Termodinamiğin Temelleri Claus Borgnakke

Önsöz

Bu sekizinci baskıda önceki basımların temel amacı korundu:
• Klasik termodinamiğin kapsamlı ve sıkı bir uygulamasını sunarken mühendislik
perspektifini korumak ve bunu yaparken,
• Akışkanlar mekaniği, ısı transferi ve istatistiksel termodinamik gibi alanlarda sonraki
izleyen çalışmaların temellerini atmak ve ayrıca
• Öğrenciyi mühendislik uygulamalarında termodinamiği etkin bir şekilde kullanmaya
hazırlamak.

Sunum kasıtlı olarak öğrencilere yönelik hazırlanmıştır. Yeni kavramlar ve tanım-
lar, ilk olarak doğal ilerlemeyle bağlantılı olarak sunulmaktadır. Giriş, yeniden düzen-
lenmiş ve çok kısa bir girişin ardından kolaylıkla ölçülebilen ilk termodinamik özelikler

verilmiştir (Bölüm 1): basınç, özgül hacim ve sıcaklık. 2. Bölümde, bu ölçülebilir öze-
likler açısından termodinamik özeliklerin tabloları verilmiştir. İç enerji ve entalpi, enerji

denklemi ve birinci yasayla bağlantılı olarak, ikinci yasa ile entropi ve Helmholtz ve

Gibbs fonksiyonlarını termodinamik ilişkiler bölümünde bulabilirsiniz. Öğrenciye termo-
dinamiğin anlaşılmasında yardımcı olması için birçok gerçek dünya gerçekçi örnekleri

dahil edilmiştir ve her bölümün sonunda yer alan problemler konu ile ilişkilendirilmek
üzere özenle dizilmiş ve gruplanmış ve böyle tanımlanmıştır. Özellikle ilk bölümlerde

örnekler, resimler ve problemler çok sayıda bulunmaktadır ve kitap boyunca bölüm son-
larında özetler ve ardından öğrencilere fayda sağlayacak bir dizi kavram / çalışma rehberi

problemi yer almaktadır.
Bu, bu kitabın daha önceki sürümlerine büyük ölçüde katkıda bulunan meslektaşım
ve ortak yazarım olan Profesör Richard E. Sonntag’ın düşünceleri olmadan hazırladığım
ilk baskı. Son otuz yıldır birlikte çalışma ayrıcalığımın keyfini çıkardığım arkadaşım ve
güvenilir meslektaşımla işbirliği ve verimli tartışmalar için minnettarım. Profesör Sonntag,
geniş bilgi ve tecrübesini, bu kitabın önceki basımlarındaki karşılıklı çalışmalarımız ve
çeşitli araştırma projeleri ile birlikte cömertçe paylaştı, doktora öğrencilerine danışmanlık

yaptı ve bölümümüzde genel mesleki görevler üstlendi. Meslektaşımın katkılarından dola-
yı Profesör Sonntag bu sayının ortak yazarı olarak hâlâ öne çıkmaktadır.

BU BASIMDAKİ YENİ ÖZELLİKLER
Bölüm Yeniden Düzenlemesi ve Düzeltmeleri
Son baskıdaki giriş ve ilk beş bölüm tamamen yeniden düzenlendi. Çok kısa bir tanıtımın
ardından, bazı arka plan tanımlamaları fizik, termodinamik özelikler ve birimler bunların
hepsi yeni Bölüm 1 içerisindedir. Analiz için araçlara sahip olmak için, önceki baskının
sunum sırası korunmuştur; bu nedenle saf maddelerin davranışı Bölüm 2’de sunulmuştur;

viii ÖNSÖZ

katı, sıvı ve gaz faz davranışı için farklı kısımların hafifçe genişlemesi ve ayrılması sağlan-
mıştır.Düşük yoğunluklu bir buhar için limit bir davranış olarak mükemmel gaz bölgesinde

bulunduğunu göstermek için bazı yeni şekiller ve açıklamalar eklenmiştir.
İş ve ısı ile ilgili tartışma, Bölüm 3’te enerji denklemiyle birlikte ele alınarak, enerji

kütlesi için başka bir yerde bir kütle ile enerji alışverişi nedeniyle enerjinin nasıl değişe-
bildiğini anlatan enerji transfer koşullarını vurgulamaktadır. Enerji denklemi, bir kontrol

hacmindeki enerjiyi muhasebeleştiren temel bir prensip olarak bir kontrol kütlesi için önce
sunulmuştur.

Depolamanın değişimi = içeriye transfer – dışarıya transfer

Bölüm, enerji depolamasını, kütle ve yapısıyla ilişkili çeşitli iç enerjiler olarak, enerjinin
nasıl depolandığını daha iyi anlamak için tartışıyor. Bu ayrıca, iç enerjinin ve entalpinin
neden sıcaklıkla lineer olmayan şekilde değişebileceğini anlamamıza yardımcı olur; bu
da sabit olmayan özgül ısılara neden olur. Makroskobik potansiyel ve kinetik enerji daha
sonra doğal olarak toplam enerjinin elde edilmesinde iç enerjiye eklenir. Genellikle enerji
denklemiyle eşanlamlı olarak kabul edilen termodinamiğin birinci yasası, çevrimsel bir
prosese uygulanan enerji denkleminin doğal bir sonucu olarak gösterilir. Bu bağlamda,

mevcut sunum, önceki basımlarda sunulan tarihsel gelişmeden ziyade modern fiziği izle-
mektedir. Enerji depolamayla ilgili tartışmalar yapıldıktan sonra, enerji denkleminin sol

tarafı, transfer terimleri iş ve ısı transferi tartışıldığı için, sunumun tamamı önceki ba-
sımlardan daha kısadır. Bu, enerji denkleminin gerçek sistemlere uygulanmasından önce,

hazırlama işlemi için kullanılan bilgilere daha az zaman harcanmasını sağlar.
Kütle, momentum, enerji ve entropi için tüm denge denklemleri, temel prensiplerin
tekdüzeliğini göstermek ve yalnızca ezberlenen değil, kavramın anlaşılan bir şey haline
getirilmesi için aynı formatı izlemektedir.
Termodinamiğin birinci ve ikinci yasaları için enerji denklemi ve entropi denklemi
adlarını evrensel olarak geçerli oldukları için değil, sadece termodinamik alanında değil

fakat ayrım yapılmaksızın çalışılan her durum ve alan için de uygulanabilecek olmasın-
dandır. Açıkça görülüyor ki, özel durumlarda, bu kitapta çok az ele alınan konuların geniş-
letilmesine, örneğin damlalar veya küçük gözeneklerde sıvı için yüzey gerilimin etkileri,

görecelik ve nükleer prosesler gibi, gereksinim duyulur.

Genel bir kontrol hacmine uygulanan enerji denklemi, çok akışlı cihazları da kapsa-
yan bir bölüm eklenerek bir önceki basımdan korunmuştur. Yine, bu, araştırılan sistemlere

temel ilkeleri uygulayarak yapılan analizlerle öğrencileri kuvvetlendirmek için yapılmıştır.
Bu, genel yasaların asıl matematiksel formunun, sistemin taslaklarını ve şekillerini izlediği
anlamına gelir ve analiz, metinde uygun bir formül bulmakla ilgili bir soru değildir.

Entropi denkleminin genelliğini göstermek için, Bölüm 6’da gösterilen ısı motor-
larına ve ısı pompalarına enerji ve entropi denklemlerinin uygulandığı küçük bir örnek

sunulmuştur. Bu, Bölüm 5’deki ikinci yasanın tarihsel sunumunun, entropi denklemi ve

mutlak sıcaklık ölçeğinin var olması önermeleri ile tamamen değiştirilebileceğini göster-
mektedir. Carnot çevrimi verimliliği yanında, temel genel yasaları takip ederek gerçek

cihazların daha düşük verime sahip olması gerçek bir sonuçtur. Ayrıca, daha yüksek bir
sıcaklık bölgesinden daha düşük bir sıcaklık bölgesine doğru ısı transferinin yönü, pozitif
bir entropi üretiminin gerekliliği yüzünden, entropi denklemi ile öngörülür. Bunlar, genel
kanunların belirli durumlarda uygulanmasını gösteren ve öğrencinin konuyu anlamasını
geliştiren örneklerdir.

ÖNSÖZ ix
Bölümlerin geri kalan kısmı, öğrencinin materyali (konuları) anlamasını geliştirmek
için güncellendi. Kullanılabilirlik kelimesi, genel bir kavram olarak, orijinal tanıma tam

olarak uymuyor olsa da ekserji ile değiştirildi. Çevrimlerle ilgili bölümler, belirli çevrim-
ler için birkaç ayrıntıyla ve teoriyi gerçek sistemler ile endüstriyel uygulamaları teoriyle

ilişkilendirmeyi göstermek üzere, bazı ayrıntılarla genişletildi. Aynı şey, yanma entalpisi
gibi terimlerin daha soyut tanımında açıkça görülemeyecek olan şeylerin, ne olduğunun
temel fiziğinin anlaşılmasını vurgulamak üzere yanma ile ilgili Bölüm 13’te de yapılmıştır.
Web Tabanlı Materyal
Kitap için Wiley’in web sitesinde birkaç yeni belge bulunmaktadır. Aşağıdaki materyaller

öğrenciler için erişilebilir olacak ve ilave materyal dersin öğretim üyeleri için bulunduru-
lacaktır.

Klasik termodinamik için notlar. Çok kısa bir not seti, genel yasalarla (süreklilik, enerji
ve entropi denklemleri) ve cihaz denklemleri, işlem denklemleri gibi belirli yasalardan
bazıları ile temel termodinamik analizi kapsar. Bu, yoğun bir şekilde kapsamlı bir sunum
yapması nedeniyle, dersi gözden geçirme veya sınav hazırlığı için öğrenciler için yararlıdır.
Çok kısa bir not seti, genel yasalar (süreklilik, enerji ve entropi denklemleri) ve cihaz
denklemleri, proses (işlem) denklemleri gibi özel yasaların bazıları ile temel termodinamik

analizi kapsar. Bu, yoğun bir şekilde kapsamlı bir içerik sunulması nedeniyle, dersin göz-
den geçirilmesi veya sınav hazırlığında öğrenciler için yararlıdır.

Genişletilmiş çalışma örnekleri seti. Bu bölüm, öğrencilerin çalışmak için ek örnekleri
içerir. Bu örneklerin, kitapta basılan örneklerden biraz daha uzun ve ayrıntılı çözümleri
vardır ve bu nedenle kendi kendine çalışma için mükemmel bir çözümdür. Her bölümde,

bölümlerdeki anlatılan konuların çoğunu kapsayan yaklaşık sekiz SI birimi problemi bu-
lunmaktadır.

Nasıl yapılır notları. Sık sorulan sorular, ayrıntılı cevaplarla kitaptaki konu alanlarının
her biri için listelenmiştir. Bunlar kitapta yanıtının bulunması zor olan sorulardır. Örnekler:
B-bölüm tablolarında R-410A için belirli bir hali nasıl bulabilirim?
Doğrusal enterpolasyon nasıl yapılır?
Enerji denkleminde iç enerji (u) veya entalpi (h) kullanmalı mıyım?
Mükemmel gaz yasasını ne zaman kullanabilirim?
Öğretim üyesi materyali. Eğitmenler için materyal, termodinamiğin birinci ve ikinci

dersleri için verilen ders programını ve ev ödevlerini kapsar. Buna ek olarak, tipik Termo-
dinamik I ve Termodinamik II dersleri için iki standart 1 saatlik ara sınav ve 2 saatlik bir

final sınavı örnekleri verilmektedir.
YEDİNCİ BASIMDAN SÜRDÜRÜLEN ÖZELLİKLER
Konu İçi Kavram Soruları
Metinde yer alan kavram soruları, öğrencinin yeni sunulan materyal üzerine düşünmesine
izin vermek için materyalin ana bölümlerinden sonraki kısımda yer almaktadır. Bu sorular,
öğrenciler için hızlı biçimde kendini test etmeleri veya öğretmenler tarafından kapsanan
konuların her biri için kavranmasının denetiminde kullanılmak üzere hazırlanmıştır ve
çoğu materyalin hafıza olgusu (ezber) olmadan anlaşılmasını sağlar.

x ÖNSÖZ

Bölüm Sonu Mühendislik Uygulamaları
Her bölümdeki “Mühendislik Uygulamaları” adı verilen son bölüm güncellenmiş çizimler
ve birkaç örnekle revize edilmiştir. Bu bölümlerin motivasyona yönelik olması, çoğunlukla
bu belirli bölüm materyalinin gerçek mühendislikte nasıl kullanıldığına dair bilgilendirici
örneklerden oluşması amaçlanmıştır. Bu bölümlerin büyük çoğunluğunda denklemler veya
teori oluşturma ile ilgili herhangi bir materyal bulunmamakla birlikte, bölüm materyalinin
mühendislik analizi ve tasarımı ile ilgili olduğu birkaç gerçek fizik sisteminin şekil ve
açıklamalarını içermektedir. Bu bölümler kasten kısa tutulmuş ve gösterilen cihazlar ile
ilgili tüm ayrıntıları açıklanmamıştır, ancak okuyucu uygulamalar hakkında nispeten hızlı
bir fikir edinebilir.
Bölüm Sonu Özetleri ileTemel Kavram ve Eşitlikler

Bölüm sonundaki özetler, vurgulanan anahtar kelimelerle bölümde kapsanan ana kavram-
ların bir incelemesini sağlar. Özeti daha da geliştirmek için, öğrencinin bölüm okuduk-
tan sonra hakim olması gereken becerilerin bir listesi sunulmuştur. Bu beceriler, ev ödevi

problemlerinin ana grubuna ek olarak birlikte verilen kavram-çalışma rehberi problemleri
kümesiyle test edilebilen sonuçlar arasındadır. Temel kavram ve eşitlikler içerik özetinden
sonra eklenmiştir ve bunların bir koleksiyonu Wiley web sitesinde bulunacaktır.
Kavram Çalışma Rehberi Problemleri
Ek kavram sorular, bölüm sonundaki ev ödevi problemlerinin ilk bölümündeki problemler
olarak yer almaktadır. Bu problemler, metin içi kavram sorularına benzer ve her bölüm
için çalışma rehberi problemleri olarak amaçlanmıştır. Bölüm konularını hızlı bir şekilde
kontrol etmek için sayılarla ilgili ödev problemlerine biraz benzerler. Bu sorular kısadır ve

çok özel kavramlara yöneliktir. Öğrenciler, bu soruların hepsine, anlayış düzeylerini de-
ğerlendirmek ve konuların herhangi birinden daha fazla çalışılması gerekip gerekmediğini

belirlemek için yanıtlayabilirler. Bu problemler diğer ev ödevi sorularla birlikte kullanmak
için de uygundur ve tüm çözümler, çözüm el kitabına dahildir.
Ev Ödevi Problemleri
Ev ödevi problemlerinin sayısı şimdi birçok yeni ve değiştirilmiş problemle birlikte 2000’i

aşmaktadır. Çok sayıda giriş problemi, bölüm konularının tüm özelliklerini kapsar ve be-
lirli bölümlere göre kolay seçim için konu bölümlerindeki kapsama göre listelenmiştir.

Genellikle giderek daha karmaşık ve ilgili olmaları sağlanmıştır.Birçok bölümdeki daha

sonraki problemler, gerçek endüstriyel prosesler ve cihazlarla ilgilidir ve genel tekrar prob-
lemleri olarak, daha kapsamlı problemler korunmuş ve gruplanmıştır.

Tablolar

Maddelerin tabloları yedinci baskıdan alternatif soğutkan R-410A, R-22’nin yerine ge-
çen, ve doğal bir soğutkan olan karbon dioksit ile geliştirilmiştir.Yazılımda birkaç madde

daha dahil edilmiştir. Mükemmel gaz tabloları, birim kütle için olduğu gibi, birim mol
için de verilmiştir. Kitabın giriş konularında kütle temelinde kullanımlarında ve yanma ve
kimyasal denge bölümleri için mol temelinde kullanımlarında kullanılabilecek yapıdadır.

ÖNSÖZ xi

Sunulan Yazılım

CATT3 yazılımı, Ek B’deki basılı tablolara ek olarak bir takım ek maddeler içerir.Yazılı-
mın komple tabloları sağlayabileceği mevcut maddeler şunlardır:

Su (soğutma grubu) Soğutkanları: R-11,12,13,14,21,22,23,113,114,123,134a,
152a, 404a, 407c, 410A, 500, 502, 507a ve C318
Kriyojenik soğutkanlar: Amonyak, argon, etan, etilen, izobütan, metan,

neon, azot, oksijen ve propan

Mükemmel Gazlar: Hava, CO2, CO, N, N2, NO, NO2, H, H2, H2O, O,

O2 ve OH

Az önce bahsedilen maddelerin özeliklerinin yanı sıra, yazılım asentrik faktörle ar-
tan doğruluk için bir uzantı da dahil olmak üzere, Lee-Keslers’in denklemini kullanarak

psikrometrik diyagramı ve sıkıştırılabilirlik ve genelleştirilmiş diyagramları sağlayabilir.

Yazılım ile ayrıca, kitap içeriğinde sunulan şematik diyagramların yerine, gerçek hal deği-
şimi eğrilerini veren T–s ve log P ve log v diyagramlarında sınırlı sayıda proses çizebilir.

KAPSAM VE AMAÇTA ESNEKLİK
Kitap, klasik termodinamiğin temel konularını kapsamlı bir şekilde ele almaya çalışıyor ve
termodinamiğin çeşitli meslek alanlarına uygulanmasının yanı sıra termodinamiğin daha
ileri konularının, örneğin malzeme, yüzey olayı, plazma ve kriyojenik ile ilgili olanlar gibi,
incelenmesinin çalışılması için yeterli hazırlık sağladığına inanıyorum. Ayrıca, okulların
bazısı tüm bölümler için termodinamik konusunda tek bir giriş dersi verdiğini biliyorum ve

değişik mühendislik bölümlerinin böyle bir derste olmasını isteyeceği çeşitli konuları içer-
mesine gayret ettim. Bununla birlikte, belirli özgün dersler ön koşullara, belirli hedeflere,

süreye ve öğrencinin arka planına bağlı olarak önemli değişiklik gösterdiğinden, sunulan

materyal bölümlerde, özellikle de sonraki bölümlerde düzenlendiği için, konu içerik mik-
tarında kayda değer esneklik bulunmaktadır.

Kitap, konu içeriğinin spesifik seçimlerinde esneklik sağlayan iki yarıyıl ders biçimi
için gerekli olandan daha fazla anlatım ve sunumu kapsamaktadır. Öğretmenler olası kurs

yapısı ve programlaması hakkında bilgi ve öneriler için www.wiley.com/college/borgnak-
ke adresindeki yayıncının web sitesini ziyaret etmek isteyebilir ve kitaba ilişkin güncel

yanlışlar eklenecek şekilde güncellenecek olan Web materyali için de site ziyaret edilerek
bu ek materyalden yararlanabilir.
TEŞEKKÜR
Hem Michigan Üniversitesi hem de başka ülkelerdeki birçok meslektaşımın önerilerini,
tavsiyelerini ve teşvikini takdirle karşıladım. Bu yardım, kitabın daha önceki sürümleri
ile olduğu gibi bu basımın yazarlığı sırasında bana çok yararlı olmuştur. Hem lisans hem
de yüksek lisans öğrencileri, özellikle alakalı sorular metinin belirli bir bölümünü yeniden

yazmaya veya yeniden düşünmemize ya da bu tür soruların veya zorlukları ön plana çıkar-
mak için materyali sunmanın daha iyi bir yolunu geliştirmeye çalıştığım için, özellikle yar-
dımcı olmuştur. Hem lisans hem de lisansüstü öğrenciler özel olarak yardımda bulunmuş-
lardır; çünkü kapsayıcı soruları genellikle metnin belirli bir bölümünü yeniden yazmaya

veya yeniden düşünmemize veya materyali bu gibi soruları veya zorlukları öngörmek için

xii ÖNSÖZ

daha iyi bir şekilde sunmaya çalışmamızı sağlamıştır.Son olarak eşimin ve ailenin teşviki
ve sabrı öncelikli olup ve bu projenin olumsuz baskılarına rağmen yazma zamanını keyifli
ve zevkli hale getirmiştir. Kitabın daha önceki sürümlerini gözden geçiren ve revizyonlarla
giriş sağlayan diğer kurumlardaki çok sayıdaki meslektaşlarıma özel teşekkürler.
Değerlendirme yapan meslektaşlarımın bazıları:
Ruhul Amin, Montana State University
Edward E. Anderson, Texas Tech University
Cory Berkland, University of Kansas
Eugene Brown, Virginia Polytechnic Institute and State University
Sung Kwon Cho, University of Pittsburgh
Sarah Codd, Montana State University
Ram Devireddy, Louisiana State University
Fokion Egolfopoulos, University of Southern California
Harry Hardee, New Mexico State University
Hong Huang, Wright State University
Satish Ketkar, Wayne State University
Boris Khusid, New Jersey Institute of Technology
Joseph F. Kmec, Purdue University
Roy W. Knight, Auburn University
Daniela Mainardi, Louisiana Tech University
Randall Manteufel, University of Texas, San Antonio
Harry J. Sauer, Jr., Missouri University of Science and Technology
J. A. Sekhar, University of Cincinnati
Ahmed Soliman, University of North Carolina, Charlotte
Reza Toossi, California State University, Long Beach
Thomas Twardowski, Widener University
Etim U. Ubong, Kettering University
Yanhua Wu, Wright State University
Walter Yuen, University of California at Santa Barbara
Ayrıca, yeni editör Linda Ratts’ı selamlamak ve bu baskının üretimi sırasında teşvik ve
yardımı için teşekkür etmek istiyorum.
Umarım bu kitap, termodinamiğin etkili öğretilmesine mesleki kariyerlerinde çok

önemli zorlukları ve fırsatları olan öğrencilere katkıda bulunacaktır. Yorumlarınız, eleşti-
rileriniz ve önerileriniz de takdir edilecektir ve bunları claus@umich.edu adresinden bana

iletebilirsiniz.

CLAUS BORGNAKKE
Ann Arbor, Michigan