Buhar makinesi dünyayı modernleştirmeye başladığından beri termodinamiğin ikinci yasası ve beraberinde entropi kavramı fizik, kimya, mühendislik ve biyoloji üzerindeki hükmüne devam ediyor. Peki entropi tam olarak nedir?
Bir fincan sıcak çayı masanın üzerinde bırakırsanız veya herhangi bir nesneyi daha serin bir ortamda bırakırsanız, kaçınılmaz olarak soğuyacaktır. Ancak bunun tam olarak nasıl gerçekleşeceğini bize ancak termodinamik söyleyecektir.
Termodinamik ısı, iş, sıcaklık ve enerji arasındaki ilişki ile ilgilenen bilim dalıdır. Yunanca thermos (ısı) ve dynamic (enerji) terimlerinden gelir. Basit bir ifadeyle enerjinin bir yerden başka bir yere ve bir biçimden başka bir biçime transferi ile ilgilenir.
Termodinamik ile kavramlar çoğunlukla 1800’lerde, buhar makinelerinin Sanayi Devrimi’ni yönlendirmesiyle ortaya çıktı. Sonuç olarak, termodinamik daha iyi motorlar ve makineler yapmada pek yardımcı olmadı. Bunun yerine, tüm değişim süreçlerini yöneten kriterler sağlayarak modern fiziğin temel direklerinden biri haline geldi.
Termodinamik Yasaları Nelerdir?
Klasik termodinamikte yalnızca bir avuç yasa vardır ve bunların en temel olanları birinci ve ikinci yasadır. Numaralandırma garip bir biçimde sıfırdan başlar, üçte sonlanır. İlk iki yasa yani sıfırıncı ve birinci yasa sıcaklık ve enerjiyi anlatır. Bir sonraki yasa da karşımıza entropi kavramı çıkar. Son yasa ise daha teknik sorunlara ilgilidir.
Termodinamiğin Sıfırıncı Yasası Nedir?
Termodinamikte, sistem kelimesini sık duyarsınız. Sistem bir demir blok, bir bardak su, bir motor, bir insan vücudu olabilir. Hatta sistem, bu varlıkların her birinin sınırlı bir parçası da olur. Sistemin geri kalanı da çevre olarak adlandırılmaktadır. Çevre, sistem üzerinde gözlem yapmak için bulunduğumuz ve onun özelliklerini çıkarsadığımız yerdir.
Sıfırıncı yasa sonradan akla gelen bir düşüncedir. Akla geldiği zamanlarda birinci ve ikinci yasa iyice kökleşmiş olduğu için, 1931 yılında Ralph H. Fowler tarafından “sıfırıncı yasa” olarak tanımlanmıştı.
Sıfırıncı yasa sistemlerin ne zaman mekanik dengede olacağını tahmin etmemizi mümkün kılan bir fiziksel özellik olduğunu belirtir. Ayrıca iki sistemin ne zaman termal dengede olacağını tahmin etmemizin mümkün olduğunu da söyler. Bu evrensel özelliğe sıcaklık deriz.
Termodinamiğin Birinci Yasası Nedir?
Termodinamiğin Birinci Yasası bilindik bir gerçeği ifade eder. Enerji vardan yok edilemez, yoktan var edilemez. Sadece bir biçimden diğerine dönüşür. (örneğin ısıdan elektriğe). Enerji kendiliğinden ortaya çıkamaz. Eğer bir sistem ya da cisim enerji kazanırsa bu enerji mutlaka başka bir kaynaktan sağlanmak zorundadır.
Bir sistemin iç enerjisindeki değişim, sisteme dışarıdan verilen ısı eksi sistemin çevresi üzerinde yaptığı iş miktarına eşittir. Özü itibarıyla bu yasa “her şey iş yapmak için enerjiye ihtiyaç duyar” anlamına gelir.
Sıfırıncı ve birinci yasalar için gördüğümüz gibi bizi termodinamik bir özelliğini tanımaya yönlendirir. Sı fırıncı yasada sıcaklık ve birinci yasada enerji kavramını tanımlarız. Benzer şekilde, ikinci yasa da termodinamiğin bir başka özelliğinin varlığına işaret eder. Bu ise entropidir.
Evinizi tamamen düzelttikten kısa süre sonra yeniden dağınık hale geldiğini hiç fark ettiniz mi? Bu düzenden düzensizliğe geçme eğiliminin bir adı vardır ve buna entropi denir. Entropi bir sistemdeki düzensizliktir.
Termodinamiğin İkinci Yasası ve Entropi Nedir?
İkinci Yasa, termodinamik süreçlerin, yani ısı enerjisinin transferini veya dönüşümünü içeren süreçlerin geri döndürülemez olduğunu belirtir çünkü hepsi entropide artışa neden olur.
En basit tanımıyla entropi, bir sistemdeki düzensizliğin ölçüsüdür. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, entropi yalnızca artar. İkinci Yasanın belki de en önemli çıkarımlarından birinin bize zamanın termodinamik okunu vermesidir.
Örneğin siz yıkamadığınız sürece bulaşıklar lavaboda birikir. Sonucunda da düzensizlik hızla artacaktır. Düzensizlikten kurtulmak ancak bulaşıkları yıkamakla olacaktır. Ancak bunun için de enerji harcamamız gereklidir. Ayrıca termodinamiğin birinci yasasına göre hiçbir makine %100 verimle iş yapamaz ve enerjinin bir kısmı ısı olarak dışarıya dağıtılmaya mahkumdur.
Termodinamiğin ikinci yasası, istatistiksel ilkeleri kullanarak çok sayıda nesnenin davranışını tanımlayan istatistiksel mekanik alanından gelir. Bunun yararlı olduğu bariz bir yer, gazların veya sıvıların davranışıdır.
Entropi çok karmaşık bir konudur. Sadece uygulandığı sistem aracılığıyla tanımlanabilir, bu nedenle farklı akademik alanlar bir şekilde bu kavramın belirli unsurlarına odaklanacaktır. Bunun sonucunda farklı tanımlamalara rastlamanız mümkündür. Entropinin matematiksel formülü aşağıda gördüğünüz gibi Ludwig Boltzmann’ın mezar taşında yer almaktadır.
Entropiyi ifade eden geleneksel matematiksel sembol S’dir. Hem bu hem de adı, konu üzerine detaylı çalışmalar yapan Alman matematikçi ve fizikçi Rudolf Clausius’a (1822-1888) tarafından tanımlanmıştır. Entropide olan değişiklik ΔS biçiminde gösterilirse kısa ve öz bir temsili şu şekilde olur: ΔS ≥ 0
Termodinamiğin Üçüncü Yasası
Termodinamiğin üçüncü yasası, bir sistemin özelliklerini ve entropinin mutlak sıfır olarak bilinen benzersiz bir ortamdaki davranışını tahmin eder. (Mutlak sıfır, bilinen en düşük sıcaklıktır. Mutlak sıfır 0 Kelvin veya -273,15 santigrat derece olarak bilinmektedir.)
Üçüncü yasa, bir sistemin sıcaklığı mutlak sıfıra yaklaştıkça entropisinin sabit hale geldiğini veya entropideki değişimin sıfır olduğunu belirtir. Üçüncü yasa, günlük yaşamlarımıza nadiren uygulanır. Bu yasa bizi bilinen en düşük sıcaklıklarda nesnelerin dinamiklerini yönetir.
Sonuç olarak
Termodinamik, modern fizikte hala merkezi bir rol oynamakta olup, bilgi bilimi, kuantum mekaniği, kozmoloji ve hatta yaşam ve bilinç teorilerindeki araştırmaların temelini oluşturmaktadır. Bu nedenle genel görelilik ve kuantum mekaniği ile birlikte modern fiziğin de temel taşıdır. Herhangi bir nihai “her şeyin teorisi”nin termodinamik yasalarıyla tutarlı olması gerekecektir.
İngiliz astrofizikçi Arthur Eddington’ın 1920’lerde termodinamiğin “doğa yasaları arasında en üstün konumda” olduğunu şu cümlelerle ifade etmişti. “Teorinizin termodinamiğin ikinci yasasına aykırı olduğu bulunursa size hiçbir umut veremem.”
Yazının devamında göz atmak isterseniz: Termodinamik Yasaları Çerçevesinde Odanızı Neden Toplamamalısınız?
Kaynaklar ve İleri Okumalar:
- Maths in a minute: The second law of thermodynamics. Yayınlanma tarihi: 2 Haziran 2016; Kaynak site: Plus Math. Bağlantı: Maths in a minute: The second law of thermodynamics/
- Kostic MM. The Second Law and Entropy Misconceptions Demystified. Entropy (Basel). 2020 Jun 11;22(6):648. doi: 10.3390/e22060648. PMID: 33286420; PMCID: PMC7517180.
- What is entropy, and why is it always increasing? Yayınlanma tarihi: 2 Ocak 2021; Kaynak site: ZME. Science. Bağlantı: What is entropy, and why is it always increasing
- Physicists Rewrite the Fundamental Law That Leads to Disorder. Yayınlanma tarihi: 26 Mayıs 2022. Kaynak site: Quanta. Bağlantı: Physicists Rewrite the Fundamental Law That Leads to Disorder
Matematiksel
