Buharın Gücü ve Büyük Devrim
Bugün neden bu konuyu seçtim? Hayatımdaki bir takım yenilikler yüzünden uzun zamandır rahat rahat oturup bir konuyu araştıramıyordum. Geçenlerde ise YouTube’da takılırken şu video ile karşılaştım:
Ve düşünmeye başladım, dördüncü sınıftan beri bize öğretilen bu buhar devrimi neydi? Sanayi devrimi hangi araçtan sonra gerçekleşti? Suyu makinelerde nasıl yakıt olarak kullandılar? Ve işte araştırma burada başladı. Yukarıdaki videoyu dikkatle izlemenizi isterim. Yazının içeriği ile ilgili kafanızda sorular veya fikirler oluşmasını tetikleyebilir.
On yedinci yüzyılda Aydınlanma Çağı’nın yaşanması ile beraber, insanlar rasyonal düşüncenin, pozitivizmin önemini kavradılar ve kapitalist sistemin doğurduğu burjuvazi kesim yeni kazanç kapılarına yöneldi. En mantıklı yöntem, kazandıkları paraları bilim ve tekniğe yatırmaktı.
Buharlı makinelerden önce bütün işleri insanlar yaparlardı. Bu yüzden işler daha çok yorucuydu ve işler için daha çok insana ihtiyaç vardı. Bu olay sömürgeciliğin kapsamını ve uygulamasını arttırıyordu.
Buhar makineleri, tanımı gereği suyun kaynaması ile oluşan buharın enerjisinin mekanik enerjiye aktarılmasıdır.
İlk buhar makinesi İskenderiyeli Heron’un M.S. 50'lerde yaptığı etki-tepki prensibine dayalı Aeolipile makinesiydi. Alt taraftaki siyah boşlukta ateşin yakılması ile kazanın içindeki su ısı almaya ve kaynamaya başlıyor. Kaynamaya başlayan suyun buharı, kazanın kapağındaki iki bacadan çıkıyor ve havaya doğru kuvvet uyguluyorlar.
Isaac Newton’un etki-tepki prensibini bilmeyenler için şöyle kısaca bir açıklayalım. Bir balon hayal edin, balonun içinde hava olsun. Hava dışarı çıktıktan sonra alışageldiğiniz gibi balon da havanın çıktığı yönün tersine doğru hareket etmeye başlayacaktır. Balonun içindeki havanın dışarı çıkması ile oluşan kuvvete etki kuvveti denir. Havanın balona uyguladığı kuvvete ise tepki kuvveti denir.
İlk buhar makinesi olan Aeolipile işte bu prensip ile çalışıyordu. Borular, aynen balon gibi tepki kuvvetini oluşturuyordu ve küre şeklindeki cismi döndürüyordu. Ancak yine de bu buluş dönemin şartları içinde kaybolup gitti.
Evlerden örneklerle: Düdüklü Tencereler
Hepimiz düdüklü tencereyi bir kez de olsa kullanmışızdır ve çoğumuz neden kullandığımızı da biliyoruzdur: Düdüklü tencerede amaç, basıncı arttırarak kaynama noktasını yükseltmek ve yapılan işin daha az zaman ile yapılmasını sağlamaktır.
Peki nasıl oluyor da bu iç basınç yükseliyor? Bu müthiş icadın muciti Denis Papin, Robert Boyle’un asistanı, bir gün yemek yaparken (herhalde) “Tencerenin kapağını kapatsam, üstüne bir de ağırlık koysam, açılmasa kolay kolay; ne olur?” diye düşündü ve bir deney gerçekleştirdi. Deneyde artık iç basınç yüzünden patlayacak gibi olan tencere bir süre sonra üzerindeki ağırlığı da fırlattı.
Papin şunu fark etti ki, yemek olağandan daha hızlı pişmişti. Bu nasıl olabilir?
Sıvıların kaynaması ve gaz haline dönüşmesi için daha fazla hacme ihtiyaçları vardır. Kaynayan bir su, buharlaştıkça kapalı bir kabın boş hacmini doldurur ve bir süre sonra sıvının buharlaşıp da kolay kolay doldurabileceği bir yer kalmaz. Bu yüzden bir mol su normalde aldığından daha çok ısı alır ve bütün suyun kaynama noktası gittikçe yükselir. Su normalde 101*C iken gazsa artık 110*-120* C gibi daha yüksek sıcaklıklarda sıvı halde bulunabilir. Bu şekilde su içindeki et, patates ve benzeri besinler daha kısa zamanda pişer.
Peki neden patlamıyor bu kapalı kap? Sonuçta bir süre sonra hacim dolacak ve biz ısı vermeye devam edersek genleşme yüzünden sığamayacak. İşte burada devreye “düdük” giriyor:
Yukarıda çizgi çizgi gördüğünüz parçalar aslında yaydır. Başta gergin şekilde duran yay, basıncın kuvveti yüzünden gittikçe sıkılaşmaya başlar ve görüldüğü gibi o küçük deliği dışarı yaklaştırır. Delik dışarı çıktığı anda içerdeki gaz dışarı doğru hareket eder ve basıncı azaltır. Bu tarz, basınç dolaylı patlamaları önlemek için kurulan sistemlere “emniyet sübabı” denir.
İlk ticari buhar makinesi: Savery Makinesi
Bu makinenin çalışma prensibini internette kolay kolay bulamadım açıkçası. Zor da olsa bulduğum mekanizmayı size anladığım kadarı ile anlatayım.
Yukarıda gördüğünüz sistemde ilk durumda (a), (b), © ve (d) vanaları açık durmaktadır. Yuvarlak şekilde gösterilen kazanın içindeki su kaynatılarak su buharının depoya toplanması sağlanır. Depo içindeki bu maddenin gaz olmasından dolayı yüksek basınç alanı oluşturur. Aynı zamanda atmosfer basıncının (b) vanasından gelen su kaynağını itmesi ile depoya su da depolanır. Ancak basıncın suyu itme kuvveti daha fazla olduğu için su belli bir miktar daha yükseğe çıkar.
Su seviyesi (d) vanasından akabilecek şekilde olduğunda, soğuk olan su -soğuk olması önemlidir, eğer sıcak su ile bu denenirse çalışmayacaktır- depomuzun dışına akar ve içerideki gazın sıcaklığını düşürerek sıvılaştırır. Sıvıların basıncı gazların basıncından çok daha düşüktür, bu şekilde depo içinde bir vakum yaratılır ve (b) vanasının olduğu su kaynağından daha çok su çekilir.
Bu çekilen su en sonunda en yukarıdaki çıkıştan ileri atılır. Vakum özelliği sona erdiği anda yeniden işlemi tekrarlamak gerekir. Görüldüğü gibi aynı odacığı sürekli soğutmak ve ısıtmak gerekli. Bu zorluk yüzünden bu icat, sadece madencilerin kurtarıcısı olarak kalmıştır.
Daha bir işlevsel araç: Newcomen Makinesi
Savery’nin sistemini yerden su çekmek yerine daha işlevsel bir şekilde tasarlayan bir adamdan ve aracından bahsedelim: Newcomen, Dartmouth’da İngiltere’de doğmuştur. Çok güzel bir sahil kasabası olan Darthmouth’u gözümde alttaki fotoğrafın biraz daha eski hali olarak hayal ediyorum, küçük küçük tekneler, birçok seyyar satıcı…
Kendisi bir nalbur ve enstrüman yapımcısı olmasına rağmen zengin bir işadamı tarafından bir gün ziyaret edilip eline bir güzel proje veriliyor. Kendisini bu işe kaptıran Newcomen müthiş bir makine ile ortaya çıkıyor: Newcomen Makinesi.
Bu makinenin çalışması, sıcak su buharının bir pistonu itmesi ile başlıyor ve daha sonra -Savery ile benzer şekilde- soğuk suyun bu odacığın soğutuması ve oluşan vakumun pistonu geri indirmesi ile bitiyor. Bu döngü ile pistona bağlı olan kaldıracı sürekli hareket halinde tutuyor ve kaldıracın diğer ucu herhangi bir işte kullanılabiliyor. Ancak yine de, bir soğutma bir ısıtma işlemi hala geçerli.
Mühendis eli bir başka: Watt Makinesi
Newcomen makineleri yaygınlaştıktan sonra bozulmaları da kaçınılmaz oldu. Bir gün bir makine James Watt’a götürüldü. Makinenin onarılması istendi Watt’tan, ancak makineyi çok sevmiş olacak ki, sadece onarmakla yetinmeyip üstüne randımanını da yükseltti. Peki nasıl?
Fark ettiğiniz gibi sürekli odaları bir sıcak bir soğuk yaptık ve tahmin edebileceğiniz gibi bu israflı bir şey. Watt bunu fark etti ve tek odayı soğutmak yerine bir sıcak ve soğuk birer odacık oluşturdu. Sıcak su deposunda su ısınıp kaynıyor ve buharlaşıyor, diğer soğuk su deposunda ise su sadece bekletiliyor. Daha sonra boş bir ortak odacıkta ilk olarak sıcak suyun bulunduğu odanın vanası açılarak pistonun yukarı kalkması sağlanıyor. Ardından soğuk su vanası açılarak pistonun üst kısmına dolduruluyor ve oluşan vakum ile piston aşağı iniyor. Tabiki Watt makinesine açılıp kapanması gereken vanalar koymuyor, onları güneş sistemi dediği bir yöntem ile otomatikleştiriyor.
Her bir parçanın ne işe yaradığını görmek isterseniz şu videoya bir göz atabilirsiniz:
Daha da gelişmek: Stirling Motoru
Stirling Kardeşler tarafından icat edilen bu motor şekli, dıştan yanmalı bir motor şeklidir. Daha önceden kullanılan su buharlı makinelerin tehlikeli olduğunu düşünen kardeşler, sadece gazın ısınması ve soğuması ile çalışan bir sistem tasarladılar. Mantık genel olarak aynıydı, sadece madde değiştirilmişti.
Çok farklı versiyonları olmasına rağmen ben size yukarıda resimde gördüğünüz versiyonu tanıtacağım. Gördüğünüz gibi tekerleğe iki tüp bağlı: sıcak olan ve soğuk olan. Isıtılan tüpün içindeki gazın genleşmesinden dolayı ileri giden piston, borudan gelen soğuk havanın tüpe dolmasıyla vakum etkisi ile yeniden içeri çekilir. Daha sonra tekrar ısıtılır ve bu döngü devam eder.
Peki borudaki soğuk hava nasıl oraya geçer? Fotoğrafta gözüküyor mu bilmiyorum ancak tekerleğin arka tarafından pistona bağlanmış bir çubuk daha var. İlk hareketi makineye verdikten sonra (dıştan yanmalı motorlarda ilk hareket verilmelidir) bir piston çekilirken diğeri itilir ve bu şekilde ısı enerjisi hareket enerjisine dönüştürülür.
Sonuç Olarak
Endüstri Devrimi ile insanlığın değiştiği zaten herkesin bilgisi dahilindedir. Ancak biz artık biliyoruz ki Endüstri Devrimi denilen olay, sadece ve sadece, gazların vakumlanma özelliğinin mühendislikte kullanımı ile ortaya çıkmıştır. Bizlere şu an bu kadar basit gelen bir olgu, bir yöntem, nasıl çağları değiştirebilirdi? Asla kendinize olan güveninizi kaybetmeyin, asla boş işlerle uğraştığınızı düşünmeyin. Belki de uğraştığınız o boş (!) iş gelecekte dünyayı değiştirecek, belki de insanlığın bu dünyada attığı en büyük adım olacak. “Yaa ben … yapmaktan ders çalışamıyorum!” boşver arkadaşım, çalışma. Eğer canın şu an ders çalışmak yerine başka bir proje ile uğraşmak istiyorsa, bırak kitabı. Hala yapabiliyorken, yapmaktan zevk aldığımız şeyleri yapmalıyız.
“Ama notlarım düşecek!” Aman be, nottan önemli şeyler yok mu bu dünyada? Acaba Watt her şeyi para için mi yapmıştı? Hiç sanmıyorum. O ona verilen görevi yerine getirdi, evet; ancak üzerine kendi merakını, kendi bilimini de kattı. O an “Bu da bitti, hadi sıradakine, çok görevim var daha of!” da diyebilirdi. Ama o, o an sırf canı onunla uğraşmak istiyor diye geri kalan işlerini bıraktı ve ünlü Watt Makinesi’ni ortaya çıkarana kadar durmadı.
Bizler, hepimiz aslında birer Watt, birer Newcomen veya birer Boyle’uz. Sadece henüz kendimizi tam anlamı ile keşfedemedik. Bize verilen ödevlerle, sahip olduğumuz lüzumsuz görevlerle o kadar çok zaman kaybediyoruz, üstüne sosyal medya ile o kadar çok gereksizce (Bakın gereksiz diyorum çünkü biliyorum ki aramızdan bazıları bunu profesyonel olarak yürüyor. Onlara tabi ki lafımız yok.) uğraşıyoruz ki kendimizi unutuyoruz, yaşamayı unutuyoruz. Geçen saniyeler asla geri alınamıyorlar, bir daha asla bu tarihte, bu saatte, bu dakikada bulunamayacaksınız. Bu yüzden zamanınızı iyi kullanın, hayatınızı yaşayın. Eğer hepimiz gerçekten istediklerimizi yaparsak, işte o zaman yeni bir devrimin eşiğine geliriz. İşte o zaman bu güne kadar sadece deliğinden baktığınız bir kapıyı açabiliriz: Mutluluğun Kapısını.
Kaynakça ve İleri Araştırma
- bbc.co.uk/history/historic_figures/newcomen_thomas.shtml
- cm1cm2.ceyreste.free.fr/revolution.html
- en.0wikipedia.org/index.php?q=aHR0cHM6Ly9lbi53aWtpcGVkaWEub3JnL3dpa2kvV2F0dF9zdGVhbV9lbmdpbmU
- tr.0wikipedia.org/index.php?q=aHR0cHM6Ly90ci53aWtpcGVkaWEub3JnL3dpa2kvQnVoYXJfbWFraW5lc2k
- tr.0wikipedia.org/index.php?q=aHR0cHM6Ly90ci53aWtpcGVkaWEub3JnL3dpa2kvU2FuYXlpX0RldnJpbWk
- faculty.humanities.uci.edu/bjbecker/SpinningWeb/lecture11.html
- www.egr.msu.edu/~lira/supp/steam/savery.htm
- hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Kinetic/psav.html
September 20, 2019.
