erman erdem - WordPress.com

ERMAN ERDEM
TERMODİNAMİK NEDİR?
Enerji, ısı, iş, entropi ve ekserji gibi fiziksel kavramlarla ilgilenen bilim dalı.
Termodinamik yasalarının istatistiksel mekanikten türetilebileceği gösterilmiştir.
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. 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.
TERMODİNAMİK KANUNLARI:
Sıfırıncı kanunu
Termodinamiğin en basit yasasıdır. Eğer iki sistem birbirleriyle etkileşim
içerisindeyken aralarında ısı veya madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler
termodinamik dengededirler. Sıfırıncı yasa şöyle der:
Daha basit bir ifadeyle farklı sıcaklıklarda iki cisim ısıl bakımdan temas ederse sıcak
olan cisim soğur, soğuk olan cisim ısınır. İşin temelinde, iki farklı sıcaklığa sahip iki
cisim arasında gerçekleşen ısı akışının sıcak cisimden soğuk cisme gerçekleştiği
gerçeği yatar, bazı soğuk cisimlerin sıcak, ya da bazı sıcak cisimlerin soğuk
algılanması mümkündür. –30 derece soğuk olarak düşünülebilirse de –50 dereceye
göre daha sıcaktır. Isı akışının soğuktan sıcağa doğru olmayışının temeli şudur:
sıcaklık, malzeme atomlarının, daha doğrusu elektronlarının kinetik enerjisine etki
eden bir faktördür. Elektronlar her zaman temel enerji seviyesinde olacak şekilde
davranış gösterirler. Fazla kinetik enerjilerini aktarmak ve temel enerji seviyesine
dönmek isterler. Sıcaklık, malzeme içinde atomların titreşmesi ile iletilir. Bu
nedenledir ki, ısı akışı sıcak cisimden soğuk cisime doğru gerçekleşir.
Birinci kanunu
Bir sistemin iç enerjisindeki değişim: sisteme verilen ısı ile, sistemin çevresine
uyguladığı iş arasındaki farktır.
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.
İkinci kanunu
Termal olarak izole edilmiş büyük bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz
.Ancak mikroskopik bir sistem, yasanın dediğinin tersine entropi dalgalanmaları
yaşayabilir .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.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, bir daha sıcak ve soğuk diye ayrılması
imkânsızdır.
Eskime, yaşlanma, yıllanma gibi eylemlerin nedenidir.
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.
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. ”
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.
HAZIRLAYAN : ERMAN ERDEM