İçeriğe geçmek için "Enter"a basın

Termodinamik Yasaları

1. Termodinamiğe Giriş

Termodinamik farklı nesneler arasındaki ısı alışverişini temel alan bir fizik alanıdır. İstatistik bilimi de sıklıkla parçacıkların hareketlerini gözlemleyebilmek için termodinamikle birlikte kullanılır. Termodinamik küçücük atomların, bu devasa evrenimizle nasıl bağlantı kurduğunu anlatabilmesi yönünden önemlidir. Termodinamiğin iki alt kolu bulunur; istatistiksel termodinamik ve klasik termodinamik.

Termodinamik farklı nesneler arasındaki ısı alışverişini temel alan bir fizik alanıdır. İstatistik bilimi de sıklıkla parçacıkların hareketlerini gözlemleyebilmek için termodinamikle birlikte kullanılır. Termodinamik küçücük atomların, bu devasa evrenimizle nasıl bağlantı kurduğunu anlatabilmesi yönünden önemlidir.Termodinamiğin iki alt kolu bulunur; istatistiksel termodinamik ve klasik termodinamik.

Termodinamikteki önemli bir başka fikirse termodinamik sistemdir. Termodinamik sisteme örnek olarak bir tuğlayı gösterebiliriz. Tuğla her biri kendine ait özellikler barındıran birçok atomdan oluşmuştur. Tüm termodinamik sistemlerin de iki özelliği vardır; yaygın ve yeğin. Yaygın özellikler tüm atomların toplanmasıyla elde edilen değerdir. Hacim, enerji, kütle ve yük gibi özelliklerin hepsi yaygın özelliktir. Çünkü iki tane aynı tuğla bir araya geldiğinde tek bir tuğlanın iki katı değere ulaşır. Yeğin özelliklereyse tuğlayı oluşturan atomların geneline bakarak ulaşabilirsiniz. Isı, basınç ve yoğunluk gibi değerler iki tuğla bir araya gelse de tek başına olan tuğlayla aynı değerleri verir.

2. Termodinamik Yasaları

2.1 Sıfırıncı Termodinamik Yasası

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.

Termodinamiğin sıfırıncı yasası aslında diğer yasalardan sonra bulunmuştur. Ancak termodinamik için çok önemli ve temel seviyede olduğu için dördüncü olması yerine sıfırıncı olmasına karar verilmiştir. Peki bu yasa ne demek? Basitçe eğer A=C ve B=C ise sonuç olarak A=B’dir. Bu yasa gayet aşikarmış gibi görünse de ısıyı tanımlayabilmek ve termometreler yapabilmek için ona ihtiyacımız var.

2.2 Birinci Termodinamik Yasası

Bir sistemin iç enerjisindeki değişim miktarı, o sisteme ilave edilen ısı miktarı ile sistemin çevresine uyguladığı iş arasındaki farka eşittir.

Termodinamiğin birinci yasası aslında kısaca enerji korunumunu ifade ediyor. Yani enerji ne yok edilebilir, ne de yoktan var edilebilir. Enerji ısıya, işe veya başka bir şeye dönüşebilir; ama başlangıçtaki enerji miktarından fazlası ya da azı ortaya çıkmaz. Ne kadar enerji verirseniz, o kadar iş elde edersiniz. Bir benzetme yapalım. Elinizde 30 tuğlanız olsun. Bu 30 tuğladan ne inşa ederseniz edin, sayısı aynı kalacak. Tuğlaları yok edemezsiniz; hareket ettirebilirsiniz veya bölebilirsiniz. Ancak sonuçta yine de 30 tuğla olmuş olacak.

2.3 İkinci Termodinamik Yasası

Termodinamiğin ikinci yasası muhtemelen en popüler olanı ve fiziğin de en önemli yasalarından biri. Entropi (düzensizlik) ya aynı kalır ya da giderek büyür. Evrendeki entropi asla küçülemez.

Sorun şu ki bu her zaman doğru değil. Somutlaştırmak için bir kutunun içine dört atom koyduğunuzu düşünün. Bunların her birini bir köşeye bıraktınız. Zamanla atomlar hareket edecek ve entropi artacaktır. Kutunun içinde herhangi bir noktaya gitmiş olabilirler. Ancak ihtimali çok küçük de olsa yeniden köşelerine gitmeleri gibi bir olasılık da var.

2.4 Üçüncü Termodinamik Yasası

Sıcaklık mutlak sıfıra yaklaştıkça, en durağan hâlindeki bir elementin kusursuz bir kristalinin entropisi de sıfıra yaklaşır.

Termodinamiğin üçüncü yasası, entropinin ölçümüyle ilgili bir referans noktası sunar. Sistemin sıcaklığı 0 Kelvin olursa, entropi de 0 olur.

3. Entropi ve Evre Uzayı

Entropi, termodinamik alanı için oldukça önemlidir. İkinci ve üçüncü yasanın ardındaki temel fikirdir. Entropi özünde bir sistemdeki düzensizliğin ve rastgeleliliğin ölçülmesidir. Bunu iki örnekle açıklayalım:
  • Deneyimize göre, elinizde gaz moleküllerinden oluşan bir kutunuz olsun. Eğer tüm moleküller tek bir köşedeyse, düzenli oldukları anlamına gelir, yani entropi düşüktür. Parçacıklar hareket edip kutunun içine yayılmaya başlayınca da entropi yani düzensizlik artar.
  • Eğer havaya uçurduğunuz bir balonunuz varsa başta enerjisi (kinetik) düzenlidir. Havada yükselmeye devam ettikçe kinetik enerjisinin bir kısmı hava moleküllerine geçer ve entropi yükselir. Ancak toplam enerji miktarı termodinamiğin ilk yasasınca korunur.
Entropiyi daha detaylı anlayabilmek için evre uzayına bakalım. Bununla ilgili bazı konseptler kafanızı karıştırabilir, ama sabredin.
Evre Uzayı
Evre Uzayı

Evre uzayı bir sistemin tüm olası durumlarının temsil edildiği bir uzaydır, sistemin her olası durumuna karşılık evre uzayında bir tek nokta vardır. Evre uzayı bir grafik gibidir, ancak bu grafikteki bir nokta tüm sistemin durumunu verir. Somut bir örnekle düşünecek olursak, elinizde içinde dört gaz molekülü bulunan bir kutu olsun. Bu sistemin evre uzayındaki her nokta size moleküllerin nerede olduğunu verir.

Örneğimizde dört parçacığın konumuyla ilgilendik. Evre uzayındaki her bir nokta bize parçacığın X, Y ve Z koordinatlarını veriyor. Bizim bu sistemimiz, N, sistemimizdeki parçacıkların sayısı olmak üzere 3N boyutlu. Böylece örneğimizin evre uzayı 12 boyutlu olmalı ki her nokta diğer parçacıkların konumunu bize verebilsin.

Kaynak 1
Kaynak 2
Kaynak 3