İş ve güç

İŞ VE GÜÇ 1.Termodinamikte iş ne demektir? Aşağıdaki şekle göre açıklayınız Termodinamikte iş, ısı geçişi gibi bir hâl değişimi sırasında sistemle çevresi arasındaki bir enerji alışverişidir.

Kapalı bir sistemle çevresi arasında sıcaklık farkının neden olmadığı enerji alışverişi, iş olarak tanımlanır. İş de ısı gibi bir enerji geçişinin biçimidir. Sistem tarafından yapılan iş artı, sistem üzerine yapılan iş eksi kabul edilir Bu kurala göre iş, bir sistem sınırını dönen bir mil, hareketli sınır, elektrik akımı vb. şeklinde geçebilir. Bu durumda bir otomobil motoru, su, buhar ve gaz türbini tarafından yapılan iş artı; bir kompresör, pompa veya elektrikli karıştırıcı (mikser) tarafından tüketilen iş de eksi olacaktır.

Başka bir deyişle, bir işlem sırasında üretilen iş artı, tüketilen iş eksi alınacaktır. Termodinamikte problemlerin çoğunda yapılan iş mekanik iştir.

2.Mekanik iş ne demektir? Yazınız.

Mekanik iş sistemin sınırının yer değiştirmesi veya sistemin bir bütün olarak hareket etmesi sonucu gerçekleşir. İş değişik biçimlerde gerçekleşebilir. Fakat hangi görünümde olursa olsun, iş bir kuvvetin belirli bir yer değiştirme sürecinde etkide bulunmasını gerektirir.

Mekanikte, F sabit kuvvetin etkide bulunduğu bir cisim, kuvvetin etkidiği yönde L uzunluğunda yer değiştiriyorsa yapılan iş; 3. Termodinamikte üzerinde duracağımız iş biçimleri nelerdir? Yazınız.

1.Hareketli sınır işi 2.Yerçekimi işi 3.İvme işi 4.Elektrik işi

W = İş, (Nm veya Joule) F : Kuvvet (Newton) (N) L : Yol (metre) (m)’dir.

5.Mil işi

4.Hareketli sınır işi ne demektir? Yazınız.

Hareketli sınır işi bir gazın piston-silindir düzeneğinde genişlemesi veya sıkıştırılması sırasında gerçekleşir. Bu işlem sırasında sınırın bir bölümü ileri-geri hareket eder.

Hareketli sınır işi, otomobil motorlarında yapılan en önemli iş türüdür. Genişleme sırasında yanma sonu gazları pistonu hareket ettirir, bu da krank milinin dönmesini sağlar.

5. Termodinamikte hareketli sınır işi nasıl hesaplanır? Açıklayınız.

Biz termodinamikte sistemin her an dengeli bir hâl değişimi gerçekleştirdiğini kabul ederek hareketli sınır işini inceleyeceğiz. Şekilde bir silindir ve pistonla sınırlandırılmış gazdan oluşan bir sistem görülmektedir. Yapılan işlem ideal bir işlem olarak kabul edilirse pistonun (Δx) kadar hareket etmesi sırasında sistem tarafından yapılan iş şu şekilde hesaplanır:

V1 = Piston ile Ü.Ö.N arasındaki hacimdir ve birimi (m³)tür.

V2 = Piston ile A.Ö.N arasındaki hacimdir ve birimi (m³)tür. d = Piston çapıdır ve birimi (m)dir.

L1 = Piston ile Ü.Ö.N arasındaki mesafe (kurs)dir ve birimi (m)dir.

L2 = Piston ile A.Ö.N arasındaki mesafe (kurs)dir ve birimi (m)dir. Burada iş birimi de J veya kJ’dür.

6.Hareketli sınır işinin P-V diyagramında gösterilişi nedir? Yazınız.

Şekilde görüldüğü gibi bir gazın 1. durumdan 2. duruma genişlemesine ilişkin P-V diyagramında, işlem sırasında basınç da değişmiştir. Bu işlem sırasında yapılan iş, 1-2 eğrisinin altında kalan alanla ifade edilir.

7.Yerçekimi işi ne demektir? Açıklayınız.

Yer çekimi işi, yer çekimi tarafından veya ona karşı yapılan iş olarak tanımlanır. Yerçekimi alanında bir cisim üzerinde etkiyen kuvvet: F=m.g bağıntısı ile verilir.

Burada m cismin kütlesi, g ise sabit kabul edilen yerçekimi ivmesidir.

Bu cismi Şekilee olduğu gibi z1 düzeyinden z2 düzeyine yükseltmek için yapılması gereken iş şu bağıntı ile gösterilir:

Burada (z2- z1) dikey yer değiştirmedir, birimi metre (m) olarak alınır.

Wy = Yer çekimi işi (J veya kJ) z1 = Başlangıçtaki yer değiştirmenin ilk hâlidir (m) z2 = Yer değiştirme sonrası son hâlidir (m) olarak alınır. m = Kütle (kg) g = Yerçekimi ivmesi (m/sn.²)dir.

8.İvme işi ne demektir? Yazınız.

Sistemin hızındaki değişmeyle ilgili işe ivme işi adı verilir.

Kütlesi m olan bir cismi başlangıçtaki C1 hızından C2 hızına getirmek için gerekli ivme işi, ivmenin tanımından ve Newton’un ikinci kanunundan belirlenir ve şu bağıntı ile ifade gösterilir.

Sistem iş yapıyorsa (sistem hızlanıyorsa), ivme işi artıdır. Sistem üzerinde iş yapılıyorsa (sistem yavaşlıyorsa) ivme işi eksidir.

Yerçekimi işinin işareti, gözlemle belirlenebilir. Eğer sistem iş yapıyorsa (sistem aşağıya doğru hareket ediyorsa) iş artıdır. Eğer sistem üzerinde iş yapılıyorsa (sistem yükseliyorsa) iş eksidir. Sistem üzerinde yer çekimi işi yapıldığı zaman sistemin potansiyel enerjisi artar.

Wi = İvme işi (J veya kJ) KE = Kinetik enerji (J veya kJ) m = Kütle (kg) C1 = Başlangıçtaki ilk hız (m/sn.)dır.

C2 = Son hız’dır. (m/sn.) olarak alınır.

9. Enerji, iş ve ısı birimlerinin çevirme çarpanları şunlardır: İş ve Güç Birimleri 1J 1 Nm 1 kJ 1000 J = 1000 Nm = 1 kPa.m3 1 kJ/kg 1000 m2/s 1 kWh 3600 kJ 1 kWh 102 kpm 1 kWh 860 kcal 1 cal 4,184 J

10. Bir A cismi 40 N’luk bir kuvvetle 8 m hareket ettiriliyor. Uygulanan kuvvet yol doğrultusunda ve sürtünmesiz bir ortamdadır. Yapılması gereken iş (enerji) kaç kJ’dür?

VERİLENLER F = 40 N L=8 m W=?

11. 3 kg havanın hacmi 900 kPa sabit basınç altında 0,3 m³ten, 0,175 m³e indirilmiştir. Sisteme verilen iş kaç kJ’dür?

VERİLENLER m = 3 kg P = 900 kPa V1 = 0,3 m³ V2 = 0,175 m³ W=?

12. Şekilde görülen piston-silindir düzeneğinde piston Ü.Ö.N’den 20 cm uzaklaşıncaya kadar 0 ºC sıcaklıkta ve atmosferik basınçta (atm) hava ile doldurulmuştur. Sabit basınçta tutulan hava daha sonra piston AÖN’ye gelinceye kadar genleştirilmiştir. Buna göre genleşme sürecinde basınç kuvvetlerinin işini hesaplayınız.

L1 = 20 cm = 0,2 m d = 80 cm = 0,8 m 1 atm = 101325 Pa W=?

L2 = 70 cm = 0,7 m t = 0 ºC P = sabit

13. Şekilde görülen 20 kg olan bir bavulu 1 m yukarı kaldırmak için yapılması gereken iş (enerji) kaç J’dür?

VERİLENLER: m = 20 kg g = 9,8 m/sn.² z2 = 1 m z1 = 0 PE = ?

14. Şekilde görülen 900 kg kütlesi olan bir arabayı duruştan 80 km/h hıza ulaştırmak için yapılması gereken iş (enerji) kaç kJ’dür?

VERİLENLER: m = 900 kg C1 = 0 C2 = 80 km/h KE = ?

15.Güç ne demektir? Sembolü ve birimi nedir? Hangi bağıntıyla ifade edilir? Yazınız.

Birim zamanda yapılan işe güç denir. Güç N sembolü ile gösterilir ve şu bağıntı ile ifade edilir: Güç birimi de watt (W) veya (kW)’tır. Güç birimi olarak beygir gücü (hp) de kullanılır. İki birim arasında çevirme çarpanı olarak 1 kW = 1,36 hp kullanılır.

N = Güç, (W veya kW) W = İş (J) veya (kJ) t = Zaman (s)

1 kW = 1,36 hp 1 BG = 0,7355 kW = 735,5 W

16. Motor indike gücü ne demektir? Hangi bağıntıyla ifade edilir? Yazınız.

Motor silindirleri içinde meydana gelen, piston üzerinden alınan güce indike güç denir.

Ni = İndike güç (kW) Pmi = Ortalama indike basınç, (kPa) dır.

Net işin kurs hacmine bölünmesi ile hesaplanır.

L = Pistonun aldığı yol (kurs) (m) A = Alan (m²)dir. Burada alan şu bağıntı ile hesaplanır: d = Piston çapıdır (m) n = Devir sayısı (dev/dk.) z = Silindir sayısı f= İş yapan çevrim sayısı (İki zamanlı motorlarda f=1; dört zamanlı motorlarda f=2 alınır.)

16. Motor efektif gücü ne demektir? Hangi bağıntıyla ifade edilir? Yazınız.

Motorun ana milinden (krank mili) alınan güce efektif güç denir.

Ne = Efektif güç (kW), Pme = Ortalama efektif basınç (kPa)dir.

Diğer semboller indike güçteki gibidir.

17. Motor içinde meydana gelen indike gücün (Ni) hepsini ana milden (krank mili) almamız mümkünmüdür?

Yazınız.

Mümkün değildir. Çünkü mekanik kayıplara uğrar. İndike güçten mekanik kayıpları çıkardığımız zaman efektif güç elde edilir. Bu ifadelere göre her zaman

18. Piston çapı 80 mm, kursu 70 mm, ortalama indike basıncı 700 kPa, ortalama efektif basıncı 640 kPa, devir sayısı 6000 dev/dk., silindir sayısı 4 ve dört zamanlı bir motorun indike gücünü ve efektif gücünü bulunuz.

Veriler : d = 80 mm = 0,08 m L = 70 mm = 0,07 m Pmi = 700 kPa Pme = 640 kPa n = 6000 d/dk. z = 4 Dört zamanlı Ni = ?

Ne = ?

19. Aşağıdaki şıklardan hangisinde sistem tarafından yapılan ve sistem üzerine yapılan işin işaret kuralı doğru verilmiştir?

A) eksi-artı B) artı-eksi C) artı-artı D) eksi-eksi 20. Birim zamanda yapılan işe ne ad verilir?

A) İş B) Kuvvet

C) Hız

D) Güç

21. Motor silindirleri içinde meydana gelen piston üzerinden alınan güce ne ad verilir?

A) Efektif basınç B) İndike basınç C) İndike güç D) Efektif güç 22. Motorun ana milinden (krank mili) alınan güce ne ad verilir?

A) İndike güç B) Efektif güç C) Efektif basınç

D) İndike basınç

23. Bir A cismi 30 N’luk bir kuvvetle 10 m hareket ettiriliyor. Uygulanan kuvvet yol doğrultusunda ve sürtünmesiz bir ortamdadır. Yapılması gereken iş (enerji) kaç kJ’dür?

A) 1,8kJ B) 2,9kJ C) 0,3kJ D) 0,7kJ 24. 8 kg havanın hacmi 700 kPa sabit basınç altında 0,4 m³’den, 0,190 m³e indirilmiştir. Sisteme verilen iş kaç J’dür?

A) -147000 J B) 147000 J C) -149000 J D) 149000 J 25. Örnek problem 3. Şekil’de görülen piston-silindir düzeneğinde piston ÜÖN’den 25 cm uzaklaşıncaya kadar 0 ºC sıcaklıkta ve atmosferik basınçta (atm) hava ile doldurulmuştur. Sabit basınçta tutulan hava daha sonra piston AÖN’ye gelinceye kadar genleştirilmiştir. Piston çapı 50 cm, L1 = 20 cm, L2 = 70 cm olduğuna göre genleşme sürecinde basınç kuvvetlerinin işi kJ olarak nedir?

A) 9,942 kJ B) 12,465 kJ C) 10,642 kJ D) 6,739 kJ 26. 20 kg olan bir bavulu 20 cm yukarı kaldırmak için yapılması gereken iş (enerji) kaç kJ’dür?

A) 0,0854 kJ B) 0,0457 kJ C) 0,0529 kJ D) 0,0392 kJ 27. 1250 kg kütlesi olan bir arabayı duruştan 90 km/h hıza ulaştırmak için yapılması gereken iş (enerji) kaç kJ’dür?

A) 400,425 kJ B) 390,625 kJ C) 581,876 kJ D) 125,363 kJ 28. Piston çapı 90 mm, kursu 90 mm, indike basıncı 10 kp/cm², devir sayısı 5500 d/dk., silindir sayısı 4 ve dört zamanlı bir motorun indike gücü nedir?

A) 140,356 BG B) 125.972 BG C) 139,876 BG D) 115,643 BG