Verim

Eski tip bir akkor ampule bir süre yandıktan sonra dokunan biri elini çabucak çeker; ampul sıcaktır. Oysa ampulün görevi ısıtmak değil, aydınlatmaktır. Prizden çektiği elektrik enerjisinin yalnız küçük bir kısmı ışığa dönüşür, geri kalanı odaya ısı olarak dağılır. Aynı odada yanan bir LED ampul ise aynı aydınlığı çok daha az elektrikle verir ve dokunulduğunda ılıktır. İki ampulün de enerjiyi koruduğunu biliyoruz: hiçbir enerji kaybolmuyor. Fark, giren enerjinin ne kadarının bizim istediğimiz biçime dönüştüğündedir. Önceki derste enerjinin yoktan var olmadığını ve yok olmadığını, her dönüşümde bir kısmının işe yaramayan biçimlere, çoğunlukla ısıya gittiğini gördük. Bu derste o oranı ölçüyoruz: verimi tanımlamayı, yüzde olarak hesaplamayı, yararlı ve harcanan enerjiyi ayırmayı, birbirine bağlı makinelerin toplam verimini bulmayı ve verimin neden hiçbir zaman yüzde yüze ulaşamadığını öğreniyoruz.

• Verimi yararlı enerjinin (ya da gücün) verilen enerjiye (ya da güce) oranı olarak tanımlar, yüzde olarak hesaplarsın.
• Verilen enerji, yararlı enerji ve harcanan enerji arasındaki ilişkiyi kullanırsın.
• Art arda bağlı makinelerde toplam verimi bulursun.
• Verimin neden yüzde yüzden küçük olduğunu ve sürekli devinim makinesinin neden imkânsız olduğunu açıklarsın.

Tanım

Bir makineye, bir aygıta ya da bir sisteme verilen enerjinin bir kısmı istenen işe dönüşür; buna yararlı enerji denir. Kalan kısım istenmeyen biçimlere, çoğunlukla ısıya, bazen sese ya da titreşime dönüşür; buna harcanan ya da boşa giden enerji denir. Enerjinin korunumu gereği:

verilen enerji = yararlı enerji + harcanan enerji

Verim, yararlı enerjinin verilen enerjiye oranıdır:

verim = yararlı enerji / verilen enerji

Verim iki enerjinin oranı olduğu için birimsizdir; çoğunlukla yüzde olarak yazılır. Örneğin bir motora 1600 J enerji verilir ve motor bu enerjiyle bir yükü kaldırarak 1200 J yararlı iş yaparsa verim 1200 / 1600 = 0,75, yani yüzde 75'tir. Harcanan 400 J ise motorun dişlilerinde ve sargılarında ısıya dönüşmüştür.

Aynı oran güçlerle de yazılabilir, çünkü güç birim zamandaki enerjidir: verim = yararlı güç / verilen güç. Bir motorun etiketindeki güç çoğu zaman çektiği, yani verilen güçtür; yaptığı yararlı iş bundan küçüktür.

Verimden geriye hesap

Sorular verimi verip bilinmeyen bir enerjiyi de sorabilir. Yararlı enerji, verim ile verilen enerjinin çarpımıdır; verilen enerji, yararlı enerjinin verime bölümüdür. Yüzde 60 verimli bir makineden 300 J yararlı iş alınmak isteniyorsa makineye 300 / 0,6 = 500 J verilmelidir. Harcanan enerji ise verilen enerjinin, verimin yüzde yüzden eksik kalan kısmıyla çarpımıdır: yüzde 70 verimli bir aygıta 1000 J verilirse 300 J boşa gider.

Kaldırma ve pompa sorularında verim

Bir motorun bir yükü kaldırdığı sorularda yararlı iş, yükün potansiyel enerjisindeki artıştır: m · g · h. Verilen enerji ise motorun çektiği güç çarpı çalışma süresidir. Örneğin girişte 3 kW çeken bir vinç 240 kg'lık bir yükü 15 saniyede 10 m yükseltirse, yararlı iş 240 · 10 · 10 = 24 000 J, verilen enerji 3000 · 15 = 45 000 J'dür; verim yaklaşık yüzde 53 olur. Su pompalarında da aynı yol izlenir; yararlı iş suyun kazandığı potansiyel enerjidir.

Eğik düzlemde verim

Ağır bir yükü bir kamyon kasasına çıkarmak için rampa kullanılır. Rampa gereken kuvveti azaltır, ama yükü daha uzun bir yol boyunca itmeyi gerektirir. Sürtünme olmasaydı itme kuvvetinin rampa boyunca yaptığı iş, yükün kazandığı potansiyel enerjiye tam eşit olurdu. Gerçekte yük ile rampa arasında sürtünme vardır ve itme işi daha büyük çıkar. Örneğin 40 kg'lık bir sandık 5 m uzunluğundaki bir rampa boyunca 150 N'luk kuvvetle itilerek 1,5 m yükseltilirse, verilen iş 150 · 5 = 750 J, yararlı iş 40 · 10 · 1,5 = 600 J'dür; verim yüzde 80 olur. Aradaki 150 J sandık ile rampanın yüzeyinde ısıya dönüşmüştür. Makaralar, kaldıraçlar ve dişliler için de aynı hesap geçerlidir: basit makineler kuvvetten kazandırabilir, ama işten hiçbir zaman kazandırmaz.

Art arda bağlı makineler

Enerji çoğu zaman bir zincir boyunca birkaç dönüşümden geçer. Bir barajda suyun enerjisi önce türbine, sonra jeneratöre aktarılır; her adımın kendi verimi vardır. Zincirin toplam verimi, adımların verimlerinin çarpımıdır:

toplam verim = verim₁ · verim₂ · …

Verimi yüzde 85 olan bir türbin ile yüzde 60 olan bir jeneratör art arda bağlanırsa toplam verim 0,85 · 0,6 = 0,51, yani yüzde 51 olur. Zincir uzadıkça toplam verim düşer; bu yüzden enerjiyi az sayıda dönüşümle kullanmak daha verimlidir.

Verim neden yüzde yüz olamaz?

Gerçek her makinede hareketli parçalar arasında sürtünme vardır; teller elektrik akımı geçerken ısınır; dönen parçalar havayı iter ve ses çıkarır. Bu süreçlerin hepsi enerjinin bir kısmını ısıya çevirir. Bu yüzden gerçek makinelerin verimi her zaman yüzde yüzden küçüktür. Verimi artırmak için parçalar yağlanır, sürtünmeyi azaltan rulmanlar kullanılır, ısı kaybını azaltan yalıtım yapılır, enerjiyi daha doğrudan dönüştüren teknolojiler seçilir.

Verim yüzde yüzü hiçbir zaman aşamaz; bu, makinenin aldığından fazla enerji vermesi demek olurdu ve enerjinin korunumuna aykırıdır. Dışarıdan enerji almadan sonsuza dek çalışan bir sürekli devinim makinesi de bu yüzden yapılamaz: her turda bir miktar enerji ısıya dönüşür ve dışarıdan karşılanmazsa makine eninde sonunda durur. Tarih boyunca bu tür makineler için pek çok tasarım önerilmiş, hiçbiri çalışmamıştır.

Verim ve tasarruf

Aynı işi daha yüksek verimle yapan bir aygıt daha az enerji çeker. Akkor ampul ile LED ampul arasındaki fark bunun gündelik bir örneğidir: aynı ışık için LED çok daha az elektrik harcar, çünkü enerjinin daha büyük kısmını ışığa çevirir. Ev aletlerinin üzerindeki enerji sınıfı etiketleri de tüketicinin verimli aygıtı seçmesine yardım etmek için vardır. Verim artışı yalnız faturayı değil, enerji üretmek için harcanan yakıt miktarını da azaltır.

Soru çözme sırası

Önce yararlı enerjinin ne olduğu belirlenir: kaldırma işi, ışık, elektrik ya da hareket. Sonra verilen enerji bulunur: genellikle güç çarpı süre. İkisi aynı birime getirilir ve oranlanır. Zincir varsa her adımın verimi çarpılır. Sonuç yüzde yüzden büyük çıkarsa hesap yanlıştır.

Örnek 1 — Doğrudan uygulama

Soru: Bir motora 2400 J enerji veriliyor ve motor 1560 J yararlı iş yapıyor. Verimi yüzde kaçtır?

• A) 35
• B) 154
• C) 65
• D) 84
• E) 56

Çözüm: 1560 / 2400 = 0,65; verim yüzde 65'tir. Cevap: C.

Örnek 2 — Harcanan enerji

Soru: Yüzde 40 verimli bir aygıta 3000 J enerji veriliyor. Boşa giden enerji ne kadardır?

• A) 1200 joule
• B) 3000 joule
• C) 4200 joule
• D) 1800 joule
• E) 750 joule

Çözüm: Yararlı enerji 1200 J'dür; kalan 1800 J boşa gider. Cevap: D.

Örnek 3 — Zincir

Soru: Verimi yüzde 90 olan bir dişli kutusu, verimi yüzde 70 olan bir motora bağlanıyor. Toplam verim yüzde kaçtır?

• A) 63
• B) 80
• C) 160
• D) 20
• E) 77

Çözüm: 0,9 · 0,7 = 0,63; toplam verim yüzde 63'tür. Cevap: A.

Örnek 4 — Kavram

Soru: Bir makinenin veriminin yüzde 120 olduğu iddia ediliyor. Bu iddia için ne söylenebilir?

• A) Yağlanmış makinelerde mümkündür.
• B) Enerjinin korunumuna aykırıdır, mümkün değildir.
• C) Elektrik motorlarında olağandır.
• D) Verim birimsiz olduğu için anlamsızdır.
• E) Isı kaybı yoksa mümkündür.

Çözüm: Makine aldığından fazla enerji veremez; verim en çok yüzde yüz olabilir. Cevap: B.

• Yararlı ile verilen enerjiyi ters oranlamak. Verim her zaman yararlı bölü verilendir ve 1'den küçüktür.
• Harcanan enerjinin yok olduğunu sanmak. Boşa giden enerji ısıya ya da sese dönüşür; korunur.
• Zincirde verimleri toplamak. Art arda bağlı makinelerde verimler çarpılır.
• Etiketteki gücü yararlı güç sanmak. Etiket çoğunlukla çekilen gücü gösterir.
• Birimleri eşitlemeden oranlamak. kJ ile J, kW ile W aynı birime getirilir.