Termodinamik Yasaları Nelerdir? Termodinamiğin 4 Yasası

Termodinamik kanunları ya da termodinamik yasaları termodinamiğin temelini oluşturan dört temel kanundur. Termodinamik prosesleri ısı ve iş transferlerinin yapısını tanımlamaktadır. Termodinamik kanunları; çok genel bir geçerliliğe sahiptir ve karşılıklı etkileşimlerin ayrıntılarına veya incelenen sistemin özelliklerine bağlı olarak değişiklik göstermemektedir. Yani bir sistemin sadece madde veya enerji giriş-çıkışı bilinse de bu sisteme uygulanabilmektedir.

Fizikçiler evrendeki her şeyi olabildiğince sınıflandırır ve bunlara sistem adını verirler. Çok sayıda parçacık ya da cisim içeren bu sistemler doğada her yerde karşımıza çıkmaktadır. Örneğin atom ve moleküllerde, elektronların kuantum gazlarında, nötron yıldızlarının merkezindeki nükleer maddelerde…

Ya da evrenimizin başlangıcı olan Büyük Patlama ile üretilen atomaltı parçacıklarda… Bunların her biri çeşitli sistemler oluşturmaktadır ve hatta kendileri de bazı diğer sistemlerin parçası olmaktadır. Bahsetmiş olduğumuz bu sistemler birbirinden tamamen farklıdır. Her ne kadar bunlar birbirinden farklı olsa da bunların tamamı fizik yasalarına uymaktadır. Bizler bugün burada bu sistemleri termodinamik açıdan inceleyeceğiz.

Kaynak: EvrenBilim

Maddeler fiziksel özellik olarak genelde ikiye ayrılmaktadır: Bunlar makro-durum ve mikro-durum’dur. Makro-durum, maddelerin makroskopik özelliklerini temsil etmektedir. Mikro-durum ise maddelerin mikroskopik özelliklerini ifade etmektedir. Her ne kadar karşımıza iki ayrı kategori çıkmış olsa da bu iki kategori aslında birbiriyle ilişkilidir. Bu ilişkiyi sağlayan işe “termodinamik yasaları” adı verilmektedir.

Termodinamik yasaları; sistemlerin enerjilerini ve entropileri hakkında bilgi sahibi olmamıza olanak sağlamaktadır.

Termodinamik Açıdan Sistemler

Termodinamik açıdan sistemler üç ana grupta incelenmektedir. Bunlar: izole sistemler, kapalı sistemler ve açık sistemler.

İzole Sistemler

Bu tür sistemler çevreleriyle hiçbir etkileşime geçmez. Yani çevreleriyle enerji ya da madde alışverişi yapamazlar. Bu sebepten ötürü de sahip oldukları toplam enerji korunur ve buradan yola çıkarak sistemin makrodurumları bulunabilmektedir.

Bu sistemler idealize sistemlerdir ve gerçekte olanı yansıtmazlar. Doğada %100 izole hiçbir sistem yoktur. Sadece çok iyi izole edilmiş sistemler vardır.

Kapalı Sistemler

Bu sistemlerde sadece enerji alışverişi bulunmaktadır ve madde alışverişi yoktur. Uzun vadeli olarak enerji korunumundan bahsetmek mümkün değildir. Bu sebepten ötürü enerji sürekli aktarılmaktadır. Eğer kapalı sistemler çevresi ile denge halindeyse, enerjinin ortalama değeri olan sıcaklık iki sistemde de eşit olacaktır. Enerji akışı nihayetinde duracaktır. Sıcaklık yardımıyla sistemin makrodurumları bulunabilmektedir.

Açık Sistemler

Bu sistemler çevreleriyle hem enerji hem de madde alışverişi içerisindedir. Dolayısıyla bu tür sistemlerde enerji veya madde korunumundan bahsedilemez. Eğer ki açık sistemler çevreleriyle denge halinde ise, enerji veya parçacık sayıları, sahip oldukları sıcaklık ve kimyasal potansiyel enerji ile ilişkilidir.

Termodinamiğin Yasaları

Artık sistemler hakkında yeterli bilgiye sahibiz. Şimdi ise birbirinden farklı olan bu sistemlerin uyduğu yasalara yani termodinamik yasalarına geçiş yapalım.

Sıfırıncı Yasa: Termal Denge ve Sıcaklık İlişkisi

Evvela hepimizin aklına takılan o soruya cevap verelim öncelikle. Neden birinci yasa denmemiş de sıfırıncı yasa denilmiş? Evet, haklı bir soru? Çünkü bu yasa tarihsel olarak bakıldığında en son keşfedilen yasadır. Oldukça da önemli bir yasa olduğu için öncelik sırası bu yasaya verilmiştir. Bu sebepten ötürü de sıfırıncı yasa ismini almıştır. Peki nedir bu yasa?

Bilindiği üzere sıcaklık, madde moleküllerinin sahip olduğu kinetik enerjilerin ortalama bir göstergesidir. Mekanik ve elektrodinamikte oldukça önemli bir parametredir. Birbiriyle temas halinde olan iki cismin termal denge durumunda sıcaklıkları da eşittir. Ve sistemin sahip olduğu termodinamik denge nicelikleri sadece denge durumunda tanımlanıp ölçülebilmektedir.

Burada termal dengeden kastedilen şey şudur: Kapalı bir sistemin bir makroskopik durumunu temsil eder ve yeterince uzun bir süre sonra otomatik olarak elde edilir. Ayrıca artık kapalı sistem denge durumunda olduğu için makroskopik özellikleri zaman değişse de değişiklik göstermemektedir.

İçinde bulunduğumuz evren teknik olarak kapalı bir sistemdir. İçinde yer alan bütün yıldızlar, galaksiler ve diğer nesneler arasında enerji alışverişi olmaktadır. Termodinamiğin sıfırıncı yasasına göre kapalı bir sistem uzun süreler sonunda er ya da geç termal dengeye ulaşmaktadır. Ve enerji aktarımı da sonlanmaktadır.

Evrenimize baktığımız zaman enerji kaynaklarının yıldızlar olduğunu görmekteyiz. Dolayısıyla yıldızlar temel açıdan dengede değildir ve etraflarına sürekli olarak enerji yaymaktadırlar. Yaydıkları bu enerji, oldukça geniş bir ölçeğe sahip olan evrenimizde çok küçük sıcaklık değişimlerini meydana getirmektedir.

Bu değişimlerin gözlemlenebilmesi açısından oldukça uzun yıllara ihtiyaç duyulmaktadır. Dolayısıyla içinde bulunduğumuz evrenimiz termodinamik açıdan termal denge içerisinde denilebilir. Deneysel gözlemlerimiz bizlere bunları yansıtmaktadır.

Dış uzayın sıcaklığı yaklaşık olarak -270 Celcius’tur. O da 3 Kelvin etmektedir. Demek ki bizler sıfırıncı yasa sayesinde eldeki verilerden yola çıkarak kapalı sistemin içindeki başka bir durum hakkında bilgi sahibi olabilmekteyiz. Bu gerek bizim için gerekse dünya için oldukça önemli bir bilgi!

Şimdi basit bir örnek yapalım. Elimizde A, B ve C adında üç tane cisim olsun. Eğer ki A ve B cisimleri termal olarak dengede ve B ile C cisimleri de dengede ise, otomatik olarak A ve C’nin dengede olduğunu söyleyebiliriz. Yani A = B ve B = C ise A = C’dir.

Birinci Yasa: Enerji Korunum Yasası

Bu yasayı açıklayabilmek için öncelikle iç enerji kavramını inceleyelim. Bilindiği gibi maddeler, atom ve moleküllerden meydana gelmektedir. Dolayısıyla atomların ve moleküllerin ssahip oldukları enerjiler vardır. Bu enerjiler kabaca potansiyel enerji ve kinetik enerji’dir. Dolayısıyla bizler madde moleküllerinin sahip oldukları toplam enerji (kinetik enerji ve potansiyel enerjinin tamamı) bizlere o maddenin iç enerjisini vermektedir.

Bu iç enerji, ısı alarak ya da ısı vererek değiştirilebilmektedir. Isı dediğimiz nicelik aslında bir enerjidir. Tam da burada devreye termodinamiğin birinci yasası girmektedir: Bir sistemin sahip olduğu içi enerjisindeki değişim miktarı (dU), ona aktarılan veya ondan alınan ısı miktarı (dQ) ve sistemin çevresine uyguladığı işin (dW) toplamına eşittir. dU = dW + dQ

Kapalı bir sistemde ne yaparsanız yapın, sistemin ilk durumundaki toplam enerjisi ile son durumundaki toplam enerjisi aynı olacaktır. Yani Samanyolu Galaksisi’ndeki fizik yasaları aynı zamanda Andromeda Galaksisi’nde de geçerli olacaktır.

İkinci Yasa: Entropi

Entropi, olgu bir sistemin düzensizliğini gösteren bir kavramdır. Sistemin düzensizliği arttıkça, entropi de artmaktadır. Peki nedir bu entropi? Hemen bir örnek ile açıklayalım. Kapalı bir kutu düşünün, içinde herhangi bir madde yok! Bir müddet sonra içerisine belirli miktarda sıcak gaz ekleyelim. Ve biraz zaman geçmesini bekleyelim.

Daha sonralarında kutuyu termal bir kamera ile inceleyelim. Eğer kutuyu termal bir kamera ile incelersek ne olur? Daha doğrusu ne görmeyi bekleriz? Tüm gaz atomlarının kutunun bir köşesinde birikmesini mi yoksa tüm gaz atomlarının gelişigüzel bir şekilde kutunun içerisine dağılmasını mı? Cevap bellidir. Gelişigüzel dağılma… Çünkü atomların gelişigüzel dağılma kombinasyonlarının sayısı bir köşede sıkışıp toplanma kombinasyonlarının sayısından oldukça fazladır ve bu sebepten ötürü olasılık olarak gelişigüzel dağılmaları daha muhtemeldir.

İşte biz bu duruma entropi adını vermekteyiz. Bu kavram ilk defa 1850 yılında Clausius tarafından belirtilmiş olup, sistemlerin entropisi daima artar ya da belirli durumlarda sabit kalır, fakat asla azalmaz şeklinde tanımlamıştır.

Üçüncü Ve Son Yasa: Mutlak Sıfır

Bu yasa, sistemin sıcaklığı ile hareketi arasındaki ilişkiyi açıklamaktadır. Yani madde ne kadar sıcaksa o kadar atomik boyutta hareketlidir. Tabii ki bu hareket büyük ölçüde titreşim hareketi olmaktadır. Peki maddelerin sıcaklığını arttırmak yerine azaltırsak maddelerin hareketlerine ne olur? İşte bu sorunun cevabı üçüncü yasada saklıdır: eğer bir cismin sıcaklığı, mutlak sıcaklığa yaklaşırsa, cismin entropisi de sıfıra yaklaşır.

Peki entropinin sıfıra yaklaşması ne anlam ifade etmektedir? Maddelerin içindeki atom ve moleküllerin hareketlerinin de sıfıra yaklaşması gibi bir durum ortaya çıkmaktadır, dolayısıyla hareket olmamaktadır, madde bildiğimiz formunu kaybetmektedir, canlılık da olmamaktadır!

O zaman bir başka soru: Mutlak sıfır noktasına erişebilmek mümkün müdür? Hayır! Çünkü bu teorik bir sonuçtur. Evrende teorik olarak ölçülebilecek en düşük sıcaklık değerini ifade etmektedir. Peki neden? Aslında bu sorunun cevabını kuantum mekaniğinde aramak lazım.

Bir elektronun Schrodinger Dalga Denklemi’ni çözüp bunu enerji için uyarladığınız zaman şu şekilde bir denklemle karşılaşırsınız:

En = (n + 1/2)hf

Buradaki h : Planck Sabiti, f: Frekans, n ise enerji seviyesini temsil etmektedir.

Sonuç

Sonuç olarak evrenimizdeki bütün farklı sistemlerin aslında aynı fizik yasalarına bağlı olduğu, hareketlerinin ne kadar karmaşık olsa dahi basit ve sade fizik yasaları ile açıklanabileceği hatta ve hatta evrende sıfır enerjiye sahip bir sisteminde olamayacağını görmüş olduk. Carl Sagan’ın da dediği gibi: Bir yerlerde inanılmaz bir şey keşfedilmeyi bekliyor. Oldukça inanılmaz değil mi?

Kaynakça

D. Ross. (Bilimsel Rapor, 2008).Wavefunctions – Schrodinger’s Equation. Not: Emeritus Professor of Physics, University of Southampton.

Anıl Kocabaldır, Evrendeki En Temel Yasalar: Termodinamik Yasaları Nedir? Neler Söyler?, 09.04.2020, Alınma Tarihi: 10.04.2020, Alınma Yeri: Evrim Ağacı

Reklamlar

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir