Bir otomobil motoru, aldığı yakıtın kimyasal enerjisinin %30'unu mekanik işe dönüştürebilmektedir. 1000 J enerji alan bu motor için aşağıdakilerden hangisi yanlıştır?
A) 300 J mekanik iş yaparBir otomobil motorunun verimliliği ve enerji dönüşümleri, termodinamiğin temel yasalarıyla açıklanır. Bu soruda, motorun aldığı enerjinin ne kadarını işe dönüştürdüğünü ve ne kadarını ısı olarak kaybettiğini hesaplayarak, verilen ifadelerin doğruluğunu değerlendireceğiz.
Motorun aldığı toplam enerji (kimyasal enerji): $Q_{giriş} = 1000 \text{ J}$
Motorun verimliliği: $\eta = \%30 = 0.30$
Motorun verimliliği, yaptığı mekanik işin ($W_{çıkan}$) aldığı toplam enerjiye ($Q_{giriş}$) oranıdır. Formülü şu şekildedir:
$\eta = \frac{W_{çıkan}}{Q_{giriş}}$
Buradan yapılan mekanik işi hesaplayabiliriz:
$W_{çıkan} = \eta \times Q_{giriş}$
$W_{çıkan} = 0.30 \times 1000 \text{ J} = 300 \text{ J}$
Bu ifade doğrudur.
Termodinamiğin birinci yasasına (enerjinin korunumu yasası) göre, bir sisteme giren enerji, sistemin yaptığı iş ve sistemden çıkan enerji (genellikle ısı olarak) toplamına eşittir. Yani:
$Q_{giriş} = W_{çıkan} + Q_{çıkan\_ısı}$
Burada $Q_{çıkan\_ısı}$ çevreye verilen ısı enerjisidir. Hesapladığımız $W_{çıkan}$ değerini yerine koyarsak:
$1000 \text{ J} = 300 \text{ J} + Q_{çıkan\_ısı}$
$Q_{çıkan\_ısı} = 1000 \text{ J} - 300 \text{ J} = 700 \text{ J}$
Bu ifade de doğrudur.
Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin korunumu ilkesidir. Enerji yoktan var edilemez, vardan yok edilemez, sadece bir formdan başka bir forma dönüşebilir. Motorun aldığı 1000 J enerjinin 300 J'u işe, 700 J'u ise ısıya dönüşmüştür. Toplamda $300 \text{ J} + 700 \text{ J} = 1000 \text{ J}$ olup, giren enerjiye eşittir. Bu durum, enerjinin korunduğunu ve dolayısıyla Termodinamiğin birinci yasasına uyulduğunu gösterir.
Bu ifade doğrudur.
Termodinamiğin ikinci yasası, ısı motorlarının verimliliği ile ilgili önemli bir sınırlama getirir. Bu yasa, hiçbir ısı motorunun %100 verimle çalışamayacağını, yani aldığı ısının tamamını işe dönüştüremeyeceğini, bir kısmını mutlaka çevreye ısı olarak atması gerektiğini belirtir (Kelvin-Planck ifadesi). Eğer bir motor %100 verimli olsaydı veya hiç ısı atmasaydı, o zaman Termodinamiğin ikinci yasasına aykırı olurdu.
Motorumuzun verimliliği %30'dur ve enerjinin %70'ini ısı olarak çevreye vermektedir. Bu durum, Termodinamiğin ikinci yasasının öngördüğü bir durumdur; yani motorun %100 verimli olmaması ve ısı atması, bu yasaya uygun bir davranıştır. Dolayısıyla, motorun Termodinamiğin ikinci yasasına aykırı olduğu ifadesi yanlıştır. Tam aksine, bu motor ikinci yasaya uygun bir şekilde çalışmaktadır.
Yukarıdaki analizler sonucunda, yanlış olan ifade D seçeneğidir.
Cevap D seçeneğidir.
