Termodinamik kanunları

Termodinamik yasaları, termodinamiğin temelini oluşturan dört yasadır. Termodinamik proseslerdeki ısı ve iş transferlerinin yapısını tanımlar.

Termodinamik yasaları, çok genel bir geçerliliğe sahiptir ve karşılıklı etkileşimlerin ayrıntılarına veya incelenen sistemin özelliklerine bağlı olarak değişmez. Yani bir sistemin sadece madde veya enerji giriş-çıkışı bilinse dahi bu sisteme uygulanabilir.

Sıfırıncı yasası

1931 yılında Ralph H. Fowler tarafından tanımlanan bu yasa; temel bir fizik ilkesi olarak karşımıza çıktığı ve doğal olarak termodinamiğin 1. ve 2. yasalarından önce gelme zorunluluğu doğduğu için "sıfırıncı yasa" adını almıştır.

Termodinamiğin bu en basit yasasına göre eğer iki sistem, birbiriyle etkileşim içerisindeyken aralarında ısı veya madde alışverişi olmuyorsa bu sistemler, termodinamik dengededir. Sıfırıncı yasa şöyle der:

Eğer A ve B sistemleri, termodinamik dengedeyse ve B ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindeyse; A ve C sistemleri de termodinamik denge içerisindedir.

Daha basit bir ifadeyle farklı sıcaklıklara sahip iki cisim arasında ısı alışverişine dayalı bir temas olursa sıcak olan cisim soğur, soğuk olan cisim ısınır. İşin temelinde, iki farklı sıcaklığa sahip iki cisim arasında gerçekleşen ısı akışının sıcak cisimden soğuk cisme doğru gerçekleştiği gerçeği yatar. Bazı soğuk cisimlerin sıcak, bazı sıcak cisimlerin de soğuk algılanması mümkündür. Örneğin –30° sıcaklık, kategorik olarak soğuk sınıfında düşünülebilirse de –50°ye göre daha sıcaktır. Isı akışının soğuktan sıcağa doğru olmayışının temeli şudur: Sıcaklık; malzeme atomlarının -daha doğrusu elektronlarının- kinetik enerjisine etki eden bir faktördür. Elektronlar, her zaman temel enerji seviyesinde olacak şekilde davranış gösterir. Kinetik enerjilerinin fazlasını aktarma ve temel enerji seviyesine dönme isteği hâkimdir. Sıcaklık, malzeme içinde atomların titreşmesi ile iletilir. Bu nedenledir ki ısı akışı, sıcak cisimden soğuk cisme doğru gerçekleşir.

Birinci yasası

Tipik bir termodinamik sistem: ısı sıcak kaynatıcıdan soğuk yoğunlaştırıcıya doğru hareket eder ve bu sayede bir iş ortaya çıkar.

Bir sistemin iç enerjisindeki değişim: sisteme verilen ısı ile, sisteme çevre tarafından uygulanan iş toplamıdır.

U₂ – U₁ = Q + W

Bu yasa "enerjinin korunumu" olarak da bilinir. Enerji, yoktan var edilemez; var olan enerji de yok edilemez; sadece bir şekilden diğerine dönüşür. Bir sistemin herhangi bir çevrimi için çevrim sırasında ısı alışverişi ile iş alışverişi aynı birim sisteminde birbirlerine eşit farklı birim sistemlerinde ise birbirlerine orantılı olmak zorundadır. Bu ifadelerin yapılan deneylerle doğruluğu gözlenmiştir fakat ispat edilememektedir. Bütün bu ifadeler matematiksel olarak çok daha kolay ifade edilebilir.

Aşağıdaki formüllerde

• Q = çevrim boyunca net ısı alışverişini
• W = çevrim boyunca net iş alışverişini

göstersin. Ama bir de çevrime ihtiyaç duyuyoruz şimdi onu da basit olarak çizelim,

Şimdi bu şekilde sistemin herhangi iki hâli görünüyor yani 1 ve 2 nolu noktalar. Hâl değişimleri ise A, B, C çizgileriyle sağlansın. Ok yönleri de hâl değişimlerinin olacağı yönler. Şimdi hâl değişimleri 1A2 ve 1B2 ise 2C1 ilk hâle dönülen durumdur. Şimdi çevrimleri kurguluyalım elimizde 1A2C1 ve 1B2C1 çevrimleri var:

• _1A∫².δ.Q + _2C∫¹.δ.Q = _1A∫².δ.W + _2C∫¹.δ.W (1A2C1 Çevrimi ) (a denklemi)
• _1B∫².δ.Q + _2C∫¹.δ.Q = _1B∫².δ.W + _2C∫¹.δ.W (1B2C1 Çevrimi ) (b denklemi)

1A2C1 ve 1B2C1 çevrimleri birbirlerine eşittir. Termodinamiğin 1. yasası uygulandığında a ve b denklemleri ortaya çıkar b denklemi a denkleminden çıkarırsak c denklemini buluruz.

• _1A∫² (δ.Q - δ.W ) = _1B∫²(δ.Q - δ.W ) (c denklemi)

1A2 ve 1B2 aynı hâller arasında herhangi iki hâl değişimi olduğundan δQ – δW ifadesinin 1-2 noktası arasındaki bütün hâl değişimleri için bağımsız olduğu söylenebilir. Bunların farkı nokta fonksiyonudur ve tam diferansiyeldir. Bu sisteme has bir özellik olup sistemin enerjisidir ve E ile gösterilir (E=δQ-δW) sonsuz küçük hâl değişimi için bu formülün integrali alınırsa;

• Q_1-2 : Sistemin hâl değişimindeki ısı alışverişi
• W_1-2 : Sistemin hâl değişimindeki iş alışverişi
• E₁ : Sistemin ilk hâldeki enerjisi ve
• E₂ : Sistemin son hâldeki enerjisi

olmak üzere;

Q_1-2 – W_1-2 = E₂ – E₁

formülü çıkar. Termodinamikte enerji, maddenin yapısına bağlı iç enerji ve koordinat eksenlerine bağlı olan kinetik enerji (E_K) ve potansiyel enerji (E_P) olarak ayrılabilir;

E = U + E_K + E_P

Sistemin herhangi bir hâl değişimindeki enerjisi de;

Q_1-2 – W_1-2 = E₂ – E₁ = (U₂ – U₁) + (1/2) m (V₂² – V₁²) + m g (z₂ – z₁)

• U: iç enerji
• m: kütle
• V: hız
• g: yerçekimi ivmesi
• z: yükseklik

İkinci yasası

Birçok alanda uygulanabilen ikinci yasa şöyle tanımlanabilir:

Bir ısı kaynağından ısı çekip buna eşit miktarda iş yapan ve başka hiçbir sonucu olmayan bir döngü elde etmek imkânsızdır. (Kelvin-Planck Bildirisi)

ya da

Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı akışı dışında bir etkisi olmayan bir işlem elde etmek imkânsızdır. (Clausius Bildirisi)

Termal olarak izole edilmiş büyük bir sistemin entropisi hiçbir zaman azalmaz (bkz: Maxwell'in Cini). Ancak mikroskopik bir sistem, yasanın dediğinin tersine entropi dalgalanmaları yaşayabilir (bkz: Dalgalanma Teoremi). Aslında, dalgalanma teoreminin zamana göre tersinebilir dinamik ve nedensellik ilkesinden çıkan matematiksel kanıtı ikinci yasanın bir kanıtını oluşturur. Mantıksal bakımdan ikinci yasa bu şekilde aslında fiziğin bir yasasından ziyade göreli olarak büyük sistemler ve uzun zamanlar için geçerli bir teoremi hâline gelir. Ludwig Boltzmann tarafından tanımlanmıştır. Sisteme dışarıdan enerji verilmediği sürece düzenin düzensizliğe düzensizliğin de kaosa dönüşeceğini anlatır. Kırık bir bardağın durup dururken veya kırarken harcanan enerjiden daha azı kullanılarak eski hâline döndürülemeyeceği örneği verilir klasik olarak. Yine aynı şekilde devrilen bir kitabı düzeltmek için devirirken harcanan enerjiden fazlasını kullanmak gerekir, potansiyel enerjinin bir kısmı ısıya dönüşmüştür ve geri getirilemez. Aynı zamanda evrendeki düzensizlik eğilimini de anlatır. Düzensizlik eğilimini anlatırken entropi kelimesini kullanır. Yunanca, en = İngilizcedeki 'in' gibidir, önüne geldiği kelimeye -de, -da eki verir ve tropos = yol kelimesinin çoğulu olan 'tropoi' (tropi diye telaffuz edilir) kelimesinden. Yani; "yolda").

• Düzensizlik ya değişmez ya da artar. Örnek olarak difüzyon verilebilir. Ayrı duran maddeler bir arada olandan daha düzenlidir ve kendiliğinden karışmış sıcak ve soğuk sudan oluşmuş ılık suyun, bir daha sıcak ve soğuk diye ayrılması imkânsızdır.
• Eskime, yaşlanma, yıllanma gibi eylemlerin nedenidir.
• En düzensiz enerji ısıdır ve bir gün gelecek bütün enerji ısı olacaktır ve bu da evrenin sonu demektir.
• İleri sürülecek teoriler termodinamiğin 2. yasasıyla çelişmemelidir.
• Entropi iş yapma yeteneği olmayan enerji olarak da tanımlanır. İki cam balona farklı sıcaklıklarda gaz, cam balonlar arasına da bir pervane konacak olursa ilk başta pervanenin döndüğünü görülecektir. Fakat sonra entropi arttığı için pervanenin dönmesi duracaktır.
• Spor yapmak için bir parkta 100 metrelik bir koşu yapıldığını, 100 metrenin sonunda yorulup koşamayacak hâle gelindiğini ve bir yere oturulduğu düşünülecek olursa koşarken harcanmış olan ve bir daha kazanılamayacak olan enerjiye entropi denir.
• Sistemin düzensizliği arttıkça artan herhangi bir fonksiyon rahatça entropi fonsiyonu olabilir. Örneğin bir bardak suyumuz olduğunu ve bunun içine bir damla mürekkep damlatıp gözlediğimizi düşünelim ve içeride neler olduğunu hayal etmeye çalışalım. Mürekkep molekülleri başlangıçta kısa bir süre bir arada bekleştikten sonra su içine dağılmaya başlayacaklardır. Çünkü kendilerine çarpan su molekülleri tarafından değişik yönlere itileceklerdir (su ve mürekkep maddelerinin kimyasal bağlarının birbirlerini itmeye elverişli olmalarından dolayı). Şimdi de olağanüstü bir bilgisayarın, sistemin bütün mümkün durumlarını sayabildiğini düşünelim. Sistemin bir durumu denildiğinde anlamamız gereken şey bir molekülün belirli bir koordinata ve belirli bir hıza; bir başka molekülun bir başka belirli koordinata ve hıza sahip olduğu konfigürasyondur. Bardaktaki mürekkep örneğinde bu tür durumların sayısının çok fazla olduğu açıktır. Zira bunların çok büyük bir kısmı mürekkebin moleküllerinin bardak içinde oraya buraya rastgele dağıldığı, düzensiz, yani yüksek entropili durumlara karşılık gelirler. Bizim algıladığımız düzeyde bunların hepsi homojen durumlardır. Çünkü karışıma baktığımızda o molekülün burada, bir başkasının şurada olmasına aldırmadan, mürekkebin homojen olarak dağıldığını söyleyebiliriz. Yani olağanüstü sayıda farklı mikroskopik durum tek bir makroskobik duruma, yani homojen duruma karşılık gelir.
• Aslında sistemler bozulmamakta, enerji değişimi bazında en kararlı hâli almaya çalışmaktadırlar. Hayatın anlamı da budur, yaşam entropi yollarından biridir, şekerin çaya çok daha çabuk karışmasını sağlayan kaşık işlevindedir.
• Kapalı bir sistemde entropi her zaman artar. Kapalı sistem kısmı çok önemlidir. Sisteme enerji vermek suretiyle entropisi azaltılabilir. Dünya kapalı bir sistem değildir. Güneşten sürekli olarak enerji akmaktadır dünyaya ve düzeni bu sağlar.
• "Parçacık sayısı sonsuza giderken olması en muhtemel olan şey olur": Havaya bir miktar bozuk para atılsa hepsinin tura gelme ihtimali yalnızca birdir. Biri dışında hepsinin tura gelme ihtimali daha çoktur. Yarısının yazı, yarısının tura gelme ihtimali daha da çoktur.İşte bu sonuncusu maksimum entropiye sahip olan sistemdir. Sonuç olarak entropinin artması, sistemin muhtemel olmayan durumdan daha çok muhtemel olan duruma doğru gitmesi demektir. İçinde bulunulan odadaki moleküllerin hepsinin odanın sağ köşesindeki bir noktaya toplanması mümkünse de bu koşulu sağlayan yalnızca bir konfigürasyon vardır. Oysa atomların odanın her yerine eşit dağıldığı daha çok konfigürasyon vardır.

Üçüncü yasası

Bu yasa neden bir maddeyi mutlak sıfıra kadar soğutmanın imkânsız olduğunu belirtir:

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 hâlâ mevcut olmasıdır. Ayrıca üçüncü yasa sayesinde maddelerin mutlak sıfırdaki entropileri referans alınmak üzere kimyasal tepkimelerin incelenmesinde çok yararlı olan mutlak entropi tanımlanabilir.

Bu yasalardan birini ihlal eden makinelere o yasanın numarası türünden (örneğin, yoktan enerji yaratıyorsa birinci türden) devridaim makinası (ilginç bir şekilde Türkçede "Con Ahmet Makinası") denir.

Ginsberg'in teoremi: (1) kazanamazsınız, (2) berabere kalamazsınız ve (3) oyundan çıkamazsınız.

Ya da: (1) çalışmadan bir şey elde edemezsiniz, (2) çalışarak en fazla elde edebileceğiniz şey ancak karsız zararsız olmaktır ve (3) bunu da ancak mutlak sıfırda elde edebilirsiniz.

Ya da, (1) oyunu ne kazanabilirsiniz ne de oyundan çıkabilirsiniz, (2) çok soğuk olmadığı sürece oyunu berabere bitiremezsiniz, (3) hava o kadar soğumaz.