termodđnamđk - WordPress.com
advertisement
TERMODĐNAMĐK Termodinamik, Bazı Türkçe kaynaklarda ısıl devingi olarak da geçer. Enerji, ısı, iş, entropi ve ekserji gibi fiziksel kavramlarla ilgilenen bilim dalı. Termodinamik yasalarının istatiksel mekanikten türetilebileceği gösterilmiştir. Sadi Carnot (1796-1832). Termodinamik biliminin kurucusu olarak kabul edilir. Termodinamik her ne kadar sistemlerin madde ve/veya enerji alış-verişiyle ilgilense de, bu işlemlerin hızıyla ilgilenmez. Bundan dolayı aslında termodinamik denilirken, denge termodinamiği kastedilir. Bu yüzden termodinamiğin ana kavramlarından biri "quasi-statik" (yarı-durağan) adı verilen, idealize edilmiş "sonsuz yavaşlıkta" olaylardır. 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. Termodinamik, isi hareketlerini, sistemlerin iç enerjileri ve isi ile is arasindaki iliskileri inceler. Termodinamik isi ve sicaklik kavramlaritla ilgilenir.Termodinamik maddenin hacimsel özelliklerini ve bu özelliklerle, atom ve moleküllerin mekanigi arasindaki iliskileri açiklamada çok basarilidir. Termodinamik, tarihsel olarak maddenin atom teorisindeki gelismeye paralel bir gelisme göstermistir.1820’lerde yapilan kimyasal deneylerle, atomlarin varligi hakkinda somut deliller 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. 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 Đstatistiksel 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. Đstatistiksel 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 kanunları Sıfırıncı kanunu Đki 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. 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. 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. 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. 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. Üçüncü kanunu 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. 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 sicaklikbasinç 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.
