Evrenin Termodinamiği #1: Termodinamik

Konuk Yazar 2 Aralık 2016 Bilim & Teknoloji Bir yorum bırakın

Termodinamik, hayatın devamı için temel olan enerji konusunu ele alan heyecan verici ve çekici bir konudur. Bütün dünyada uzun süredir mühendislik öğreniminin temel bir parçası olmuştur. Termodinamik, mikroskobik organizmalardan bilinen ev gereçlerine, ulaşım araçlarına, güç üretim sistemlerine ve hatta bilimkurguya kadar evreni anlamlandıran her şeyin geniş bir uygulama alanına sahiptir.

Bu makale serisinin ilk bölümünde, termodinamikte temel düzeyde bir anlayışı güçlendirmek için formüllerden ziyade denge denklemlerinin fiziksel olarak anlamlı şekilleri verilmiştir: Bir hal değişiminden geçen herhangi bir sistem için kütle, enerji, entropi ve ekserji dengeleri aşağıda görüldüğü gibi ifade edilmiştir.

Yukarıda verilen eşitlikler, temel ilkeleri güçlendirir. Gerçek bir hal değişimi sırasında enerji korunur, entropi üretilir ve ekserji yok olur.

Termodinamik ve Enerji

Termodinamik enerjinin bilimi olarak tanımlanabilir ve enerji, değişikliklere neden olma yeteneği olarak düşünülebilir. Termodinamik; güç üretimi, soğutma ve maddenin özellikleri arasındaki ilişkileri içeren enerji ve enerji dönüşümlerinin tüm yönlerini barındıran bir anlam taşır. Doğanın en temel yasalarından biri enerjinin korunumu ilkesidir. Bu yasa genel olarak, bir etkileşim sırasında enerjinin bir biçimden başka bir biçime dönüşebileceğini, fakat toplam miktarının sabit kalacağını belirtir. Bu açıdan bakıldığında, enerji yaratılamaz ya da yok edilemez. Termodinamiğin yasaları evrenin büyük patlamayla beraber ilk oluşmaya başladığı andan beri mevcut olmalarına rağmen, 1697’de Thomas Savery ve 1712’de Thomas Newcomen’in İngiltere’de ilk başarılı atmosferik buhar makinalarını yapmalarına değin termodinamik bir bilim olarak ortaya konmamıştır. Bu makinalar çok yavaş ve düşük verimli olmakla birlikte, yeni bir bilimin gelişmesinin önünü açmışlardır.

Termodinamik sistem veya sadece sistem, belirli bir kütleyi veya uzayın incelenmek üzere ayrılan bir bölgesini belirtir. Sistemin dışında kalan kütle veya bölgeye çevre adı verilir. Sistemi çevresinden ayıran gerçek veya hayali yüzey de sınır diye adlandırılır. Sistemin sınırları sabit ya da hareketli olabilir. Sınırın hem sistem hem de çevresi tarafından paylaşılan bir temas yüzeyi olmasına rağmen, matematiksel açıdan sınırın kalınlığı sıfırdır ve bu nedenle ne kütlesi ne de uzayda kapladığı bir hacmi vardır. Belirli bir kütlenin ya da uzayda belirli bir hacmin incelenmesi esas alınırsa, sistemler kapalı veya açık diye nitelendirilebilir. Kapalı sistem sınırlarından kütle geçişi olmayan sabit bir kütledir. Kapalı sistem sınırlarından enerji; iş veya ısı biçiminde geçebilir. Kütle yanında enerjinin de sistem sınırları üzerinden geçemediği sisteme ayrık sistem denir. Açık sistem, uygun bir şekilde seçilmiş, uzayda bir bölgedir. Burada hem kütle hem de enerji açık sistem sınırlarını geçebilir. Bir sistemi diğerlerinden ayıran her bir niteliğine özellik denir. Basınç, sıcaklık, hacim ve kütle yaygın olarak kullanılan özelliklerden olup viskozite, ısıl iletkenlik, elastisite modülü, ısıl genleşme katsayısı, elektrik direnç katsayısı, hız ve yükseklik de eklenerek, özellik listesi genişletilebilir.

Değişim geçirmeyen herhangi bir sistem göz önüne alındığında, sistemin bilinen özellikleri ölçülebilir ya da hesaplanabilir. Böylece, sistemin durumu veya hali tam olarak belirtilebilir. Özellikleri sabit değerlere sahip bir sistemin bir özelliğin değeri değişikliğe uğrasa, sistemin durumu farklı bir hale değişecektir. Termodinamik denge halleriyle ilgilenir. Denge halinde bir sistemin çevresiyle etkileşimi kesildiğinde, bulunduğu halde kalmayı devam ettirir. Sistemin her noktasında sıcaklık aynı ise, sistem ısıl dengededir. Sistemin herhangi bir noktasında basıncın zamana göre değişmediği durumda, sistem mekanik dengededir. Sistemin her fazın kütlesi bir denge düzeyine eriştiğinde orada kalıyorsa, sistem faz dengesindedir. Sistemde kimyasal reaksiyonun olmaması durumunda, sistem kimyasal dengededir. Bunlar gibi tüm denge çeşitlerinin koşulları sağlanmadıkça, sistem termodinamik dengede değildir.

Sistemin bir denge halinden diğer bir denge haline geçişi hal değişimi diye adlandırılır. Bir hal değişimi sırasında, sistemin geçtiği hallerden oluşan diziye de hal değişiminin yolu denir. Bir hal değişimi sırasında, sistem her an denge haline son derece yaklaşıyorsa, bu tür bir hal değişimi sanki-statik diye tanımlanır. Sanki-statik hal değişimi, idealleştirilmiş bir hal değişimi olup, gerçek bir hal değişimi değildir ve gerçek hal değişimi, sanki-statik hal değişimine çok yaklaşır. Bir sistem; geçirdiği bir dizi hal değişimi sonucunda yeniden ilk haline dönerse, bir çevrimden geçmiş olur. Başka bir ifadeyle, çevrimin ilk ve son halleri aynıdır.

Enerjinin işe dönüştürülemeyen bölümü, atık ısı olarak çevreye verileceğinden dolayı önem taşımayacaktır. Bu bakımdan, belirli bir halde ve miktardaki enerjinin yararlı iş potansiyeli gibi tanımlanan bu özelik, kullanılabilirlik veya kullanılabilir enerji diye bilinen ekserjidir.

Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası

Masada bırakılan bir fincan sıcak kahvenin zamanla soğuması ve bir şişe soğuk gazozun zamanla ısınması alışılmış bir gözlemdir. Başka bir ifadeyle; bir cisim farklı sıcaklıkta bir başka cisimle temas ettirildiğinde, her iki cismin sıcaklığı eşitlenene kadar yüksek sıcaklıktaki cisimden düşük sıcaklıktakine ısı aktarımı olur. Bu aşamada ısı aktarımı sona erer ve cisimlerin ısıl dengeye eriştikleri söylenir. Isıl denge için tek koşul, sıcaklıkların eşit olmasıdır. İki ayrı cismin bir üçüncü cisimle ısıl dengede olması durumunda, birbirleri ile de ısıl dengede olduklarının belirtilmesine, Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası denir.

Ayrıca, üçüncü cisim bir termometre ile değiştirilirse, her ikisi de aynı sıcaklık değerine sahip iki cisim birbiriyle temas etmeseler bile ısıl dengededir, olarak yazılabilen sıfırıncı yasanın diğer termodinamik yasalarla kanıtlanması mümkün değildi. Sıfırıncı yasanın fizik ilkesi olarak değeri, termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının ortaya konmasından yarım yüzyılı aşkın bir süre sonra anlaşılabilmiştir ve bu yasalardan önce gelmesi gerektiği için sıfırıncı yasa olarak isimlendirilmiştir.

Termodinamiğin Birinci Yasası

Termodinamiğin birinci yasası veya diğer adıyla enerjinin korunumu ilkesi; enerjinin değişik biçimleri arasındaki ilişkileri ve genel olarak enerji etkileşimlerini incelemek için sağlam bir temel oluşturur. Termodinamiğin birinci yasası deneysel gözlemlere dayanarak, enerjinin var veya yok edilemeyeceğini, ancak bir biçimden diğerine dönüşebileceğini vurgular. Bu nedenle bir hal değişimi sırasında enerjinin her zerresinin hesabı verilmek zorundadır. Birinci yasanın en önemli sonuçlarından biri toplam enerji E adı verilen özelliğin varlığının ortaya konması ve tanımının yapılmasıdır.

Enerjinin korunumu ilkesi bir hal değişimi sırasında kapalı bir sistemin toplam enerjisindeki net değişimin sisteme giren toplam enerji ile sistemden çıkan toplam enerjinin farkına eşit olduğunu ifade eder. Enerji bir sisteme veya sistemden üç farklı şekilde aktarılabilir: Isı, iş ve kütle akışı. Enerji etkileşimleri sistem sınırında, sınırdan geçerken meydana gelir ve bir hal değişimi sırasında sistem tarafından kazanılan veya kaybedilen enerjiye karşılık gelir.

Termodinamiğin İkinci Yasası

Enerji korunan bir özelliktir ve termodinamiğin birinci yasasına uymayan hal değişimine bugüne kadar rastlanmamıştır. Ancak, yalnızca birinci yasanın sağlanması hal değişiminin gerçekleşmesi için yeterli değildir. Hal değişimleri belirli bir yönde gerçekleşirken, tersi yönde gerçekleşmemektedir. Birinci yasa bir hal değişiminin yönü üzerinde herhangi bir kısıtlama koymazken, birinci yasanın sağlanması, hal değişiminin mutlaka gerçekleşeceği anlamına da gelmez. Bir hal değişiminin gerçekleşip gerçekleşmeyeceği konusunda birinci yasanın bu yetersizliği, termodinamiğin ikinci yasasıyla kapatılmaktadır. Ters yöndeki hal değişimleri, termodinamiğin ikinci yasasına aykırı olmaktadır. Bu aykırılık, entropi olarak adlandırılan bir özelliğin yardımıyla kolayca anlaşılabilir.

Bir hal değişimi, termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarının her ikisini de sağlamadıkça gerçekleşmeyecektir. İkinci yasa, enerjinin niceliğinin olduğu kadar niteliğinin de olduğunu söyler. İkinci yasa, Kelvin-Planck ifadesine göre; termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan bir makinanın, yalnızca bir kaynaktan ısı alıp net iş üretmesi olanaksızdır. Clausius ifadesine göre ikinci yasa; termodinamik bir çevrim gerçekleştirerek çalışan ve düşük sıcaklıktaki bir cisimden aldığı ısıyı yüksek sıcaklıktaki bir cisme aktarmak dışında hiçbir enerji etkileşiminde bulunmayan bir makine tasarlamak olanaksızdır. Termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarını birlikte sağlamayan bir durum değişimi gerçekleşmez: Bu yasalardan herhangi birine aykırı olan bir makina, devridaim makinası olarak adlandırılır.

Fransız mühendis Sadi Carnot tarafından ortaya atılan Carnot çevrimine göre, çalışan kuramsal ısı makinası (Carnot ısı makinası); ikisi sabit sıcaklıkta, ikisi de adyabatik olmak üzere dört hal değişiminden oluşur. Carnot ısı makinası çevrimi tersinir bir çevrimdir ve tüm hal değişimleri ters yönde gerçekleştirilebilir. Bu durumda Carnot soğutma makinası çevrimi elde edilir.

Entropi

Clausius 1865 yılında yeni bir termodinamik özellik bulduğunu anlamış ve bu özelliğe entropi adını vermiştir. Bir sistemde sınır sıcaklığı başına diferansiyel ısı geçişi, termodinamik bir çevrim üzerindeki integralinin sıfıra eşit ya da sıfırdan küçük olduğunu söyleyen Clausius eşitsizliği, entropiyi tanımlayacak bir bağıntı geliştirir: Clausius eşitsizliğindeki eşit olma durumu tümden veya içten tersinir çevrimler için, eşitsizlik durumu da tersinmez çevrimler için geçerlidir. Entropi bir özelik olup, sistem ve çevresi, ayrık bir sistem meydana getirir. Bir hal değişimi sırasında ayrık bir sistemin entropisi, her zaman artar veya tersinir hal değişiminin sınırlı durumlarında sabit kalır. Başka bir ifadeyle, ayrık bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz. Bu, entropinin artışı ilkesidir.

Evrendeki entropinin artışı sadece mühendisleri değil, felsefecileri, din adamlarını, iktisatçıları ve çevrecileri de ilgilendirir. Çünkü entropi, evrendeki düzensizliğin (karışıklığın) bir ölçüsüdür. Evrende bir denge durumu sağlanıncaya kadar değişme eğilimi vardır. Entropinin artışı ilkesi, ayrık bir sistemin entropisinin ulaşabileceği en yüksek değere kadar yükselmesini gerekli kılar. Bu noktada sistemin bir denge durumuna ulaştığı söylenebilir: Entropinin artışı ilkesi, ayrık bir sistemin entropiyi azaltıcı yönde hal değişimi gerçekleştirmesine izin vermez. Bir hal değişimi sırasında entropi sabit kalıyorsa, bu hal değişimine izantropik hal değişimi denir.

Entropi moleküler düzensizlik ya da moleküler rastgelelik olarak görülebilir. Bir sistem daha düzensiz bir hal aldıkça, moleküllerin konumları belirsizleşecek ve entropi artacaktır. Bir maddenin entropisinin katı fazında düşük bir değere, gaz fazında da yüksek bir değere sahip olması şaşırtıcı değildir. İş olarak gerçekleşen enerji geçişi sırasında entropi geçişi olmaz. Enerjinin niceliği gerçek bir hal değişimi sırasında her zaman korunur (birinci yasa), fakat niteliği azalmak zorundadır (ikinci yasa) ve nitelikteki bu azalma entropi artışıyla birlikte olur: Hal değişimleri sadece toplam entropiyi ya da moleküler düzensizliği artırıcı yönde olur. Bunun anlamı; evrendeki kaosun veya düzensizliğin giderek artmasıdır.

Termodinamiğin Üçüncü Yasası

İstatistiksel açıdan entropi, moleküler rastgeleliğin, başka bir deyişle herhangi bir anda konumu belirlemedeki belirsizliğin bir ölçüsüdür. Katı fazında bile, moleküller bir nokta etrafında salınım hareketi içindedirler. Bu nedenle konumlarında belirsizlik vardır. Salınımlar sıcaklık düştükçe azalır ve mutlak sıfırda moleküller tümüyle hareketsiz olurlar. Bu nedenle, sıfır mutlak sıcaklıkta saf kristal maddenin entropisi sıfırdır. Çünkü moleküllerin konumunda herhangi bir belirsizlik yoktur. Bu, termodinamiğin üçüncü yasasıdır.

Hazırlayan: Taner Güler

İleri Okuma: