termodinamik - WordPress.com

TERMODİNAMİK
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 uygulanabilir.
TERMODİNAMİK DEĞİŞKENLER
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.
SIFIRINCI KANUNU
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.
BİRİNCİ KANUNU
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
İKİNCİ 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.
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.
İSTATİSTİKSEL MEKANİK
İstatistik mekanik, büyük popülasyonları çözümlemekte matematiği kullanan olasılık teorisinin,
kuvvete maruz kalan nesnelerin veya parçacıkların hareketiyle ilgilenen mekaniğe uygulamasıdır.
İstatistiksel mekanik; herbir atom ve molekülün mikroskobik özellikleriyle, günlük hayatta karşılaşılan
maddelerin makroskobik özellikleri arasında ilişki kurar. Bunu nesnelerin termodinamik özelliklerini,
moleküllerin spektroskopik yöntemlerle alınmış verileri kullanarak yapar.
İstatistiksel mekaniğin temel becerisi termodinamiğe dayanır. Sistemlerin mikroskobik özelliklerini
kullanarak makroskobik özellikleri hakkında tahminler yürütür. İki teori de termodinamiğin ikinci
yasasını kullanır. Ancak termodinamiğin ikinci yasasında entropi deneysel bir sonuçken istatistiksel
mekanikte sistemin mikro düzeyde dağılımının fonksiyonudur.