Bir sistemin iş yapabilme kapasitesi maksimum hangi seviyeye kadar çıkabilir?

Merhaba

Bir sistemin iş yapabilme kapasitesi enerjiyle ilgilidir, lakin bunun bütün sistemler için geçerli tek bir üst sınırı yoktur. Üst sınır sistemin sahip olduğu enerjiye, çevre koşullarına ve enerjinin hangi biçimde bulunduğuna göre değişir. Sistem, sahip olduğundan veya dışarıdan aldığından daha fazla enerjiyi iş olarak ortaya çıkaramaz. Burada toplam enerji ile kullanılabilir enerjiyi ayırmak gerekir. Bir sistemin içinde hala enerji bulunabilir fakat bu enerji artık işe çevrilemeyebilir. Örneğin sıcak bir cisim çevresine ısı vererek iş üretme imkanı sağlayabilir ve cisim çevreyle aynı sıcaklığa geldiğinde enerjisi tamamen yok olmaz, sadece iş yapmayı sağlayacak sıcaklık farkı ortadan kalkar. Bir sistemden elde edilebilecek en yüksek faydalı işe termodinamikte “ekserji” denir. Bu üst sınıra ancak kayıpların bulunmadığı ideal bir süreçte yaklaşılabilir. Gerçek sistemlerde sürtünme, ısı kaybı ve entropi artışı bulunduğu için elde edilen iş her zaman bu değerin altında kalır. Saygılarımla.

Bu konu termodinamiğin en önemli konularından birisi. Bir sistemin ikinci kanun analizini yaparak ekserjisini(enerjinin faydalı iş üretebilen kısmına ekserji denir kabaca) bulabiliriz. Sistemin iş yapış biçimine göre maksimum iş kapasitesine farklı isimler veriliyor termodinamikte. Eğer izantropik bir enerji dönüşüm varsa (ısıyı işe çeviren bir sistem tasarlıyorsanız genelde izantropiktir) bu sistemin maksimum verimini "Carnot Verimi" olarak bulabilirsiniz. Bir jet motorunun, otomobil motorunun, klimanın vs. maksimum ideal iş kapasitesi bu yöntemle hesaplanabilir. 

Eğer izotermal bir dönüşüm varsa basıncın veya hacmin sabitliğine göre "Gibbs serbest enerjisi" veya "Helmholtz serbest enerjisi" hesaplanarak iş kapasitesi bulunur. Örneğin bir bataryanın kimyasal enerjisini elektrik enerjisine çevirmesi izotermal bir kimyasal tepkime olarak modellenebilir. Bu durumda sıcaklıkla birlikte ortam basıncınıda sabit kabul ederek batarya dönüşüm verimini ideal maksimum noktasında "Gibbs Serbest Enerjisi" olarak hesaplayabilirsiniz.

Yine örneğin amacınız ses dalgasının yapabileceği işi bulmak ise bu durumda da sıcaklıkla birlikte hacmi sabit varsayarak "Helmholtz Serbest Enerjisini" bularak bir kestirim yapabilirsiniz. Bu yöntem mesela egzoz veya ateşli silah susturucularının tasarımında kullanılıyor.

Tüm bunlara ek olarak işin göreli mekanik olarak da gidebileceği yerler var, nükleer iş veya kütle-enerji denkliği gibi yerlere gitmeye temel termodinamiği daha oturtmadan gitmenin anlamı yok.