Carnot çevriminin pratik uygulamaları: Termik santral

Carnot çevrimini şu ana kadar sadece varsayımsal bir tarif olarak ele aldık. Bu başlık altında, pratik bir örnek vermek adına, Carnot’nun tarifinden yola çıkarak termik santrallerin nasıl elektrik ürettikleri üzerinde duracağız.

Öncelikle, kısaca elektrik üretimi üzerinde duralım. Elektrik üretiminin temelinde, İngiliz bilim insanı Michael Faraday’ın günümüzden yaklaşık 200 yıl önce keşfettiği bir işleyiş yatıyor. Konunun dışına çıkmamak için fazla ayrıntıya girmeden bu işleyişi basitçe tarif etmeye çalışalım. İletken bir çubuk içinden elektrik akımı geçtiğinde, çubuğun çevresinde bir miktar manyetik alan oluştuğunu, fizik derslerinden muhtemelen hatırlıyorsunuzdur. Bu etkinin farkında olan Faraday, bu işleyişi ters yöne çevirmek için, yani iletken çubuğu manyetik alan içine yerleştirerek, çubuk üzerinde elektrik akımı yaratmak için bazı deneyler yapıyor. Bulduğu sonuç ise oldukça ilginç: çubuk manyetik alan içine yerleştirildiğinde çubukta herhangi bir elektriklenme meydana gelmiyor. Fakat çubuğu manyetik alan içinde hareket ettirmeye başladığında, çubukta elektrik akımı oluştuğunu fark ediyor. Diğer bir deyişle, elektrik akımı oluşturmak için iletken cisim üzerine etki eden manyetik alanın büyüklüğünün değişmesi gerektiğini, sabit büyüklüğe sahip bir alanın elektrik üretemeyeceğini keşfediyor. Faraday’ın 1831 yılında keşfettiği bu etkiye elektromanyetik indükleme (İngilizce: electromagnetic induction) adını veriyoruz.

Bu etki, günümüzde faaliyette olan hemen hemen bütün elektrik santrallerinin ana iskeletini oluşturuyor: Elektrik üretmek için iletken bir malzemeye sürekli değişen miktarda manyetik alan uygulanması; yani, iletken malzemenin mıknatıslar arasında hareket ettirilmesi gerekiyor. Bu da, iletken bir malzemeyi büyük mıknatısların içinde döndürerek sağlanıyor. Elektrik üretiminin temeli, bu döndürme hareketinde yatıyor. Fakat, işler bu noktada biraz karmaşık bir hal almaya başlıyor. Çünkü bu döndürme hareketini yaratabilmek için, iş yapabilen bir motor olması gerekiyor: yani elektrik üretmek için halihazırda çalışan bir makineye daha ihtiyaç duyuluyor.

Termodinamik işte bu noktada devreye giriyor. Termik santrallerde bu döndürme hareketi, büyük bir buhar türbini (İngilizce: steam turbine) içinden su buharının genleşerek geçmesiyle elde ediliyor. İçinden buhar geçmesiyle dönmeye başlayan buhar türbini, bir rotorla türbine bağlı iletken malzemenin de mıknatıslar içinde dönmesini sağlıyor.

Resim: Buhar türbini, Markus Schweiss, Creative Commons (CC BY-SA 3.0)

Şimdi bu buharın nereden geldiğine ve türbin içinden geçtikten sonra nereye gittiğine bakalım. Aşağıdaki resimde, bir termik santralin temel işleyiş prensibi, şematik bir şekilde gösteriliyor. Su buharı türbin içinden geçerek türbini döndürdükten sonra bir soğutucu tarafından tekrar sıvı faza, yani suya dönüştürülüyor. Oluşan su, bir pompa vasıtasıyla ısıtıcıya doğru gönderildikten sonra tekrar buharlaştırılıp türbini döndürmeye devam ediyor.

Termik santrallerdeki bu çevrim, Carnot’nun tarifine mümkün olduğunca yakın bir işleyişle gerçekleşiyor. Pompa ve türbin adımları adyabatik ve olabildiğince tersinir koşullara yakın şekilde; ısıtıcı ve soğutucu adımları da sistemin sabit sıcaklıkta, eşısılı olarak genleşmesi ya da sıkışmasıyla işliyor. Böylece büyük resme baktığımızda, termik santralin Carnot’nun yaklaşık 200 yıl önce yaptığı tarife uygun şekilde çalıştığını görebiliyoruz.

Devamı:

• Sonraki sayfa: İkinci kanunun kökeni
• Önceki sayfa: Carnot çevrimiyle üretilen iş miktarı ve çevrimin verimi
• Ana konu başlığı: Termodinamik