Termodinamik ısı, iş, sıcaklık ve enerji arasındaki ilişki ile ilgilenen bilim dalıdır. Basit bir ifadeyle enerjinin bir yerden başka bir yere ve bir biçimden başka bir biçime transferi ile ilgilenir. Yunanca thermos (ısı) ve dynamic (enerji) terimlerinden gelir. Termodinamiğin toplamda dört yasası var. Dördü de ısı ve enerjinin nasıl yer değiştirebileceğiyle ilgilidir. İçlerinde en önemlisi İkinci Yasadır. Çünkü bu yasa aynı zamanda entropi ile ilgilidir.
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.
Termodinamiğin Birinci Yasası
Termodinamiğin Birinci Yasası bilindik bir gerçeği ifade eder. Enerji bir türden başka bir türe dönüştürülebilir fakat yaratılamaz veya yok edilemez. Genelde biraz daha teknik bir dille ifade edilmektedir. 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.
Birinci Yasanın asıl önemi İkinci Yasanın temellerini oluşturmasıdır. İkinci Yasa, her şeyin yıpranacağını, soğuyacağını, gevşeyeceğini, eskiyeceğini ve çürüyeceğini ifade eder. Sıcak su içindeki şekerin neden çözündüğünü, ve neden asla tekrar birleşip şeker oluşturmadığını açıklar.
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 İkinci Yasası ve Entropi
İkinci Yasa’yı daha iyi anlayabilmemiz için, “entropi” tanımını yapmalıyız. Bir tanıma göre entropi dağınıklık ve düzensizliğin ölçüsüdür. Bir iskambil destesi renklerine ve sayılarına göre, ikiden asa kadar dizilmişse, böyle bir destenin entropisi düşüktür. Kartları karıştırdığımız zaman da, destenin entropisi artar. Kartlar tamamen karıştığında entropi artık en yüksek değerine ulaşmış demektir; daha çok karıştırmakla düzen daha fazla bozulamaz.
Bunun yanı sıra entropiyi, bir şeyin bir işi yerine getirmek için enerji harcama yeteneği olarak da düşünebiliriz. Bu durumda, enerji harcama yeteneği ne kadar yüksekse, entropi düzeyi o derece düşük olmalıdır. Örneğin tamamen dolu bir pilin entropisi düşük olur; pil boşaldıkça entropi artar. Kurmalı bir oyuncak kuruluyken entropisi düşüktür; yayı boşaldıkça entropisi artar. Tamamen boşaldığın da, kendimiz enerji harcayarak tekrar kurarız. Bu sayede entropisini tekrar eski düşük seviyesine getiririz.
Termodinamiğin ikinci yasasına göre, dışarıdan enerji verilmediği sürece entropi hep artar, hiç azalmaz. Oyuncağın entropisi azalır fakat biz onu kurarak “iş yaparız”. Bunun sonucunda, bizim entropimizdeki artış miktarı, oyuncağın entropisindeki düşüş miktarını karşılar. 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.
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
