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. Bu, yatak odanızın dağınıklığından, termodinamik ve bilgi teorisi gibi konulara ve Evrenin nihai kaderine kadar bağlama göre değişen tanımları olan bir kavramdır. En basit tanımıyla, yüksek derecede entropi, yüksek bir düzensizlik durumu ile ilişkilidir. Tersine, düşük entropi ise daha organize bir durum ve düşük düzeyde düzensizlik anlamına gelir. Bu kavram Termodinamiğin ünlü İkinci Yasası ile ilişkilidir. Zamanla, yalıtılmış bir sistemin toplam entropisi asla azalmaz, başka bir deyişle: entropi yalnızca artabilir veya aynı kalabilir.
Termodinamik ısı, iş, sıcaklık ve enerji arasındaki ilişki ile ilgilenen bilim dalıdır. Basit bir ifadeyle termodinamik, enerjinin bir yerden başka bir yere ve bir biçimden başka bir biçime transferi ile ilgilenir. Yunanca thermos (ısı) ve dynamic (enerji) terimlerinden gelir. Termodinamik yasaları iş, ısı ve enerjinin bir sistemi nasıl etkilediğini tanımlar. Burada sistem enerjinin aktarıldığı, sınırlanmış herhangi bir sonlu bölgedir. Sınırın dışındaki her şey onun çevresini oluşturur. Termodinamik deyince de elbette aklımıza onun meşhur yasaları gelir.
Termodinamik Yasaları
Termodinamiğin Birinci Yasası
Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin ne yaratılabileceğini ne de yok edilebileceğini belirtir; yalnızca formları değiştirebilir. Bir tabakta bir buz küpü bırakın. Birkaç dakika içinde eriyecek ve suya dönüşecektir. Buz, çevredeki havadan ısıyı emer, çevredeki hava soğur ve bu esnada buz suya dönüşür. Bu durumda ısının emilmesinden dolayı maddenin durumu değişmektedir. Buzun iç enerjisi havadan enerji emdikçe artmaktadır. İşlem devam ederse, su çok uzun süre bu ortamda bırakılırsa buhara dönüşür. Sistemin iç enerjisi, değişmeye devam eder. Kısacası termodinamiğin birinci yasası enerji akışını yönetir. Ancak bazı sınırlamaları vardır. Bir değişikliğin gerçekleşebileceği yönü tanımlamaz ve bir değişikliğin tersine çevrilebilir olup olmadığını söylemez. Bu ihtiyaç, termodinamiğin ikinci yasası olarak bildiğimiz şeyi doğurmuştur.
Termodinamiğin İkinci Yasası ve Entropi
Bu noktada kendiliğinden oluşan sürecin ne olduğunu anlamanız gerekir. Termodinamikte kendiliğinden oluşan bir süreç, herhangi bir dış müdahale olmaksızın gerçekleşebilen bir süreçtir. Bununla birlikte, insanlarının herhangi bir olayın kendiliğin nasıl oluşacağını tanımlamaya ihtiyaçları vardır. Bir değişimin gerçekleşebileceği yönü de tanımlamaya ihtiyaçları vardır. Bu ihtiyaçlar, termodinamiğin ikinci yasası olarak bildiğimiz şeyi doğurmuştur. Termodinamiğin ikinci yasası, kendiliğinden oluşan bir süreçte, evrenin toplam entropisinin her zaman arttığını belirtir. Sistemlerdeki düzensizlik arttıkça, entropi de ona paralel olarak artar. Entropinin sıfırdan küçük olma durumu imkansızdır. Eğer bir sistem tamamı ile düzenli ise entropisi sıfır olabilir. Entropibir enerji değil bir durum değişkenidir. Durum değişkeni, basınç, sıcaklık ve hacim gibi bir sistemin fiziksel durumunu tanımlayan bir değişkendir. 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 Termodinamiğin İkinci Yasasının 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 uygulanabilir ve bilinen en düşük sıcaklıklarda nesnelerin dinamiklerini yönetir. Yukarıda verdiğimiz buz örneğini ele alalım. Yukarıdaki örneğe benzer şekilde, bir bardak buzlu su ve bir bardak sıcak su alıp bunları birkaç saat boyunca mutfak tezgahına yerleştirirseniz, en sonunda, 3’ü de odanın termal dengesine ulaşır.
Termodinamiğin 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. Örnek olarak dondurucuya bir et paketi koyarsanız ve gece boyunca bırakırsanız, etin dondurucu ile ve dondurucudaki diğer maddelerle aynı sıcaklığa ulaştığını göreceksinizdir.
Evrenimizin Entropisi
Tüm Evren kapalı bir sistem olarak kabul edilir, çünkü ona dışarıdan etki eden hiçbir şey yoktur. Bu, termodinamik yasaları doğrultusunda evrenin entropisinin artmasına ve büyük ölçekte her şeyin düzensizliğe yönelmesine yol açar. İkinci Yasanın bu sonucu, Evrenin ‘ısı ölümü’ olarak bilinir. Yıldızlar, evren için enerji kaynağıdır. Son yıldız son fotonunu yayınladığında, entropi seviyesi inanılmaz derecede yüksek olacaktır. Evrenin entropisini artıracak enerji kalmayacağı için evrenin bahsedilen ölümü gerçekleşecektir. Elbette bu bir teori ancak gerçek olsa bile bu olay için milyarlarca yıl daha geçmesi gereklidir.
Kaynaklar ve İleri Okumalar:
- Energy, Enthalpy, and the First Law of Thermodynamics; http://chemed.chem.purdue.edu/
- Entropy and the Second Law of Thermodynamics: Disorder and the Unavailability of Energy; https://courses.lumenlearning.com
- Joel L. Schiff; The Mathematical Universe: From Pythagoras to Planck; Springer Praxis Books
- Termodinamik kanunları; https://tr.wikipedia.org/
Matematiksel
