Fizik yasalarının kesin yasalar olduğunu kabul ederiz. Ancak bazen yeni bir çalışma gerçekleşir ve kesin biçiminde kabul ettiğimiz yasalardan çok da emin olmamamız gerektiğini bize anımsatır. İşte böyle bir çalışma geçtiğimiz günlerde gerçekleşti. Üstelik bu çalışma kesin değişmezler biçiminde düşündüğümüz termodinamik ile ilgiliydi. Anlaşılan termodinamiğin birinci yasasını yeniden gözden geçirmemiz gerekecek.
Batı Virginia’daki fizikçiler, termodinamiğin birinci yasası tarafından dayatılan uzun süredir devam eden bir kısıtlamayı ortadan kaldırmaya yardımcı olabilecek potansiyel bir buluşu geçtiğimiz günlerde duyurdular. Enerjinin uzaydaki plazmalara nasıl dönüştürüldüğünü içeren keşif, Physical Review Letters dergisinde yayınlanan yeni araştırmada açıklandı.
Ancak elbette öncesinde konuya yabancı olanlar için kısaca bu yasanın ne olduğundan bahsetmeliyiz. Aslında daha fazla bilgiyi öncesinde bu yazımızda da okumak isteyebilirsiniz: Entropi Nedir? Termodinamiğin İkinci Yasası Tam Olarak Ne Anlama Geliyor?
Termodinamiğin Birinci Yasası Nedir?
Bu yasa evrendeki toplam enerji miktarının her zaman aynı kaldığını belirtir. Enerji ne yaratılabilir ne de yok edilebilir; yalnızca bir biçimden diğerine dönüştürülebilir. Bu yasa, 1850’lerde keşfedildiğinden beri fizikçiler tarafından pek çok farklı amaçlar kullanılmıştır.
Termodinamiğin toplamda dört yasası vardır. Dördü de ısı ve enerjinin nasıl yer değiştirebileceğiyle ilgilidir. 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 Birinci Yasası bilindik bir gerçeği ifade eder. Enerji bir türden başka bir türe dönüşür. Ancak 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 yasaya göre enerji vardan yok edilemez, yoktan var edilemez. Sadece bir biçimden diğerine dönüşür. (örneğin ısıdan elektriğe). Buna karşın dışarıdan (çevre) sisteme (ilgilendiğiniz şey) enerji eklenebilir.
Enerji kendiliğinden ortaya çıkamaz. Eğer bir sistem ya da cisim enerji kazanırsa bu enerji mutlaka başka bir kaynaktan sağlanmak zorundadır. Sıfırıncı ve birinci yasalar ile gördüğünüz gibi enerji kavramını yeniden tanımlarız.
Birinci Yasa İle ilgili Sorun Nedir?
Birinci yasa, yalnızca sıcaklıkların düzgün bir şekilde tanımlanabildiği sistemlerde, yani ölçülebilir bir dengeye ulaşabilen sistemlerde geçerlidir. Ancak günümüzde etrafımızdaki evrenle ilgili daha ayrıntılı soruları yanıtlamaya çalışıyoruz. Bu nedenle araştırmacılar uzun süredir birinci yasayı dengede olmayan sistemlere uygulamanın bir yolunu bulmaya çalışıyorlar.
Günlük hayatımızda termodinamik açıdan dengede olmayan sistemleri gözlemlememiz mümkün olmasa da daha büyük ölçekte düşündüğümüz zaman durum değişecektir. Bu tip sistemleri bulmak için evrenin kendisine bakmamız gerekir.
Belirli ortamlarda (uzay plazmalarında olduğu gibi), sistemler dengeye yakın olmaktan uzaktır. Bu nedenle bilindik yaklaşımlar iyi çalışmaz ve enerji dönüşümünü açıklamak daha zordur.
Temel olarak, termodinamik dengede olan sistemlerde enerji dönüşümü yoğunluk ve basınç ile açıklanır. Ancak daha karmaşık sistemlerde enerji dönüşümüne çok daha fazla değişken eklenmelidir. Araştırma ekibinin başarısı, yoğunluk ve basınçla tanımlanmayan tüm enerji dönüşümünü ölçmenin bir yolunu bulmalarıydı.
Bunu araştırmacılar şu şekilde ifade ediyorlar: “Dengede olmadığında gazı, sıvıyı, plazmayı vb. tanımlayan diğer tüm niceliklerle ilişkili enerji dönüşümünün termodinamiğin birinci yasasına dahil olmadığını fark ettik. Bunun üstesinden gelmek için yalnızca yoğunluğu ve sıcaklığı değiştiren enerji dönüşümünü değil, aynı zamanda dengede olmadığında sistemi tanımlayan diğer tüm nicelikleri de ölçen bir denklem türettik.”
Sonuç Olarak;
Bulguları eğitimsiz bir göz için sadece sayılar yığını olacaktır. Ancak fizikçiler için bu denklem çok fazla şey ifade ediyor. Sonucunda fiziğin temel yapı taşlarına ilişkin anlayışımızda bu tür bir değişiklikler sık olmaz. Bu nedenle gerçekleştiğinde, alanı ve onunla ilişkili olanları büyük ölçüde etkileme potansiyeline sahiptir.
Araştırmacılar bulguları şimdilik sadece kağıt üzerinde olsa da potansiyel faydaları yakın zamanda fark edilecektir. Bu durum ayrıca asırlık ve asla değişmez dediğimiz yasaların bile, gelişmeler sonucunda yeniden şekillenebileceğini bizlere anımsatıyor.
Kaynaklar ve ileri okumalar:
- The First Law of Thermodynamics Has Been Rewritten. Yayınlanma tarihi: 24 Şubat 2023; Bağlantı: https://www.popularmechanics.com/
- Physicists find the first law of thermodynamics is even more useful than thought. Yayınlanma tarihi: 24 Şubat 2023; Bağlantı: https://www.thehindu.com/
- Paul A. Cassak, M. Hasan Barbhuiya, Haoming Liang, and Matthew R. Argall, Phys. Rev. Lett. 130, 085201 – Published 22 February 2023
Size Bir Mesajımız Var!
Matematiksel, 2015 yılından beri yayında olan ve Türkiye’de matematiğe karşı duyulan önyargıyı azaltmak ve ilgiyi arttırmak amacıyla kurulmuş bir platformdur. Sitemizde, öncelikli olarak matematik ile ilgili yazılar yer almaktadır. Ancak bilimin bütünsel yapısı itibari ile diğer bilim dalları ile ilgili konular da ilerleyen yıllarda sitemize dahil edilmiştir. Bu sitenin tek kazancı sizlere göstermek zorunda kaldığımız reklamlardır. Yüksek okunurluk düzeyine sahip bir web sitesi barındırmak ne yazık ki günümüzde oldukça masraflıdır. Bu konuda bizi anlayacağınızı umuyoruz. Ayrıca yazımızı paylaşarak veya Patreon üzerinden ufak bir bağış yaparak da büyümemize destek olabilirsiniz. Matematik ile kalalım, bilim ile kalalım.
Matematiksel
Selâm.yazı çok önemli bu sebeple sitenizi keşfettim.başarılar