Termodinamik Termodinamik

Termodinamik
Termodinamik, (Yunancada: thermos:ısı ve dynamic:enerji). Bazı
Türkçe kaynaklarda ısıl devingi olarak da
geçer. Enerji, ısı, iş, entropi ve ekserji gibi fiziksel kavramlarla ilgilenen
bilim dalı. Termodinamik
yasalarının istatistiksel mekanikten türetilebileceği gösterilmiştir.
Sadi Carnot (1796-1832). Termodinamik biliminin kurucusu olarak
kabul edilir.
Termodinamik her ne kadar sistemlerin madde ve/veya enerji alışverişiyle ilgilense de, bu işlemlerin
hızıyla ilgilenmez. Bundan dolayı aslında termodinamik denilirken,
denge termodinamiği kastedilir. Bu
yüzden termodinamiğin ana kavramlarından biri "quasi-statik" (yarıdurağan) adı verilen, idealize edilmiş
"sonsuz yavaşlıkta" olaylardır. Zamana bağlı termodinamik olaylarla,
denge halinde olmayan
termodinamik ilgilenir.
Termodinamik yasaları çok genel bir geçerliliğe sahiptirler ve karşılıklı
etkileşimlerin ayrıntılarına veya
incelenen sistemin özelliklerine bağlı olarak değişmezler. Yani bir
sistemin sadece madde veya enerji
giriş-çıkışı bilinse dahi bu sisteme uygulanabilirler.
Konu başlıkları
1 Termodinamik değişkenler
2 Termodinamik potansiyeller
3 Termodinamik kanunları
3.1 Sıfırıncı kanunu
3.2 Birinci kanunu
3.3 İkinci kanunu
3.4 Üçüncü kanunu
Termodinamik değişkenler
Bu değişkenler genellikle sistemin ya kendisini ya da çevre koşulları
tarif etmek için kullanılır. En çok
kullanılanlar ve simgeleri şunlardır:
Mekanik değişkenler:Basınç: P
Hacim: V
İstatistiksel değişkenler:
Sıcaklık: T
Entropi (düzensizlik): S
Mekanik değişkenler, temel klasik veya parçacık fiziği tanımlarıyla
tarif edilebilirken, istatistiksel
değişkenler sadece istatistiksel mekanik tanımlarıyla anlaşılabilir.
Termodinamiğin çoğu uygulamasında, bir ya da daha çok değişken
sabit tutulurken, diğer değişkenlerin
bunlara göre nasıl değiştiği incelenir ve bu da sistemin matematiksel
olarak (n sabit tutulmayan
değişkenlerin sayısı olmak üzere) n boyutlu bir uzay olarak tarif
edilebileceği anlamına gelir. İstatistiksel
mekaniği fizik yasalarıyla birleştirerek, bu değişkenleri birbirleri
cinsinden ifade edecek "durum
denklemleri" yazılabilir. Bunların en basit ve en önemli olanlarından
biri ise ideal gaz yasasıdır.
Bu denklemde R evrensel gaz sabiti'dir. Ayrıca istatistiksel mekanik
terimleriyle bu denklem şöyle yazılır:
Bu denklemde de k Boltzmann sabiti'dir.
Termodinamik potansiyeller *değiştir+
Termodinamik değişkenler vasıtasıyla dört tane termodinamik
potansiyel tanımlanabilir:
Sistemin İç Enerjisi
Helmholtz Serbest Enerjisi
Gibbs Serbest Enerjisi
Entalpi
Entalpi,özel bir fonksiyondur.Basınç sabit olduğu zaman bize ısıyı
verir. Bu dört potansiyelin diferansiyel
denklemlerini ve zincirleme türev kuralını kullanarak bu dört
potansiyel, değişkenler ve birbirleri
cinsinden yazılabilir:
Termodinamik kanunları Ana madde: Termodinamik kanunları
Sıfırıncı kanunu *değiştir+
İki sistem birbirleri ile etkileşim halinde oldukları halde, durumları
değişmeden kalıyorsa bu iki sistem
birbirleri ile dengededir denilir. Eğer iki sistem etkileşime açık
oldukları halde, aralarında mekanik
etkileşimle olan enerji transferi (iş) dışında net enerji transferi (ısı
geçişi) yoksa, bu iki sistem birbirleri ile
ısıl dengededirler. Sıfırıncı yasa şöyle der:
Eğer A ve B sistemleri birbirleri ile ısıl dengede iseler, A sistemi ile ısıl
dengede olan bir C sistemi B sistemi
ile de ısıl denge durumundadır. Bu denge durumu, sıcaklık olarak
tanımlanır. Yani her sıcaklık derecesi,
farklı bir denge durumunu temsil eder.
1931 yılında Ralph H. Fowler tarafından tanımlanan bu yasa, temel bir
fizik ilkesi olarak karşımıza
çıktığından, doğal olarak 1. ve 2. yasalardan önce gelmek zorunluluğu
doğmuş ve sıfırıncı yasa adını
almıştır.
Birinci kanunu
Tipik bir termodinamik sistem: ısı sıcak kaynatıcıdan soğuk
yoğunlaştırıcıya doğru hareket eder ve bu
sayede 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 sadece bir
şekilden diğerine dönüşür. Bir sistemin herhangi bir çevrimi için
çevrim sırasında ısı alışverişi ile iş
alışverişi aynı birim sisteminde birbirlerine eşit farklı birim
sistemlerinde ise birbirlerine orantılı olmak
zorundadır. Bu ifadelerin yapılan deneylerle doğruluğu gözlenmiştir
fakat ispat edilememektedir. Bütün
bu ifadeler matematiksel olarak çok daha kolay ifade edilebilir.
Aşağıdaki formüllerde
Q = çevrim boyunca net ısı alışverişini
W = çevrim boyunca net iş alışverişini
göstersin. Ama bir de çevrime ihtiyaç duyuyoruz şimdi onu da basit
olarak çizelim,
Şimdi bu şekilde sistemin herhangi iki hali görünüyor yani 1 ve 2 nolu
noktalar. Hal değişimleri ise A , B , C
çizgileriyle sağlansın. Ok yönleri de hal değişimlerinin olacağı yönler.
Şimdi hal değişimleri 1A2 ve 1B2 ise
2C1 ilk hale dönülen durumdur. Şimdi çevrimleri kurguluyalım
elimizde 1A2C1 ve 1B2C1 çevrimleri var:
1A∫2.δ.Q + 2C∫1.δ.Q = 1A∫2.δ.W + 2C∫1.δ.W ( 1A2C1 Çevrimi ) (a
denklemi)1B∫2.δ.Q + 2C∫1.δ.Q = 1B∫2.δ.W + 2C∫1.δ.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 ( δ.Q - δ.W ) = 1B∫2( δ.Q - δ.W ) (c denklemi)
1A2 ve 1B2 aynı haller arasında herhangi iki hal değişimi olduğundan
δQ – δW ifadesinin 1-2 noktası
arasındaki bütün hal değişimleri için bağımsız olduğu söylenebilir.
Bunların farkı nokta fonksiyonudur ve
tam diferansiyeldir. Bu sisteme has bir özellik olup sistemin enerjisidir
ve E ile gösterilir (E=δQ-δW)
sonsuz küçük 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 üzere;
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 kanunu
Birçok alanda uygulanabilen ikinci yasa şöyle tanımlanabilir:
Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka
hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde
etmek imkânsızdır. (Kelvin-Planck Bildirisi)ya da Verim asla 1 den
büyük olamaz. şeklinde tanımlanabilir.bir başka izah da şöyle olabilir
tek kaynaktan ısı çekerek çalışan bir makina yapmak olası değildir
Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan
bir işlem elde etmek imkânsızdır.
(Clausius Bildirisi)
Termal olarak izole edilmiş büyük bir sistemin entropisi hiçbir zaman
azalmaz (bkz: Maxwell'in Cini).
Ancak mikroskopik bir sistem, yasanın dediğinin tersine entropi
dalgalanmaları yaşayabilir (bkz:
Dalgalanma Teoremi). Aslında, dalgalanma teoreminin zamana göre
tersinebilir dinamik ve nedensellik
ilkesinden çıkan matematiksel kanıtı ikinci yasanın bir kanıtını
oluşturur. Mantıksal bakımdan ikinci yasa
bu şekilde aslında fiziğin bir yasasından ziyade göreli olarak büyük
sistemler ve uzun zamanlar için geçerli
bir teoremi haline gelir. Ludwig Boltzmann tarafından tanımlanmıştır.
Sisteme dışardan enerji verilmediği
sürece düzenin düzensizliğe düzensizliğin de kaosa dönüşeceğini
anlatır. Kırık bir bardağın durup
dururken veya kırarken harcanan enerjiden daha azı kullanılarak eski
haline döndürülemeyeceği örneği
verilir klasik olarak. Yine aynı şekilde devrilen bir kitabı düzeltmek için
devirirken harcanan enerjiden
fazlasını kullanmak gerekir, potansiyel enerjinin bir kısmı ısıya
dönüşmüştür ve geri getirilemez. Aynı
zamanda 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 telaffuz edilir)
kelimesinden. Yani; "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 oluşmuş ılık suyun, bir daha sıcak
ve soğuk diye ayrılması imkânsızdır.
Eskime, yaşlanma, yıllanma gibi eylemlerin nedenidir.
En düzensiz enerji ısıdır ve bir gün gelecek bütün enerji ısı olacaktır ve
bu da evrenin sonu demektir.
İleri sürülecek teoriler termodinamiğin 2. kanunuyla çelişmemelidir.
Entropi iş yapma yeteneği olmayan enerji olarak da tanımlanır. İki
cam balona farklı sıcaklıklarda gaz, cam
balonlar arasına da bir pervane konacak olursa ilk başta pervanenin
döndüğünü görülecektir. Fakat sonra
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 oturulduğu düşünülecek
olursa koşarken harcanmış olan ve bir
daha kazanılamayacak olan enerjiye entropi denir.
Sistemin düzensizliği arttıkça artan herhangi bir fonksiyon rahatça
entropi fonsiyonu olabilir. Örneğin bir
bardak suyumuz olduğunu ve bunun içine bir damla mürekkep
damlatıp gözlediğimizi düşünelim ve
içeride neler olduğunu hayal etmeye çalışalım. Mürekkep molekülleri
başlangıçta kısa bir süre bir arada
bekleştikten sonra su içine dağılmaya başlayacaklardır. Çünkü
kendilerine çarpan su molekülleri
tarafından değişik yönlere itileceklerdir (su ve mürekkep
maddelerinin kimyasal bağlarının birbirlerini
itmeye elverişli olmalarından dolayı). Şimdi de olağanüstü bir
bilgisayarın, sistemin bütün mümkün durumlarını sayabildiğini
düşünelim. Sistemin bir durumu denildiğinde anlamamız gereken şey
bir
molekülün belirli bir koordinata ve belirli bir hıza; bir başka
molekülun bir başka belirli koordinata ve hıza
sahip olduğu konfigürasyondur. Bardaktaki mürekkep örneğinde bu
tür durumların sayısının çok fazla
olduğu açıktır. Zira bunların çok büyük bir kısmı mürekkebin
moleküllerinin bardak içinde oraya buraya
rasgele dağıldığı, düzensiz, yani yüksek entropili durumlara karşılık
gelirler. Bizim algıladığımız düzeyde
bunların hepsi homojen durumlardır. Çünkü karışıma baktığımızda o
molekülün burada, bir başkasının
şurada olmasına aldırmadan, mürekkebin homojen olarak dağıldığını
söyleyebiliriz. Yani olağanüstü
sayıda farklı mikroskopik durum tek bir makroskobik duruma, yani
homojen duruma karşılık gelir.
Aslında sistemler bozulmamakta, enerji değişimi bazında en kararlı
hali almaya çalışmaktadırlar. Hayatın
anlamı da budur, yaşam entropi yollarından biridir, şekerin çaya çok
daha çabuk karışmasını sağlayan
kaşık işlevindedir.
Kapalı bir sistemde entropi her zaman artar. Kapalı sistem kısmı çok
önemlidir. Sisteme enerji vermek
suretiyle entropisi azaltılabilir. Dünya kapalı bir sistem değildir.
Güneşten sürekli olarak enerji akmaktadır
dünyaya, ve düzeni bu sağlar.
"Parçacık sayısı sonsuza giderken olması en muhtemel olan şey olur":
Havaya bir miktar bozuk para atılsa
hepsinin tura gelme ihtimali yalnızca birdir. Biri dışında hepsinin tura
gelme ihtimali daha çoktur.
Yarısının yazı, yarısının tura gelme ihtimali daha da çoktur.İşte bu
sonuncusu maksimum entropiye sahip
olan sistemdir. Sonuç olarak entropinin artması, sistemin muhtemel
olmayan durumdan daha çok
muhtemel olan duruma doğru gitmesi demektir. İçinde bulunulan
odadaki moleküllerin hepsinin odanın
sağ köşesindeki bir noktaya toplanması mümkünse de bu koşulu
sağlayan yalnızca bir konfigürasyon
vardır. Oysa atomların odanın her yerine eşit dağıldığı daha çok
konfigürasyon vardır.
Bu yasa neden bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın imkânsız
olduğunu belirtir:
Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça bütün hareketler sıfıra yaklaşır.
Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça, bir sistemin entropisi bir sabite
yaklaşır. Bu sayının sıfır değil de bir sabit
olmasının sebebi, bütün hareketler durmasına ve buna bağlı olan
belirsizliklerin yok olmasına rağmen
kristal olmayan maddelerin moleküler dizilimlerinin farklı olmasından
kaynaklanan bir belirsizliğin hala
mevcut olmasıdır. Ayrıca üçüncü yasa sayesinde maddelerin mutlak
sıfırdaki entropileri referans alınmak
üzere kimyasal tepkimelerin incelenmesinde çok yararlı olan mutlak
entropi tanımlanabilir.
KAdİR KARA
12050355