Ders 1 · Bölüm 2: Madde ve enerji

Geçen bölümde ısının ne olduğunu konuştuk. Bu bölümde ısının içinde dolaştığı şeye bakacağız: maddeye. Sonra da bütün bu işi döndüren enerjiye. Sayılar yine ders notlarındaki gibi; birimler çoğunlukla İngiliz birimleri.

Madde nedir, üç hali

Yer kaplayan ve kütlesi olan her şey maddedir: masa, su, hava, siz. Hepsi gözle görülmeyen minik yapılardan, atom ve moleküllerden yapılmıştır. Madde üç halde bulunur.

Katı: Molekülleri birbirini sımsıkı tutar. Şeklini korur; ağırlığını yalnızca aşağıya verir. Buz kütlesi böyledir.

Sıvı: Moleküller birbirini daha gevşek tutar. Kabın şeklini alır, kendi seviyesini bulur; basıncını aşağıya ve yanlara uygular. Su böyledir.

Gaz: Moleküller neredeyse hiç birbirini çekmez, serbest dolaşır. Kabın her yerine yayılır ve basıncını her yöne eşit uygular. Hava ve su buharı böyledir.

Kütle ile ağırlık aynı şey değildir. Kütle, maddenin içindeki değişmeyen miktardır. Ağırlık, yerçekiminin o kütleyi aşağı çekme gücüdür: ağırlık eşittir kütle çarpı yerçekimi. Ay'da daha hafif gelirsiniz ama kütleniz aynı kalır.

Yoğunluk, özgül ağırlık, özgül hacim

Yoğunluk, belli bir hacimdeki kütle miktarıdır. Ders notlarında suyun yoğunluğu 62,4 lb/ft³, yani bir küp ayak su 62,4 libre. Demir sudan yoğun olduğu için batar; tahta sudan hafif olduğu için yüzer.

Özgül ağırlık, bir maddenin yoğunluğunun suyunkine oranıdır; birimsizdir. Suyun özgül ağırlığı 1. Birden büyükse batar, küçükse yüzer. Kırmızı pirinç metali 8,78 ile iyice batar.

Özgül hacim ise yoğunluğun tersidir: 1 libre gazın kapladığı yer, ft³/lb. Standart şartlarda 1 lb hava 13,33 ft³ yer kaplar; 1 lb hidrojen 179 ft³. Hava ısındıkça hafifler, özgül hacmi büyür. Fan ve kanal hesapları bu sayıyla yapılır.

Gaz kanunları: sıkıştır küçülsün, ısıt şişsin

Birinci kural, sıcaklık sabitken: kapalı kaptaki gazın basıncını artırırsanız hacmi küçülür; basınçla hacim ters orantılıdır. Hesapta her zaman mutlak basınç (psia) kullanılır. Örnek: 40 psia ve 30 in³ gaz, 50 psia'ya sıkıştırılırsa yeni hacim eşittir 40 × 30 / 50 eşittir 24 in³.

İkinci kural, basınç sabitken: ısınan gaz genleşir; hacim mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. Mutlak sıcaklık için Fahrenheit'a 460 eklersiniz, buna Rankine denir. Örnek: fırından geçen 2000 ft³ hava 75 °F'tan 130 °F'a ısınıyor. Önce 75 + 460 eşittir 535 °R, 130 + 460 eşittir 590 °R. Sonra 2000 × 590 / 535 eşittir 2205,6 ft³. Hava ısındı, şişti; kanal o havayı taşıyacak büyüklükte olmalı.

Bu iki kuralı bir arada düşünün: güneşte kalan kapalı bir tüp ısınır, genleşemez, basıncı yükselir. Sahada tüpleri gölgede tutmanın nedeni bir formüldür.

Enerji türleri ve enerjinin korunumu

Enerji yoktan var olmaz, vardan yok olmaz; yalnızca biçim değiştirir. Dünyadaki ana kaynak Güneş'tir. Doğalgaz, petrol ve kömürde kimyasal enerji saklıdır; fırında yanınca ısıl enerjiye döner. Santralde buhar türbini elektrik üretir; elektrik ısıtıcı telinde ısıya, motorda manyetizmaya döner; manyetik kuvvet motoru çevirir, motor fanı, pompayı, kompresörü döndürür. Bir klimanın içinde bu zincirin tamamı vardır.

İş, güç, beygir gücü

İş, bir kuvvetin bir cismi belli bir mesafe taşımasıdır; zaman işin içinde yoktur: iş eşittir kuvvet çarpı mesafe. 150 lb bir kişi 100 ft yüksekliğinde merdiven çıkarsa 150 × 100 eşittir 15.000 ft-lb iş yapar; hızlı ya da yavaş çıkması işi değiştirmez.

Güç, işin hızıdır. Beygir gücü bir güç birimidir: bir atın bir dakikada 33.000 libreyi 1 ft kaldırması, yani 33.000 ft-lb/dakika. Elektrik diliyle 1 hp eşittir 746 watt. Kompresör etiketindeki "hp" bu demektir.

Elektrik gücü ve ısı

Elektrik gücünün birimi watt; 1 kW eşittir 1000 W. Fatura kilowatt-saat üzerinden gelir. Ders notlarındaki dönüşüm: 1 kW eşittir 3413 Btu/h. Yani 20 kW'lık elektrikli ısıtıcı 20 × 3413 eşittir 68.260 Btu/h ısı verir. Bir cihazın kW'ını Btu/h'ye çevirebilen teknisyen, ısıtıcıyla fırını aynı terazide tartabilir.

Sahada neden önemli?

Doğru motor ve fan seçimi: Havanın yoğunluğu ve özgül hacmi, fan motorunun kaç beygir olacağını belirler. Küçük motor yanar, büyük motor israf eder.

Kapasite dönüşümü: kW ile Btu/h arasında gidip gelmeden ne ısıtıcı seçilir ne fırın. Binaya tam ihtiyacı kadar cihaz koymak bu hesapla olur.

Basınç güvenliği: Kapalı depo ve borulardaki gaz ısınınca basıncı yükselir. Bunu bilen teknisyen tüpü güneşe bırakmaz, kapalı hattı ısıtmaz.

Mini test

1) Yer kaplayan ve kütlesi olan her şeye ne denir? — Madde. 2) 1 küp ayağın ağırlığına ne denir, su için kaçtır? — Yoğunluk; 62,4 lb/ft³. 3) Sıcaklık sabitken basınç artarsa gazın hacmi? — Küçülür, ters orantı. 4) 1 beygir gücü kaç watt? — 746 W. 5) 20 kW ısıtıcı saatte kaç Btu verir? — 68.260 Btu/h.

Bir sonraki bölüm: Soğutma ve soğutucu akışkanlar. Soğutma tonu nedir, akışkan renkleri ne anlatır, basınç-entalpi diyagramı nasıl okunur.

Ders notu: Bu bölüm, HVACR Dersleri dizisinin 1. dersinin 2. bölümüdür. İçerik temel HVAC/R ders notlarından derlenmiştir; sayılar oradaki gibi bırakılmış, saha yorumları bana aittir.