Termodinamik yasaları Sıfırıncı Yasa Termodinamiğin en kolay yasasıdır. Eğer iki sistem birbirleriyle etkileşim içerisindeyken aralarında ı...
Termodinamik yasaları
Sıfırıncı Yasa
Termodinamiğin en kolay yasasıdır. Eğer iki sistem birbirleriyle etkileşim içerisindeyken aralarında ısı ya da madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler termodinamik dengededirler. Sıfırıncı yasa şöyleki der:
Eğer A ve B sistemleri termodinamik dengedeyseler, ve B ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindeyseler, A ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindedirler.
Daha kolay bir ifadeyle değişik sıcaklıklarda iki cisim ısıl bakımdan temas ederse sıcak olan cisim soğur, soğuk olan cisim ısınır. İşin temelinde, iki değişik sıcaklığa haiz iki cisim içinde gerçekleşen ısı akışının sıcak cisimden soğuk cisme gerçekleştiği gerçeği yatar, bir takım soğuk cisimlerin sıcak, ya da bir takım sıcak cisimlerin soğuk algılanması mümkündür. -30 aşama soğuk olarak düşünülebilirse de -50 dereceye bakılırsa daha sıcaktır. Isı akışının soğuktan sıcağa doğru olmayışının temeli şudur: ısı, araç-gereç atomlarının, daha doğrusu elektronlarının kinetik enerjisine tesir eden bir faktördür. Elektronlar devamlı temel enerji seviyesinde olacak şekilde davranış gösterirler. Fazla kinetik enerjilerini aktarmak ve temel enerji seviyesine dönmek isterler. Isı, araç-gereç içinde atomların titreşmesi ile iletilir. Bu nedenledir ki, ısı akışı sıcak cisimden soğuk cisime doğru gerçekleşir.
1931 senesinde Ralph H. Fowler tarafınca tanımlanan bu yasa, temel bir fizik ilkesi olarak karşımıza çıktığından, tabii olarak 1. ve 2. yasalardan ilkin gelmek zorunluluğu doğmuş ve sıfırıncı yasa ismini almıştır. Birinci Yasa
Tipik bir termodinamik sistem: ısı sıcak kaynatıcıdan soğuk yoğunlaştırıcıya doğru hareket eder ve böylelikle bir iş ortaya çıkar.Bir sistemin iç enerjisindeki artış: sisteme verilen ısı ile, sistemin çevresine uyguladığı iş arasındaki farktır.
U2 - U1 = Q - W
Bu yasa "enerjinin korunumu" olarak da bilinir. Enerji yoktan var edilemez ve yok edilemez yalnız bir şekilden diğerine dönüşür. Bir sistemin herhangi bir çevrimi için çevrim esnasında ısı alışverişi ile iş alışverişi aynı birim sisteminde birbirlerine eşit değişik birim sistemlerinde ise birbirlerine orantılı olmak zorundadır. Bu ifadelerin meydana getirilen deneylerle doğruluğu gözlenmiştir fakat kanıtlama edilememektedir. Tüm bu ifadeler matematiksel olarak daha kolay ifade edilebilir.
Alt taraftaki formüllerde
Q = çevrim süresince net ısı alışverişini
W = çevrim süresince net iş alışverişini
göstersin. Ama bir de çevrime gereksinim duyuyoruz şimdi onu da kolay olarak çizelim,
Şžimdi böylece sistemin herhangi iki hali görünüyor kısaca 1 ve 2 nolu noktalar. Hal değişimleri ise A , B , C çizgileriyle sağlansın. Ok yönleri de hal değişimlerinin olacağı yönler. Şžimdi hal değişimleri 1A2 ve 1B2 ise 2C1 ilk hale dönülen durumdur. Şžimdi çevrimleri kurguluyalım elimizde 1A2C1 ve 1B2C1 çevrimleri var:
1A?2.?.Q + 2C?1.?.Q = 1A?2.?.W + 2C?1.?.W ( 1A2C1 Çevrimi ) (a denklemi)
1B?2.?.Q + 2C?1.?.Q = 1B?2.?.W + 2C?1.?.W ( 1B2C1 Çevrimi ) (b denklemi)
1A2C1 ve 1B2C1 çevrimleri birbirlerine eşittir. Termodinamiğin 1. kanunu uygulandığında a ve b denklemleri ortaya çıkar b denklemi a denkleminden çıkarırsak c denklemini buluruz.
1A?2 ( ?.Q - ?.W ) = 1B?2( ?.Q - ?.W ) (c denklemi)
1A2 ve 1B2 aynı haller içinde herhangi iki hal değişimi olduğundan ?Q - ?W ifadesinin 1-2 noktası arasındaki tüm hal değişimleri için bağımsız olduğu söylenebilir. Bunların farkı nokta fonksiyonudur ve tam diferansiyeldir. Bu sisteme özgü bir özellik olup sistemin enerjisidir ve E ile gösterilir (E=?Q-?W) sonsuz minik hal değişimi için bu formülün integrali alınırsa;
Q1-2 : Sistemin hal değişimindeki ısı alışverişi
W1-2 : Sistemin hal değişimindeki iş alışverişi
E1 : Sistemin ilk haldeki enerjisi ve
E2 : Sistemin son haldeki enerjisi
olmak suretiyle;
Q1-2 - W1-2 = E2 - E1
formülü çıkar. Termodinamikte enerji, maddenin yapısına bağlı iç enerji ve koordinat eksenlerine bağlı olan kinetik enerji (EK) ve potansiyel enerji (EP) olarak ayrılabilir;
E = U + EK + EP
Sistemin herhangi bir hal değişimindeki enerjisi de;
Q1-2 - W1-2 = E2 - E1 = (U2 - U1) + (1/2) m (V22 - V12) + m g (z2 - z1)
U: iç enerji
m: kütle
V: hız
g: yerçekimi ivmesi
z: yükseklik İkinci Yasa
Bir sürü alanda uygulanabilen ikinci yasa şöyleki tanımlanabilir:
Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit oranda iş meydana getiren ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkansızdır. (Kelvin-Planck Bildirisi)
ya da
Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı haricinde bir tesiri olmayan bir işlem elde etmek imkansızdır. (Clausius Bildirisi)
Termal olarak izole edilmiş büyük bir sistemin entropisi hiçbir süre azalmaz (bkz: Maxwell'in Cini). Ama mikroskopik bir sistem, yasanın dediğinin tersine entropi dalgalanmaları yaşayabilir (bkz: Dalgalanma Teoremi). Aslına bakarsak, dalgalanma teoreminin zamana bakılırsa tersinebilir dinamik ve nedensellik ilkesinden çıkan matematiksel kanıtı ikinci yasanın bir kanıtını oluşturur. Mantıksal bakımdan ikinci yasa böylece aslına bakarsak fiziğin bir yasasından ziyade göreli olarak büyük sistemler ve uzun zamanlar için geçerli bir teoremi haline gelir. Ludwig Boltzmann tarafınca tanımlanmıştır. Sisteme dışardan enerji verilmediği sürece düzenin düzensizliğe düzensizliğin de kaosa dönüşeceğini anlatır. Kırık bir bardağın durup dururken ya da kırarken harcanan enerjiden daha azı kullanılarak eski haline döndürülemeyeceği örneği verilir klasik olarak. Gene aynı şekilde devrilen bir kitabı düzeltmek için devirirken harcanan enerjiden fazlasını kullanmakta fayda vardır, potansiyel enerjinin bir bölümü ısıya dönüşmüştür ve geri getirilemez. Bununla beraber evrendeki düzensizlik eğilimini de anlatır. Düzensizlik eğilimini anlatırken entropi kelimesini kullanır. Yunanca, en = ingilizcedeki 'in' gibidir, önüne geldiği kelimeye -de, -da eki verir ve tropos = yol kelimesinin çoğulu olan 'tropoi' (tropi diye söyleniş edilir) kelimesinden. Doğrusu; "yolda").
Düzensizlik ya değişmez ya da artar. Örnek olarak difüzyon verilebilir. Ayrı duran maddeler bir arada olandan daha düzenlidir ve kendiliğinden karışmış sıcak ve soğuk sudan olmuşmuş ılık suyun, tekrar sıcak ve soğuk diye ayrılması imkansızdır.
Eskime, yaşlanma, yıllanma benzer biçimde eylemlerin nedenidir.
En düzensiz enerji ısıdır ve bigün gelecek tüm enerji ısı olacaktır ve bu da evrenin sonu anlamına gelir.
İleri sürülecek teoriler termodinamiğin 2. kanunuyla çelişmemelidir.
Entropi iş yapma kabiliyeti olmayan enerji olarak da tanımlanır. İki cam balona değişik sıcaklıklarda gaz, cam balonlar arasına da bir pervane konacak olursa ilk başta pervanenin döndüğünü görülecektir. Fakat sonrasında entropi arttığı için pervanenin dönmesi duracaktır.
Spor yapmak için bir parkta 100 metrelik bir koşu yapıldığını, 100 metrenin sonunda yorulup koşamayacak hale gelindiğini ve bir yere oturulmuş olduğu düşünülecek olursa koşarken harcanmış olan ve tekrar kazanılamayacak olan enerjiye entropi denir.
Sistemin düzensizliği arttıkça artan herhangi bir fonksiyon rahatça entropi fonsiyonu olabilir. Mesela bir bardak suyumuz bulunduğunu ve bunun içine bir damla mürekkep damlatıp gözlediğimizi düşünelim ve içeride neler bulunduğunu hayal etmeye çalışalım. Mürekkep molekülleri ilk başlarda kısa bir süre bir arada bekleştikten sonrasında su içine dağılmaya başlayacaklardır. Çünkü kendilerine çarpan su molekülleri tarafınca değişik yönlere itileceklerdir (su ve mürekkep maddelerinin kimyasal bağlarının birbirlerini itmeye elverişli olmalarından dolayı). Şžimdi de muhteşem bir bilgisayarın, sistemin tüm mümkün durumlarını sayabildiğini düşünelim. Sistemin bir şartları denildiğinde anlamamız ihtiyaç duyulan şey bir molekülün belli başlı bir koordinata ve belli başlı bir hıza; bir başka molekülun bir başka belli başlı koordinata ve hıza haiz olduğu konfigürasyondur. Bardaktaki mürekkep örneğinde söz konusu durumların sayısının oldukça fazla olduğu açıktır. Zira bunların çok büyük bir bölümü mürekkebin moleküllerinin bardak içinde oraya buraya rasgele dağıldığı, düzensiz, kısaca yüksek entropili durumlara karşılık gelirler. Bizim algıladığımız düzeyde bunların hepsi benzeşik durumlardır. Çünkü karışıma baktığımızda o molekülün burada, bir başkasının şurada olmasına aldırmadan, mürekkebin benzeşik olarak dağıldığını söyleyebiliriz. Doğrusu muhteşem sayıda değişik mikroskopik vaziyet tek bir makroskobik duruma, kısaca benzeşik duruma karşılık gelir.
Aslına bakarsak sistemler bozulmamakta, enerji değişimi bazında en emin hali almaya çalışmaktadırlar. Yaşamın anlamı da budur, yaşam entropi yollarından biridir, şekerin çaya daha hızlı karışmasını elde eden kaşık işlevindedir.
Kapalı bir sistemde entropi devamlı artar. Kapalı sistem kısmı çok önemlidir. Sisteme enerji vermek suretiyle entropisi azaltılabilir. Dünya kapalı bir sistem değildir. Güneşten devamlı olarak enerji akmaktadır dünyaya, ve düzeni bu sağlar.
"Parçacık sayısı sonsuza giderken olması en olası olan şey olur": Havaya bir miktar bozuk para atılsa hepsinin tura gelme ihtimali yalnızca birdir: tttttt.... Birisi haricinde hepsinin tura gelme ihtimali daha çoktur: ytttt..., tyttt, ttyttt... Yarısının yazı, yarısının tura gelme ihtimali daha da çoktur: ytytyt..., yytyttyt..., yttytyyt.... İşte bu sonuncusu maksimum entropiye haiz olan sistemdir. Netice olarak entropinin artması, sistemin olası olmayan durumdan daha çok olası olan duruma doğru gitmesi anlamına gelir. İçinde bulunulan odadaki moleküllerin hepsinin odanın sağ köşesindeki bir noktaya toplanması mümkünse de bu koşulu elde eden yalnızca bir konfigürasyon vardır. Oysa atomların odanın her yerine eşit dağıldığı daha çok konfigürasyon vardır. Üçüncü Yasa
Bu yasa niçin bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın olanaksız bulunduğunu belirtir:
Isı mutlak sıfıra yaklaştıkça tüm hareketler sıfıra yaklaşır.
Isı mutlak sıfıra yaklaştıkça, bir sistemin entropisi bir sabite yaklaşır. Bu sayının sıfır değildir de bir durağan olmasının sebebi, tüm hareketler durmasına ve buna bağlı olan belirsizliklerin yok olmasına karşın kristal olmayan maddelerin moleküler dizilimlerinin değişik olmasından meydana gelen bir belirsizliğin hala mevcut olmasıdır. Bununla birlikte üçüncü yasa yardımıyla maddelerin mutlak sıfırdaki entropileri referans alınmak suretiyle kimyasal tepkimelerin incelenmesinde çok yararlı olan mutlak entropi tanımlanabilir.
Bu yasalardan birisini ihlal eden makinalara o yasanın numarası türünden (mesela, yoktan enerji yaratıyorsa birinci türden) devridaim makinası (garip bir biçimde Türkçe'de "Con Ahmet Makinası") denir.
Bu yasaların türlü gülünç çeşitlemeleri de vardır:
Ginsberg'in teoremi: (1) kazanamazsınız, (2) berabere kalamazsınız, ve (3) oyundan çıkamazsınız.
Ya da: (1) emek vermeden bir şey elde edemezsiniz, (2) emek vererek en fazla elde edebileceğiniz şey ama karsız zararsız olmaktır, ve (3) bu konuyu da ama mutlak sıfırda elde edebilirsiniz.
Ya da, (1) oyunu ne kazanabilirsiniz ne de oyundan çıkabilirsiniz, (2) çok soğuk olmadığı sürece oyunu berabere bitiremezsiniz, (3) hava o denli soğumaz.
YORUMLAR