Termodinamik Yasaları

Termodinamik Nedir?
Termodinamik, kelime anlamı olarak ısı (termo) ve güç (dinamik) anlamı taşımaktadır. Bir sistem içerisindeki enerjinin nasıl hareket ettiğini ve kullanılabilir enerji veya ısıya nasıl dönüştüğünü inceleyen, işlevsel ve verimli ısı makinelerini üretmek için genel prensiplere dayalı olarak yaptıkları temel araştırmalar fiziğin branşlarından birisi olan Termodinamiği oluşturmuştur. Termodinamik, ısı ve termal enerji üzerine yapılan çalışmalara denir. Termodinamiğin üç yasası mevcuttur ve ek olarak temel yasa olan sıfırıncı yasası vardır.

Termodinamik ısı, iş, sıcaklık ve enerji arasındaki ilişki ile ilgilenen bilim dalıdır. Basit bir ifadeyle termodinamik, enerjinin bir yerden başka bir yere ve bir biçimden başka bir biçime transferi ile ilgilenir. Bu süreçteki anahtar kavram, ısının, belirli bir mekanik işe denk gelen bir enerji biçimi olmasıdır. (Kaynak: Vikipedi)

Termodinamik Yasalar Nasıl Keşfedildi?
18. yüzyılın başlarında, ısının kalorik adında bir sıvı olduğu ve sıcak nesnelerden soğuk nesnelere aktığı düşünülüyordu. Yani, bir bardak çaydaki kaloriğin çevreye yayılmasıyla çay soğuyor, bardak ve sehpa ısınıyordu. Benjamin Thompson, bir topun delinmesi sırasında oluşan ısının nereden geldiğini incelerken kalorik teoremde bir kusur keşfetti. Topun delinmesi sırasında yapılan iş, bir ısı oluşmasına neden oluyordu. Yani ısı, bir iş yaparak oluşabiliyordu. Isı ve iş arasındaki ilişkinin bu şekilde anlaşılması ve makineleşmenin başlamasıyla birlikte termodinamik kavramı ve termodinamik yasaları keşfedilmiştir.

Termodinamiğin 0. Yasası

‘İki ayrı cisim, üçüncü bir cisimle ısıl dengede ise birbirleriyle de ısıl dengededir.’

Bu yasaya “0.” yasa denmesinin sebebi 1., 2. ve 3. yasalardan sonra keşfedilip, ilk yasalara kıyasla daha temel kurallara sahip olması ve bu temeliliğin önemine binaen sona getirilip 4. yasa kabul edileceğine başa alınarak 0. yasa adı verilmiştir.

Aynı maddeden yapılmış 20° derecede 2 kürenin temas ettiği 3. küre de 20° derecede olur. Termodinamiğin 0. yasası gereğince enerji her zaman dengede kalmak ister ve hiçbir zaman belli bir bölgede yoğunlaşmaz. Enerji bulunduğu ortamda ve temas ettiği nesnelerde eşit yayılır.

Bu ifade, temas halinde olan cisimlerin ısı alış verişinde bulunduklarını ve belirli bir süre sonunda da termal dengeye gelerek aynı sıcaklıklara sahip olacaklarını söylemektedir.

Termodinamiğin 1. Yasası

Yoktan enerji üretmek ya da var olan enerjiyi yok etmek için yapılan çalışmaların başarısızlıkla sonuçlanmasının ardından birinci yasa ortaya çıkmıştır. Yapılan deneyler sonucunda, kütle gibi enerjinin de korunduğu sonucuna ulaşılmıştır. Termodinamiğin Birinci Yasası, şu temel yargı ile ifade edilmektedir:

‘Enerji yokken var, varken yok edilemez ancak bir biçimden başka bir biçime dönüşür.’

Enerjiyi sıfırdan var edemezsiniz, var olan bir enerjiyi de yok edemezsiniz. Sadece enerjinin formunu değiştirebilirsiniz. Enerji her zaman vardır yok edilemez formunu veya yönünü değiştirebilirsiniz. 100 birim enerji harcayarak 200 birim enerji elde edilemez. 100 birim enerjiden en iyi makineyle dahi 80 birim enerji üretebilirsiniz. Bu enerji kaybının sebebi 2. yasada gelecektir.

1. yasa, kapalı ve açık sistemler için iki farklı şekilde incelenir. Çevresi ile ilişkisi olmayan bir sistemde (kapalı sistem), toplam enerji hep aynıdır. Çevresi ile arasında iş ve ısı alışverişi olan sistemlerde (açık sistem) enerji değişimi, sistemle çevresi arasındaki net ısı değişimine eşittir.

Termodinamiğin 2. Yasası

‘Enerjinin tamamı kayıpsız olarak işe çevrilemez.’

Herhangi bir potansiyel enerji kaynağının %100’ünü istediğiniz bir işe çeviremezsiniz. Bunun sebebi kaynağın bütünlüğünü koruyabilmesi için enerjinin bir miktarını kendi içinde tutmak istemesidir, diğer bir sebep ise yapılan işte mekanik sürtünme vs. gibi etkenlerin enerjiyi harcamasıdır. Örnek olarak; bir sobanın içine 100 birimlik odun atarsanız en iyi ihtimalle 80-90 birimlik ısı alırsınız geri kalan 10-20 birimlik enerji odunun külünde kalacaktır. Veya bir aracın motoruna 100 birimlik enerji(yakıt) koyarsanız en iyi ihtimalle 40-50 birimlik iş elde edersiniz, 60-50 birimlik enerji motorda ısıya dönüşmesiyle kullanılamaz işe dönüşerek harcanır, dişlilerin sürtünmesi, tekerleğin asfalta sürtünmesi hatta rüzgarın ters yönde esmesi bile bu enerji kayıplarına mutlak sebep olacaktır.

Bir sistemin enerjisi ne kadar fazla ise o kadar fazla iş yapılabilir. Bununla birlikte, bir sistemin sahip olduğu enerjinin tümü iş yapmada kullanılamaz; bir kısım enerji sistemin içsel bütünlüğünün korunması için saklanır. Bu durumda iş yapabilmede kullanılan enerji genellikle serbest enerji olarak adlandırılır.

Enerji, daima kendini yok etme eğilimindedir. Yani, yüksek potansiyellere ulaşan enerji, kendini daha düşük yoğunluğa sahip başka bir enerji formuna dönüştürme eğilimindedir. Evrendeki hem enerji hem de madde zaman ilerledikçe daha az faydalı iş yapabilir hale gelmektedir. Enerji miktarının azalması yönünde gerçekleşen olaylara ENTROPİ denir. Herhangi bir süreçte bir sistem ve çevresindeki entropi değişimi ya “sıfır” yada “pozitiftir”. Yani evrenin entropisi sürekli artma eğilimindedir.

“Herhangi bir hipotez, termodinamiğin II. yasası ile çelişiyorsa, utanç verici bir başarısızlığa mahkumdur.”
Albert Einstein

Termodinamiğin 3. Yasası

Mutlak sıfır yani –273,15 °C bir maddenin sahip olabileceği en düşük sıcaklıktır. Kelvin biriminde “0 Kelvin” olarak da geçer. Termodinamiğin üçüncü yasası bu durumu tanımlamaktadır. Termodinamiğin üçüncü yasası mutlak sıfır sıcaklığındaki maddelerin entropisi ile ilgilidir.

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.

Bu yasayla ilgili ilk çalışmalar W.H Nernst (1864-1941) ve Max Planck (1858-1947) tarafından yapılmıştır. Mutlak sıfıra ulaşmak için bir maddenin soğutulmasında uygulanan bilimsel soğutma teknikleri vardır. Ancak, günümüzde mutlak sıfır sıcaklığına tam olarak ulaşabilen bir soğutma işlemi bulunamamıştır. Bilim adamları bu yöndeki çalışmalarını sürdürmektedir.

“Termodinamiği öğrenen fiziği öğrenir. Fiziği öğrenen de sistemlerin ve en büyük sistem olan evrenin nasıl çalıştığını öğrenir.”

İlgili Videolar