Evrendeki En Temel Yasalar: Termodinamik Yasaları Nedir?

Termodinamik; ısı ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi inceleyen ve bunlar arasındaki etkileşimleri açıklayan fiziğin bir alt dalıdır. Maddelerin makro özelliklerinin aslında mikro (atom ve molekül bazında) durumlarından kaynaklandığını söyler.

Fizikçiler evrendeki her şeyi olabildiğince sınıflandırır ve bunlara birer “sistem” derler. Çok sayıda parçacık ya da cisim içeren bu sistemler doğada her yerde bulunabilir: Örneğin maddeyi oluşturan atom ve moleküller, metallerdeki ve yarı-iletkenlerdeki elektronların kuantum gazları, galaksimizdeki süpernova patlamaları ile nötron yıldızlarının merkezindeki nükleer maddeler... Ya da evrenimizin başlangıcı olan Büyük Patlama ile üretilen atomaltı parçaçıklar; leptonlar,kuarklarlar ve gluonlar... Bunların her biri, çeşitli sistemleri oluşturur ve hatta kendileri de bazı diğer sistemlerin parçalarıdır.Yukarıda saydığımız bu sistemler birbirlerinden oldukça farklıdır. Ama bu farklılıklara rağmen bunların tamamı genel fizik yasalarına uymaktadırlar. Termodinamik yasaları, sistemlerin enerjileri ve entropileri hakkında bilgi sahibi olmamızı sağlar. Ayrıca incelenen sistemlerin gelecekteki durumlarını ve aralarındaki genel etkileşimleri bulmamıza katkıda bulunur. Tabii bunu yaparken sistemlerin çok fazla sayıda parçacık içermesinden dolayı istatistiksel olarak olaylara yaklaşır.

Termodinamik Açıdan Sistemler

Yukarıda saydığımız ve buraya sığdıramayacağımız sistemlerin tamamı, üç ana grupta incelenir. Bu inceleme, çevreleriyle olan enerji ve madde etkileşimlerine göre yapılır. O halde sırasıyla sistemleri tanımaya başlayalım:

1) İzole Sistemler:

Bu tür sistemler çevreleriyle hiçbir şekilde etkileşimde değillerdir. Yani çevreleriyle enerji yada madde alışverişi yapmazlar. Bu sebepten dolayı da sahip oldukları toplam enerji (mekanik,elektriksel vb...) korunur ve buradan yola çıkarak sistemin makrodurumları bulunabilir.

Bu sistemler idealize sistemlerdir ve gerçekte olanı yansıtmazlar. Doğada %100 izole hiçbir sistem yoktur. Sadece çok iyi izole edilmiş sistemler vardır - ki bunlarda da az sayıda olsa dahi çevreyle bir etkileşim yine de vardır.

2) Kapalı Sistemler:

Bu sistemlerde ise çevreyle sadece enerji alışverişi vardır, madde alışverişi yoktur. Uzun vadeli olarak enerji korunumundan bahsetmek pek mümkün değildir. Dolayısıyla bundan dolayı enerji sürekli aktarılır. Eğer ki kapalı sistemler çevresiyle denge halindeyse, enerjinin oratalama değeri olan sıcaklık iki sistemde de eşittir. Ve burada enerji akışı da artık durur. Sıcaklık yardımıyla sistemin makrodurumları bulunabilir.

3) Açık Sistemler:

Bu sistemler çevreleriyle hem enerji hem de madde alışverişi içerisindedirler. Dolayısıyla bu tür sistemlerde enerji ve ya madde korunumundan bahsedilemez. Eğer ki açık sistemler çevreleriyle denge halindeler ise, enerji ve parçacık sayıları, sahip oldukları sıcaklık ve kimyasal potansiyel enerji ile ilişkilidir.

Termodinamiğin Yasaları

Artık sistemler hakkında yeterli bilgiye sahibiz. Şimdi ise birbirinden farklı olan bu sistemlerin uyduğu yasalara yani termodinamik yasalarına geçelim.

Termodinamiğin Birinci Yasası

Yoktan enerji üretmek ya da var olan enerjiyi yok etmek için yapılan çalışmaların başarısızlıkla sonuçlanmasının ardından birinci yasa ortaya çıkmıştır. Yapılan deneyler sonucunda, kütle gibi enerjinin de korunduğu sonucuna ulaşılmıştır. Termodinamiğin Birinci Yasası, şu temel yargı ile ifade edilmektedir:

“Enerji var iken yok, yok iken de var edilemez, ancak bir halden diğer bir hale dönüştürülebilir.”

Bu yargı ile enerjinin yaratılamayacağı ve yok edilemeyeceği bilinerek tüm fiziksel ve kimyasal olaylar için enerji denklikleri yazılır. Eğer bir sistem ya da obje enerji kazanırsa bu enerji mutlaka dışardan bir yerden gelmek zorundadır. Birinci kanunu matematiksel olarak kanıtlamak olanaksızdır fakat doğadaki hâl değişimlerinin tümünün birinci kanuna uyduğu bilinir. Bu da yeterli bir kanıt olarak sayılabilir.

Giren Enerjilerin Toplamı=Çıkan Enerjilerin Toplamı

Enerji Dönüşümü / Enerji Değişimi= Giren Enerjilerin Toplamı – Çıkan Enerjilerin Toplamı

Termodinamiğin İkinci Yasası

Birinci yasa, enerjinin miktarı ve korunumunu ortaya koyarken ikinci yasa, enerjinin işe dönüşebildiği kısmı yani kalitesini ele almaktadır.

Termodinamiğin İkinci Yasası, hal değişimlerin herhangi bir yönde değil, belirli bir yönde gerçekleşeceğini söyler. Termodinamiğin Birinci ve İkinci Yasası’nı sağlamayan bir hal değişimi gerçekleşemez.

Enerji, daima kendini yok etme eğilimindedir. Yani, yüksek potansiyellere ulaşan enerji, kendini daha düşük yoğunluğa sahip başka bir enerji formuna dönüştürme eğilimindedir.

Termodinamiğin İkinci Yasası, gerçekleşen olayların entropiyi artıracak yönde (enerji miktarının azalması yönünde) gerçekleştiğini ifade etmektedir.  Doğadaki bütün olaylar ikinci yasaya nedeniyle gerçekleşir.

Termodinamiğin İkinci Yasası şu temel yargıyı ortaya koymaktadır:

“Enerjinin tamamı faydalı işe çevrilemez, bir kısmı sistemin içsel bütünlüğünü korumak için kullanılır.”

İkinci yasaya göre, herhangi bir süreçte bir sistem ve çevresindeki entropi değişimi ya “sıfır” yada “pozitiftir”. Yani evrenin entropisi sürekli artma eğilimindedir. Bu durumda, ikinci yasaya göre evrendeki hem enerji hem de madde zaman ilerledikçe daha az faydalı iş yapabilir hale gelmektedir.

Bir sistemin enerjisi ne kadar fazla ise o kadar fazla iş yapılabilir. Bununla birlikte, bir sistemin sahip olduğu enerjinin tümü iş yapmada kullanılamaz; bir kısım enerji sistemin içsel bütünlüğünün korunması için saklanır. Bu durumda iş yapabilmede kullanılan enerji genellikle serbest enerji olarak adlandırılır. Serbest enerji, bazen ekserji (exergy) olarak da adlandırılır.

Termodinamiğin Üçüncü Yasası

Termodinamiğin üçüncü kanunu, mutlak sıfır sıcaklığındaki maddelerin entropisi ile ilgilidir ve esas olarak mükemmel bir kristal maddenin mutlak sıfır sıcaklığındaki (-273C°) entropisinin sıfır olduğunu ifade eder. Bu kanunla entropi için başlangıç değer şartları belirlenir.

Mutlak sıfır, bir cismin keyfi olarak yakınlaşabileceği, ancak asla erişemeyeceği bir sıcaklıktır. Laboratuarda 2.0 x 10-8 K kadar düşük sıcaklıklar elde edildi, ancak mutlak sıfıra ulaşılamadı.

Termodinamiğin Üçüncü Yasası şu temel yargıyı ifade etmektedir:

“Bir nesnenin sıcaklığını sonlu sayıda aşamada mutlak sıfıra indirmek olanaksızdır.”

Kaynaklar: 

https://evrimagaci.org/evrendeki-en-temel-yasalar-termodinamik-yasalari-nedir-neler-soyler-8505

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