Termodinamik Nedir? Termodinamik Yasaları Hakkında Fizik Dersi Konu Anlatımı İçerik

Termodinamik, isi hareketlerini, sistemlerin iç enerjileri ve isi ile is arasindaki iliskileri inceler Termodinamik isi ve sicaklik kavramlaritla ilgilenirTermodinamik maddenin hacimsel özelliklerini ve bu özelliklerle, atom ve moleküllerin mekanigi arasindaki iliskileri açiklamada çok basarilidir

Termodinamik, tarihsel olarak maddenin atom teorisindeki gelismeye paralel bir gelisme göstermistir1820’lerde yapilan kimyasal deneylerle, atomlarin varligi hakkinda somut

deliller ortaya konulmusturO zamanda bilim adamlari, maddenin yapisi ile isi ve sicaklik teorileri arasinda bir baginti olmasi gerektigini kabul ediyorlardi1827 yilinda Botanikçi Robert Brown bir sivi içindeki polen taneciklerinin bir yerden bir yere, sabit uyarici altindaymis gibi düzensiz olarak hareket ettigini tespit etmistir1905 yilinda Albert Einstein, bu düzensiz hareketlerin nedenlerini termodinamik prensipleri kullanarak açiklayan bir teori gelistirmistirBugin bu hareketler, Brown hareketleri olarak adlandirilmaktadirEinstein bu olayi, polen taneciklerine, sivi içinde düzensiz hareket eden “görülmeyen” moleküllerin çarpmalari sonucunda sürekli düzensiz hareketler yaptiklari seklinde açiklamistirBu önemli deney ve Einstein’in görüsü, bilim adamlarina,moleküllerin hareketlerinin kesfi hakkinda çok önemli bilgiler vermistirBöylece bilim adamlari maddenin atomik bilesenleri kavramiyla tanismislardir

Termodinamik daha pratik problemlerlede ilgilenirBir buzdolabinin içindekileri nasil saguttugunu,santrallerde veya otomobilinizin motorunda hangi tip dönüsüm sistemlerinin oldugunu veya yüksek bir yerden düsen ve daha sonra duran bir cismin kinetik enerjisinin ne oldugunu hiç düsündünüz mü?Termodinamik kanunlari ,isi ve sicaklik kavramlariyla bu tür sorulara cevap verirGenel olarak termodinamik, maddenin durumlari kati,sivi,gaz ve bunlarin birbirlerine dönüsümleriyle ilgilidir

Simdi termodinamigin üç yasasini inceleyelim:

A) Sifirinci Kanun

Sifirina kanun sicaklik ve termal dengeyle ilgili bir kanundur Burada sunu belirtelim, isi ve sicaklik ayni seyler degildirler Isi; sicaklik farkindan dolayi bir cisimden digerine akan enerji iken, sicaklik; bir cisimde bulunan enerjinin bir ölçüsüdür Termal dengeyi ise isi alisverisinde bulunabilecek bir durumda bulunan (Termal temas) iki veya daha fazla cismin sicaktan soguga dogru olan enerji akisinin kesilmesiyle kurulan bir denge hali olarak tarif edebiliriz

Bu açiklamalara göre sifirina kanun, "Birbirleriyle termal temasta bulunan varliklarin olusturdugu bir sistem, yeterli zaman sonunda termal dengeye ulasir ve sistem içindeki bütün varliklar ayni sicakliga sahip olurlar" seklinde ifade edilebilir

Termometreler bu kanuna göre çalismaktadir Termometreler bulunduklari sistemin bir parçasi olduklarindan sistemle termal denge içindedir Yani sistemin sicakligina sahiptir Bundan sonra sisteme verilen veya çekilen isidan termometre direkt olarak etkilenir ve ortamin yeni sicakligini gösterir

B) Birinci Kanun

Termodinamigin birinci kanunu enerjinin korunumu kanunudur Bu kanuna göre enerji yoktan var, vardan da yok edilemez, ancak sekil degistirebilir Bizde bundan faydalanarak (enerji dönüsümleri) isiniyor, hareket ediyor ve cisimleri hareket ettiriyoruz Buhar makineleri, diger isi üretim makineleri ve yakitli motorlar hepsi bu kanunun öngördügü sekilde enerjinin ise dönüstürülmesinden faydalanarak çalismaktadir

Bu kanun belki de fizik kanunlarinin en saglam olanidir Ayrica bu kanuna göre yasam kaynagimiz olan günes de mevcut enerjisini bir gün tüketecek ve insan yasami ile birlikte kendiliginden sönecektir Bilim adamlarinin yaptiklari hesaplamalara göre günes yaklasik 4,6 milyar yil yasindadir, ancak 5 milyar yillik enerjisi kalmistir Bes milyar yil çok uzun bir zamandir, ama hiç bir zaman sonsuz anlamina gelmez

C) Ikinci Kanun

19 yüzyil, ataga kalkan bilim sayesinde sanayi devrimine sahne oldu Bu devrimin hiç kuskusuz bas aktörü makinalardi Makinalar da daha mükemmele ulasma istegi ile yapilan çalismalar sirasinda bilim adamlarinin Önünde bazi sorular belirdi Hangi tür bir makina en çok verimle çalisir? Kayiplar sifirlanabilir mi? Kayiplarin kaynagi nedir? vb Bu sorularin cevaplan hiç de beklenildigi gibi olmadi Çünkü yanitlar insanogluna hiç bitmezmis gibi görünen enerji rezervlerinin hesapsizca kullanilamayacagini gösterecektir

Yapilan arastirmalar neticesinde yüzde yüzlük verimle çalisan makinalar düsüncesi tarih oldu Çünkü ne türlü bir makina yapilirsa yapilsin makinaya verilen enerji ile makinadan baska bir sekle dönüstürülmüs olarak elde edilen enerji arasinda sifirlanamaz bir kayip mevcuttur Ne yaparsak yapalim verilen enerjinin bir kismi makina içi sürtünmeler vasitasiyla isiya dönüsmektedir Kaybolan isi ise hiç bir zaman enerji olarak tekrar elde edilemez Bu olay enerji kaybi dolayisiyla birinci kanunun ihlali seklinde anlasilmasin Kayiplardan kasit, vardan yok olma seklinde olmayip, enerjinin isi sekline dönüsüp kullanilabilir olmaktan çikmasi, sistemin (makina ortam, araç vb) yapisina katilmasidir

Kisaca ikinci kanun; bir süreç içinde gerekli toplam enerji sabit kaldigi halde, sürtünme ve benzeri temaslar yüzünden kullanilabilir enerji azalmaktadir ve bunun sonucu olarak yüzde yüzlük verimle çalisan bir makina yapilamaz

Termodinamigin ikinci kanunu, fizige geri döndürülemez (tersinmez) olaylar düsüncesini getirdi Bu kanuna göre fiziksel hadiselerde geri döndürülemez belirli bir egilim vardir Örnegin, bir bardak sicak çay etrafina isi vererek sogur ve hiç bir zaman çayimiz verdigi isiya kendiliginden toplayip eski haline gelmez Yukaridan serbest birakilan bir top yerden sekip birakildigi yükseklige kadar çikmayi basaramaz Bir pervaneyi ne kadar hizli çevirirsek çevirelim, çevirme islemini biraktiktan bir müddet sonra durur ve hiç bir zaman da sürtürmeye harcadigi enerjisini toparlayip tekrar dönmeye baslamaz Bir odaya siktigimiz parfüm ilk Önce yakin çevresi tarafindan hissedilir, bir süre sonra karsi kösedeki arkadasimiz bile kokuyu alir, ama daha sonra koku gittikçe etkisini kaybeder ve parfüm zerrecikleri atmosferde dagilip gider Hiç bir zaman odadan çikmam demez, geri dönüssüz evrensel egilimin etkisinde bir harekete mecbur kalir

Bütün bu saydigimiz süreçlerin ortak yani; belirli bir dogrultuda, düzenden düzensizlige, bütünden yayilmaya, kullanilir olabilirlikten kullanilmamazliga dogru, yol almalaridir

RClausius bu evrensel egilime entropi ismini verdi ve matematiksel bir ifadesini olusturmayi basardi Entropi Yunanca kökenli bir kelime olup "Bir sistemin düzensizlik derecesinin ölçüsü" manasinda kullanilir

Ikinci yasa kisaca entropi artisi olarak özetlenebilir Bütün varliklarin, eninde sonunda entropisi artmaktadir Kainattaki olaylarin tümü yukarida saydigimiz gibi geri dönüsümlü olmayan olaylardir Bizi isitan ve aydinlatan günes bir bardak sicak çay gibi isisini tüketmektedir Içinde bulundugumuz Samanyolu Galaksisi ve diger galaksiler bir odaya siktigimiz parfümün zerrecikleri gibi birbirlerinden hizla uzaklasmaktadirlar Kisacasi evrenin entropisi sürekli olarak artmaktadir

Sürekli enerji kaybindan dolayieninde sonunda evrenin entropisi maksimum degere ulasacaktir Bu andan itibaren evrenin her yeri ayni sicaklik ve yogunlukta olacak Bu maksimum düzensizlik halinde is yapacak kullanilabilir enerji olmadigindan bütün fiziksel, kimyasal ve biyolojik süreçler duracaktirBu umutsuz tabloya bilim adamlari "Isi ölümü" adini verirler

Bu konu hakkinda Fizikçi Poul Davies "Tanri ve Yeni Fizik" adli kitabinda söyle diyor: "Eger evren sinirli bir düzen birikimine sahipse ve düzensizlige dogru tersinmez biçimde sonunda termodinamik dengeye degisiyorsa iki çok derin çikarimi hemen izlemeye baslar, îlki evren en sonunda agir agir yuvarlanarak kendi entropisi içinde ölecektir Bu fizikçiler arasinda evrenin "isi ölümü" olarak bilinir Ikincisi evren ebediyen varolmus olamaz, bu yüzden sinirli bir zaman önce dengesi son durumuna erismis olacakti Özet olarak evren daima varolmadi"

Entropi, 19 yüzyilda büyük yankilar uyandirdi Entropi, bir türlü Newton mekanigi ile açiklanamiyordu Ludwig Boltzman olasilik kavramini gündeme getirdi Olasiliklar yardimiyla kurulan istatistiksel mekanik Newton mekanigini düstügü zor durumdan kurtardi

D) Üçüncü Kanun

Üçüncü yasa fizik bilimindeki görülmeyen engellerden biriyle ilgilidir Bu termodinamik engel, mutlak sifir sicakligidir Bu kanun 1906 Wolther Nernst tarafindan ortaya atilmistir

Mutlak sifir noktasi, bütün gazlar için basincin sifir oldugu andaki sicaklik degerine karsilik gelmektedir Yani bütün gazlarin mutlak sifir sicakliginda basinçlari sifirdir Mutlak sifir sicakligi -273, 15°C karsilik gelir Fakat bu deger bu sicakliga inilerek elde edilmis bir Ölçüm olmayip bütün gazlarin sicaklik-basinç grafiginden elde edilmis bir degerdir Zaten fiziki bir engel olma özelligi buradan kaynaklanmaktadir Yapilan deneylerde bu sicakliga inilememistir

Basincin sifirlanmasi ise ayri bir problemdir, önceleri fizikçiler cisimler sogudukça molekül ve atomlarin hareketlerinin yavasladigi ve mutlak sifir sicakliginda tamamen durdugu ve böylelikle etraflarina bir basinç uygulayamadiklari düsüncesindeydiler Fakat daha sonra fizige giren Kuantum mekanigine göre atomlarin sifirlanamâz alt limit enerji degerleri olmak zorundadir Kisaca deneylerle de dogrulanan Kuantum mekanigine göre, atomlar -273, 15 ° C 'de etrafiyla paylasamayacagi bir enerjiye sahiptirler,

Nernst bu sonuçlardan faydalanarak isi bir adim daha ileri götürdü Ona göre mutlak sifir noktasi -273,15 ° C maksimum düzensizlikten çok düzensizligin yoklugu yani mükemmel bir düzen halidir

Daha sonra yapilan çalismalar da mutlak sifira Inmenin eldeki bilgilerle imkansiz oldugu ortaya çikti Çünkü sicakligi düsürmek için gerekli caba her seferinde zorlasmaktadir Bu isik hizina erismek için gereken enerjinin sonsuza gitmesi gbi -27315 ° C inmek için gereken çaba da sonsuza gitmektedir

Termodinamigin temcilerini olusturan bu dört kanun, kesin ve saglamliklarina ragmen bizde fizigin en az bilinen alanlarindan biridir Genelde bu konu ya temel fizik kitaplarinin son bölümünü olusturur ya da basli basina bir ders olarak okutulur Kalin teme! fizik kitaplarinin tamamini bir dönemde bitirmek pek görülmüs sey degildir Bir ders olarak müfredata koyuldugunda ise ezberci sistemin bir sonucu olarak sayfalar süren formül kargasasinda isin özüne, manasina girilememekte veya girilmemektedir

Su bir gerçek ki, bildigimiz en mükemmel izole sistem içinde yasadigimiz kainattir Iste bu kainat sürekli genisleyen yapisiyla isi Ölümüne dogru kosmaktadir Bu uzun maraton bir gün entropinin maksimumlanmasiyla son bulacak Iste o andan itibaren, ölüm bir daha ölmemek üzere kainati kusatacak