Termodinamik-Thermodynamics-tarihçesi-çağdaş Fizik-The Laws of Thermodynamics

Termodinamik-Thermodynamics-tarihçesi-çağdaş fizik-The laws of thermodynamics



Fiziğin ısı olaylarıyla mekanik olaylar arasındaki ilişkileri inceleyen bölümü
TARİHÇE
Soğuk ve sıcak kavramları en eski çağdan beri tanınır Bu ısıl olayların mekanik olaylara bağlı olma olasılığı da uzun süreden beri bilinmektedir Bununla birlikte, gerçek anlamdaki ilk termometrenin 1612'de İtalyan hekimi Santorio tarafından ortaya konduğu sanılır Yeni ortaya çıkan sıcaklık ölçümü, böylece hızla gelişti ama, hesapların kesinliğine karşın kavramlar hâlâ karışıktı: Farklı yapıda büyüklükler olan sıcaklık ve ısı miktarı açıkça birbirinden ayrılmamıştı

İlk olarak, Î760'ta } Black, sabit sıcaklıkta ısı miktarlarından yararlanan hal değişimlerini (ergime, buharlaşma, süblimleşme) inceleyerek bu ayrımı kesin biçimde yaptı Isının incelenmesi, XVIII yy'da Lavoisier,Thomson, Fou-rier sayesinde sürdü, ama, gerçek bir termodinamikten söz etmek için henüz erkendi: Isı, madde ve elektrik gibi yok edilemeyen bir kendilikti 1840'ta Alman fizikçisi ve hekimi R Mayer ilk olarak, iş ve ısının eşdeğer-liliğini kabul etti ve bunu izleyen yıllarda joule Hirn ve Colding bu eşde-ğerliliği sayısal açıdan oldukça büyük bir kesinlikle incelediler Böylelikle termodinamiğin birinci ilkesi doğmuş oldu; bu ilke, 1847'de Alman fizikçisi Helmholtz tarafından gerçekleştirildi Ancak burada, termodinamiğin ikinci ilkesinin (işin ısıya ve ısının işe dönüşüm yönüyle ilgili bilgi verir) birinciden önce oluşturulmuş olduğunu belirtmek gerekir: Nitekim,bu ikinci ilke Fransız fizikçisi Sadi Carnot'nun Reflexions sur la puissance motrice du feu et les machines propres â developper cette puissance (Ateşin Hareket Ettirici Gücü ve Bu Gücü Geliştirmeye Yönelik Makineler Üstüne Düşünceler, 1824) adlı yapıtından kaynaklandı

İstatistiksel termodinamik, Clausius ve Maxwell'in çalışmaları sayesinde 1855'e doğru ortaya çıktı XIX yy'm sonuna doğru termodinamik, fiziksel ve kimyasal dengelerin sistematik incelenmesiyle olduğu kadar, madde ve ışıma arası etkileşimlerin incelenmesiyle de zenginleşti Yalnızca termodinamiğin araçlarıyla geliştirilen kara cismin ışınımının incelenmesi bu kuramın gücünün sınırını gösterir; uygulamayla olan bağdaşmazlık bu kuvanta kuramının kökeninde yer alır Nitekim XX yy'da uygulama alanının çok verimli olduğu görülen kuvanta termodinamiği ortaya çıktı Cisimlerin çok düşük sıcakhklardaki özelliklerinin tanınması büyük gelişme gösterdi Bu yüzyılın termodinamik alanındaki büyük adları, fiziğin öbür dallarında çalışan Planck, Einstein, Born, Ehrenfest, Landau, Fermi'ydi
----------

Thermodynamics (from the Greek θερμη, therme, meaning " (from the Greek θερμη, therme, meaning "heat" and δυναμις, dunamis,power") is a branch of physics and of chemistry that studies the effects of changes in temperature, pressure, and volume on physical systems at the macroscopic scale by analyzing the collective motion of their particles using statistics

Roughly, heat means "energy in transit" and dynamics relates to "movement"; thus, in essence thermodynamics studies the movement of energy and how energy instills movement Historically, thermodynamics developed out of need to increase the efficiency of early steam engines Typical thermodynamic system - heat moves from hot (boiler) to cold (condenser), (both not shown) and work is extracted, in this case by a series of pistons

The starting point for most thermodynamic considerations are the laws of thermodynamics, which postulate that energy can be exchanged between physical systems as heat or workThey also postulate the existence of a quantity named entropy, which can be defined for any system In thermodynamics, interactions between large ensembles of objects are studied and categorized Central to this are the concepts of system and surroundings A system is composed of particles, whose average motions define its properties, which in turn are related to one another through equations of state Properties can be combined to express internal energy and thermodynamic potentials, which are useful for determining conditions for equilibrium and spontaneous processes

With these tools, thermodynamics describes how systems respond to changes in their surroundings This can be applied to a wide variety of topics in science and engineering, such as engines, phase transitions, chemical reactions, transport phenomena, and even black holes The results of thermodynamics are essential for other fields of physics and for chemistry, chemical engineering, aerospace engineering, mechanical engineering, cell biology, biomedical engineering, and materials science to name a few

Termodinamiğin tarih içinde gelişmesinin incelenmesi önem taşır Bu inceleme bize, sözgelimi, günümüzde sık yararlanılan kavramların yerleşmesi için geçen süreyi anlamamızı sağlar; ayrıca termodinamiğin çağdaş fizik içindeki yerini ve fizikte termodinamik bakış açısının ne olduğunu anlamak için de önemlidir

Maddenin yapısı oldukça iyi tanınmaktadır ve bunun çeşitli bileşenlerinin etkileşimi, yavaş yavaş açıklığa kavuşturulmuştur Bununla birlikte, günlük uygulama çok sayıda temel bileşenden oluşan nesnelerin kullanımını ve incelenmesini gerektirir ve bu bileşenlerin eksiksiz bir tanımım gerçekleştirmekle uğraşmamak gerekir Sözgelimi, bir sandalyeyi oluşturan bütün taneciklerin koordinatlarım kaydetmek olanaksızdır İlk bakışta böyle karmaşık bir sistemin özellikleri içinden çıkılmaz gibi görünebilir; oysa durum hiç de öyle değildir ve makroskopik nesnelerle ilgili yasaların ortaya konduğu bilinmektedir: Sandalye, içinde taneciklerin kaynaştığı bir magmaya benzemez Çok büyük bir sayıda taneciğin var olması, kuşkusuz nitelikleri farklı temel çalkantılara (bunlar, mikroskopik olarak adlandırılırlar) bağlı toplam olaylara (makroskopik denir) yol açar; böylece ortaya konan yasalar yalnız çok büyük sayıda temel tanecikten oluşan bütünlere uygulanabilen istatistiksel yasalardır

Isıl (termik) olaylar bu makroskopik olaylardandır: taneciklerin yer değiştirmelerine bağlı mikroskopik yapıları öbür fiziksel olaylardan gerçek anlamda farklı olmamakla birlikte, mak-roskopik yapıları nitelik olarak farklıdır: Isı ve hareket kavramları birbirinden bütünüyle farklı kavramlar olarak ortaya çıkarlar Dolayısıyla, termodinamik, mikroskopik alandaki uygulama ve yayılmaları ne olursa olsun makroskopik fiziğin dalıdır Amacı, ısıl olayları göz önünde bulundurarak fiziksel bir sistemin makroskopik parametrelerinin evrimini tatmin etmek ve bu parametreleri birbirine bağlayan yasalar oluşturmaktır Bu sonuçları elde etmek için termodinamik, sistemlerin evrimiyle ilgili genel postulatlardan yola çıkarak makroskopik bir bakış açısı ya da mikroekopik parametrelerin dağılımına bağlı olan istatistiksel yasalardan yola çıkarak mikroskopik bir bakış açısı edinebilir İlki klasik termodinamiğin, ikincisiyse istatistiksel termodinamiğin bakış açısıdır
--------


A brief history of thermodynamics begins with Otto von Guericke who in 1650 built and designed the world's first vacuum pump and created the world's first ever vacuum (known as the Magdeburg hemispheres) He was driven to make a vacuum in order to disprove Aristotle's long-held supposition that 'nature abhors a vacuum' Shortly thereafter, Irish physicist and chemist Robert Boyle had learned of Guericke's designs and in 1656, in coordination with English scientist Robert Hooke, built an air pump Using this pump, Boyle and Hooke noticed a correlation between pressure, temperature, and volume In time, Boyle's Law was formulated, which states that pressure and volume are inversely proportional Then, in 1679, based on these concepts, an associate of Boyle's named Denis Papin built a bone digester, which was a closed vessel with a tightly fitting lid that confined steam until a high pressure was generated

Later designs implemented a steam release valve that kept the machine from exploding By watching the valve rhythmically move up and down, Papin conceived of the idea of a piston and a cylinder engine He did not, however, follow through with his design Nevertheless, in 1697, based on Papin's designs, engineer Thomas Savery built the first engine Although these early engines were crude and inefficient, they attracted the attention of the leading scientists of the time One such scientist was Sadi Carnot, the "father of thermodynamics", who in 1824 published Reflections on the Motive Power of Fire, a discourse on heat, power, and engine efficiency The paper outlined the basic energetic relations between the Carnot engine, the Carnot cycle, and Motive power This marks the start of thermodynamics as a modern science
The term thermodynamics was coined by James Joule in 1858 to designate the science of relations between heat and power By 1849, "thermo-dynamics", as a functional term, was used in William Thomson's paper An Account of Carnot's Theory of the Motive Power of Heat The first thermodynamic textbook was written in 1859 by William Rankine, originally trained as a physicist and a civil and mechanical engineering professor at the University of Glasgow __________________

KLASİK TERMODİNAMİK

BİRİNCİ İLKE VE İÇ ENERJİ Her uzmanlık alanı gibi termodinamik de özel bir dil kullanır Bir sistem, uzayda sınırsız sayıdaki bir cisimler bütünü tarafından oluşturulur Geri kalan her şey dış ortamı meydana getirir Böyle bir sistemin hali basınç, sıcaklık ve hacim gibi belli sayıdaki parametrelerle nitelendirilir Belli bir süre sonra bu parametreler evrim geçirdiğinde sistemin de bir dönüşüme uğradığı söylenir; bu büyüklükler başlangıç değerlerine erişirse, sistem bir çevrim yapar Bir sistemin evriminin nedeni dış ortamla ısı, iş ya da madde alışverişi olabilir Bununla birlikte, çoğunlukla dış ortamla madde alışverişi yapmayan sabit kütleli sistemler (kapalı sistemler) göz önüne alınır İş alışverişi olmadığında, sistemin mekanik olarak yalıtılmış olduğu söylenir; ısı alışverişi yoksa sistem, ısıl olarak yalıtılmış sistem olarak adlandırılır (ayrıca dönüşümün ısısız,
yani adiyabatik olduğu söylenir) Hem mekanik hem de ısıl olarak yalıtılmış sistem termodinamik olarak yalıtılmış bir sistemdir


Belli bir uzlaşmaya dayanılarak, sisteme sağlanan her şey pozitif, sistemin dış ortama verdikleri de negatif sayılır (Çizl) İş ve ısı, görünür bir bağıntı olmaksızın deneysel olaylarla sisteme sokulduklarından bağımsız büyüklüklerdir Gerçekte, çoğu durumda fiziksel bir sistemin hali değişmek-sizin, ısı alabildiği ve iş sağlayabildiği saptanabilir: Sıcak gazlardan ısı alan yanmalı bir motor iş sağlayabilir, yani mekanik enerji sağlayabilir Isının ve işin eşdeğerde oldukları ve yalnızca iki enerji biçimi oldukları düşüncesi, XIX yy'da doğdu: Bu düşünce joule'un çalışmalarıyla doğrulandı,
Elde edüen sonuçlar birinci ilkenin ya da başlangıç hali ve son hal ilkesinin tanımım sağlar: Bir sistem dış ortamla bir iş ve bir ısı miktarı alışverişinde bulunarak bir 1 başlangıç halinden bir 2 son haline değişim gösterirse (Çiz 2) bu miktarların cebirsel toplamı, izlenen yoldan (yani ara hallerden) bağımsızdır: Yalnızca başlangıç haline ve son hale bağımlıdır

Dolayısıyla (W- + Q,) ve (W2 + Q2) miktarları eşit olur
Bir çevrimin özel durumu söz konusu olduğunda (W + Q) toplamının sıfır olduğu açıktır Doğal olarak, bu ilke daha sınırlı biçimde tasarlanabilir: Mekanik olarak yalıtılmış bir sistem için, işe yalnızca ısı miktarları karışır; ısısız bir dönüşüm sırasında, bu miktarlar sıfırdır Yalnızca başlangıç hali ve son hale bağımlı olan (W + Q) miktarı sistemin iç enerjisi adı verilen bir U fonksiyonunun değişimine denk düşer
Bu, bir hal fonksiyonudur, yalnızca sistemin haline bağlıdır ve yanma eklenen bir sabitle tanımlanır Bir sistem, termodinamiksel olarak yalıtılmış olduğunda, iç enerji değişimi sıfırdır (dolayısıyla iç enerji sabittir)



İKİNCİ İLKE VE ENTROPİ Kütleleri eşit, biri 25°C'ta öbürü 35°C'ta birbirine eş iki cisim yalıtılmış bir yerde temas eltirüirlerse, deney ısıl bir dengenin kurulduğunu gösterir: 30°C'lık bir sıcaklıktaki iki cisim elde edilir Termodinamiğin birinci ilkesi gerçekleşir: Sistem yalıtılmıştır ve iç enerji değişimi sıfırdır (deneysel sonuç açıkça kabul, edilebilir düzeydedir: En sıcak olan cisim soğurken, öbürü ısınır) Bununlsı birlikte, sözgelimi en sıcak cisim 50cC'a kadar ısmsaydı ve öbürü 10°C'a kadar soğusaydı, toplam enerji korunmuş olacaktı; ama, böylesi bir dönüşüm hiçbir zaman gözlenmemiştir


Termodinamiğin ikinci ilkesi bu sonucu göz önünde bulundurur: Soğuk bir cisimden sıcak bir cisme ısı geçişi hiçbir zaman kendiliğinden ya da karşılıksız olarak gözlenmemiştir Ciausius'tan kaynaklanan bu anlatım Thomson'unkinin (geleceğin lord Keivin'i) eşdeğeriisidir: Bir çevrim çizen ve yalnızca tek bir ısı kaynağıyla temas eden bir sistem, iş sağlama yeteneğine sahip değildir Bir motor yalnızca, ısı sıcak bir kaynaktan soğuk bir kaynağa geçtiğinde işleyebilir, yani, iş sağlar Böyle bir dönüşüm için toplanan W iş miktarını, sıcak kaynağın sağladığı Qc ısı miktarıyla karşüaştırmak doğaldır Termodinamiğin ikinci ilkesi, ısıl bir makinenin p veriminin Qc ve Q< (Qt: Makinenin soğuk kaynağa geri verdiği ısı miktarı) ısı miktarlarına bağlı olduğunun beîirlenmesini sağlar;


Carnot teoremi aynı iki ısı kaynağıyla temas halinde olan tersinir diterm ısıl iki makinenin verimlerinin eşit olduğunun doğrulanmasına olanak tanır Verim ısıl makinenin seçimine ve dolayısıyla, işleyiş ilkesine değil ama,iki kaynağın sıcaklıklarına bağlıdır
İkinci ilke, ısının tümüyle işe dönüşmesinin olanaksız olduğunu ortaya çıkarır; Isı, enerjinin bozunmuş bir biçimi gibidir

Daha genel olarak, söz konusu sistem kendisini A halinden bir B haline götüren tersinir politerm bir dönüşüm geçiriyorsa, bu toplam türü yalnızca başlangıç haline ve son hale bağımlıdır; tanım olarak sistemin aS entro-pi değişimini belirtir Yalıtılmış bir sistemin entropisi, yalnızca artan bir hal işlevidir: Buna entropi artışı yasası adı verilir



ÜÇÜNCÜ İLKE Üçüncü ükenin amacı, entropinin değerini anlaşmazlığa neden olmadan saptamaktır Bir sistemin entropi değişimi tanımlanmıştır ve bu hal işlevi başka bir hale başvurularak saptanabilir Dolayısıyla entropinin kökeni tanımlanabilmiş ve böylece Nernst-Planck postulatı oluşturulmuştur: Her termodinamik sistemin entropisi, termodinamik sıcaklığı sıfıra yaklaştığı zaman sonlu bir değere yaklaşır Bu sınır değer, ne basınç gibi başka parametrelere, ne de sistemin haline bağımlı değildir; bu değer çeşitli bileşenlerin ze kadar çok düşük sıcaklıklarda yapılan bütün ölçümlerle doğrulanmıştır Herhangi bir cismin entropisini tümüyle tanımlamak için mutlak sıfırda her cisim için S = 0 'm ortaya konması yeterlidir Nernst-Planck postulatının ilginç bir sonucu, mutlak sıfıra erişmenin olanaksızlığıdır



İSTATİSTİKSEL TERMODİNAMİK

Klasik termodinamik, kuramsal bir yaklaşımla değil de, daha çok sonuçlarının tümü aracılığıyla doğrulanan çok genel nitelikli birkaç postulattan yola çıkarKlasik termodinamik, gerçekte mikroskopik düzeydeki olayları göz önüne almayı reddeder İstatistiksel termodinamik de herhangi bir sistemin mikroskopik halini tanımayı reddeder, ama gözlenen mikroskopik olayların tanınan yapıdaki (mekanik ya da elektriksel) çok sayıdaki olayın sonucu, ortalama etkisi olduğu ilkesinden hareket eder Böylece, bir gazın molekülleri her yönde durmaksızın ve büyük hızla yer değiştirirler Bu hareketler moleküllerin birbirlerine ve çeperlere çarpması nedeniyle sık sık değişirler, öyle ki moleküllerin yörüngeleri zikzaklı çizgilerdir Bir gazın denge'de olduğu söylendiğinde,burada istatistiksel bir denge söz konusudur:

Gazın moleküllerinin hiçbiri hareketsiz değildir ama bütün hareketi gözlenebilir Bu olay ortalama hız vektörünün (zaman ve moleküller bütününe etkiyen ortalama) sıfır olduğu söylenerek açıklanır Çeperlere birbirini entropilerinin toplamıdır Bu postulat günümü izleyen çarpmalar sonucunda doğrudan makroskopik ölçekte tanımlanmış basınç kuvveti olan ortalama bir kuvvet ortaya çıkar Molekül çalkantısın-daki bir artış, bir sıcaklık yükselmesine denk düşer Bu kuram türü, molekül büyüklükleri düzeyine erişilmesini sağlar



UYGULAMA ALANLARI

Klasik termodinamiğin üç ayrıcalıklı uygulama alanı vardır: Arı cisimler ya da karışımların termoelastik özelliklerinin incelenmesi; ısınm mekanik ya da elektriksel işe dönüşümünün incelenmesi; kimyasal termodinamik Bu üç ayrıcalıklı alanın dışında termodinamik şu ya da bu biçimde makroskopik fizik alanına girer Ayrıca, piroelektrik, piezoelektik, aşırı iletkenlik, termoelektrik etkiler, bir kondansatörün şarjına ya da bir metalin mıknatıslanmasına bağlı ısıl etkiler de sayılabilir
İstatistiksel termodinamik, sözgelimi, atmosfer yoğunluğunun yükseltiyle değişimini, çeşitli büyüklüklerin ortalama değerleri çevresindeki dalgalanmalarını, termoelektrik yayınımı, kütle ısılarını, paramagnetizmayı inceler En önemli uygulama alanlarından birini ısıl (termik) ışınımın incelenmesi ve kuramı oluşturur
Dolayısıyla termodinamik, fiziğin bağımsız bir dalından çok çerçeve bir bilim olarak ortaya çıkar İstatistiksel bakış açısı gitgide üstünlük kazanmaktadır __________________