Termodinamik - WordPress.com

TERMODİNAMİK
Termodinamik, enerji ve bazı enerji çeşitlerinin birbirleriyle olan ilişkilerini inceleyen bir bilim
dalıdırve hayatın devamı için temel olan enerji konusunu ele alan heyecan verici çekici bir konudur.
Termodinamik, tarihsel olarak maddenin atom teorisindeki gelismeye paralel bir gelisme
göstermistir.1820’lerde yapilan kimyasal deneylerle, atomlarin varligi hakkinda somutdeliller ortaya
konulmustur.O zamanda bilim adamlari, maddenin yapisi ile isi ve sicaklik teorileri arasinda bir baginti
olmasi gerektigini kabul ediyorlardi.1827 yilinda Botanikçi Robert Brown bir sivi içindeki polen
taneciklerinin bir yerden bir yere, sabit uyarici altindaymis gibi düzensiz olarak hareket ettigini tespit
etmistir.1905 yilinda Albert Einstein, bu düzensiz hareketlerin nedenlerini termodinamik prensipleri
kullanarak açiklayan bir teori gelistirmistir.Bugin bu hareketler, Brown hareketleri olarak
adlandirilmaktadir.Einstein bu olayi, polen taneciklerine, sivi içinde düzensiz hareket eden
“görülmeyen” moleküllerin çarpmalari sonucunda sürekli düzensiz hareketler yaptiklari seklinde
açiklamistir.Bu önemli deney ve Einstein’in görüsü, bilim adamlarina,moleküllerin hareketlerinin kesfi
hakkinda çok önemli bilgiler vermistir.Böylece bilim adamlari maddenin atomik bilesenleri kavramiyla
tanismislardir.
Termodinamik daha pratik problemlerlede ilgilenir.Bir buzdolabinin içindekileri nasil
saguttugunu,santrallerde veya otomobilinizin motorunda hangi tip dönüsüm sistemlerinin oldugunu
veya yüksek bir yerden düsen ve daha sonra duran bir cismin kinetik enerjisinin ne oldugunu hiç
düsündünüz mü?Termodinamik kanunlari ,isi ve sicaklik kavramlariyla bu tür sorulara cevap
verir.Genel olarak termodinamik, maddenin durumlari kati,sivi,gaz ve bunlarin birbirlerine
dönüsümleriyle ilgilidir.
Simdi termodinamigin üç yasasini inceleyelim:
A) Sifirinci Kanun
Sifirina kanun sicaklik ve termal dengeyle ilgili bir kanundur. Burada sunu belirtelim, isi ve sicaklik ayni
seyler degildirler. Isi; sicaklik farkindan dolayi bir cisimden digerine akan enerji iken, sicaklik; bir
cisimde bulunan enerjinin bir ölçüsüdür. Termal dengeyi ise. isi alisverisinde bulunabilecek bir
durumda bulunan (Termal temas) iki veya daha fazla cismin sicaktan soguga dogru olan enerji akisinin
kesilmesiyle kurulan bir denge hali olarak tarif edebiliriz.
Bu açiklamalara göre sifirina kanun, "Birbirleriyle termal temasta bulunan varliklarin olusturdugu bir
sistem, yeterli zaman sonunda termal dengeye ulasir ve sistem içindeki bütün varliklar ayni sicakliga
sahip olurlar" seklinde ifade edilebilir.
Termometreler bu kanuna göre çalismaktadir. Termometreler bulunduklari sistemin bir parçasi
olduklarindan sistemle termal denge içindedir. Yani sistemin sicakligina sahiptir. Bundan sonra
sisteme verilen veya çekilen isidan termometre direkt olarak etkilenir ve ortamin yeni sicakligini
gösterir.
B) Birinci Kanun
Termodinamigin birinci kanunu enerjinin korunumu kanunudur. Bu kanuna göre enerji yoktan var,
vardan da yok edilemez, ancak sekil degistirebilir. Bizde bundan faydalanarak (enerji dönüsümleri)
isiniyor, hareket ediyor ve cisimleri hareket ettiriyoruz. Buhar makineleri, diger isi üretim makineleri
ve yakitli motorlar hepsi bu kanunun öngördügü sekilde enerjinin ise dönüstürülmesinden
faydalanarak çalismaktadir.
Bu kanun belki de fizik kanunlarinin en saglam olanidir. Ayrica bu kanuna göre. yasam kaynagimiz
olan günes de mevcut enerjisini bir gün tüketecek ve insan yasami ile birlikte kendiliginden
sönecektir. Bilim adamlarinin yaptiklari hesaplamalara göre günes yaklasik 4,6 milyar yil yasindadir,
ancak 5 milyar yillik enerjisi kalmistir. Bes milyar yil çok uzun bir zamandir, ama hiç bir zaman sonsuz
anlamina gelmez.
C) Ikinci Kanun
19. yüzyil, ataga kalkan bilim sayesinde sanayi devrimine sahne oldu. Bu devrimin hiç kuskusuz bas
aktörü makinalardi. Makinalar da daha mükemmele ulasma istegi ile yapilan çalismalar sirasinda bilim
adamlarinin Önünde bazi sorular belirdi. Hangi tür bir makina en çok verimle çalisir? Kayiplar
sifirlanabilir mi? Kayiplarin kaynagi nedir? v.b. Bu sorularin cevaplan hiç de beklenildigi gibi olmadi.
Çünkü yanitlar insanogluna hiç bitmezmis gibi görünen enerji rezervlerinin hesapsizca
kullanilamayacagini gösterecektir.
Yapilan arastirmalar neticesinde yüzde yüzlük verimle çalisan makinalar düsüncesi tarih oldu. Çünkü
ne türlü bir makina yapilirsa yapilsin makinaya verilen enerji ile makinadan baska bir sekle
dönüstürülmüs olarak elde edilen enerji arasinda sifirlanamaz bir kayip mevcuttur. Ne yaparsak
yapalim verilen enerjinin bir kismi makina içi sürtünmeler vasitasiyla isiya dönüsmektedir. Kaybolan
isi ise hiç bir zaman enerji olarak tekrar elde edilemez. Bu olay enerji kaybi dolayisiyla birinci kanunun
ihlali seklinde anlasilmasin. Kayiplardan kasit, vardan yok olma seklinde olmayip, enerjinin isi sekline
dönüsüp kullanilabilir olmaktan çikmasi, sistemin (makina. ortam, araç vb.) yapisina katilmasidir.
Kisaca ikinci kanun; bir süreç içinde gerekli toplam enerji sabit kaldigi halde, sürtünme ve benzeri
temaslar yüzünden kullanilabilir enerji azalmaktadir ve bunun sonucu olarak yüzde yüzlük verimle
çalisan bir makina yapilamaz.
Termodinamigin ikinci kanunu, fizige geri döndürülemez (tersinmez) olaylar düsüncesini getirdi. Bu
kanuna göre fiziksel hadiselerde geri döndürülemez belirli bir egilim vardir. Örnegin, bir bardak sicak
çay etrafina isi vererek sogur ve hiç bir zaman çayimiz verdigi isiya kendiliginden toplayip eski haline
gelmez. Yukaridan serbest birakilan bir top yerden sekip birakildigi yükseklige kadar çikmayi
basaramaz. Bir pervaneyi ne kadar hizli çevirirsek çevirelim, çevirme islemini biraktiktan bir müddet
sonra durur ve hiç bir zaman da sürtürmeye harcadigi enerjisini toparlayip tekrar dönmeye baslamaz.
Bir odaya siktigimiz parfüm ilk Önce yakin çevresi tarafindan hissedilir, bir süre sonra karsi kösedeki
arkadasimiz bile kokuyu alir, ama daha sonra koku gittikçe etkisini kaybeder ve parfüm zerrecikleri
atmosferde dagilip gider. Hiç bir zaman odadan çikmam demez, geri dönüssüz evrensel egilimin
etkisinde bir harekete mecbur kalir.
Bütün bu saydigimiz süreçlerin ortak yani; belirli bir dogrultuda, düzenden düzensizlige, bütünden
yayilmaya, kullanilir olabilirlikten kullanilmamazliga dogru, yol almalaridir.
R.Clausius bu evrensel egilime entropi ismini verdi ve matematiksel bir ifadesini olusturmayi basardi.
Entropi Yunanca kökenli bir kelime olup "Bir sistemin düzensizlik derecesinin ölçüsü" manasinda
kullanilir.
Ikinci yasa kisaca entropi artisi olarak özetlenebilir. Bütün varliklarin, eninde sonunda entropisi
artmaktadir. Kainattaki olaylarin tümü yukarida saydigimiz gibi geri dönüsümlü olmayan olaylardir.
Bizi isitan ve aydinlatan günes bir bardak sicak çay gibi isisini tüketmektedir. Içinde bulundugumuz
Samanyolu Galaksisi ve diger galaksiler bir odaya siktigimiz parfümün zerrecikleri gibi birbirlerinden
hizla uzaklasmaktadirlar. Kisacasi evrenin entropisi sürekli olarak artmaktadir.
Sürekli enerji kaybindan dolayieninde sonunda evrenin entropisi maksimum degere ulasacaktir. Bu
andan itibaren evrenin her yeri ayni sicaklik ve yogunlukta olacak. Bu maksimum düzensizlik halinde
is yapacak kullanilabilir enerji olmadigindan bütün fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçler
duracaktir.Bu umutsuz tabloya bilim adamlari "Isi ölümü" adini verirler.
Bu konu hakkinda Fizikçi Poul Davies "Tanri ve Yeni Fizik" adli kitabinda söyle diyor: "Eger evren sinirli
bir düzen birikimine sahipse ve düzensizlige dogru tersinmez biçimde sonunda termodinamik
dengeye degisiyorsa iki çok derin çikarimi hemen izlemeye baslar, îlki evren en sonunda agir agir
yuvarlanarak kendi entropisi içinde ölecektir. Bu fizikçiler arasinda evrenin "isi ölümü" olarak bilinir.
Ikincisi evren ebediyen varolmus olamaz, bu yüzden sinirli bir zaman önce dengesi son durumuna
erismis olacakti. Özet olarak evren daima varolmadi."
Entropi, 19. yüzyilda büyük yankilar uyandirdi. Entropi, bir türlü Newton mekanigi ile
açiklanamiyordu. Ludwig Boltzman olasilik kavramini gündeme getirdi. Olasiliklar yardimiyla kurulan
istatistiksel mekanik. Newton mekanigini düstügü zor durumdan kurtardi.
D) Üçüncü Kanun
Üçüncü yasa fizik bilimindeki görülmeyen engellerden biriyle ilgilidir. Bu termodinamik engel, mutlak
sifir sicakligidir. Bu kanun 1906 Wolther Nernst tarafindan ortaya atilmistir.
Mutlak sifir noktasi, bütün gazlar için basincin sifir oldugu andaki sicaklik degerine karsilik
gelmektedir. Yani bütün gazlarin mutlak sifir sicakliginda basinçlari sifirdir. Mutlak sifir sicakligi -273,
15°C karsilik gelir. Fakat bu deger bu sicakliga inilerek elde edilmis bir Ölçüm olmayip bütün gazlarin
sicaklik-basinç grafiginden elde edilmis bir degerdir. Zaten fiziki bir engel olma özelligi buradan
kaynaklanmaktadir. Yapilan deneylerde bu sicakliga inilememistir.
Basincin sifirlanmasi ise ayri bir problemdir, önceleri fizikçiler cisimler sogudukça molekül ve
atomlarin hareketlerinin yavasladigi ve mutlak sifir sicakliginda tamamen durdugu ve böylelikle
etraflarina bir basinç uygulayamadiklari düsüncesindeydiler. Fakat daha sonra fizige giren Kuantum
mekanigine göre atomlarin sifirlanamâz alt limit enerji degerleri olmak zorundadir. Kisaca deneylerle
de dogrulanan Kuantum mekanigine göre, atomlar -273, 15 ° C 'de etrafiyla paylasamayacagi bir
enerjiye sahiptirler,
Nernst bu sonuçlardan faydalanarak isi bir adim daha ileri götürdü. Ona göre mutlak sifir noktasi 273,15 ° C maksimum düzensizlikten çok düzensizligin yoklugu yani mükemmel bir düzen halidir.
Daha sonra yapilan çalismalar da mutlak sifira Inmenin eldeki bilgilerle imkansiz oldugu ortaya çikti.
Çünkü sicakligi düsürmek için gerekli caba her seferinde zorlasmaktadir. Bu isik hizina erismek için
gereken enerjinin sonsuza gitmesi gbi -273.15 ° C inmek için gereken çaba da sonsuza gitmektedir.
Termodinamigin temcilerini olusturan bu dört kanun, kesin ve saglamliklarina ragmen bizde fizigin en
az bilinen alanlarindan biridir. Genelde bu konu ya temel fizik kitaplarinin son bölümünü olusturur ya
da basli basina bir ders olarak okutulur. Kalin teme! fizik kitaplarinin tamamini bir dönemde bitirmek
pek görülmüs sey degildir. Bir ders olarak müfredata koyuldugunda ise ezberci sistemin bir sonucu
olarak sayfalar süren formül kargasasinda isin özüne, manasina girilememekte veya girilmemektedir.
Su bir gerçek ki, bildigimiz en mükemmel izole sistem içinde yasadigimiz kainattir. Iste bu kainat
sürekli genisleyen yapisiyla isi Ölümüne dogru kosmaktadir. Bu uzun maraton bir gün entropinin
maksimumlanmasiyla son bulacak. Iste o andan itibaren, ölüm bir daha ölmemek üzere kainati
kusatacak.