetik enerjisine etki eden bir faktördür. Elektronlar her zaman temel enerji seviyesinde olacak şekilde davranış gösterirler. Fazla kinetik enerjilerini aktarmak ve temel enerji seviyesine dönmek isterler. Sıcaklık, malzeme içinde atomların titreşmesi ile iletilir. Bu nedenledir ki, ısı akışı sıcak cisimden soğuk cisime doğru gerçekleşir.
1931 yılında R.H. Fowler tarafından tanımlanan bu yasa, temel bir fizik ilkesi olarak karşımıza çıktığından, doğal olarak 1. ve 2. yasalardan önce gelmek zorunluluğu doğmuş ve sıfırıncı yasa adını almıştır.
Birinci Yasa
Tipik bir termodinamik sistem: ısı sıcak kaynatıcıdan soğuk yoğunlaştırıcıya doğru hareket eder ve bu sayede bir iş ortaya çıkar.
Bir sistemin iç enerjisindeki artış: sisteme verilen ısı ile, sistemin çevresine uyguladığı iş arasındaki farktır.
U2 – U1 = Q – W Bu yasa "enerjinin korunumu" olarak da bilinir. Enerji yoktan var edilemez ve yok edilemez sadece bir şekilden diğerine dönüşür. Bir sistemin herhangi bir çevrimi için çevrim sırasında ısı alışverişi ile iş alışverişi aynı birim sisteminde birbirlerine eşit farklı birim sistemlerinde ise birbirlerine orantılı olmak zorundadır. Bu ifadelerin yapılan deneylerle doğruluğu gözlenmiştir fakat ispat edilememektedir. Bütün bu ifadeler matematiksel olarak çok daha kolay ifade edilebilir.
Aşağıdaki formüllerde
- Q = çevrim boyunca net ısı alışverişini
- W = çevrim boyunca net iş alışverişini
Şimdi bu şekilde sistemin herhangi iki hali görünüyor yani 1 ve 2 nolu noktalar. Hal değişimleri ise A , B , C çizgileriyle sağlansın. Ok yönleri de hal değişimlerinin olacağı yönler. Şimdi hal değişimleri 1A2 ve 1B2 ise 2C1 ilk hale dönülen durumdur. Şimdi çevrimleri kurguluyalım elimizde 1A2C1 ve 1B2C1 çevrimleri var:
- 1A∫2.δ.Q + 2C∫1.δ.Q = 1A∫2.δ.W + 2C∫1.δ.W ( 1A2C1 Çevrimi ) (a denklemi)
- 1B∫2.δ.Q + 2C∫1.δ.Q = 1B∫2.δ.W + 2C∫1.δ.W ( 1B2C1 Çevrimi ) (b denklemi)
- 1A∫2 ( δ.Q - δ.W ) = 1B∫2( δ.Q - δ.W ) (c denklemi)
- Q1-2 : Sistemin hal değişimindeki ısı alışverişi
- W1-2 : Sistemin hal değişimindeki iş alışverişi
- E1 : Sistemin ilk haldeki enerjisi ve
- E2 : Sistemin son haldeki enerjisi
Q1-2 – W1-2 = E2 – E1 formülü çıkar. Termodinamikte enerji, maddenin yapısına bağlı iç enerji ve koordinat eksenlerine bağlı olan kinetik enerji (EK) ve potansiyel enerji (EP) olarak ayrılabilir;
E = U + EK + EP Sistemin herhangi bir hal değişimindeki enerjisi de;
Q1-2 – W1-2 = E2 – E1 = (U2 – U1) + (1/2) m (V22 – V12) + m g (z2 – z1)
- U: iç enerji
- m: kütle
- V: hız
- g: yerçekimi ivmesi
- z: yükseklik
Birçok alanda uygulanabilen ikinci yasa şöyle tanımlanabilir:
Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkansızdır. (Kelvin-Planck Bildirisi) ya da Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan bir işlem elde etmek imkansızdır. (Clausius Bildirisi) Termal olarak izole edilmiş büyük bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz (bkz: Maxwell'in Cini). Ancak mikroskopik bir sistem, yasanın dediğinin tersine entropi dalgalanmaları yaşayabilir (bkz: Dalgalanma Teoremi). Aslında, dalgalanma teoreminin zamana göre tersinebilir dinamik ve nedensellik ilkesinden çıkan matematiksel kanıtı ikinci yasanın bir kanıtını oluşturur. Mantıksal bakımdan ikinci yasa bu şekilde aslında fiziğin bir yasasından ziyade göreli olarak büyük sistemler ve uzun zamanlar için geçerli bir teoremi haline gelir. Ludwig Boltzmann tarafından tanımlanmıştır. Sisteme dışardan enerji verilmediği sürece düzenin düzensizliğe düzensizliğin de kaosa dönüşeceğini anlatır. Kırık bir bardağın durup dururken veya kırarken harcanan enerjiden daha azı kullanılarak eski haline döndürülemeyeceği örneği verilir klasik olarak. Yine aynı şekilde devrilen bir kitabı düzeltmek için devirirken harcanan enerjiden fazlasını kullanmak gerekir, potansiyel enerjinin bir kısmı ısıya dönüşmüştür ve geri getirilemez. Aynı zamanda evrendeki düzensizlik eğilimini de anlatır. Düzensizlik eğilimini anlatırken entropi kelimesini kullanır. Yunanca, en = ingilizcedeki 'in' gibidir, önüne geldiği kelimeye -de, -da eki verir ve tropos = yol kelimesinin çoğulu olan 'tropoi' (tropi diye telaffuz edilir) kelimesinden. Yani; "yolda").
- Düzensizlik ya değişmez ya da artar. Örnek olarak difüzyon verilebilir. Ayrı duran maddeler bir arada olandan daha düzenlidir ve kendiliğinden karışmış sıcak ve soğuk sudan olmuşmuş ılık suyun, bir daha sıcak ve soğuk diye ayrılması imkansızdır.
- Eskime, yaşlanma, yıllanma gibi eylemlerin nedenidir.
- En düzensiz enerji ısıdır ve bir gün gelecek bütün enerji ısı olacaktır ve bu da evrenin sonu demektir.
- İleri sürülecek teoriler termodinamiğin 2. kanunuyla çelişmemelidir.
- Entropi iş yapma yeteneği olmayan enerji olarak da tanımlanır. İki cam balona farklı sıcaklıklarda gaz, cam balonlar arasına da bir pervane konacak olursa ilk başta pervanenin döndüğünü görülecektir. Fakat sonra entropi arttığı için pervanenin dönmesi duracaktır.
- Spor yapmak için bir parkta 100 metrelik bir koşu yapıldığını, 100 metrenin sonunda yorulup koşamayacak hale gelindiğini ve bir yere oturulduğu düşünülecek olursa koşarken harcanmış olan ve bir daha kazanılamayacak olan enerjiye entropi denir.
- Sistemin düzensizliği arttıkça artan herhangi bir fonksiyon rahatça entropi fonsiyonu olabilir. Örneğin bir bardak suyumuz olduğunu ve bunun içine bir damla mürekkep damlatıp gözlediğimizi düşünelim ve içeride neler olduğunu hayal etmeye çalışalım. Mürekkep molekülleri başlangıçta kısa bir süre bir arada bekleştikten sonra su içine dağılmaya başlayacaklardır. Çünkü kendilerine çarpan su molekülleri tarafından değişik yönlere itileceklerdir (su ve mürekkep maddelerinin kimyasal bağlarının birbirlerini itmeye elverişli olmalarından dolayı). Şimdi de olağanüstü bir bilgisayarın, sistemin bütün mümkün durumlarını sayabildiğini düşünelim. Sistemin bir durumu denildiğinde anlamamız gereken şey bir molekülün belirli bir koordinata ve belirli bir hıza; bir başka molekülun bir başka belirli koordinata ve hıza sahip olduğu konfigürasyondur. Bardaktaki mürekkep örneğinde bu tür durumların sayısının çok fazla olduğu açıktır. Zira bunların çok büyük bir kısmı mürekkebin moleküllerinin bardak içinde oraya buraya rasgele dağıldığı, düzensiz, yani yüksek entropili durumlara karşılık gelirler. Bizim algıladığımız düzeyde bunların hepsi homojen durumlardır. Çünkü karışıma baktığımızda o molekülün burada, bir başkasının şurada olmasına aldırmadan, mürekkebin homojen olarak dağıldığını söyleyebiliriz. Yani olağanüstü sayıda farklı mikroskopik durum tek bir makroskobik duruma, yani homojen duruma karşılık gelir.
- Aslında sistemler bozulmamakta, enerji değişimi bazında en kararlı hali almaya çalışmaktadırlar. Hayatın anlamı da budur, yaşam entropi yollarından biridir, şekerin çaya çok daha çabuk karışmasını sağlayan kaşık işlevindedir.
- Kapalı bir sistemde entropi her zaman artar. Kapalı sistem kısmı çok önemlidir. Sisteme enerji vermek suretiyle entropisi azaltılabilir. Dünya kapalı bir sistem değildir. Güneşten sürekli olarak enerji akmaktadır dünyaya, ve düzeni bu sağlar.
- "Parçacık sayısı sonsuza giderken olması en muhtemel olan şey olur": Havaya bir miktar bozuk para atılsa hepsinin tura gelme ihtimali yalnızca birdir: tttttt.... Biri dışında hepsinin tura gelme ihtimali daha çoktur: ytttt..., tyttt, ttyttt... Yarısının yazı, yarısının tura gelme ihtimali daha da çoktur: ytytyt..., yytyttyt..., yttytyyt.... İşte bu sonuncusu maksimum entropiye sahip olan sistemdir. Sonuç olarak entropinin artması, sistemin muhtemel olmayan durumdan daha çok muhtemel olan duruma doğru gitmesi demektir. İçinde bulunulan odadaki moleküllerin hepsinin odanın sağ köşesindeki bir noktaya toplanması mümkünse de bu koşulu sağlayan yalnızca bir konfigürasyon vardır. Oysa atomların odanın her yerine eşit dağıldığı daha çok konfigürasyon vardır.
Bu yasa neden bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın imkansız olduğunu belirtir:
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. Ayrıca üçüncü yasa sayesinde maddelerin mutlak sıfırdaki entropileri referans alınmak üzere kimyasal tepkimelerin incelenmesinde çok yararlı olan mutlak entropi tanımlanabilir.
Bu yasalardan birini ihlal eden makinalara o yasanın numarası türünden (örneğin, yoktan enerji yaratıyorsa birinci türden) devridaim makinası (ilginç bir şekilde Türkçe'de "Con Ahmet Makinası") denir.
Bu yasaların çeşitli komik çeşitlemeleri de vardır:
Ginsberg'in teoremi: (1) kazanamazsınız, (2) berabere kalamazsınız, ve (3) oyundan çıkamazsınız.
Ya da: (1) çalışmadan bir şey elde edemezsiniz, (2) çalışarak en fazla elde edebileceğiniz şey ancak karsız zararsız olmaktır, ve (3) bunu da ancak mutlak sıfırda elde edebilirsiniz.
Ya da, (1) oyunu ne kazanabilirsiniz ne de oyundan çıkabilirsiniz, (2) çok soğuk olmadığı sürece oyunu berabere bitiremezsiniz, (3) hava o kadar soğumaz.
Termodinamik çevrimler:
Termodinamik çevrimler bir veya daha çok hal değişimi gerçekleştiren, iş veya enerji üreterek veya enerjiyi transfer ederek ilk haline dönen bir çalışma akışkanı içeren çevrimlerdir.
Her termodinamik sistem özel bir durum içinde varolmuştur. Sistem, farklı durumları sırası ile takip ediyor ve en sonunda önceki haline geri dönüyorsa termodinamik bir çevrim oluşur. Bu çevrim boyunca proses içinde, sistem çevresine iş yapabilir, bu yolla bir ısı makinesi olarak rol oynayabilir.
Bir ısı makinesi enerjinin sıcak bölgeden, soğuk bölgeye transfer edilmesini sağlar, bu proses içinde enerjinin bir kısmı mekanik işe dönüşür. Çevrim tersinirdir (yani tersine de gerçekleşebilir). Sistem bir dış kuvvet ile çalışabilir ve proses içinde soğuk sistemden, sıcak sisteme ısı transfer edebilir, bu şekilde bir ısı makinesinden çok bir soğutucu olarak çalışır.
Carnot çevrimi, termodinamik çevrimin özel bir tipidir. Özeldir çünkü, verilen ısı enerjisinin işe çevrilme miktarı ya da tersi için (verilen işin soğutma amaçları için kullanımı) mümkün olan en verimli çevrimdir.
Carnot çevrimi ısı makinesi olarak şu adımları takip eder :
Bir ısı makinesi olarak çalışan bir Carnot çevrimi, sıcaklık – entropi diyagramı üzerinde gösterilmiştir. Çevrim TH ve TC sıcaklıkları arasında yer alır. Dikey eksen sıcaklık, yatay eksen entropidir.
Rankine çevrimi buhar kullanılan enerji santralleri için ideal çevrimdir. Bu çevrimde yapılan suyun kızgın buhar haline getirilmesi ve tekrar kondenserde doymuş sıvı haline getirilmesi Carnot çevriminde uygulamada karşılaşılan pek çok zorluğuda ortadan kaldırır.
Rankine çevriminin adımları dört aşama ile gösterilir, her adımda çalışma akışkanının hal değişimleri ifade edilir.
Burada çevrimin ideal şartlarda olduğu varsayılır. Ama gerçek şartlarda çevrimin pompa ile sıkıştırma ve türbinde genişleme aşamaları izentropik değildir. Bu aşamalarda izentropide artış meydana gelir. Bundan dolayı gerçekte pompa için gereken güç ihtiyacı artar ve türbinden elde edilen iş azalır.
Rankine çevrimi T-S diyagramı
Çalışma Modeli :
Bir Brayton tip makine şu üç elemanı içerir:
Brayton çevrimi günümüzde en çok gaz türbinli makinelerde kullanılır. Burada da yine üç eleman vardır:
Ne sıkıştırma, ne de genişleme gerçekte izentropik olamaz, kompresör ve genleştirici boyunca kayıplar, verim kaybını kaçınılmaz kılar. Genelde, sıkıştırma oranındaki artış, bir Brayton sisteminin tüm çıkış gücünü arttırmak için en çok kullanılan yoldur.
1892'de Alman Mühendis Rudolf Diesel tarafından bulunmuş ve daha sonra 23 Şubat 1893'te patenti alınmış bu süreç dizel çevrimi olarak bilinir. Diesel, motoru kömür tozu dahil çeşitli yakıtların kullanımına yönelik olarak tasarlamıştır. Motorun sunumunu 1900’deki Dünya Fuarı'nda, yakıt olarak yer fıstığı yağı (Biodizel) kullanarak yapmıştır.
Çalışma prensipleri:
Gaz sıkıştırıldığında, sıcaklığı yükselir, dizel motoru bu özelliği kullanarak yakıtı ateşler. Hava, dizel motorunun silindiri içine çekilir ve bir piston tarafından, kıvılcım ateşlemeli (benzinli) motorlardakinden çok daha yüksek (25 katı bulabilir) bir oranda sıkıştırılır. Hava sıcaklığı 700-900°C'a ulaşır. Piston hareketinin en tepe noktasında, dizel yakıt yüksek basınçla atomizer memeden geçerek yanma odasının içine püskürtülür, burada sıcak ve yüksek basınçlı hava ile karışır. Bu karışım hızla tutuşur ve yanar. Hızlı sıcaklık artışı ile yanma odası içindeki gaz genleşir, artan basınç, pistonu aşağı doğru hareket ettirir. Biyel (piston) kolu, krank mili çıkışına dönme gücü olarak iletilir.
Fiat 1.3 16v turbo-dizel motoru
Motorun süpürmesinde, egzoz gazını silindirin dışına atma ve taze hava çekme işlemi, kapakçıklar (valf) veya giriş ve çıkış kanalları aracılığıyla yapılır. Dizel motorun kapasitesinin tam olarak kullanılabimesi için içeriye alınan havayı sıkıştırabilecek turboşarjer kullanılması gerekir; turboşarjer ile havanın sıkıştırılmasından sonra bir artsoğutucu/arasoğutucu ile içeri alınan havanın soğutulması ayrıca verimi arttırılır.
Çok soğuk havalarda, dizel yakıt koyulaşır, viskozitesi artar, balmumu kristalleri oluşur veya jel haline dönüşür. Yakıt enjektörü, yakıtı silindirin içine etkili bir şekilde itemez ve bu yüzden soğuk havalarda motorun çalıştırılmasını zorlaştırabilir. Dizel teknolojisinde bu zorluğu yenmek için çeşitli önlemler geliştirilmiştir. Sıkça kullanılan bir uygulama, yakıt hattı ve yakıt filtresini elektrikle ısıtmaktır. Bazı motorlarda silindir içinde bulunan kızdırma bujileri denen küçük elektrikli ısıtıcılar, çalıştırmak için silindirleri önceden ısıtırlar. Az sayıda motorda kullanılan başka bir teknolojide ise, manifold içindeki rezistans telli ısıtıcılar, motor çalışma sıcaklığına gelinceye dek giriş havasını ısıtır. Soğuk havalarda, motor uzun süreli (1 saatten daha fazla) kapatıldığında kullanılan ve şehir cereyanı ile çalışan motor blok ısıtıcıları, aşınma ve çalıştırma zamanını azaltmak için sıklıkla kullanılır.
Eski dizel motor sisteminin en önemli parçası hız kontrol ünitesidir; bu ünite yakıtın gelme hızını kontrol ederek motorun hızını sınırlar. Benzin motorlarından farklı olarak dizel motorlarında hava emme sübabı yoktur, bu yüzden hız kontrol ünitesi olmazsa motor fazla hızlanır. Eski tip hız kontrol üniteleri motordan bir vites sistemi ile yönlendirilir ve böylece sadece motor hızıyla doğru ilişkili olarak yakıt sağlanırdı.
Modern elektronik kontrollü dizel motorları benzin motorlarındakine benzer bir kontrol mekanizmasını (ECM) Elektronik Kontrol Modülü veya Elektronik Kontrol Ünitesi (ECU) yoluyla uygularlar. Motor "bilgisayarı" ECM/ECU içinde motorun çalışmasıyla ilgili algoritmalar ve kalibrasyon tabloları kaydedilmiştir. ECM/ECU bir sensörden motor hızına dair sinyal alınca gereken bilgi işlemlerini yapar, elektronik ve hidrolik valfler aracılığıyla yakıt miktarını ve yanma zamanlamasını kontrol ederek motor hızını sabit tutar.
Yakıtın pistonların içine enjeksiyonunun başlama zamanının kontrolu, emisyonların azaltılması ve motor veriminin (yakıt ekonomisi) artırılması için en önemli unsurdur. Silindir içine yakıt enjeksiyonu başlama zamanlaması, günümüz modern motorlarında elektronik olarak kontrol edilmektedir. Zamanlama, genellikle üst ölü noktanın (TDC/Top Dead Center) önündeki pistonun krank ünitesi açısı ile ölçülür. Örneğin, piston üst ölü noktadan 10 derece önde olduğu zaman eğer ECM/ECU yakıt enjeksiyonuna başlarsa, enjeksiyon başlama veya zamanlama 10 derece öndedir denir. Optimal zamanlama, motorun hızı ve yükü kadar tasarımına da bağlıdır.
Enjeksiyon tipleri:
Dizel motorlarda yakıt enjeksiyonu, endirekt ve direkt olarak iki tiptir. Endirekt enjeksiyonda yakıt, dizel motorda yanma odası dışında, ön oda olarak adlandırılan yere verilir. Yanma başladığında yanma odasının içine yayılır. Bu tipte motordaki aşırı gürültü ve titreşim düşürülür, fakat ısı kaybı artar ve motor verimi düşük olur. Direkt enjeksiyon ise modern dizel motorlarda kullanılır. Burada motordaki yanma odasına yakıt doğrudan püskürtülür.
İlk çevrimine 1833 yılında patent almıştır. Bu Joule’den 18 yıl, Brayton’dan 43 yıl öncedir. Joule, bu çevrime fazla bir katkıda bulunmamış, asıl katkı Brayton tarafından yapılmıştır. Brayton, ilk Ericsson çevriminin açık formuna içten yanma eklemiş ve kesin bir gelişme kaydetmiştir. Brayton piston ve silindirler ile gelişmeyi tamamlamıştır. Kompresör ve genişletici türbin kullanılan Brayton çevrimi şu anda gaz türbinleri için ideal çevrim olarak bilinir. Gaz türbin çevrimi, gaz türbinleri ve turbojet motorlarında kullanılır. Ericsson’un ikinci çevrimi 1853’te bulunmuş ve 2000 ton’luk bir gemide kullanılmıştır. İkinci çevrim Brayton’dan iki üstünlüğe sahiptir. İzotermal sıkıştırma ve genişleme, adyabatikden daha fazla net iş üretir ve ısının geri kazanım ile ısı girdisini azaltmıştır.
Çevrim prosesleri arasındaki karşılaştırma şu şekildedir.
Geleneksel 4 zamanlı Otto çevriminde, sıkıştırma (kompresyon) ve güç (yanma) stroklarında, yüksek güç ihtiyacı vardır. Motordaki güç kaybının çoğu, kompresyon stroku esnasındaki sıkıştırma görevi için ihtiyaç duyulan enerji nedeniyle olur. O yüzden sistem verimliliğini arttırabilmek için bu ihtiyacı indirgemek gerekir. Miller çevriminde, giriş valfi, normalden daha uzun açık kalır. Piston normalde kompresyon strokunda yukarı doğru hareket eder, bu işlem ile sıkıştırma başlar normalde valf kapanır. Tipik olarak bu işlem için güç kaybı olacaktır, fakat Miller çevriminde piston kompresörden (supercharger veya blower olarak da bilinir) hava ile beslenmiş olarak sıkıştırma yapar. Giriş valfi daha uzun süre açık kaldığından, sıkıştırma strokunun bir kısmında, sıkıştırma işi silindir duvarlarının basıncından çok kompresör basıncına karşı yapılır. Bu etki verimi % 15 civarı arttırır.
Genel olarak Miller çevrimi, düşük kompresyon oranı ile kompresyon strokunu kısaltır, kompresör ile sıkıştırılımış ve arasoğutucu (intercooler) ile soğutulumuş hava sayesinde yanmayı iyileştirir.Bu yöntem, bazı modern Atkinson çevrimli motorlarda da kullanılır, fakat kompresör yoktur. Bu motorlar genelde hibrid motorlardır, verimi arttırmak için güç kaybını karşılama işi bir elektrik motoru ile yapılır.
Örnek olarak; Kalina çevriminin güç istasyonları ve enerji dönüşümü için yapılan uygulamasında; % 70 amonyak ve % 30 sudan oluşan bir çalışma akışkanı kullanılması ile geleneksel Rankine çevriminin üzerinde verim artışı sağlanabilmiştir.
Benzinli motor(Otto çevrimi):
Benzinli motor, bir tür içten yanmalı motordur.Benzinli motorlarda kullanılan yakıt benzin olup, yakıt dizel motordan farklı olarak karbüratör adı verilen bir düzenek sayesinde,sıvı olarak değil buharlaşıp hava ile karışarak silindire girer.
Benzinin oksijen (hava) ile oluşturduğu karışım sonucunda yanma gerçekleşir.Yakıt hava karışımının silindirin içinde bir kıvılcım ile yanması sonucu bir patlama meydana gelir. Burada yine dizel motordan farklı yanmayı sağlamak için kıvılcım yani buji kullanılır. Patlamanın ortaya çıkardığı basınç, piston tarafından hareket enerjisine dönüştürülür.
Benzinli motorun çalışma prensibini oluşturan çevrim dört zamanlı çevrim ya da Otto Çevrimi olarak da anılır. Bu çevrim 1876 yılında Alman mühendis Nikolaus Otto tarafından bulunmuştur.Çevrim dört aşamadan oluşur.
Dört zamanlı içten yanmalı,
pistonlu bir benzin motorunun çalışması.
1816 yılında İskoç rahip Reverent Robert Stirling tarafından icat edilmiştir. Motoru geliştirme işini daha sonra mühendis olan kardeşi James Stirling devam ettirmiştir. Mucitler, zamanın buhar makinelerine güvenilir bir alternatif oluşturmayı öngörmüştür. Buhar makinelerinin kazanları sık sık yetersiz malzeme kullanımı ve buharın yüksek basıncı nedeniyle patlıyordu. Stirling motorları sıcaklık farkını direkt olarak harekete dönüştürecekti.
Çalışma prensibi
Stirling motoru, yalıtılmış olarak bir miktar çalışma gazının (genellikle hava veya helyum, hidrojen gibi gazlar) ısıtılma ve soğutulma işleminin tekrar edilmesi ile çalışır.
Gaz, gaz kanunları (basınç, sıcaklık ve hacimle ilgili olarak) ile tanımlanmış davranışları gösterir. Gaz ısıtıldığında, yalıtılmış bir alan içinde olduğundan, basıncı yükselir ve güç pistonunu etkileyerek güç stroku üretir. Gaz soğutulduğunda basınç düşer ve bunun sonucunda piston dönüş strokunda gazı tekrar sıkıştırmak için oluşan işin bir kısmını kullanır. Ortaya çıkan net iş mil üzerinde güç oluşturur. Çalışma gazı sıcak ve soğuk ısı eşanjörleri arasında periyodik olarak akar.Çalışma gazı piston silindirleri içinde yalıtılmıştır. O yüzden burada egsoz gazı yoktur. Diğer tip pistonlu motorlardan farklı olarak valflere ihtiyaç yoktur.
Adım 1
Adım 2
Adım 3
Adım 4
Bazı Stirling motorları soğuk ve sıcak depolar arasında geri ve ileri çalışma gazı hareketi için bir ayırıcı piston kullanır. Çoklu silindirlerin güç pistonlarının birbirine bağlı olması sayesinde silindirlerin farklı sıcaklıklarda tutulması ile çalışma gazı hareket eder.
Gerçek Stirling motorlarında bir rejeneratör, depolar arasına yerleştirilmiştir. Sıcak ve soğuk taraf arasında gaz çevrimi olurken, rejeneratörden bu ısı transfer edilir. Bazı tasarımlarda, ayırıcı piston rejeneratörün kendisidir. Bu rejenaratör Stirling çevriminin verimine katkı sağlar.
55 kW elektrik gücü sağlayabilen bir Stirling motoru ve jeneratör uygulaması
İdeal Stirling motor çevrimi aynı giriş ve çıkış sıcaklıkları için Carnot ısı makinesi olarak aynı teorik verime sahiptir. Termodinamik verimi buhar makinelerinden yüksektir. (veya basit haldeki bazı içten yanmalı ve dizel motorlardan)
Herhangi bir sıcaklık kaynağı Stirling motoruna güç sağlayabilir. Dıştan yanmalı motor, ifadesindeki yanma çoğu zaman yanlış anlaşılır.Isı kaynağı, yanma sonucu oluşabilir fakat, güneş enerjisi, jeotermal enerji veya nükleer enerji de olabilir. Aynı şekilde sıcaklık farkı yaratmak için kullanılan soğuk kaynak, çevre sıcaklığının altındaki değişik maddeler olabilir. Soğuk su veya soğutucu bir akışkan kullanımı ile soğutma sağlanabilir. Fakat soğuk kaynaktan elde edilecek sıcaklık farkının düşük olması daha büyük kütleler ile çalışılmasını gerektireceğinden, pompalamada oluşacak güç kaybı çevrimin verimini düşürecektir.Yanma ürünleri motorun iç parçaları ile temas etmez. Stirling motorunda yağlama yağı ömrü içten yanmalı motorlara göre daha uzundur.
Stirling motorunun uygulamada bazı avantaj ve dezavantajları vardır.
Avantajları [değiştir]
Aeorodinamik, genel anlamda havanın kuvvetsel etkilerini inceleyen bilim dalıdır.K atı bir cisim etrafında akan hava veya hareketsiz duran hava içinde hareket eden katı cisim söz konusu olduğunda hava, aerodinamik kanunlarına uygun davranır. Havanın göreli hareketinden kaynaklanan kuvvetler taşıma ve sürükleme kuvvetleridir. direnç kuvvetleridir. Hava taşımacılığında bu iki kuvvet önemli yer tutarken kara nakil araçları için belli bir hıza kadar sadece direnç sürükleme kuvveti göz önüne alınır. Ancak çok hızlı araçlarda örneğin Formula 1 yarış arabalarında taşıma kuvveti (aracın yol tutuşuyla ilgili olarak) dikkate alınması gereken değerlere ulaşır. Kuvvetler, hızın karesi ile orantılıdır.
Geometrik boyutları araç dış formuna bağlı direnç katsayısı (cw) belli olan bir araca herhangi bir hızda etkiyen direnç kuvveti hesaplanabilir. Örnek olarak ; hızı 30 m/sn (108 km/h) olan bir aracın rüzgara dik kesit yüzeyi 3m'kare olsun. Aracın direnç katsayısı Cw =0,45 ise bu araca etkiyen direnç şu şekilde bulunur :
Cw değeri bir cismin dış formu sebebiyle düzgün doğrusal akım içinde oluşturduğu süreksizlik ve girdaplar gibi akım bozuntularının sonucu ortaya çıkar. Dış form itibariyle cisim ne derece az bozuntuya sebep olursa direnç katsayısı ve buna bağlı olarak direnç kuvvetide o derece küçük olur. Görüldüğü gibi hızı ve geometrik boyutları belli olan bir aracın hava direnç kaybını azaltmanın tek yolu aracın dış formuna bağlı olan direnç katsayısı Cw'yi azaltmaktır. Cw değerinin azaltılması :
Binek araçları için ekonomi açısından ikinci şık yarış arabalarında ise yüksek performans hedeflendiğinden birinci şık Cw değerinin önemini ortaya koyar.
Direnç katsayısı Cw'nin azaltılabilmesi için araç formları gün geçtikçe aerodinamikteki adıyla damla formuna benzetilmeye çalışılmaktadır. Damla formunun özelliği doğrusal akımda bilinen en az bozuntuya sebep olan yapı olmasıdır.
Hava akımı içinde akım yönüne dik olarak tutulan bir levha için bu değer 1.28, paraşütte 1.70, tabanca mermisinde 0.3, futbol topunda 0.29, yolcu uçaklarında 0.25, bomba ve yedek yakıt tankı taşımayan savaş uçaklarında 0.20 civarındadır.
Bu arada laboratuvar çalışmalarında bulunan sonuçların normal trafikte tespit edilenler ile uyuşmaması çoğunlukla rastlanan haldir. Çünkü araca etkiyen yan rüzgar, yük durumu vb. faktörler direnç katsayısına doğrudan tesir ederler.
Açık bir pencere, bagajdaki 20 kg'lık fazla yükün oluşturduğu yere yaklaşma veya kullanılan lastiklerin daha kalın olanlarıyla değiştirilmesi gibi hallerde direnç katsayısı değeri %10-12 artış gösterir. Küçük gibi görünen bu artışın ise yakıt sarfiyatının %5 yükselmesine neden olduğu tespit edilmiştir.
Aracın altındaki düzgünsüzlüklerin alt kaplama ile kamufle edilmesi halinde cw değeri 0.045 düşüş gösterir.Ön ve arka camların eğik dizayn edilmesi, aracın iç kısmını etkileyen güneş ışığı miktarının artmasına neden olur. Bunun doğuracağı yüksek sıcaklık problemine çözüm olarak cam imalatçı firmalar renksiz iki ince cam tabakası arasına altın veya gümüş metalden mikron mertebesinde film sıvayarak güneşin görünür dalga boyundaki ışınlarını geçiren fakat enfraruj ışınlarını yansıtan camlar geliştirmişlerdir. Bunun maliyeti ise normal cam maliyetinin % 50 üzerindedir.
Cw değerini azaltma çalışmalarının sonucu olarak şu söylenebilir : Geliştirilen farklı önlemler sayesinde direnç kaybı oldukça düşürülebilmiştir ve hatta daha da düşürülebilir ancak bu amaç için uygulanacak ilave önlemlerin doğurabileceği maliyet artışı cw değerinin küçültülmesi sonucu ortaya çıkacak avantajı aşacağından bu gibi önlemler şimdilik sadece deneme, geliştirme ve yarış gibi özel amaçlı araçlara uygulanabilmektedir. Binek otolarında cw değeri 0.25 ile 0.6 arasında değişirken bu tür numunelerde cw değeri 0.20'ye düşebilmektedir.
Bu konuda rekor 0.182 ile Mercedes'in C111 serisinin 1985'de geliştirdiği C111/4 modelindedir. Zaman değerlerini alt üst 1936 yapımı geliştirilmiş Mercedes W125 0.20'lik cw değeri ile damla formuna en yakın araçlardan biridir.
Yüksek hızlı araçlarda aracın üst kaporta yüzeyinin kambur olması doğrusal akım karakteristiği taşıyan hava akımının ( V ) bu bölgede eğrilik sebebiyle hareket yönüne dik bir hız bileşeni kazanmasına ( V2 ) neden olur. Böylece yeni bileşen sayesinde daha büyük değere sahip bir bileşke hız vektörü ( Vb ) ortaya çıkar.
Hızdaki artışa paralel olarak aracın üstündeki basınç düşer. Aracın üstünde oluşan basınç düşmesi araca yukarıdan emme etkisi yapar. Bu etki oluşurken bir yandanda aracın altından giren hava aracı yukarıya kaldırmak için basınç uygulamaktadır. Bu kaldırma ve emme kuvvetleri aracın tekerleklerindeki ağırlık kuvveti etkisini azaltarak kumandanın zorlaşmasına bilhassa viraj halinde aracın kolaylıkla savrulmasına ve hatta yerden havalanıp takla atmasına neden olur.Bu sebeple yarış otomobillerinin alt yapısına eğrilik verilerek yere basma kuvvetini artırmaya çalışılmıştır. Buna rağmen tam bir başarı sağlanamamıştır. Şöyle ki : olanca hızıyla giden bir yarış arabasını rüzgar piste adeta yapıştırır, öte yandan arabanın karoseri rüzgar direncini asgariye indirecek şekilde biçimlendirilmiştir. Rüzgar bir yandan arabayı piste yapıştırırken, öte yandan arabanın altında oluşan hava cereyanı bir karşı güç oluşturur.
Öndeki otomobile fazla yanaşan bir yarış arabasının üzerindeki rüzgar baskısı azalır, çünkü rüzgarın esas baskısını öndeki otomobil karşılar. arkadaki otomobilin sürati artar ancak ön tekerlerin piste olan teması zayıflar.
Bu durumda saatte 300 km hızla giden araç birden bire açıkta kalıp esen rüzgarla karşı karşıya geldiğinde arabanın altından giren hava tekerlerin yerle olan temasını keser ve aracı havalandırır.
1999 yılında 24 saatlik Le Mans yarışında Mercedes ekibinin başına gelen bu olayla ekip yarışlardan çekilmek zorunda kalmıştır.
Normal binek araçlarında tehlike bu boyutlarda olmamaktadır yine de savrulma riski vardır. Porsche 1966'dan 1969'a kadar ürettiği 911 marka araçlarda ağırlık artırımı yaparak soruna pratik bir çözüm bulmuştur. Saatte 225 km hızla giden araçlarının ön tarafına döküm demir sağ ile sol tarafa birer akü koyarak aracın yere yapışmasını sağlamıştır. Teknik açıdan daha akıllıca çözüm ise spoiler kullanımı ile gelmiştir.
Kelime anlamıyla spoiler bozucu veya dağıtıcıdır. Yapılan laboratuar araştırmalarında aracın üstünden akan hava akımının kaportayı terk ettiği arka bölüme konulan spoiler bu bölgenin arkasında oluşturduğu hız düşüşü ve buna bağlı olarak ortaya çıkan basınç artışının araca ilave itme kuvveti sağladığı veya diğer bir deyişle aracın hava direnç kaybını azalttığını ortaya koymuştur Aracın ön tarafına konulan spoilerin ise rüzgarı yönlendirerek yukarı doğru basınç yapmasını ve böylece otomobilin ön kısmının havalanmasını engellemektedir.
Otomobillerde oluşan dirençler:
RH = 0,0047 .f .s . ( v ± vo )²
NH = RH . υ = RH . v.75.270
Ry = G . f '
Ny = Ry . υ / 75 = Ry . v / 270 (HP)
Yuvarlanma Direnç Katsayılarına Etki Eden Faktörler
Yolun Cinsine Göre Yuvarlanma Katsayıları
Rm = tan ά .G ( kg )
Nm = Rm . v / 75 = Rm . v / 270 (Hp )
Newton'un ІІ. Atalet Prensibi : Bir cisme etki eden dış kuvvetlerin bileşkesi cisimde meydana gelen hareket miktarı değişimine eşittir.
Ri = G / g . a
Ni = Ri . v / 75 = Ri . v / 270
Termodinamik çevrimler bir veya daha çok hal değişimi gerçekleştiren, iş veya enerji üreterek veya enerjiyi transfer ederek ilk haline dönen bir çalışma akışkanı içeren çevrimlerdir.
- Carnot çevrimi:
Her termodinamik sistem özel bir durum içinde varolmuştur. Sistem, farklı durumları sırası ile takip ediyor ve en sonunda önceki haline geri dönüyorsa termodinamik bir çevrim oluşur. Bu çevrim boyunca proses içinde, sistem çevresine iş yapabilir, bu yolla bir ısı makinesi olarak rol oynayabilir.
Bir ısı makinesi enerjinin sıcak bölgeden, soğuk bölgeye transfer edilmesini sağlar, bu proses içinde enerjinin bir kısmı mekanik işe dönüşür. Çevrim tersinirdir (yani tersine de gerçekleşebilir). Sistem bir dış kuvvet ile çalışabilir ve proses içinde soğuk sistemden, sıcak sisteme ısı transfer edebilir, bu şekilde bir ısı makinesinden çok bir soğutucu olarak çalışır.
Carnot çevrimi, termodinamik çevrimin özel bir tipidir. Özeldir çünkü, verilen ısı enerjisinin işe çevrilme miktarı ya da tersi için (verilen işin soğutma amaçları için kullanımı) mümkün olan en verimli çevrimdir.
Carnot çevrimi ısı makinesi olarak şu adımları takip eder :
Bir ısı makinesi olarak çalışan bir Carnot çevrimi, sıcaklık – entropi diyagramı üzerinde gösterilmiştir. Çevrim TH ve TC sıcaklıkları arasında yer alır. Dikey eksen sıcaklık, yatay eksen entropidir.
- TH sıcaklığındaki ’’sıcak’’ gazın tersinir izotermal genişlemesi (İzotermal ısı ilavesi):Bu adım esnasında, genişleyen (hacmi artan) gaz pistonun iş yapmasına neden olur. Gaz genişlemesi, yüksek sıcaklıktan ısının absorbe edilmesi ile ilerler. (A-B arası)
- Gazın tersinir adyabatik genişlemesi:Bu adımda piston ve silindirin ısıl olarak yalıtılmış olduğu kabul edilir, bu nedenle ısı kaybı yoktur. Gaz genişlemeye ve iş yapmaya devam eder. Gaz genişleme nedeni ile TC sıcaklığına soğur. (B-C arası)
- TC sıcaklığındaki ’’soğuk’’ gazın tersinir izotermal sıkıştırılması (İzotermal ısı atılması):Bu anda çevresine iş vermiş durumdaki gaz, düşük sıcaklığa doğru ısı çıkışına neden olur. (C-D arası)
- Gazın tersinir adyabatik olarak sıkıştırılması:Yine piston ve silindir ısıl olarak yalıtılmış kabul edilir. Bu adımda yapılan iş gaz üzerinde sıkıştırılmaya ve sıcaklığının TH sıcaklığına yükselmesine sebep olur. Bu noktada gaz ilk basamaktaki başlangıç haline dönmüştür. (D-A arası)
- Rankine çevrimi:
Rankine çevrimi buhar kullanılan enerji santralleri için ideal çevrimdir. Bu çevrimde yapılan suyun kızgın buhar haline getirilmesi ve tekrar kondenserde doymuş sıvı haline getirilmesi Carnot çevriminde uygulamada karşılaşılan pek çok zorluğuda ortadan kaldırır.
Rankine çevriminin adımları dört aşama ile gösterilir, her adımda çalışma akışkanının hal değişimleri ifade edilir.
Burada çevrimin ideal şartlarda olduğu varsayılır. Ama gerçek şartlarda çevrimin pompa ile sıkıştırma ve türbinde genişleme aşamaları izentropik değildir. Bu aşamalarda izentropide artış meydana gelir. Bundan dolayı gerçekte pompa için gereken güç ihtiyacı artar ve türbinden elde edilen iş azalır.
Rankine çevrimi T-S diyagramı- Brayton çevrimi:
Çalışma Modeli :
Bir Brayton tip makine şu üç elemanı içerir:
- Gaz kompresörü
- Karışım odacığı
- Genleştirici
Brayton çevrimi günümüzde en çok gaz türbinli makinelerde kullanılır. Burada da yine üç eleman vardır:
- Gaz kompresörü
- Brülör (Yakıcı) veya yanma odası
- Genleşme türbini
Ne sıkıştırma, ne de genişleme gerçekte izentropik olamaz, kompresör ve genleştirici boyunca kayıplar, verim kaybını kaçınılmaz kılar. Genelde, sıkıştırma oranındaki artış, bir Brayton sisteminin tüm çıkış gücünü arttırmak için en çok kullanılan yoldur.
- Dizel motor:
1892'de Alman Mühendis Rudolf Diesel tarafından bulunmuş ve daha sonra 23 Şubat 1893'te patenti alınmış bu süreç dizel çevrimi olarak bilinir. Diesel, motoru kömür tozu dahil çeşitli yakıtların kullanımına yönelik olarak tasarlamıştır. Motorun sunumunu 1900’deki Dünya Fuarı'nda, yakıt olarak yer fıstığı yağı (Biodizel) kullanarak yapmıştır.
Çalışma prensipleri:
Gaz sıkıştırıldığında, sıcaklığı yükselir, dizel motoru bu özelliği kullanarak yakıtı ateşler. Hava, dizel motorunun silindiri içine çekilir ve bir piston tarafından, kıvılcım ateşlemeli (benzinli) motorlardakinden çok daha yüksek (25 katı bulabilir) bir oranda sıkıştırılır. Hava sıcaklığı 700-900°C'a ulaşır. Piston hareketinin en tepe noktasında, dizel yakıt yüksek basınçla atomizer memeden geçerek yanma odasının içine püskürtülür, burada sıcak ve yüksek basınçlı hava ile karışır. Bu karışım hızla tutuşur ve yanar. Hızlı sıcaklık artışı ile yanma odası içindeki gaz genleşir, artan basınç, pistonu aşağı doğru hareket ettirir. Biyel (piston) kolu, krank mili çıkışına dönme gücü olarak iletilir.
Fiat 1.3 16v turbo-dizel motoru
Motorun süpürmesinde, egzoz gazını silindirin dışına atma ve taze hava çekme işlemi, kapakçıklar (valf) veya giriş ve çıkış kanalları aracılığıyla yapılır. Dizel motorun kapasitesinin tam olarak kullanılabimesi için içeriye alınan havayı sıkıştırabilecek turboşarjer kullanılması gerekir; turboşarjer ile havanın sıkıştırılmasından sonra bir artsoğutucu/arasoğutucu ile içeri alınan havanın soğutulması ayrıca verimi arttırılır.
Çok soğuk havalarda, dizel yakıt koyulaşır, viskozitesi artar, balmumu kristalleri oluşur veya jel haline dönüşür. Yakıt enjektörü, yakıtı silindirin içine etkili bir şekilde itemez ve bu yüzden soğuk havalarda motorun çalıştırılmasını zorlaştırabilir. Dizel teknolojisinde bu zorluğu yenmek için çeşitli önlemler geliştirilmiştir. Sıkça kullanılan bir uygulama, yakıt hattı ve yakıt filtresini elektrikle ısıtmaktır. Bazı motorlarda silindir içinde bulunan kızdırma bujileri denen küçük elektrikli ısıtıcılar, çalıştırmak için silindirleri önceden ısıtırlar. Az sayıda motorda kullanılan başka bir teknolojide ise, manifold içindeki rezistans telli ısıtıcılar, motor çalışma sıcaklığına gelinceye dek giriş havasını ısıtır. Soğuk havalarda, motor uzun süreli (1 saatten daha fazla) kapatıldığında kullanılan ve şehir cereyanı ile çalışan motor blok ısıtıcıları, aşınma ve çalıştırma zamanını azaltmak için sıklıkla kullanılır.
Eski dizel motor sisteminin en önemli parçası hız kontrol ünitesidir; bu ünite yakıtın gelme hızını kontrol ederek motorun hızını sınırlar. Benzin motorlarından farklı olarak dizel motorlarında hava emme sübabı yoktur, bu yüzden hız kontrol ünitesi olmazsa motor fazla hızlanır. Eski tip hız kontrol üniteleri motordan bir vites sistemi ile yönlendirilir ve böylece sadece motor hızıyla doğru ilişkili olarak yakıt sağlanırdı.
Modern elektronik kontrollü dizel motorları benzin motorlarındakine benzer bir kontrol mekanizmasını (ECM) Elektronik Kontrol Modülü veya Elektronik Kontrol Ünitesi (ECU) yoluyla uygularlar. Motor "bilgisayarı" ECM/ECU içinde motorun çalışmasıyla ilgili algoritmalar ve kalibrasyon tabloları kaydedilmiştir. ECM/ECU bir sensörden motor hızına dair sinyal alınca gereken bilgi işlemlerini yapar, elektronik ve hidrolik valfler aracılığıyla yakıt miktarını ve yanma zamanlamasını kontrol ederek motor hızını sabit tutar.
Yakıtın pistonların içine enjeksiyonunun başlama zamanının kontrolu, emisyonların azaltılması ve motor veriminin (yakıt ekonomisi) artırılması için en önemli unsurdur. Silindir içine yakıt enjeksiyonu başlama zamanlaması, günümüz modern motorlarında elektronik olarak kontrol edilmektedir. Zamanlama, genellikle üst ölü noktanın (TDC/Top Dead Center) önündeki pistonun krank ünitesi açısı ile ölçülür. Örneğin, piston üst ölü noktadan 10 derece önde olduğu zaman eğer ECM/ECU yakıt enjeksiyonuna başlarsa, enjeksiyon başlama veya zamanlama 10 derece öndedir denir. Optimal zamanlama, motorun hızı ve yükü kadar tasarımına da bağlıdır.
Enjeksiyon tipleri:
Dizel motorlarda yakıt enjeksiyonu, endirekt ve direkt olarak iki tiptir. Endirekt enjeksiyonda yakıt, dizel motorda yanma odası dışında, ön oda olarak adlandırılan yere verilir. Yanma başladığında yanma odasının içine yayılır. Bu tipte motordaki aşırı gürültü ve titreşim düşürülür, fakat ısı kaybı artar ve motor verimi düşük olur. Direkt enjeksiyon ise modern dizel motorlarda kullanılır. Burada motordaki yanma odasına yakıt doğrudan püskürtülür.
- Ericsson çevrimi:
İlk çevrimine 1833 yılında patent almıştır. Bu Joule’den 18 yıl, Brayton’dan 43 yıl öncedir. Joule, bu çevrime fazla bir katkıda bulunmamış, asıl katkı Brayton tarafından yapılmıştır. Brayton, ilk Ericsson çevriminin açık formuna içten yanma eklemiş ve kesin bir gelişme kaydetmiştir. Brayton piston ve silindirler ile gelişmeyi tamamlamıştır. Kompresör ve genişletici türbin kullanılan Brayton çevrimi şu anda gaz türbinleri için ideal çevrim olarak bilinir. Gaz türbin çevrimi, gaz türbinleri ve turbojet motorlarında kullanılır. Ericsson’un ikinci çevrimi 1853’te bulunmuş ve 2000 ton’luk bir gemide kullanılmıştır. İkinci çevrim Brayton’dan iki üstünlüğe sahiptir. İzotermal sıkıştırma ve genişleme, adyabatikden daha fazla net iş üretir ve ısının geri kazanım ile ısı girdisini azaltmıştır.
Çevrim prosesleri arasındaki karşılaştırma şu şekildedir.
- Miller çevrimi:
Geleneksel 4 zamanlı Otto çevriminde, sıkıştırma (kompresyon) ve güç (yanma) stroklarında, yüksek güç ihtiyacı vardır. Motordaki güç kaybının çoğu, kompresyon stroku esnasındaki sıkıştırma görevi için ihtiyaç duyulan enerji nedeniyle olur. O yüzden sistem verimliliğini arttırabilmek için bu ihtiyacı indirgemek gerekir. Miller çevriminde, giriş valfi, normalden daha uzun açık kalır. Piston normalde kompresyon strokunda yukarı doğru hareket eder, bu işlem ile sıkıştırma başlar normalde valf kapanır. Tipik olarak bu işlem için güç kaybı olacaktır, fakat Miller çevriminde piston kompresörden (supercharger veya blower olarak da bilinir) hava ile beslenmiş olarak sıkıştırma yapar. Giriş valfi daha uzun süre açık kaldığından, sıkıştırma strokunun bir kısmında, sıkıştırma işi silindir duvarlarının basıncından çok kompresör basıncına karşı yapılır. Bu etki verimi % 15 civarı arttırır.
Genel olarak Miller çevrimi, düşük kompresyon oranı ile kompresyon strokunu kısaltır, kompresör ile sıkıştırılımış ve arasoğutucu (intercooler) ile soğutulumuş hava sayesinde yanmayı iyileştirir.Bu yöntem, bazı modern Atkinson çevrimli motorlarda da kullanılır, fakat kompresör yoktur. Bu motorlar genelde hibrid motorlardır, verimi arttırmak için güç kaybını karşılama işi bir elektrik motoru ile yapılır.
- Kalina çevrimi:
Örnek olarak; Kalina çevriminin güç istasyonları ve enerji dönüşümü için yapılan uygulamasında; % 70 amonyak ve % 30 sudan oluşan bir çalışma akışkanı kullanılması ile geleneksel Rankine çevriminin üzerinde verim artışı sağlanabilmiştir.
Benzinli motor(Otto çevrimi):
Benzinli motor, bir tür içten yanmalı motordur.Benzinli motorlarda kullanılan yakıt benzin olup, yakıt dizel motordan farklı olarak karbüratör adı verilen bir düzenek sayesinde,sıvı olarak değil buharlaşıp hava ile karışarak silindire girer.
Benzinin oksijen (hava) ile oluşturduğu karışım sonucunda yanma gerçekleşir.Yakıt hava karışımının silindirin içinde bir kıvılcım ile yanması sonucu bir patlama meydana gelir. Burada yine dizel motordan farklı yanmayı sağlamak için kıvılcım yani buji kullanılır. Patlamanın ortaya çıkardığı basınç, piston tarafından hareket enerjisine dönüştürülür.
Benzinli motorun çalışma prensibini oluşturan çevrim dört zamanlı çevrim ya da Otto Çevrimi olarak da anılır. Bu çevrim 1876 yılında Alman mühendis Nikolaus Otto tarafından bulunmuştur.Çevrim dört aşamadan oluşur.
- Emme:Karbüratörden gelen benzin-hava karışımı, emme sübabının açılması ile silindir içine çekilir.
- Sıkıştırma:Piston yukarı çıkarak benzin-hava karışımını sıkıştırır.
- Yanma:Sıkışan ve ısınan karışım, bujiden çıkan kıvılcım ile tutuşur. Oluşan patlama ilee piston aşağı doğru itilir.Hareket gücü bu aşamada üretilmiş olur.
- Egsoz:Bu aşamada ise pistonun yukarı hareketi ile yanma sonucu oluşan gazlar egsoz sübabından dışarı atılır ve bir çevrim tamamlanarak, diğer çevrim yeniden başlar.
Dört zamanlı içten yanmalı,
pistonlu bir benzin motorunun çalışması.
- Stirling motoru(stirling çevrimi) :
1816 yılında İskoç rahip Reverent Robert Stirling tarafından icat edilmiştir. Motoru geliştirme işini daha sonra mühendis olan kardeşi James Stirling devam ettirmiştir. Mucitler, zamanın buhar makinelerine güvenilir bir alternatif oluşturmayı öngörmüştür. Buhar makinelerinin kazanları sık sık yetersiz malzeme kullanımı ve buharın yüksek basıncı nedeniyle patlıyordu. Stirling motorları sıcaklık farkını direkt olarak harekete dönüştürecekti.
Çalışma prensibi
Stirling motoru, yalıtılmış olarak bir miktar çalışma gazının (genellikle hava veya helyum, hidrojen gibi gazlar) ısıtılma ve soğutulma işleminin tekrar edilmesi ile çalışır.
Gaz, gaz kanunları (basınç, sıcaklık ve hacimle ilgili olarak) ile tanımlanmış davranışları gösterir. Gaz ısıtıldığında, yalıtılmış bir alan içinde olduğundan, basıncı yükselir ve güç pistonunu etkileyerek güç stroku üretir. Gaz soğutulduğunda basınç düşer ve bunun sonucunda piston dönüş strokunda gazı tekrar sıkıştırmak için oluşan işin bir kısmını kullanır. Ortaya çıkan net iş mil üzerinde güç oluşturur. Çalışma gazı sıcak ve soğuk ısı eşanjörleri arasında periyodik olarak akar.Çalışma gazı piston silindirleri içinde yalıtılmıştır. O yüzden burada egsoz gazı yoktur. Diğer tip pistonlu motorlardan farklı olarak valflere ihtiyaç yoktur.
Adım 1
Adım 2
Adım 3
Adım 4
Bazı Stirling motorları soğuk ve sıcak depolar arasında geri ve ileri çalışma gazı hareketi için bir ayırıcı piston kullanır. Çoklu silindirlerin güç pistonlarının birbirine bağlı olması sayesinde silindirlerin farklı sıcaklıklarda tutulması ile çalışma gazı hareket eder.
Gerçek Stirling motorlarında bir rejeneratör, depolar arasına yerleştirilmiştir. Sıcak ve soğuk taraf arasında gaz çevrimi olurken, rejeneratörden bu ısı transfer edilir. Bazı tasarımlarda, ayırıcı piston rejeneratörün kendisidir. Bu rejenaratör Stirling çevriminin verimine katkı sağlar.
55 kW elektrik gücü sağlayabilen bir Stirling motoru ve jeneratör uygulaması
İdeal Stirling motor çevrimi aynı giriş ve çıkış sıcaklıkları için Carnot ısı makinesi olarak aynı teorik verime sahiptir. Termodinamik verimi buhar makinelerinden yüksektir. (veya basit haldeki bazı içten yanmalı ve dizel motorlardan)
Herhangi bir sıcaklık kaynağı Stirling motoruna güç sağlayabilir. Dıştan yanmalı motor, ifadesindeki yanma çoğu zaman yanlış anlaşılır.Isı kaynağı, yanma sonucu oluşabilir fakat, güneş enerjisi, jeotermal enerji veya nükleer enerji de olabilir. Aynı şekilde sıcaklık farkı yaratmak için kullanılan soğuk kaynak, çevre sıcaklığının altındaki değişik maddeler olabilir. Soğuk su veya soğutucu bir akışkan kullanımı ile soğutma sağlanabilir. Fakat soğuk kaynaktan elde edilecek sıcaklık farkının düşük olması daha büyük kütleler ile çalışılmasını gerektireceğinden, pompalamada oluşacak güç kaybı çevrimin verimini düşürecektir.Yanma ürünleri motorun iç parçaları ile temas etmez. Stirling motorunda yağlama yağı ömrü içten yanmalı motorlara göre daha uzundur.
Stirling motorunun uygulamada bazı avantaj ve dezavantajları vardır.
Avantajları [değiştir]
- Isı dış kaynaklıdır ve yakıt hava karışımının yanması daha doğru olarak kontrol edilebilir.
- Isı sağlamak için devamlı bir yanma prosesi kullanılır, bu yüzden yanmamış yakıt oranı büyük ölçüde düşürülür.
- Stirling motorları, kendilerine denk olan diğer motor tiplerinden daha az yağlama ve bakım gerektirir.
- Motor, diğer denk motorlara göre daha basit yapıdadır. Valf ihtiyacı duymaz. Yakıt ve iç sistemleri daha basittir.
- Oldukça düşük basınçta işletilebilir, böylece tipik buhar makinelerine göre daha emniyetlidir.
- Düşük işletme basıncı, daha hafif ve dayanıklı olmayan silindir kullanımına imkan verir.
- Denizaltıların kullanımı için, hava olmadan ve daha sessiz çalışabilme imkanı verir.
- Aircraft motoru olarak uygundurlar. Sessiz, daha az çevreye zararlı, verimli, güvenilir (basit parçalar ve yanma sistemi), daha az titreşim üreten ve patlama riski daha az yakıt kullanılabilmesi avantajlarına sahiptirler.
- Stirling motorları girişte ve çıkışta çalışma akışkanı içeren ısı eşanjörü gerektirir. Bu yakıt ekonomisinin sağlanması ve verimlilik optimizasyonu düşünülerek tasarım yapıldığında motorun maliyetini arttırır.
- Stirling motoru, özellikle de küçük sıcaklık farkları ile çalışanlar, ısı eşanjörü nedeni ile oluşturdukları gücün önemli bir kısmını kaybeder.
- Termal verimi maksimize etmek için soğutucu sıcaklığı mümkün olduğu kadar düşük tutulur, bu yüzden harcanan ısının kaybedilmesi güçlük yaratır. Bu sebep Stirling motorunun otomotiv sektöründe yaygınlaşamamasının faktörlerinden biridir.(Gerekli ısı ısıtma sisteminin yeterince motora kombine ve küçük ölçüde olamayışı.)
- Düz Stirling motoru çabuk olarak devreye giremez; sıcaklığın iyice yükselmesi gereklidir. Bu tüm dıştan yanmalı motorlar için geçerlidir fakat diğer dıştan yanmalı motorların ısısnma zamanı Stirling motorununkinden kısadır.
- Güç çıkışı, sabittir ve bir seviyeden diğerine geçmesi çabuk olarak mümkün olmaz.
- Hidrojenin düşük moleküler ağırlığı, onu Stirling motoru için en iyi çalışma gazı yapar. Fakat bu küçük moleküller, motor içinde muhafaza zorluğu ve ilave yardımcı sistemler gerektirir. Bu sistemler gaz kabı gibi basit veya gaz jeneratörü gibi daha karmaşık sistemler olabilir. Her durumda ilave ağırlık, maliyet artışı ve istenmeyen sorunlar oluşturacaktır.
Aeorodinamik, genel anlamda havanın kuvvetsel etkilerini inceleyen bilim dalıdır.K atı bir cisim etrafında akan hava veya hareketsiz duran hava içinde hareket eden katı cisim söz konusu olduğunda hava, aerodinamik kanunlarına uygun davranır. Havanın göreli hareketinden kaynaklanan kuvvetler taşıma ve sürükleme kuvvetleridir. direnç kuvvetleridir. Hava taşımacılığında bu iki kuvvet önemli yer tutarken kara nakil araçları için belli bir hıza kadar sadece direnç sürükleme kuvveti göz önüne alınır. Ancak çok hızlı araçlarda örneğin Formula 1 yarış arabalarında taşıma kuvveti (aracın yol tutuşuyla ilgili olarak) dikkate alınması gereken değerlere ulaşır. Kuvvetler, hızın karesi ile orantılıdır.
- Otomotiv sektörü'ndeki önemi:
- Otomobillerdeki kayıplar:
- Termodinamik kayıplar
- Transmisyon kayıpları
- Yuvarlanma kayıpları
- İvme kayıplarıdır.
Geometrik boyutları araç dış formuna bağlı direnç katsayısı (cw) belli olan bir araca herhangi bir hızda etkiyen direnç kuvveti hesaplanabilir. Örnek olarak ; hızı 30 m/sn (108 km/h) olan bir aracın rüzgara dik kesit yüzeyi 3m'kare olsun. Aracın direnç katsayısı Cw =0,45 ise bu araca etkiyen direnç şu şekilde bulunur :
- D=0,5 x d x Cw x A x V²
- d : Havanın yoğunluğu ( 1.255 kg/m³ )
- A : Aracın dik kesit alanı ( m² )
- V : aracın hızı ( m/sn ) dir.
- D= 0,5 x 1,255 x 0,45 x 3 x (30)²
- D= 762,4 Newton
Cw değeri bir cismin dış formu sebebiyle düzgün doğrusal akım içinde oluşturduğu süreksizlik ve girdaplar gibi akım bozuntularının sonucu ortaya çıkar. Dış form itibariyle cisim ne derece az bozuntuya sebep olursa direnç katsayısı ve buna bağlı olarak direnç kuvvetide o derece küçük olur. Görüldüğü gibi hızı ve geometrik boyutları belli olan bir aracın hava direnç kaybını azaltmanın tek yolu aracın dış formuna bağlı olan direnç katsayısı Cw'yi azaltmaktır. Cw değerinin azaltılması :
- Motor gücü sabit bir aracın daha yüksek hıza erişebilmesi
- Belli hıza çıkması istenen araca daha küçük motor takılabilmesi
Binek araçları için ekonomi açısından ikinci şık yarış arabalarında ise yüksek performans hedeflendiğinden birinci şık Cw değerinin önemini ortaya koyar.
Direnç katsayısı Cw'nin azaltılabilmesi için araç formları gün geçtikçe aerodinamikteki adıyla damla formuna benzetilmeye çalışılmaktadır. Damla formunun özelliği doğrusal akımda bilinen en az bozuntuya sebep olan yapı olmasıdır.
- Hava Direnç Katsayısını Azaltmak İçin Yapılan Çalışmalar :
- Binek araçlarında 0,25'e
- Otobüslerde 0,5'e
- Motosikletlerde 0,4'e
- Kamyonlarda ise 0,65'e
Hava akımı içinde akım yönüne dik olarak tutulan bir levha için bu değer 1.28, paraşütte 1.70, tabanca mermisinde 0.3, futbol topunda 0.29, yolcu uçaklarında 0.25, bomba ve yedek yakıt tankı taşımayan savaş uçaklarında 0.20 civarındadır.
Bu arada laboratuvar çalışmalarında bulunan sonuçların normal trafikte tespit edilenler ile uyuşmaması çoğunlukla rastlanan haldir. Çünkü araca etkiyen yan rüzgar, yük durumu vb. faktörler direnç katsayısına doğrudan tesir ederler.
Açık bir pencere, bagajdaki 20 kg'lık fazla yükün oluşturduğu yere yaklaşma veya kullanılan lastiklerin daha kalın olanlarıyla değiştirilmesi gibi hallerde direnç katsayısı değeri %10-12 artış gösterir. Küçük gibi görünen bu artışın ise yakıt sarfiyatının %5 yükselmesine neden olduğu tespit edilmiştir.
Aracın altındaki düzgünsüzlüklerin alt kaplama ile kamufle edilmesi halinde cw değeri 0.045 düşüş gösterir.Ön ve arka camların eğik dizayn edilmesi, aracın iç kısmını etkileyen güneş ışığı miktarının artmasına neden olur. Bunun doğuracağı yüksek sıcaklık problemine çözüm olarak cam imalatçı firmalar renksiz iki ince cam tabakası arasına altın veya gümüş metalden mikron mertebesinde film sıvayarak güneşin görünür dalga boyundaki ışınlarını geçiren fakat enfraruj ışınlarını yansıtan camlar geliştirmişlerdir. Bunun maliyeti ise normal cam maliyetinin % 50 üzerindedir.
Cw değerini azaltma çalışmalarının sonucu olarak şu söylenebilir : Geliştirilen farklı önlemler sayesinde direnç kaybı oldukça düşürülebilmiştir ve hatta daha da düşürülebilir ancak bu amaç için uygulanacak ilave önlemlerin doğurabileceği maliyet artışı cw değerinin küçültülmesi sonucu ortaya çıkacak avantajı aşacağından bu gibi önlemler şimdilik sadece deneme, geliştirme ve yarış gibi özel amaçlı araçlara uygulanabilmektedir. Binek otolarında cw değeri 0.25 ile 0.6 arasında değişirken bu tür numunelerde cw değeri 0.20'ye düşebilmektedir.
Bu konuda rekor 0.182 ile Mercedes'in C111 serisinin 1985'de geliştirdiği C111/4 modelindedir. Zaman değerlerini alt üst 1936 yapımı geliştirilmiş Mercedes W125 0.20'lik cw değeri ile damla formuna en yakın araçlardan biridir.
- Otomobil Üzerinde Oluşan Kaldırma Kuvveti :
Yüksek hızlı araçlarda aracın üst kaporta yüzeyinin kambur olması doğrusal akım karakteristiği taşıyan hava akımının ( V ) bu bölgede eğrilik sebebiyle hareket yönüne dik bir hız bileşeni kazanmasına ( V2 ) neden olur. Böylece yeni bileşen sayesinde daha büyük değere sahip bir bileşke hız vektörü ( Vb ) ortaya çıkar.
Hızdaki artışa paralel olarak aracın üstündeki basınç düşer. Aracın üstünde oluşan basınç düşmesi araca yukarıdan emme etkisi yapar. Bu etki oluşurken bir yandanda aracın altından giren hava aracı yukarıya kaldırmak için basınç uygulamaktadır. Bu kaldırma ve emme kuvvetleri aracın tekerleklerindeki ağırlık kuvveti etkisini azaltarak kumandanın zorlaşmasına bilhassa viraj halinde aracın kolaylıkla savrulmasına ve hatta yerden havalanıp takla atmasına neden olur.Bu sebeple yarış otomobillerinin alt yapısına eğrilik verilerek yere basma kuvvetini artırmaya çalışılmıştır. Buna rağmen tam bir başarı sağlanamamıştır. Şöyle ki : olanca hızıyla giden bir yarış arabasını rüzgar piste adeta yapıştırır, öte yandan arabanın karoseri rüzgar direncini asgariye indirecek şekilde biçimlendirilmiştir. Rüzgar bir yandan arabayı piste yapıştırırken, öte yandan arabanın altında oluşan hava cereyanı bir karşı güç oluşturur.
Öndeki otomobile fazla yanaşan bir yarış arabasının üzerindeki rüzgar baskısı azalır, çünkü rüzgarın esas baskısını öndeki otomobil karşılar. arkadaki otomobilin sürati artar ancak ön tekerlerin piste olan teması zayıflar.
Bu durumda saatte 300 km hızla giden araç birden bire açıkta kalıp esen rüzgarla karşı karşıya geldiğinde arabanın altından giren hava tekerlerin yerle olan temasını keser ve aracı havalandırır.
1999 yılında 24 saatlik Le Mans yarışında Mercedes ekibinin başına gelen bu olayla ekip yarışlardan çekilmek zorunda kalmıştır.
Normal binek araçlarında tehlike bu boyutlarda olmamaktadır yine de savrulma riski vardır. Porsche 1966'dan 1969'a kadar ürettiği 911 marka araçlarda ağırlık artırımı yaparak soruna pratik bir çözüm bulmuştur. Saatte 225 km hızla giden araçlarının ön tarafına döküm demir sağ ile sol tarafa birer akü koyarak aracın yere yapışmasını sağlamıştır. Teknik açıdan daha akıllıca çözüm ise spoiler kullanımı ile gelmiştir.
Kelime anlamıyla spoiler bozucu veya dağıtıcıdır. Yapılan laboratuar araştırmalarında aracın üstünden akan hava akımının kaportayı terk ettiği arka bölüme konulan spoiler bu bölgenin arkasında oluşturduğu hız düşüşü ve buna bağlı olarak ortaya çıkan basınç artışının araca ilave itme kuvveti sağladığı veya diğer bir deyişle aracın hava direnç kaybını azalttığını ortaya koymuştur Aracın ön tarafına konulan spoilerin ise rüzgarı yönlendirerek yukarı doğru basınç yapmasını ve böylece otomobilin ön kısmının havalanmasını engellemektedir.
Otomobillerde oluşan dirençler:
- Hava Direnci :
RH = 0,0047 .f .s . ( v ± vo )²
- RH = Hava direnci
- f = Aracın form katsayısı
- s = Aracın kesiti (m²)
- v = Aracın hızı (km/h)
NH = RH . υ = RH . v.75.270
- NH = Hava direncini yenmek için gereken güç ( HP )
- υ = Taşıt hızı ( m/sn )
- D = Hava direnci
- d = Havanın yoğunluğu
- Cw = f = Form katsayısı
- v = Hız
- s = Dik kesit
- Yuvarlanma Direnci :
Ry = G . f '
- Ry = Yuvarlanma direnci ( kg )
- G = Taşıt ağılığı
- f ' = Yuvarlanma direnç katsayısı
Ny = Ry . υ / 75 = Ry . v / 270 (HP)
Yuvarlanma Direnç Katsayılarına Etki Eden Faktörler
- Yol yapım malzemesinin cinsi , şekli ve durumu
- Lastik malzemesi , hava basıncı
- Taşıtın hızı
- Ön düzen açıları
- Lastik titreşimleri
Yolun Cinsine Göre Yuvarlanma Katsayıları
- Yokuş Direnci :
Rm = tan ά .G ( kg )
- Rm = Yokuş direnci (kg)
- G = Taşıt ağırlığı
Nm = Rm . v / 75 = Rm . v / 270 (Hp )
- İvme Direnci :
Newton'un ІІ. Atalet Prensibi : Bir cisme etki eden dış kuvvetlerin bileşkesi cisimde meydana gelen hareket miktarı değişimine eşittir.
Ri = G / g . a
- Ri = İvme direnci (kg )
- a = ivme
- G = Taşıtın ağırlığı ( kg )
- g = yerçekim ivmesi
Ni = Ri . v / 75 = Ri . v / 270
No comments:
Post a Comment