PİL VE TERMODİNAMİK
Iowa State Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü Steve W. Martin anlatıyor:
Piller neden ölür? Ayrıca, neden pek çok defa yeniden şarj edildikten sonra işe yarar miktarda şarj tutmamaya başlarlar?
Benim küçük oğlum, yıllar önce pille çalışan oyuncak arabası hareket etmemeye başladığı zaman bana böyle bir soru sormuş ve “hiç bitmeyen pil” adını verdiği bir şeyi merak etmişti.
Ayrıca bu soru, ekran kapanmadan önce son bir mesaj daha göndermeye çalışan tüm cep telefonu kullanıcılarının da aklına gelmiştir muhtemelen.
Dünya çapında devam eden benimkine benzer araştırmalar, daha hızlı dolan, daha uzun süre dayanan ve bugünkülerden çok daha fazla kez yeniden şarj edilip boşaltılabilen piller üretmeyi hedefliyor.
Fakat her ne kadar bunu istesek de, gerçekten sonsuz olan bir pil yapmak imkansızdır. Ben 30 yıldan uzun süredir termodinamik dersi verdim. Şimdiye kadar, tarif edilmesi zor olan o pili elde etmek için bilimin temel kanunlarını çiğneyebileceğimizi ima eden hiçbir şey olmadı.
Pil bilimcileri ve mühendisleri, temel sorunu “kapasite azalması” şeklinde adlandırıyorlar.
Sıradan insanlar, “Pilim neden şarj tutmuyor?” gibi sorularla ve “Bu şeyi daha yeni şarj ettim ve yine bitti” gibi şikayetlerle bu durumu merak ediyorlar.
Bu durum, termodinamiğin ikinci kanununun bir sonucudur ve ne zaman gerçek bir ilerleme kaydedilse, bu esnada hiçbir zaman geri kazanılamayacak olan, belli bir miktarda enerji israfı oluştuğunu ifade eder.
Bir pil ne zaman şarj edilir veya boşaltılırsa, ortada ufak miktarda boşa giden bir enerji vardır; yani pilde, boşa giden ve geri kazanılamayan ufak bir kapasite vardır.
Bu durumun nasıl meydana geldiğini gözünüzün önüne getirmek için; pil kullanımını, iki bardak arasında su aktarmak gibi düşünün. Bir pili kullanmak, suyu bir bardaktan diğerine boşaltmak gibidir. Pili şarj etmek ise, suyu tekrar birinci bardağa dökmeyi gerektirir.
Bu işi, yere bir damla dökmeden bir veya iki kez yapsanız bile, her iki bardakta da dökemeyeceğiniz kadar ufak miktarda bir su her zaman kalacaktır.
Şimdi, iki veya üç yıllık bir dönem boyunca (cep telefonu için) veya 10 ila 20 yıl boyunca (elektrikli bir araba için) yüzlerce, hatta binlerce kez su doldurup boşalttığınızı hayal edin.
Zamanla, ters giden binlerce küçük ve büyük şey birbirine eklenir ve epey büyük miktardaki suyun kaybolmasına sebep olur.
Zor görünen bir damlanın yere dökülmesi bile (mesela bir milimetrenin onda biri kadar), eğer 10.000 defa meydana gelirse, birbirine eklenerek bir tam litre olur. Bu durumun içerisine, bardaklardan birinin bir şekilde devrilip, çok daha fazla su kaybetmesi bile dahil değil; mesela bir sızıntı gerçekleşebilir veya bardak ısınıp buharlaşmaya sebep olabilir.
Tıpkı suyun, bir bardaktan diğerine dökülürken kaçınılmaz şekilde kaybolması gibi, pili şarj etmek için de, pilin gerçekte depoladığı enerjiden daha fazla enerji gereklidir ve pilden, içerisinde bulunan enerjiden daha az enerji çıkar. Boşa giden enerjinin depolanan enerjiye oranı, zamanla artar.
Aslında, bir pili ne kadar fazla kullanırsanız, o kadar fazla enerji boşa gider ve çok geçmeden pil, ölü olduğu veya kullanışlı şekilde yeniden şarj edilemediği bir noktaya ulaşır.
Ben ve diğerleri, israf miktarını azaltmak amacıyla bu şarj etme/boşaltma döngülerini daha pürüzsüz bir şekilde gerçekleştirmenin yollarını arıyoruz, ancak termodinamiğin ikinci kanunu, bundan tamamen kurtulmanın yolu olmadığını her zaman temin edecektir.
Kaynak:
1) Ozan Zaloğlu (popsci.com.tr)
2) ScienceAlert
3) Steve W. Martin (Iowa State Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Profesörü)
