BİRİ TERMODİNAMİK Mİ DEDİ?

670 Views

Termodinamik; ısı, iş ve sıcaklıkla ilgilenen bilim dalıdır. Yunancada ısı anlamına gelen ‘therme’ ve güç anlamına gelen ‘dynamis’ kelimelerinin birleşmesiyle oluşan bu fizik dalı süreçlerdeki ısı ve iş transferlerinin yapısını tanımlar. Bir diğer ifadeyle enerjinin –yani ısının- bir yerden farklı bir yere, bir biçimden farklı bir biçime transferiyle ilgilenir.

Bu yazımızda ise ısının işe dönüşme kabiliyetini ve termodinamiğin yasalarını inceleyeceğiz ancak gelin, ilk önce termodinamiğin ilk olarak nasıl fark edildiğine ve insanlık tarafından hangi alanlarda kullandığına bakalım.

İnsanlık tarihinde makineleşmenin, endüstrileşmenin ve buharlı trenlerin icat oluşunun Sanayi Devriminin de etkisiyle hız kazandığını söyleyebiliriz. Suyun ısıtılması, sıcaklıkla beraber suya verilen bu ısı enerjisinin buhara dönüşmesi, oluşan buharın kazanlarda depolanması, basıncın salınarak pistonların hareket ettirilmesi ile karşımıza bir lokomotifin çıkması ve ilk trenin icadı! 1804 yılında Richard Trevithick ve Andrew Vivian tarafından icat edilen bu buharlı tren, akıllarda onlarca soru işareti bırakan çalışma prensibiyle termodinamiğin yasalarının çıkmasına ön ayak olmuştur.

TERMODİNAMİĞİN YASALARI

1931 yılında R. H. Fowler, termodinamiğin prensiplerini ortaya atmıştır. Fowler’in ve birçok bilim insanının çalışmalarıyla ‘Sıfırıncı Yasa’, ‘Birinci Yasa’, ‘İkinci Yasa’ ve ‘Üçüncü Yasa’ olmak üzere oldukça genel bir geçerliliğe sahip dört temel yasa oluşturuldu. Bu yasalar karşılıklı etkileşimin ayrıntılarına ve özelliklerine bağlı olarak değişmiyor, hep sabit kalıyor.

Hadi bu yasaları birlikte inceleyelim!

Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası

Termodinamiğin en basit ve en temel yasası olduğu için sıfırıncı olarak adlandırılan bu yasa ısıl denge üzerine kuruludur. Maddelerin bir iş yapılmadan ısınamayacağını, iş yoksa ısı artısı ve kaybının da yolmayacağını belirtir.

Termal denge kavramını işe şöyle açıklayabiliriz: bir termometreyi bir cisme değdirdiğimizde termometre kısa bir süre sonra cismin sıcaklığını veren sabit bir değere ulaşır. Artık cisim de termometre de aynı sıcaklıktadır ve bu sıcaklık cisimlerin sıcaklığı değişmediği sürece sabit kalır. Bu durumu ‘termal (ısıl) denge’ kavramıyla açıklayabiliriz.


Resim 1: Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası

Yukarıdaki örnekte de görüldüğü gibi yalıtılmış bir cisimle ayrılan A ve B sistemleri termal olarak dengede ve aralarında bir ısı alışverişi yok. Eğer sıcaklığını bilmediğimiz bir C maddesini önce A sistemine, ardından da B sistemine değdirdiğimizde bu üç cisim arasında herhangi bir ısı transferi olmuyorsa C maddesinin A ve B sistemleriyle aynı sıcaklıkta olduğunu söyleyebiliriz. Yani yine bir termal denge söz konusu.

Termodinamiğin Birinci Yasası

Birinci Yasa, evrendeki toplam madde miktarının ve toplam enerji korunumunun bir ifadesidir ve ’deltaU=Q+W’ formülü ile sembolize edilir. ‘U’ iç enerjiyi, W işi, Q ise transfer edilen ısıyı temsil eder.  Yani başka bir deyişle enerji vardan yok, yoktan da var edilemez; yalnızca bir başka türe dönüştürülebilir.

Termodinamiğin Birinci Yasasında kapalı ve açık sistemler ayrı ayrı değerlendirilir. Kapalı sistem, çevresiyle ilişkisi olmayan, yani izole sistemlere denilir; tıpkı evrenimiz gibi. Bu tür sistemler hep aynıdır.  Einstein’ın ‘Özel Görelilik’ Teorisi’ni ele alırsak yıldızların milyonlarca yıldır hiçbir iş girdisi olmadan yanmayı sürdürmesini kapalı sistemler için güzel bir örnek olarak değerlendirebiliriz. Açık sistemler ise çevresiyle ısı ve iş alışverişi yapan sistemlerdir. Sabah içtiğiniz kahveyi düşünün. Kahvenin sıcaklığı önce kupanızda, ardından da dudağınızda!

Birinci Yasanın bir diğer önemli noktası ise ‘iç enerji’ kavramıdır. İç enerji (U), bir maddenin sahip olduğu kinetik ve potansiyel enerjisinin toplamına denir. Kinetik enerjinin kaynağı maddenin taneciklerinin öteleme, titreşim, dönme gibi hareketleridir. Potansiyel enerjinin kaynağı ise maddenin molekülleri, bir diğer deyişle atomlarının içindeki elektronlar, protonlar ve diğer parçacıklar arasındaki etkileşimdir.


Resim 2: Termodinamiğin Birinci Yasası

Formülümüzün ‘deltaU=Q+W’ olduğunu daha önce belirtmiştik. Bu formülü yukarıdaki örneği temel alarak açıklamak gerekirse içinde gaz bulunan kaplara iş (W) yapıldığında gaz moleküllerinin çarpışması ve sıkışması veya genleşmesi ve birbirinden uzaklaşması iç enerjide bir değişim meydana getirir.

Hiçbir ısı transferinin olmadığında, yani Q=0 olduğunda, piston aşağı itilirse gaz tanecikleri birbirine daha çok çarpar. Bu durumda yapılan iş (W) pozitiftir ve iç enerji artar. Aynı prensiple piston yukarı çekilirse tanecikler birbirine daha az çarpar. Bu durumda iş (W) negatiftir ve iç enerji azalır.

Birinci Yasa birçok değişik sistem üzerinde uygulanabilir. Basıncın sabit olduğu sistemlere ‘izobarik’, hacimin sabit olduğu sistemlere ‘izovulümetrik’, sıcaklığın sabit olduğu sistemlere ‘izotermal’ ve sistemle çevresi arasında ısı transferinin olmadığı sistemlere ‘adyabatik’ denir.

TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ YASASI VE ENTROPİ

İkinci Yasa, enerjinin hangi durumlarda işe dönüşebileceğini tanımlar. Bir diğer deyişle ısı ve işin birbirine dönüşebildiğini belirten Birinci Yasanın gerçekleştirme olanaklarını sınırlar.

İki yasa arasındaki farkı daha iyi açıklayabilmek için katıdan sıvıya geçen, yani eriyen, bir maddeyi düşünün. Bir hal değişiminin gerçekleşmesi için maddenin dışarıdan ısı alması ya da vermesi gerekir, Birinci Yasa bunu tanımlar ancak İkinci Yasa bir doğa kanununu açıklar. Katıdan sıvıya geçerken alınan enerjinin tamamı işe harcanmaz, kayıplar olur ve bu kaybın miktarı ‘entropi’ kavramı ile açıklanır.

Entropi (S) işe dönüşmeyen ısı enerjisi, mekanik işe dönüştürülemeyen termal enerji olarak tanımlanır. Isı enerjisi hiçbir kayıp olmaksızın işe çevrilebilseydi daimi hareket makinası tasarlanabilirdi. Bir makinanın verimini maksimum seviyeye çıkarmak için entropisini minimum değerde tutmak gerekir.

Termodinamiğin Üçüncü Yasası ve Mutlak Sıfır Noktası

Üçüncü Yasa, ideal bir kristalin entropisinin mutlak sıfır noktasında (0 Kelvin, -272 Celcius) tam olarak sıfır olacağını söyler çünkü bir madde daha fazla soğutulamaz ve enerjisi daha fazla düşemez. Yani maddenin atomlarının ve atom altı parçacıklarının en hareketsiz olduğu sıcaklıktır. Ancak bahsedilen sıcaklık kuantum mekaniği gereğince ulaşılamaz. Literatürde belirtilene göre laboratuvarlarda en fazla 2×10^-8 sıcaklığına ulaşılmış, daha ötesine gidilememiştir.

Yazımızı bitirmeden önce Arnold Sommerfield’ın termodinamik hakkındaki şu görüşünü belirtmek isterim: “Termodinamik komik bir konudur. Üzerinden ilk geçtiğinizde hiçbir şey anlamazsınız, ikinci geçişinizde bir iki küçük nokta haricinde anladığınızı zannedersiniz, üçüncü geçişinizde ise anladığınızı biliyorsunuzdur, fakat bu sefer olaya o kadar alışırsınız ki bu sizi daha fazla rahatsız etmez.”

Bir konu düşünün ki size kendinizi sorgulatıyor, ne kadar ilginç değil mi?

KAYNAKÇA

Dr. Arda ACEMİ

Dr. Arda ACEMİ

http://2. https://www.enerjiportali.com/termodinamik-yasalari-nelerdir/

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.