TERMODİNAMİK OKULU-4 Dinamik Performans Ağları: Mühendislik Termodinamik Sistemleri İçin Olası Bir Bakış Açısı

 

Şekil    Sistemin durumunu (hâlini) termodinamik kuvvetler belirler, kuvvetler aktarım akılarına, bu akılar da  tersinmezliklere yol açar. Çevresel koşullar ile kontrol eylemleri bu etkileşimleri zaman içinde sürekli olarak değiştirerek ağın farklı performans yörüngeleri boyunca evrilmesine neden olur. Bu çerçevede sistem performansı, tek tek bileşenlerin bir özelliği olarak değil; durumlar, kuvvetler, akılar, tersinmezlikler, kontrol mekanizmaları ve çevresel etkiler arasındaki sürekli ve dinamik etkileşimlerin ortaya çıkardığı bir sonuç olarak değerlendirilir.

Entropi üretiminin en aza indirilmesine dayalı birçok pratik tasarım önerisine, geleneksel mühendislik analizleri ve ampirik geliştirme süreçleri aracılığıyla da ulaşılır. Basınç kayıplarının azaltılması, ısı değiştiricilerindeki sıcaklık farklarının düşürülmesi, yalıtımın iyileştirilmesi, ısı geçiş  alanının artırılması; çoğu kez entropi üretimine dayandırılmasa bile, ortak çözümlerdir. Asıl sorun tersinmezliğin varlığını saptamak değil, çalışma koşulları değiştikçe tersinmezliklerin nasıl değiştiğini anlamaktır.

Mühendislik sistemleri; performansları çok sayıda bileşenin, kontrol stratejisinin, çalışma koşulunun ve çevresel etkinin etkileşiminden doğan birbirine bağlı ağlar olarak çalışır (Bkz. Şekil). Bir bileşendeki tersinmezliği azaltan bir değişiklik, diğer bileşenlerin çalışma koşullarını değiştirebilir ve sistem düzeyinde sonuçlar doğurabilir. Bu nedenle mühendislik açısından amaç;  belirli bir bileşendeki tersinmezliği en aza indirmek değil, tüm sistemi optimize etmektir.
Yaygın olarak kullanılan Simulink, Simscape, Modelica ve GT-Suite gibi sistem düzeyindeki simülasyon araçları da mühendislik performansının alt sistemler arasındaki dinamik etkileşimlerden doğduğu anlayışına dayanır.
Benzer şekilde; termodinamik kuvvetler, aktarım akıları ve tersinmezlikler de birbirlerinden bağımsız değildirler. Sistemin bir durumundaki değişimler itici kuvvetleri değiştirir; kuvvetler akıları değiştirir; akılar tersinmezlik üretir; ortaya çıkan tersinmezlikler ise sistemin bir sonraki durumunu etkiler. Sistem, bağımsız termodinamik süreçlerin bir toplamı değil; sürekli değişim içinde olan bir geri besleme ağıdır.
Dinamik Performans Ağı yaklaşımı, durağan çalışma noktalarının optimizasyonuna değil; sistemin zaman içerisindeki değişiminin optimizasyonuna odaklanır. Problem, nokta optimizasyonu ile değil; yörünge optimizasyonu ile ilgilidir. Amaç; sistemin, istenen performansı korurken sürekli değişen kuvvetler, akılar ve tersinmezlikler silsilesi içerisinde nasıl hareket ettiğini anlamaktır.
Bu çerçeve, modern termodinamikteki üç tamamlayıcı bakıştan esinlenmektedir: i-)  Denge-dışı termodinamik; tersinmez süreçlerin kuvvet–akı tanımını ve buna karşılık gelen entropi üretimini açıklar. ii-) Sonlu-zaman termodinamiği (Finite Time Thermodynamics, FTT) faydalı enerji dönüşümünün ancak sonlu aktarım hızlarıyla gerçekleşebileceğini; bunun da sonlu itici kuvvetler gerektirdiğini ve dolayısıyla tersinmezlik ürettiğini vurgular. iii-)  Prigogine’in süreç odaklı termodinamik anlayışında sistemin dengeden uzaklaşması ile birlikte yaşanan süreçler termodinamik kuvvetlerden kaynaklanır ve aktarım hızının değerine göre entropi üretimini belirler.
Özetle, mühendislik termodinamiğinin özü; yalnızca, tersinmezliklerin nerede oluştuğunu belirlemek değil; bu tersinmezliklerin zaman içerisinde birbirlerini ve sistem performansını nasıl şekillendirdiğini anlamaktır.